5.4 光合作用与能量转化课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第4节　光合作用与能量转换 教学目标: 1．尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类及功能 2.运用结构与功能相适应的观点，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点 3.通过对光合作用光反应阶段和暗反应阶段相关实验研究的思考和讨论，说明光合作用的过程，从物质与能量观，阐明光合作用原理，认同人类对光合作用的认识过程是逐步的、不断发展的。 一、捕获光能的色素和结构 （一）、捕获光能的色素 实验： 绿叶中色素的“提取”与"分离" 1、原理 （1）色素不溶于水，溶于有机溶剂 无水乙醇（体积分数95%乙醇+无水碳酸钠）提取 （2）色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散的快，反之慢 层析液分离（纸层析法） （一）提取绿叶中的色素： 2.研磨 1.称取5g新鲜绿叶，剪碎，放入研钵中 SiO2——使研磨充分 CaCO3 —防止色素被破坏 10ml无水乙醇—溶解色素 注意：研磨时要迅速、充分------防止乙醇挥发，充分溶解色素 色素含量高 3.过滤：将研磨液迅速倒入玻璃漏斗（基部放置单层尼龙布 ）中过滤，将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口封严。 过滤叶片残渣、二氧化硅 防止乙醇挥发，色素被氧化 （二）制备滤纸条 画铅笔细线 将干燥的定性滤纸剪成稍小于试管长与直径的滤纸条，将一端减去两角，并在距这一端1厘米处用铅笔画一条细线。 剪去两角的目的：防止两侧色素扩散快，色素带不整齐 铅笔线 （三）.画滤液细线 用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀划出一条细线， 滤液细线 要求：细、齐、直。 待滤液干后，重复1-2次， 目的：滤液细线积累更多色素，使色素带清晰分明。 使分离出的色素带平整不重叠 （四）分离色素：纸层析法 层析液 培养皿 ★层析液不能触及滤液细线 原因：防止色素溶解于层析液中 防止层析液挥发 插滤纸条 层析液 培养皿 ★层析液不能没及滤液线 胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b （五）观察与记录 叶绿素b：黄绿色 胡萝卜素：橙黄色 叶黄素：黄色 叶绿素a:蓝绿色 ①从色素带的宽度可推知色素含量的多少； ②从色素带的位置可推知色素在层析液中溶解度大小； ③在滤纸上相邻色素带间，距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素 与叶黄素 （二）、色素的种类 叶绿素a (蓝绿色) 类胡萝卜素 胡萝卜素（橙黄色） 叶黄素（黄色） 叶绿素 叶绿素b（黄绿色） 1 /4 3 /4 1.种类 试分析分离色素时色素带颜色过浅的原因。 提示：(1)叶片颜色太浅； (2)叶片放置时间太久； (3)研磨不充分； (4)未加CaCO3粉末； (5)加入提取液量太多。 误差分析 （1）没得到色素带：____________________________ （2）得到两条色素带（上两条）：_____________________ （3）色素带出现重叠现象：_______________________ 滤液细线触及层析液 绿叶不新鲜 滤液细线不细、不直 主要吸收红光和蓝紫光 主要吸收蓝紫光 实验表明：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。 可见光的波长400~760nm，小于400nm紫外光，大于760nm红外光 （1）叶片呈现绿色的原因是什么？ （2）为什么许多植物到了秋天叶子就变黄了？ 红叶是怎么回事呢？ （3）植物工厂里为什么不用发绿光的光源？最好用什么光源补充？大棚种植蔬菜应选择什么颜色的塑料薄膜？ 绿叶几乎不吸收绿光，把绿光反射出来呈现绿色 叶绿素不稳定，低温把叶绿素分解，使叶片呈现类胡萝卜素的颜色 红叶是由叶子为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，形成红色花青素，叶绿素被降解 绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法运用到光合作用中制造有机物。