5.4.2光合作用的原理和应用课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

5.4.2光合作用的原理和应用 光合作用：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。 一 光合作用的原理 19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。 1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。 CH2O 甲醛 （CH2O） 碳水化合物 CO2 二氧化碳 × O2 一 光合作用的原理 1937年，英国科学家希尔。 希尔反应：取植物的绿色叶片研磨过滤后，放到两个培养皿中，分别放在阳光下和黑暗中，阳光下的有气泡产生。 结论：有光照时，有气体产生；植物的光合作用需要光；植物在光照下产生气体。 一 光合作用的原理 2.希尔的实验是否能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应? 能说明,希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的,悬浮液中有水,没有合成糖的另一种必需原料——CO2,同时该实验也没有糖类生成，因此是两个反应。暗示希尔反应和糖的合成是两个相对独立的反应阶段，因此光合作用分为光反应和暗反应（碳反应）两个阶段 1.希尔反应是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？ 不能，反应体系中可能还存在其他氧元素物质供氧，也不能说明氧元素转移途径 一 光合作用的原理 1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2,使它们分别变成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组给同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2,第二组释放的都是18O2。 CO2 H218O 光照射下的 小球藻悬液 C18O2 H2O 18O2 O2 光合作用产生的O2来自于H2O。 实验结论 一 光合作用的原理 研究者为探究上述过程发生的场所和条件，进行了下述实验操作。结果表明四只试管中只有1号有气泡产生，收集后可使点燃的卫生香复燃。从4只试管取样分别加入特定的氢离子受体（如 2,6-D，一种氧化剂，蓝色染料，能被还原性物质还原成无色)，发现1号褪色。 一 光合作用的原理 1954年，美国科学家阿尔农发现，当供给Pi、ADP时，会有ATP产生。同样方法处理四只试管，只有1号有ATP产生。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 一 光合作用的原理 结论： 在光照时，叶绿体中生成了ATP。 H2O O2 + 2H+ + 能量 光照 叶绿体 尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系： ADP+Pi ATP 一 光合作用的原理 19世纪末 科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，_____被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖 1928年 科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖 1937年希尔 在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出______ 1941年鲁宾、卡门 1954年阿尔农 在光照下，叶绿体可合成______，这一过程总是与_________相伴随 O2 氧气 水 ATP 水的光解 光合作用的探索历程 一 光合作用的原理 上述实验表明: 光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。　 一 光合作用的原理 根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应，现在也称为碳反应，两个阶段。 