5.4光合作用的原理与应用课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

5.4 光合作用的原理与应用 有机物的制作方式是…… 问题探讨 第二、四棵是正常玉米幼苗（绿色） 第一、三棵是白化玉米幼苗（白色） 白化苗由于不含绿色的色素，无法进行光合作用，萌发之后，随种子本身贮存的养分耗尽后就会死亡。 由此可见，光能的捕获与叶片中的________有关 色素 绿叶中有哪些色素呢？要如何才能提取和分离出来呢？ 一、绿叶中的色素的提取和分离 （1）提取原理： 绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。 相似相溶，说明色素是一类有机物 （2）分离色素原理： 绿叶中的色素不止一种，在___________中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸条上的_____________，反之则慢。 层析液 扩散更快 层析液：一种混合物有机溶剂 （3）实验方法 纸层析法 实验步骤 （1）提取绿叶中的色素 称取5g菠菜叶，去除主叶脉后剪碎，放入研钵中；加少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10mL无水乙醇，进行迅速、充分的研磨。 可以使研磨更充分 可以防止色素被氧化分解 可使色素含量更高 实验步骤 （1）提取绿叶中的色素 将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中(单层尼龙布)进行过滤，收集滤液。 不能用滤纸，会吸附色素 收集完毕后用棉塞塞严 防止乙醇挥发和色素氧化 实验步骤 （2）制备滤纸条 干燥的定性滤纸 作用：避免层析液在边缘扩散过快，可使分离出的色素带平齐。 ②在滤纸条一端剪去两角 铅笔线 剪两角 ①将滤纸剪成能放入烧杯中的滤纸条 ③在距去角一端1cm处，用铅笔画一条细直的横线 作为画滤液细线的参照线 实验步骤 （3）画滤液细线 要求：细、直、齐 ；重复1—2次 将色素滤液用毛细管吸取后，画在滤纸条的铅笔线痕迹上 使分离的出色素带平整、不重叠 增加色素浓度，使分离出的色素带明显。 实验步骤 （4）纸层析 层析液 将滤纸条有滤液细线的一端插入层析液。 再用皿盖将烧杯盖住 溶解度高的色素先溶解，随层析液在滤纸上扩散得更快，可先被分离出来 注意滤液细线不要泡在层析液里！！ 防止色素直接溶解在层析液中 实验步骤 （4）纸层析 结果讨论： ①滤纸条上有几条色素带？按什么次序分布？ 4条不同颜色的色素带。 从上到下依次为： 胡萝ト素(橙黄色)、 叶黄素(黄色)、 叶绿素 a (蓝绿色)、 叶绿素 b (黄绿色)。 ②滤纸条上色素的分布情况和宽度说明了什么？ 结果讨论： 1、绿叶中的色素有4种 2、它们在层析液中的溶解度不同（所以能被分离开） 3、四种色素在叶片中的的含量不同 叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素 色素种类 颜色 含量 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快 叶黄素 黄色 较少 较高 较快 叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢 叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢 这4种色素对光的吸收有什么差别？ 实验：滤液中色素对不同的单色光的吸收情况 叶绿素溶液 类胡萝卜素溶液 结论：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 白光光源 三棱镜 可以将白光分解出可见光谱 四种色素吸收的光的波长有差别，但是都可以用于光合作用 思考： 为什么植物叶片呈现绿色？ 因为叶绿素对绿光吸收最少，绿光就被反射回来，所以叶片才呈现绿色。 秋日叶片变黄的原因是？ 气温降低，叶绿素不稳定而被分解，显现出了类胡萝卜素（尤其是叶黄素）的颜色。 叶绿体的结构 电子显微镜下，叶绿体由 包被，内含许多 （由 堆叠而成），基粒和基粒之间充满 ； 吸收光能的色素分布在 上。叶绿体内由众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积； 双层膜 类囊体薄膜 类囊体 叶绿体基质 基粒 绿叶 叶绿体 类囊体 外膜 内膜 基粒 基质 类囊体薄膜上分布着色素 类囊体薄膜和叶绿体基质中分布光合作用所需要的酶 叶绿体的结构 叶绿体的功能 水棉：细胞中有螺旋状的叶绿体 实验内容：将水绵和需氧型细菌放在没有空气的小室内。 