红光或蓝紫光，无色透明 3．影响叶绿素合成的因素 (1)光照：光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。 (2)温度：温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。低温时，叶绿素分子易被破坏，而使叶子变黄。 (3)必需元素：叶绿素中含N、Mg等必需元素，缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成，叶变黄。另外，Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也将导致叶绿素合成受阻，叶变黄。 色素的功能：吸收、传递、转化光能 只有一少部分处于特殊状态的叶绿素a能转化光能 （一）结构 类囊体堆叠而成，分布光合色素、酶 叶绿体基质：酶 双层膜 基粒： 基质 基粒 内膜 外膜 叶绿体捕获光能、进行光合作用的基础 二、叶绿体的结构适于进行光合作用 （二）、叶绿体功能 恩格尔曼实验一 1.恩格尔曼实验的结论是什么？ 氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 恩格尔曼实验二 2·大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。 恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？ 实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。 恩格尔曼的实验直接证明叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。 二、光合作用的原理和应用 光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成有机物，并且释放出氧气的过程。 C O2+H2 O 叶绿体 光能 （C H2 O ）+ O2 （一）、探索光合作用原理的实验 19世纪末，CO2中的C和O分开，O2释放，C和H2O结合成甲醛，甲醛缩合成糖 1928年，发现甲醛对植物有害，并且不能通过光合作用转化成糖 1937年，希尔反应：在离体叶绿体的悬液（有H2O无CO2 ）中加入铁盐或其他氧化剂，适当条件发生水的光解，产生氧气 1941年，鲁宾和卡门的同位素标记法——氧气的来源 1954年，阿尔农：在光下叶绿体可合成ATP，并伴随水的光解 特殊状态下叶绿素a可以把光能转化为电能。被激发失去电子后成为强氧化剂。 失去电子 从水中抢电子 H2O O2 H+ NADP+ NADPH ADP+Pi ATP 供氢 供能 还原 供能 光合色素作用：吸收、传递、转化光能 光能 大部分叶绿素a，全部叶绿素b 、胡萝卜素、叶黄素吸收传递 还原型辅酶Ⅱ 氧化型辅酶Ⅱ 酶 酶 光能 电能 NADPH、ATP活跃化学能 （二）、光合作用的反应过程 光 叶绿素a 氧化的 叶绿素a 光 H2O O2 e H+ 能量 ADP+Pi ATP NADP+ NADPH 供能 供氢 2C3 (CH2O)n C5 CO2 固定 还原 多种酶参与 光反应 暗反应 光反应阶段与暗反应阶段的比较 项目 光反应阶段 暗反应阶段 区 别 场所 条件 物质变化 能量转化 类囊体的薄膜上 叶绿体基质 多种酶、ATP、NADPH、CO2 ATP中活泼的化学能转化为糖类等有机物中稳定的化学能 水的光解：H2O 光 NADPH+O2 光 ADP+Pi ATP 酶 CO2的固定：CO2+C5 2C3 C3的还原：2C3 （CH2O）＋C5 ，NADPHATP 酶 ATP ADP+Pi 酶 联 系 1、光反应为暗反应的进行提供NADPH和ATP 2、暗反应为光反应的进行提供ADP和Pi 3、两者紧密联系，能量转化与物质变化密不可分，光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转 光、色素、酶、水ADP+pi/NADP+等 光能→电能→活跃化学能 1．光反应为暗反应提供两种重要物质：[H]和ATP，[NADPH]作用：还原剂+提供能量+供氢；其实暗反应为光反应也提供物质：如ADP和Pi；NADP+等，注意产生位置和移动方向。 2．没有光反应，暗反应无法进行，所以晚上植物只进行呼吸作用，不进行光合作用；没有暗反应，有机物无法合成，生命活动也就不能持续进行。光反应停止，暗反应可以短时间进行，长时间停止；没有暗反应，光反应也会停止。 