光合作用过程的示意图 一 光合作用的原理 ATP ADP+Pi 酶 O2 NADP++H+ H2O 光解 光反应阶段 类囊体薄膜 NADPH 一 光合作用的原理 1 光反应阶段 H2O 类囊体膜 酶 Pi ＋ADP ATP 光、色素、酶 叶绿体内的类囊体薄膜上 水的光解： H2O 0.5O2 +2 NADPH 光能 ATP的合成： ADP＋Pi ＋能量（光能） ATP 酶 光能 ATP、NADPH中活跃的化学能 场所： 条件： 物质变化 能量变化 NADP+ + NADPH 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ 色素 一 光合作用的原理 2C3 C5 NADPH ADP + Pi （CH2O）+H2O ATP 多种酶 参加催化 酶 CO2 还原 固定 酶 供能 卡尔文循环 一 光合作用的原理 2C3 CO2 （CH2O） 多种酶 参加反应 固定 暗反应阶段 叶绿体基质 还原 C5 一 光合作用的原理 CO2的固定： CO2＋C5 2C3 酶 C3的还原： ATP 叶绿体的基质中 活跃的化学能转变为糖类等有机物中稳定的化学能 2C3 (CH2O)+C5 酶 NADPH 、ATP、酶 场所： 条件： 物质变化 能量变化: NADPH 2 暗反应阶段 一 光合作用的原理 光反应阶段 暗反应阶段 条件 场所 物质变化 能量变化 光、色素、酶 不需光、酶、NADPH、ATP 叶绿体类囊体薄膜 叶绿体基质中 水的光解； ATP、NADPH的生成 CO2的固定； C3的还原 活跃化学能 光能 活跃化学能 有机物中稳 定化学能 光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+ 。 联系 一 光合作用的原理 色素分子 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 光反应 暗反应 NADP+ NADPH 尝试画出光合作用过程图解 光合作用的第一阶段 必须有光才能进行 光合作用的第二阶段， 有没有光都可以进行 一 光合作用的原理 光合作用中元素的转移 ①H的转移： H2O → NADPH→ (CH2O ) ②C的转移： CO2 → C3 →（CH2O） ③O的转移： CO2 → C3 →（CH2O） H2O → O2 6CO2+12H2O 光能 叶绿体 C6H12O6+6H2O+6O2 一 光合作用的原理 讨论：1.叶绿体处不同条件下，C3、C5、NADPH、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化? 条件 C3 C5 NADPH和ATP (CH2O) 停止光照 CO2供应不变 光照不变 停止CO2供应 增加 减少 增加 减少 减少 减少 减少 增加 色素分子 可见光 C5 2C3 ADP+Pi ATP H2O O2 H+ 多种酶 酶 (CH2O) CO2 吸收 光解 固定 还原 NADP+ NADPH ATP、ADP分别从哪里转移到哪里？ ATP从类囊体薄膜转移叶绿体基质，ADP从叶绿体基质转移到类囊体薄膜 一 光合作用的原理 光照不变，停止CO2供应 暗反应 C3含量下降 C5含量上升 NADPH、ATP增加 O2产量减少 仍可进行 ：CO2 + C5 → 2C3 酶 停止 2C3 +NADPH (CH2O)+C5 酶 ATP 光反应停止 H2O →2 NADPH + 1/2O2 + Pi + 光能 ATP 酶 ADP 没有暗反应光反应也不能进行 一 光合作用的原理 2C3 +NADPH (CH2O)+C5 停止光照，CO2供应不变 光反应停止 NADPH、ATP、O2产生减少 暗反应 仍正常进行 停止 C3含量上升 C5含量下降 (CH2O)合成量减少 H2O →2 NADPH+ 1/2O2 + Pi + 光能 ATP 酶 ADP 酶 ATP ：CO2 + C5 → 2C3 酶 暗反应停止 没有光反应就没有暗反应 NADPH 一 光合作用的原理 自养生物 以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如绿色植物、蓝细菌等。 异养生物 只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。例如人、动物、真菌及大多数的细菌。 化能合成作用 利用环境中某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。少数的细菌，如硝化细菌P106。 光能自养生物 化能自养生物 所需的能量来源不同（光能、化学能） 一 光合作用的原理 能够利用环境中的某些无机物氧化分解时所释放的能量来制造有机物 2NH3 + 3O2 硝化细菌 2HNO2 + 2H2O + 能量 2HNO2 + O2 硝化细菌 2HNO3 + 能量 CO2 + H2O 酶 （CH2O ）+ O2 一 光合作用的原理 二 光合作用原理的应用 光合作用的强度: 植物在单位时间内合成的有机物的数量。简单地说，是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。 可以通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量地表示。 