极 细 光 束 均匀光照 水绵 好氧细菌 极细光束照射 完全曝光 黑暗 无空气 好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位 好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位 叶绿体的功能 恩格尔曼的水棉实验1： 该实验说明了什么？ 叶绿体在光照下能够释放氧气， 推测：叶绿体是进行光合作用的场所 叶绿体的功能 恩格尔曼的水棉实验2： 用透过三棱镜的光照射水绵临时装片， 发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域 结合实验1的结论，该实验说明了什么？ 说明水绵叶绿体主要吸收红光和蓝紫光，在这两类波长的光照射下，叶绿体会大量释放氧气。 总结：叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光 绿叶中色素的 提取和分离 叶绿体的结构适于进行光合作用 实验原理 实验过程 实验结论 无水乙醇，层析液 叶绿素 类胡萝卜素 红光 蓝紫光 蓝紫光 色素 叶黄素 胡萝卜素 叶绿素a 叶绿素b （蓝绿色） （黄绿色） （橙黄色） （黄色） 含量约占3/4 含量约占1/4 结构 恩格尔曼实验 功能： 叶绿体是进行光合作用的场所 小结 光合作用是指绿色植物通过叶绿体利用光能，把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。 光合作用的概念 CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O)+ O2 叶绿体如何将光能最终转化为有机物（糖类）中的能量的？ 提出问题： 氧气来源于水还是二氧化碳呢？ 请阅读教材102页思考讨论部分 探究光合作用的原理 资料1： 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。 CO2 O2 C + H2O 甲醛 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。 探究光合作用的原理 资料2. 1937年，英国植物学家希尔发现，向离体叶绿体悬浮液（悬浮液中有H2O，没有CO2）中加入Fe3+，在光照条件下可以释放出O2，同时Fe3+被还原为Fe2+。 4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2 光能 叶绿体 水在光照条件下被叶绿体分解产生氧气，该过程被称作水的光解，又被称为希尔反应。 探究光合作用的原理 资料2. 1937年，英国植物学家希尔发现，向离体叶绿体悬浮液（悬浮液中有H2O，没有CO2）中加入Fe3+，在光照条件下可以释放出O2，同时Fe3+被还原为Fe2+。 4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2 光能 叶绿体 思考：该反应中，三价铁盐转变为了二价铁盐，说明有____________（填氧化性/还原性）的物质产生，并将铁进行了还原。 还原性 这种有还原性的物质是什么呢？ 探究光合作用的原理 教材103页“相关信息”. 水分解为氧气和H+的同时，被叶绿体夺取两个电子，电子经过传递，可用于NADP+与H+结合形成NADPH。 2H2O 4H+ + O2 + 4e- 光能 叶绿体 4NADP+ + 4H+ + 4e- 4NADPH NADPH（还原型辅酶II）也简写成[H]，是一种活泼的还原剂。 探究光合作用的原理 思考：该实验能否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？ 资料2. 1937年，英国植物学家希尔发现，向离体叶绿体悬浮液（悬浮液中有H2O，没有CO2）中加入Fe3+，在光照条件下可以释放出O2，同时Fe3+被还原为Fe2+。 可以，悬浮液没有二氧化碳，因此不能合成糖 该实验说明：水的光解并非必须与糖的合成相关联，是相对独立的反应阶段 探究光合作用的原理 资料2. 1937年，英国植物学家希尔发现，向离体叶绿体悬浮液（悬浮液中有H2O，没有CO2）中加入Fe3+，在光照条件下可以释放出O2，同时Fe3+被还原为Fe2+。 思考：希尔的实验能否说明：植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？ 还不能，该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也没有直接追踪到氧元素的转移 思考：用什么方法可以追踪出氧气中氧元素的来源？ 