3．色素只存在于光反应部位——叶绿体类囊体薄膜上，但光反应和暗反应都需要酶参与，所以与光合作用有关的酶存在于两个部位——叶绿体类囊体薄膜上和叶绿体基质中，但暗反应中酶的种类和数量多。四种光合色素都能吸收传递光能，但只有叶绿素a才能转化光能。色素吸收传递不需要酶。 4．若同一植物处于两种不同情况下进行光合作用 甲：一直光照10分钟；乙：光照5秒，黑暗5秒，持续20分钟，则光合作用制造的有机物：甲<乙(暗反应时间长)。 5．最终的电子供体是水，最终的电子受体为ADP+Pi;NADP+ 特别提醒： 请分析光下的植物突然停止光照后，其体内的C5化合物和C3化合物的含量如何变化？ 停止光照 光反应停止 光照不变，突然停止CO2的供应后，C5和C3的含量如何变化？ NADPH ↓ ATP↓ ▲C3增加原因：①C3还原受阻积累；②C5和CO2继续固定成C3。▲C5减少原因 C3 ↑ C5 ↓ CO2 ↓ ▲C3减少原因：①C3继续被还原成C5;② CO2减少，C5和CO2固定成C3减少。▲C5增加原因 C3 ↓ C5 ↑ 色素分子 光能 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 NADPH 多种酶 酶 （CH2O） CO2 吸收 光解 固定 供能 还原 供氢 知识 拓展3： 光照CO2变化对植物细胞内C3、C5、NADPH、O2、CH2O含量影响： 改变条件 C3含量 C5含量 NADPH和ATP含量 (CH2O) 合成量 O2含量 停止光照，CO2 供应不变　　　 增加 减少 减少 减少 减少 突然光照，CO2 供应不变　　　 减少 增加 增加 增加 增加 光照不变，停止CO2 供应 减少 增加 增加 减少 减少 光照不变，CO2供应增加 增加 减少 减少 增加 增加 6CO2+6H2O 2C6H12O6+ 6O2 能量 ——能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用 例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌 三、化能合成作用的概念： 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 硝化细菌 2HNO2+O2 2HNO3+能量 硝化细菌 四、光合作用原理的应用 (一)光合作用强度 ：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量 表示方法：用一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量表示（光合速率） 表观光合速率：在光照条件下，人们测得的CO2 吸收量是植物从外界环境吸收的CO2总量，叫表观光合速率。 真正光合速率：指植物在光照条件下，植物从外界环境中吸收的CO2的量，加上呼吸作用释放的CO2的量，即植物实际同化的CO2的量。 表观光合速率小于真正光合速率。 叶绿体 线粒体 CO2 O2 O2 CO2 O2 CO2 光合 = 呼吸 光合 > 呼吸 光合 < 呼吸 叶绿体 线粒体 CO2 O2 叶绿体 线粒体 CO2 O2 (二)影响光合作用强度的因素 1、动力—光能 （光照强度、光质、光照时间） 2、光合作用的原料—水、二氧化碳 3、酶—温度 4、场所—叶绿体 1.动力 ：光照（主要影响光反应） 　　在一定的光照强度范围内,光合速率随光照强度增加而加快（因为光反应产生的[H]和ATP增多,使暗反应加快,光合作用产物增加） 　　　当达到某一光照强度,光合速率不再加快(主要原因是受暗反应中酶和CO2供应量等的限制)。 （1）光照强度 光照强度 CO2吸收量 0 A B C 关键点含义： A点： 只进行呼吸作用。代表呼吸强度 B点： 光补偿点（光合作用强度=呼吸作用强度） C点： 光饱和点 D点： 光饱和点对应的光合强度 CO2吸收 CO2释放 0 光强 A B D 阳生植物 阴生植物:光补偿点饱和点都降低 应用：间作套种 A B 大于B A-B C CO2吸收 CO2释放 0 光强 A B C 若纵坐标改为O2吸收量O2释放量呢？ O2 吸收 O2 释放 0 光强 B C A 补充： 光合速率与呼吸速率表示方法 1.呼吸速率：单位时间内，植物在黑暗中测得的 CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。 2.表观光合速率：单位时间内，在光下测得的O2增（净光合速率） 加量、CO2减少量或有机物积累量。 