单位时间内______________、___________、______________。 有机物的产生量 CO2的消耗量 O2的产生量 二 光合作用原理的应用 强度 频率 浇水 Mg2+ 施肥 色素 空气中CO2的浓度 温度 pH 酶 二 光合作用原理的应用 （1）实验原理： 叶片含有空气上浮 叶片下沉 充满细胞间隙，叶片上浮 自变量 设置方法 因变量 观察指标 光照强弱 通过调节台灯与实验装置间的距离 光合作用的强度 观测同一时间段内被抽去空气的小圆叶片上浮的数量 （2）变量分析 抽气 光合作用 产生O2 探究光照强度对光合作用强度的影响 二 光合作用原理的应用 方法步骤： 1）打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片 2）将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出 二 光合作用原理的应用 3）将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存，小圆形叶片全部沉到水底 4）取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液） 方法步骤： 二 光合作用原理的应用 5）分别向3只小烧杯中各放入10片小圆形叶片，然后分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照(3盏40W台灯分别向3个实验装置照射，光照强弱可通过调节台灯与实验装置间的距离来决定)。 光源会产生热量，导致温度不同，所以为了保证单一变量，应该加一个盛水玻璃柱，排除温度对实验结果的影响。 冷光源 方法步骤： 二 光合作用原理的应用 甲 乙 丙 叶片浮起数量多 叶片浮起数量中 叶片浮起数量少 强 中 弱 方法步骤： 二 光合作用原理的应用 项目　 　 烧杯　 　 小圆形叶片 加富含CO2 的清水 光照强度 叶片浮起数量 1 10片 20 mL 强 多 2 10片 20 mL 中 中 3 10片 20 mL 弱 少 6）观察并记录结果 实验结论： 在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。 二 光合作用原理的应用 三 影响光合作用强度的因素 CO2浓度 水分 光 光质 光照强度 光照时间 光照面积 酶 色素 温度 矿质元素 气孔开闭情况 →光反应 光照强度 一、光照强度 光合速率 0 光强 →NADPH、ATP →暗反应 C3还原 （CH20 ） → 光照 强度 0 吸收量 CO2 C2 A B C1 释放量 CO2 一定光强后光合速率不再增加的原因： 内因：色素含量，酶的数量和最大活性； 外因：CO2浓度等除光强以外的环境因素。 三 影响光合作用强度的因素 A点： CO2 O2 光照 强度 0 吸收量 CO2 C2 A B C1 释放量 CO2 光照强度为0时,只进行细胞呼吸，释放C02量代表此时的呼吸强度 叶绿体 线粒体 三 影响光合作用强度的因素 AB段： O2 CO2 CO2 O2 光合速率小于呼吸速率 光照 强度 0 吸收量 CO2 C2 A B C1 释放量 CO2 随光照强度增强，光合作用逐渐增强，C02的释放量逐渐减少,因一部分用于光合作用。 三 影响光合作用强度的因素 B点： O2 CO2 光照 强度 0 吸收量 CO2 C2 A B C1 释放量 CO2 光补偿点,此时细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用， 即光合作用速率=细胞呼吸速率 光补偿点：当光合作用速率等于呼吸作用速率时的外界环境中的光照强度 三 影响光合作用强度的因素 BC1段： O2 CO2 CO2 O2 光照 强度 0 吸收量 CO2 C2 A B C1 释放量 CO2 随光照强度不断增强，光合作用不断增强 光合速率大于呼吸速率 光饱和点,光照强度达到一定值时，光合作用不再增强 C2 光饱和点：当光合作用速率达到最大时的外界环境中的光照强度 三 影响光合作用强度的因素 项目 表示方法 呼吸速率 （黑暗中测量） CO2 O2 叶绿体 线粒体 O2的吸收量、CO2的释放量、 有机物的消耗量 三 影响光合作用强度的因素 项目 表示方法 净光合速率 （表观光合速率） O2 CO2 CO2 O2 光合速率大于呼吸速率 O2的释放量、CO2的吸收量、 有机物的积累量 三 影响光合作用强度的因素 真正光合速率＝净光合速率＋呼吸速率。 