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必修1

光合作用与能量转化 高中生物学必修一第五章第四节 1 “干饭人” 2 可能是地球上最重要的化学反应！ 光能 化学能 光合作用 一生只需进食一次，它能把吃下的藻类中所含的叶绿体贮存下来，还对其加以利用进行光合作用，使之成为持久的食物来源。如果长时间不见阳光就会死亡。 绿叶海蛞蝓 你一定吃过韭黄，它以诱人的色泽和鲜嫩的口感在蔬菜领域中占据了一席之地。它实际上是韭菜幼苗在黑暗条件下生长发育的产物，属于白化苗。与正常苗相比，白化苗因其不含色素不能进行光合作用，无法制造有机养料而不能长期存活。 探究 实践 ● 原理 绿叶中色素的提取和分离 如何将叶肉细胞中的色素提取到溶液中来？ 绿叶中的色素能溶解在无水乙醇中，可用无水乙醇提取绿叶中的色素。 如何知道提取的过滤液中，含有哪些色素呢？ 分离绿叶中的色素采用纸层析法（层析介质为滤纸）。在层析液中溶 解度大的色素在滤纸条上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素 就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。 材料用具 目的要求 1. 进行绿叶中色素的提取和分离； 2. 探究绿叶中含有几种色素。 新鲜菠菜叶 定性滤纸 研钵 毛细吸管 无水乙醇（也可用体积分数95％的乙醇加入适量无水碳酸钠代替） 层析液 （由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份 苯混合而成） 二氧化硅 碳酸钙 ▲层析液是易挥发的有毒物质，使用时应特别注意安全 ！ 步骤 提取绿叶中的色素（绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中） 取材：称取 5g 新鲜绿叶； ① ② ④ ③ 研磨：剪碎叶片，放入研钵中，加少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10 mL无水乙醇， 迅速、充分研磨； 过滤：漏斗基部放一块单层尼龙布，将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤； 收集：用小试管收集色素滤液，及时将试管口用棉塞塞严 。 使研磨更充分 防止叶绿素被破坏 溶解色素（提取色素） 步骤 2. 分离绿叶中的色素 （不同色素在层析液中的溶解度不同） 制备滤纸条 画滤液细线 分离绿叶中的色素：将适量层析液倒入试管中，将滤纸条轻轻插入层析液中，随后 用棉塞塞紧试管口 (不能让滤液细线触及层析液) 观察结果：滤纸条上色素带有4条 细、直、齐；干燥后重复 剪去两角,防止色素带不整齐 结果分析 叶绿素b 叶绿素a 叶黄素 胡萝卜素 叶绿素 ( ) 类胡萝卜素 ( ) 1. 滤纸条上有几条色素带？它们是按什么次序分布的？ 2. 滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？ （蓝绿色） （橙黄色） （黄色） （黄绿色） 实验细节 1.因丙酮和层析液都是易挥发且有一定毒性的有机溶剂，所以研磨要快，收集的滤液要用棉塞塞住，层析时要加盖，尽量减少有机溶剂的挥发。 2.在研磨时要加少许二氧化硅，目的是为了研磨充分，有利于色素的提取；加少许碳酸钙的目的是为了防止研磨过程中，叶绿体中的色素受到破坏。 3.分离色素时，一定不要让滤纸条上的滤液细线接触到层析液，这是因为色素易溶解在层析液中，导致色素带不清晰，影响实验效果。 一. 捕获光能的色素 叶绿素b 叶绿素a 叶黄素 胡萝卜素 叶绿素 ( ) 类胡萝卜素 ( ) （蓝绿色） （橙黄色） （黄色） （黄绿色） 1. 光和色素分类： 色素种类 色素含量 扩散速度 叶绿素b 叶绿素a 叶黄素 胡萝卜素 较多 最多 较少 最少 最慢 较慢 较快 最快 最慢 较慢 较快 最快 溶解度 决定 黄 胡 b a 这4种色素对光的吸收有什么差别 ？ 太阳光 （白光） 白光通过在三棱镜时，由于折射角度的不同，不同波长的光得以分离。 2. 色素及其吸收的光： 三棱镜 光屏 ？ 太阳光 （白光） 三棱镜 光屏 类胡萝卜素 该条带变黑意味着什么？ 太阳光 （白光） 三棱镜 光屏 叶绿素 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。 叶绿素b 叶绿素a 叶黄素 胡萝卜素 叶绿素 ( ) 类胡萝卜素 ( ) （蓝绿色） （橙黄色） （黄色） （黄绿色） 黄 胡 b a 主要吸收红光和蓝紫光 主要吸收蓝紫光 它们为什么是红色的 ？ 不吸收红光，红光反射进眼睛。 只透过红光，红光穿透塑料袋进入我们的眼睛。 温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？ 二. 叶绿体的结构适于进行光合作用 光学显微镜下可以看到呈椭球型或球形的叶绿体。电子显微镜下可见其由双层膜包被，内含许多由类囊体堆叠而成的基粒，基粒和基粒之间充满基质。吸收光能的色素分布在类囊体薄膜上。叶绿体内由众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。据计算，1g菠菜叶片中的类囊体的总面积竟有60m2左右。 叶绿体的功能 思考 · 讨论 1881年，德国科学家恩格尔曼用水绵和好氧细菌做了这样的实验： 资料一 把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。 密闭容器中整体曝光 密闭容器中极细光束 恩格尔曼实验一： 1. 这个实验的实验结论是什么？ 恩格尔曼实验二： 用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。 2. 好氧细菌的分布情况说明了什么？ 恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。 三. 光合作用的原理 1. 