真正光合速率=表观光合速率+呼吸速率 方法点拨1 若为坐标曲线形式，当光照强度为0时， CO2吸收值为0，则为真正光合速率， 若是负值则为净光合速率。 方法点拨2 若所给数值为有光条件下绿色植物的测定值，则为净光合速率。 方法点拨3 氧气释放量、有机物积累量为净光合速率，氧气产生量、有机物制造量为真光合速率。 光合作用实际吸收CO2量=实测吸收CO2 +呼吸释放CO2量 光合作用实际产生O2量=实测O2 释放量+呼吸消耗O2量 光合作用实际产生葡萄糖量=实测葡萄糖积累量+呼吸消耗葡萄糖量 项目 表示方法 净光合速率 CO2吸收量或小室中CO2减少量，O2释放量或小室中O2增加量、C6H12O6积累量 真正光合速率 CO2固定量、O2产生量或叶绿体CO2吸收量或叶绿体O2释放量、C6H12O6制造量 呼吸速率(遮光条件下测得) CO2释放量、O2吸收量或线粒体CO2释放量或线粒体O2吸收量、C6H12O6消耗量 白光为复合光，光合作用最强。 红光和蓝紫光有利于提高光合效率; 黄绿光不利于提高光合效率; （2）光质（光谱成分） （3）光照时间 　　不改变光合速率，但可以影响有机物产量。 2、原料：CO2浓度（主要影响暗反应） ①曲线分析：图1中A点表示CO2补偿点，即光合作用速率等于呼吸作用速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。B和B′点都表示CO2饱和点。②应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合作用速率。 A B 光合速率 0 CO2浓度 A B 植物进行光合作用的最低CO2浓度 总光合作用 若纵坐标变为CO2吸收量呢？ 0 C ● ● CO2饱和点 CO2补偿点 CO2吸收量 CO2浓度 净光合作用 呼吸速率 ● A ● CO2饱和点 总光合作用 a X-a X X C ● 夏季一天的时间 光合作用效率 O 光照强度 12 13 11 2、原料：水 10 15 14 水是光合作用的原料, 又是化学反应介质。缺水时气孔关闭，影响CO2进入植物体,使光合速率下降， 光 合 作 用 速 率 3、酶：温度（主要影响暗反应） ①曲线分析：温度是通过影响与光合作用有关的酶的活性而影响光合作用速率的。 ②应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。 关键点含义： B点： 最适宜温度 A点：速率低，酶活性低 ，可恢复。 C点：速率低，酶变性失 活，不可恢复。 0 光合速率 温度 总光合作用 呼吸速率 净光合作用 由此可见：光合作用和呼吸作用最适温度不同。植物净光合作用（生长）的最适温度不一定就是植物体内光合作用或呼吸作用酶的最适温度。 4、场所：叶绿体（矿质元素） ①曲线的含义：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高使植物吸水困难从而导致光合作用速率下降。 ②应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时地、适量地增施肥料，可以提高作物的光合作用。 5.多因子外界因素对光合作用速率的影响 P点前，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，P点到Q点之间，限制因子既有横坐标因素，也有其他因素。Q点后，横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子， 易考点之一： 用面积表示的总光合作用、净光合作用与呼吸作用关系图解： CO2吸收 CO2释放 0 光强 S2 S1 S3 总光合作用=S2+S3 呼吸作用=S1+S3 净光合作用=S2-S1 呼吸作用是光合作用的2倍 以面积表示的光合作用强度： 易考点之二： 环境条件改变后三点（呼吸强度、光补偿点、光饱和点）移动问题 CO2吸收 CO2释放 0 光强 A B C 若适当提高CO2浓度，ABCD点怎么移动？ 若适当提高温度，ABCD点怎么移动？ A:不动，B：左移，C：右上移 D:右移 A:下移，B：左移，C：右上移 D:右移 CO2吸收 CO2释放 0 A B C 凡是总效果使光合作用能力提高，光补偿点一定左移，光饱和点一定右移。C点一定右上移。 “适当”提高…意味着光合作用能力提高 D CO2吸收 CO2释放 0 光强 A B C 若曲线是在最适温度下测得，适当降低或提高温度，ABCD点怎么移动？ A:上移，B：右移，C：左下移 D左移 ★凡是总效果使光合作用能力降低，光补偿点一定右移，光饱和点一定左移。C点一定左下移。 CO2吸收 CO2释放 0 光 A B C D A:下移，B：右移，C：左下移 D左移 有关点移动问题 （1）阴生、阳生植物 （2）温度变化 左图是在光合作用的最适温度下测量所得，若温度上升5℃ A点向 B点向 。 （3）CO2浓度变化 CO2浓度增大，B点 C点 D点 。 CO2浓度减小，B点 C点 D点 。 （4）缺Mg时， B点向 。 C点 D点 。 左移 下移 右移 B A C D CO2 吸收 CO2 释放 光照强度 左移 右移 右移 右移 左移 单因子影响因素： 已知某植物光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25℃和30℃，有图表示的是30℃时光合作用与光照强度的关系。若温度下降到25 ℃（原光照强度和CO2浓度不变），理论上图中相应点a、b、c三点移动分别为（ ） b a CO2 吸收 CO2 释放 光照强度 c A.下移、右移、下移 B.下移、左移、下移 C.上移、左移、上移 D.上移、右移、上移 C CO2吸收量 CO2释放量 B C D E F G H 0 A 图示“光合午休” 1、白天指B—H,夜晚指H—0—B;A指0时呼吸速率；AB曲线上升的原因是夜晚温度降低。 2、D—ECO2吸收量为什么下降？ 夏季中午高温，植物因蒸腾作用失水过多，气孔关闭，CO2供给不足，光合产量下降 2个光补偿点： C和G 光合作用大于呼吸作用区段 光合作用小于呼吸作用区段 C--G BC+GH 3、植物开始制造有机物的时间：结束制造有机物时间 植物积累有机物的时间： 4、若在密闭的系统内，CO2积累最多的点；CO2积累最少的点；O2积累最多的点；O2积累最少的点： B H C--G C G G C 1、白天指B—H,夜晚指H—0—B;A指0时呼吸速率；AB曲线上升的原因是夜晚温度降低。 2、D—ECO2吸收量为什么下降？ 光合作用大于呼吸作用区段 3、植物开始制造有机物的时间：结束制造有机物时间 重要图形（易错点） 时间 0 6 12 18 24 CO2浓度 a b c d e f g h bc段产生的原因： d点含义： ef段产生的原因： g点含义: a、h点差异的原因： 温度低 光合速率=呼吸速率 气孔关闭 光合速率=呼吸速率 24小时内光合作用吸收的CO2大于呼吸作用释放的CO2 若在密闭的系统内，CO2积累最多的点： CO2积累最少的点： O2积累最多的点： O2积累最少的点： d g g d 一天中植物积累的有机物增加了还是减少了？为什么？ 开始光照时间 光补偿点 光补偿点 结束光照时间 1、白天指B—H,夜晚指H—0—B;A指0时呼吸速率；AB曲线上升的原因是夜晚温度降低。 CO2吸收量 CO2释放量 B C D E F G H 0 A 1.净光合速率的测定 ①NaHCO3溶液作用： 保证了容器内CO2浓度的恒定。 ②净光合速率指标： 单位时间内液滴右移的体积。 ③条件： 整个装置必须在光下。 五、实验探究——测定光合速率和呼吸速率 结果处理：甲装置右移读数-乙装置右移 甲装置右移读数+乙装置左移 ①把NaHCO3溶液换成NaOH溶液， 吸收植物呼吸释放的CO2。 ②植物呼吸速率的指标： 单位时间内液滴左移的体积即是呼吸速率。 ③条件： 整个装置必须遮光处理，否则光合作用会干扰呼吸速率的测定。 2. 设计实验：利用上图装置测定呼吸速率 如果用种子做实验呢？ 方法点拨 由于生物呼吸时既产生CO2又消耗O2，前者可引起装置内气压升高，后者则引起装置内气压下降。为此，测定过程中,往往用NaOH或KOH吸收掉呼吸产生的CO2，整个装置中的气压变化，只能因吸收O2所引起，从而排除CO2对气压变化的干扰。 光合作用原理的应用 农业生产中如何提高农作物光合作用强度？ 3、适当提高CO2浓度 4、增加昼夜温差 5、合理灌溉 6、合理施肥 2、合理密植 1、适当提高光照强度、延长光照时间 如何提高温室中二氧化碳的浓度？ 1．施用干冰。 2．使用农家肥。 3．将植物的秸秆深耕埋于地下。    4．使用NH4HCO3做肥料。    5．合理密植和通风透光。 光合作用与呼吸作用的区别： 光合作用 呼吸作用 原料 CO2、H2O O2、葡萄糖等有机物 产物 O2、葡萄糖等有机物 CO2、H2O等 能量转换 贮藏能量的过程 光能→活跃的化学能→稳定的化学能 释放能量的过程 稳定的化学能→活跃的化学能 发生部位 有叶绿体的细胞、叶绿体 活细胞、线粒体、细胞质 发生条件 光照下才可发生 光下、暗处都可发生 $$