探究光合作用的原理 1940年: 鲁宾和卡门 同位素示踪法 光照射下的 小球藻悬液 CO2 H2O C18O2 H218O 18O2 O2 甲组 乙组 结论：光合作用释放O2中的O元素来自水 ，且与二氧化碳无关。 对比实验 探究光合作用的原理 资料3. 1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 思考：资料3表明，光照时发生水的光解，除了产生O2、NADPH，还会产生什么物质？ ATP 思考：为什么会有ATP的产生，谁提供了合成ATP的能量？ 光能 H2O O2+ NADPH + 能量 光照 叶绿体 ADP+Pi ATP 酶 探究光合作用的原理 思考·讨论 结论小结： ①水的光解必须要在光照条件下进行 ③水的光解与糖的合成不是同一个化学反应 ②水的光解能够产生氧气、[H]和ATP 划分依据:反应过程是否需要光能 光反应（光合作用第一阶段） 暗反应（光合作用第二阶段），又称碳反应 探究光合作用的原理 （一）光反应阶段 1、定义 光合作用第一个阶段的化学反应，必需有光才能进行。 2、条件： 光、光合色素、酶 3、场所： 类囊体薄膜上 5、过程： （该反应必须在光合色素上进行） 4、反应物： 水、NADP+、ADP、Pi 类囊体薄膜上 的色素分子 ADP+Pi ATP H2O O2 NADP+ 酶 吸收 光解 H+ NADPH 酶 光反应阶段 可见光 （太阳能） 探究光合作用的原理 探究光合作用的原理 物质变化： 水的光解： ATP的合成： 2H2O O2+ 4H+ 光 色素 NADPH的合成： 光能 能量转变： 转化为ATP、NADPH中活跃的化学能 ADP + Pi + 能量 ATP 酶 NADP+ + H+ + 2e- NADPH 酶 探究光合作用的原理 （二）暗反应阶段 1、定义 光合作用第二个阶段的化学反应 ，不直接依赖光（有没有光）都能进行。 2、条件： 酶、CO2、ATP、NADPH 3、场所： 叶绿体基质 4、过程： 探究光合作用的原理 资料：20世纪40年代，科学家卡尔文等用14C（有放射性）标记的CO2供小球藻（单细胞绿藻）进行光合作用，追踪放射性14C的去路。 现象1：向反应体系中充入一定量的14CO2，光照30秒后检查产物，检测到了多种带14C标记的化合物。 现象2：缩短光照时间到几分之一秒时，90%以上的放射性14C集中在一种三碳化合物（C3）。 现象3：反应进行到5秒光照时，卡尔文等检测到同时含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6，即(CH2O))。 科学思维：请结合上述现象，推测CO2，C3，C5和(CH2O)的转化关系。 （放射性）同位素标记法 14CO2 14C3 (14CH2O) 14C5 暗反应 ADP+Pi ATP NADP+ C5 2C3 多种酶 (CH2O)糖类 CO2 固定 还原 酶 NADPH 酶 光反应 类囊体薄膜上 的色素分子 H2O O2 酶 吸收 光解 H+ 酶 卡尔文循环 注意：C3是指三碳化合物——3-磷酸甘油酸， C5是指五碳化合物——核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP） 太阳能 物质变化： CO2的固定： C3的还原： C3 (CH2O)或C5 酶 ATP、NADPH ATP、NADPH中活跃的化学能 能量转变： 有机物中稳定的化学能 CO2＋C5 2C3 酶 ATP的水解：ATP ADP+Pi+能量 酶 探究光合作用的原理 （二）暗反应阶段 探究光合作用的原理 光反应 暗反应 进行场所 所需条件 物质变化 能量转化 必须有光 有光或无光均可 类囊体薄膜 叶绿体基质 水光解为O2和H+ ATP和NADPH的合成 CO2的固定；C3的还原 ATP和NADPH的分解 光能转化为ATP和NADPH中活跃的化学能 ATP和NADPH中的活跃化学能转化为有机物中稳定的化学能 光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系? 探究光合作用的原理 物质联系：光反应生成的ATP和NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP+ 能量联系：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能 光反应与暗反应是一个整体，二者紧密联系、缺一不可。 关于C3和C5： （条件不发生改变下）两种物质的含量相对稳定、动态平衡 请思考：光下的植物突然停止CO2的供应后，短期细胞内的C5化合物和C3化合物的含量如何变化？ CO2 ↓ CO2固定停止 C3 生成减少，消耗不变 C5 消耗减少，生成不变 C3 ↓ C5 ↑ 反之，若突然增加CO2的供应，则短期内： C3 ↑ C5 ↓ 请思考：光下的植物突然停止光照后，其细胞内的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 NADPH ↓ ATP↓ C3 ↑ C5 ↓ C3生成不变，消耗减少 C5消耗不变，生成减少 反之，若突然增加光照，则短期内： C3 ↓ C5 ↑ 光合作用的产物（P104相关信息） 光合作用的产物一部分是淀粉，还有一部分是蔗糖， 蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。 说明有机物生成之后，不会大量储存在叶肉细胞内！ 光合作用的意义 光合作用产生的有机物养活了世间万物 光合作用产生的氧气供给了绝大多数生物的呼吸作用 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转 补充：化能合成作用（P106） 自然界中少数种类的细菌，能够利用体外环境中某些无机物氧化时释放的能量，来把无机物制造成有机物，这种途径叫做化能合成作用 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 2HNO2+O2 2HNO3+能量 能量 6CO2+6H2O (CH2O)+6O2 案例：硝化细菌的化能合成作用 二、光合作用原理的应用（课本P105） 1、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。 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 一、实验原理： 叶片含有空气，上浮 抽气 叶片下沉 单位时间内小圆形叶片浮起的数量的多少 光合作用强度的大小 光合作用 产生O2 O2充满细胞间隙，叶片上浮 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 二、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 二、方法步骤： 2.将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 二、方法步骤： 3.将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 二、方法步骤： 4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液） 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 二、方法步骤： 5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 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 二、方法步骤： 三、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。 探究光照强弱对光合作用强度的影响 探究•实践 光合作用的原理的应用 1、定义 植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量 2、表示方法： 共有2套表示方法 活的植物体是同时在进行光合作用和呼吸作用的，也就是同时在产生有机物和消耗有机物。 （一）光合作用强度/速率 若不考虑呼吸作用，仅计算单位时间内生产有机物的总量，称为总光合速率 若考虑呼吸作用，则在单位时间有机物的总量需减去呼吸作用的消耗量。最终积累的有机物含量，称为净光合速率 光合作用的原理的应用 （一）光合作用强度/速率 总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 表示总光合速率时： 表示净光合速率时： 有机物制造量或产生量 CO2固定量 O2产生量 有机物积累量或 干重增加量 CO2吸收量 O2释放量 光合作用的原理的应用 （二）测定光合作用强度/速率的装置 ①测定呼吸速率 将装置进行遮光处理，测定单位时间内液滴的移动 液滴会左移，左移的幅度就是该植物单位时间内的 呼吸速率 光合作用的原理的应用 （二）测定光合作用强度/速率的装置 ②测定净光合速率 将装置进行曝光处理，测定单位时间内液滴的移动 液滴会右移（氧气的释放量），右移的幅度就是该植物单位时间内的 净光合速率 NaHCO3溶液可以维持瓶内CO2的浓度保持不变 光合作用的原理的应用 （二）测定光合作用强度/速率的装置 总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 例： 装置甲中，在黑暗条件下，液滴单位时间左移了2个刻度； 装置乙中，在曝光条件下，液滴单位时间右移了4个刻度。 