项目 表示方法 真正光合速率 （实际光合速率） O2的产生量、CO2的固定量、 有机物的制造量 O2 CO2 CO2 O2 光合速率大于呼吸速率 三 影响光合作用强度的因素 项目 表示方法 净光合速率 （表观光合速率） O2的释放量、CO2的吸收量、 有机物的积累量 真正光合速率 （实际光合速率） O2的产生量、CO2的固定量、 有机物的制造量 呼吸速率 （黑暗中测量） O2的吸收量、CO2的释放量、 有机物的消耗量 三 影响光合作用强度的因素 释放量 A B 光照强度 0 吸收量 CO2 C CO2 细胞呼吸强度 净光合速率 呼吸速率 实际光合速率（总值） 总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 光照强度 E 三 影响光合作用强度的因素 1.间作(几种作物同时期播种)、套种(几种作物不同时期播种) 2.轮作(几种作物轮换种植) 3.合理密植,增加光合作用面积 4.温室大棚,使用无色透明玻璃 应用： 一、光照强度 A点：只进行细胞呼吸，CO2释放量表明此时的呼吸强度。 B点：光补偿点，即光合作用强度=细胞呼吸强度。 C点：光合作用强度最大。C点之前限制光合作用因素是光照强度， C点之后限制因素是CO2 、温度等 AB段：光合<呼吸 BC段：光合>呼吸 D点：光饱和点，增加光照强度光合作用强度不再增加。 光补偿点 光饱和点 D 三 影响光合作用强度的因素 46 二、CO2浓度 C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）； D点：CO2饱和点（两组都表示在一定范围内CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度增加而增加）。 应用：1.多施有机肥或农家肥 2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等. 3.大田中还要注意通风透气. B点 ：进行光合作用所需CO2的最低浓度 A B C D 0 吸收CO2 释放CO2 CO2浓度 三 影响光合作用强度的因素 47 三、温度 最适温度下植物光合作用最大，植物体内的酶最适温度在40~50℃之间。 温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。 应用：1.适时播种 2.温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温 3.植物“午休”现象 三 影响光合作用强度的因素 48 植物“午休”现象 一般发生在夏天，在12时左右光合作用强度明显减弱，是因为此时温度很高，蒸腾作用很强，气孔大量关闭，二氧化碳供应减少，导致光合作用强度明显减弱 三 影响光合作用强度的因素 四．水 (1)影响：水是光合作用的原料，缺水既可影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。 (2)应用：合理灌溉。 保卫细胞吸水 气孔张开 三 影响光合作用强度的因素 五．矿质元素 (1) 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：合理施肥 三 影响光合作用强度的因素 N：光合酶及ATP的重要组分 P： 类囊体膜和ATP的重要组分； K：促进光合产物向贮藏器官运输 Mg：叶绿素的重要组分 P点(前）时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因素 Q点时 多因子影响曲线分析 主要限制因素为曲线标注的因素 三 影响光合作用强度的因素 1.下列关于光合作用过程的叙述，不正确的是（ ） A.光反应离不开色素的作用 B.暗反应必须在黑暗的条件下进行 C.光反应为暗反应提供[H]、ATP D.暗反应的产物是糖类等有机物 B 练习 53 2.光照增强,光合作用增强。但光照最强的夏季中午,由于气孔关闭,光合作用不但不增强,反而下降,主要原因是（ ） A.夏季光照太强,叶绿素分解 B.夏季气温太高,酶活性降低 C.暗反应过程中C3产生的太少 D.水分蒸腾散失太多,光反应产生的ATP和NADPH少 C 练习 54 3.在相同且适宜温度条件下分别测定了两个作物品种S1、S2的光饱和点(光饱和点是达到最大光合速率所需的最小光照强度)。当增加环境中CO2浓度后,测得S1的饱和点没有显著改变,S2的光饱和点显著提高。下列叙述不正确的是( ) A.S1的光饱和点不变,可能是原条件下CO2浓度未达到饱和 B.S1的光饱和点不变,可能是原条件下光反应产生的[H]和ATP不足 C.S2的光饱和点提高,可能是原条件下光反应产生的[H]和ATP未达到饱和 D.S2的光饱和点提高,可能是原条件下CO2浓度不足 A 练习 55 用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源，HO＋CO2→植物→18O2，H2O＋C18O2→植物→O2，得出光合作用释放的氧全部来自___ $$