则该植株在该条件下的总光合强度为6个刻度。 光合作用的原理的应用 影响光合作用强度的因素很多，其中较为重要的有光照强度、CO2浓度、温度、水分和矿质元素等。 光照强度对光合作用强度的影响 O B 光照强度 总光合速率 O到B段，随光照增强，光合作用速率不断增大； B点之后，光合速率将不再随光照强度的增大而增大。 光饱和点 OB段： 色素、酶的数量、CO2浓度、温度 ——达到最大光合速率的最低光照强度 B点及以后： 限制因素： 光照强度 光照强度对光合作用强度的影响 A 光照强度 0 CO2 释放量 净光合强度 = -呼吸强度 吸收量 CO2 只进行呼吸，此时CO2释放量表示呼吸作用强度 净光合强度 B A点： AB段： 光合作用强度小于呼吸作用强度 B点： 光合作用强度等于呼吸作用强度（光补偿点） 净光合强度= 0 思考：若整株植物的净光合速率为0，那么该植物的叶肉细胞净光合速率_____（大于或小于或等于）0 大于 光照强度对光合作用强度的影响 A 光照强度 0 C CO2 释放量 吸收量 CO2 B BC段： 光合作用强度大于呼吸作用强度。 净光合强度> 0 D 光饱和点 D点： 光照强度对光合作用强度的影响 CO2 O2 O2 CO2 CO2 O2 O2 CO2 O2 CO2 CO2 O2 请画出A点、AB段、B点、BC段，叶绿体和线粒体进行气体交换的示意图 A点 AB段 B点 BC段 光照强度对光合作用强度的影响 A B 光照强度 CO2吸收量 C CO2释放量 阳生植物 阴生植物 通常来说，阴生植物光补偿点和光饱和点都比阳生植物更低 CO2浓度对光合作用强度的影响 CO2浓度 A CO2 吸收 CO2 释放 B CO2浓度 总光合速率 A， B， CO2补偿点 A点： CO2饱和点 B和B，： 进行光合作用所需CO2最低浓度 A，点： 注意：若CO2含量过低，低于植物能固定的最小浓度，则无法制造有机物 温度对光合作用强度的影响 A B C 10 20 30 40 50 温度 光合作用强度 一般植物在10℃-35 ℃下正常进行光合作用，35℃以上光合作用的酶活性下降，50℃左右光合作用完全停止。 （同一株植物，呼吸作用最适温度一般高于光合作用） 水分对光合作用强度的影响 （1）水是光合作用的原料。 （2）缺水 → 会导致植物气孔关闭，影响CO2的吸收。 矿质元素对光合作用强度的影响 1、N元素 2、P元素 3、Mg元素 酶、蛋白质、叶绿素、ATP的组成成分。 ATP的组成成分，可维持叶绿体膜的结构和功能。 叶绿素的重要组分。 在生产上的应用： 合理施肥 但不能施多了，会烧苗！ 多种因素同时对光合作用强度的影响 以图1为例： 0P段：任何温度下光合速率相同，此时限制光合速率的因素是光照强度； PQ段：尚未达到光饱和点，不同温度下光合速率明显不同，此时限制光合速率的因素同时有光照强度和温度； Q点以后：已达到光饱和点，光照强度不再成为限制因素，此时限制光合速率的因素只有温度。 a点： b点： bc段： c点： 凌晨温度降低，呼吸作用减弱。 太阳出来，植物开始进行光合作用。 光合作用<呼吸作用。 光合作用=呼吸作用。 补充：夏季一天中净光合强度变化曲线 注意：c点不是光补偿点，因为横坐标不是光照强度 d点： 中午温度过高，蒸腾作用强烈，植物为了保留水分， 部分气孔关闭，导致CO2吸收减少，光合速率下降。 这被称作“午休”现象。 cd段： 光合作用>呼吸作用。 补充：夏季一天中净光合强度变化曲线 fg段： e点： ef段： 光合作用=呼吸作用。 光合作用<呼吸作用。 太阳下山，停止光合作用，只进行呼吸作用。 补充：夏季一天中净光合强度变化曲线 补充：密闭容器CO2浓度在一天中的变化曲线 AB段： 无光照，植物只进行呼吸作用 BC段： 温度降低，呼吸作用减弱 CD段： 开始进行光合作用，但光合作用强度＜呼吸作用强度。 D点： 光合作用强度＝呼吸作用强度。 补充：密闭容器CO2浓度在一天中的变化曲线 DH段： 光合作用一直大于呼吸作用 FG段： 温度过高，发生午休现象 H点： 光合作用=呼吸作用。 HI段： 光合作用强度＜呼吸作用强度，直至光合作用完全停止 补充：密闭容器CO2浓度在一天中的变化曲线 I点的位置： 若I点小于初始值，则说明经过一天后，该植株额外制造了有机物，能继续生长 若I点大于初始值，则说明经过一天后，该植株消耗了有机物，不能继续生长 Lavf59.16.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 Lavf57.62.100 $$