光合作用的探索历程： 土壤90.8kg，幼苗2.3kg 土壤只减少了57g，树却增重74公斤 5年以后 只浇水 1648年· 海尔蒙特 植物增重主要来自水 28 1771年·普利斯特利 植物可以更新浑浊的空气 由于当时并不清楚物质燃烧时的气体情况，所以普利斯特利认为植物可以更新因蜡烛燃烧而变得污浊的空气。但有人重复这个实验时，却得到了完全相反的结果。这是为什么？ 1779年·英格豪斯 植物必须在阳光下才能更新空气 1785年，化学家拉瓦锡发现了空气的组成，人们才明确燃烧需要消耗O2，释放CO2 。 黑暗环境饥饿处理 酒精脱色 碘蒸汽处理 1864 年·萨克斯 绿叶光合作用产生淀粉 光照 局部遮光 受光部位变蓝 1881年·恩格尔曼 再证明光合作用产生O2 CO2 ＋ H２O (CH2O) ＋ O２ 叶绿体 光能 这个反应是一步完成的吗？反应物中的氧如何分配？ 1937年·希尔 发现光合作用中水的光解产生O2 希尔发现，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氧气。像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应（光反应）。 离体叶绿体的悬浮液 铁盐等氧化剂 O2 1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，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？ 2. 希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？ 不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。 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H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。 1941年·鲁宾和卡门 O2中的O全部来自于H2O 美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪法，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。 C18O2 CO2 H2O H218O 小球藻悬液 O2 18O2 释放的氧气都是16O2 释放的都是18O2 20世纪50年代·卡尔文 提出光合作用中的“卡尔文循环” 向藻类细胞光合作用的原料中加入14CO2 每隔（很短）一段时间进行取样，迅速将藻类细胞放入热酒精中。 双向纸层析法分离溶液中的分子后进行放射性自显影，确定放射性存在于哪些化合物上。依次出现的放射性物质代表了暗反应过程中各种产物依次出现的顺序。 ( CH2O ) 卡尔文循环 三碳化合物 五碳化合物 根据卡尔文实验放射性自显影的结果，光合作用的暗反应过程最先出现的是一种三碳化合物——3-磷酸甘油醛。在此基础上，暗反应的全部过程及其他中间产物都慢慢被揭示。这是一个含多种三碳化合物和五碳化合物的循环，后来被人们称为“卡尔文循环”。高中阶段学习的暗反应是极其简化的过程。 CO2 e- H2O NADPH O2 ADP + Pi ATP 2. 光合作用的过程： CO2 ＋ H２O (CH2O) ＋ O２ 叶绿体 光能 运至线粒体供有氧呼吸使用，若有富余，也可运出细胞膜供给给其他细胞。 根据是否需要光能，我们把光合作用分为光反应和暗（碳）反应两个阶段。 光反应阶段必须有光才能进行，在类囊体薄膜上完成。光和色素吸收的光能： 一方面将H2O → O2和H+， H+与NADP+结合后形成NADPH，作为活泼还原剂的NADPH 既参与暗反应，同时也储存部分能量供暗反应阶段利用； 另一方面，在相关酶的作用下，提供能量使ADP + Pi → ATP。 这样，光能就转化为ATP中的化学能。 NADP+ 光反应 CO2 ＋ H２O (CH2O) ＋ O２ 叶绿体 光能 暗反应 ATP CO2 三碳化合物C3 五碳化合物C5 有机物（CH2O） 暗反应阶段有没有光都能进行，在叶绿体基质中完成。CO2经过一系列反应生成糖类： C O 2 的 固 定 C 3 的 还 原 绿叶吸收的CO2，首先与C5结合，生成C3；C3接受ATP和NADPH 释放的能量，并且被NADPH 还原，一些C3逐渐被转化为糖类，另一些又转变为C5。C5又可以继续去固定CO2。所以暗反应实际上是一个C3和C5的循环。 暗反应产生的NADP+和ADP、Pi也可以继续供光反应使用。 NADPH 光反应阶段 叶绿体内的类囊体薄膜上 场所： 光、色素、酶等 条件： 光能转变为ATP和NADPH中的化学能。 能量转换： 水的光解： H2O O2＋2H+＋2e- 光能 物质变化 ATP的合成： ADP＋Pi ATP NADP+ ＋2H+＋2e- NADPH 光能 供暗反应使用 暗反应阶段 叶绿体基质中 场所： 酶、NADHP、ATP等 条件： 光能转变为ATP和NADPH中的化学能。 能量转换： CO2的固定： CO2 ＋ C5 C3 物质变化 C3的还原： C3 2 ATP C5 ＋ ( CH2O ) ADP + Pi 供光反应使用 NADPH NADP+供光反应使用 葡萄糖 卡尔文循环 固定 还原 淀粉 NADPH ATP CO2 2C3 C5 ( CH2O ) ( CH2O ) 蔗糖 叶绿体基质 细胞质基质 蔗糖可以进入筛管，再通过韧皮部运输到植株各处。 光合作用的产物除了葡萄糖和淀粉外，还有一部分是蔗糖。 光反应与暗反应的区别和联系 项目 光反应 暗反应 区别 条件 光、色素、酶 ATP、NADPH、CO2、多种酶 场所 类囊体薄膜 叶绿体基质 物质 变化 水的光解、ATP和NADPH的合成 CO2的固定、C3的还原 能量 转化 光能→ATP和NADPH中活跃的化学能 活跃的化学能→（CH2O）中稳定的化学能 联系 ①物质联系：光反应为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP+、 ADP和Pi。 ②能量关系：光反应阶段产生的ATP和NADPH中活跃的化学能转化为暗反应阶段中 储存在糖类中的稳定化学能。总之，光反应是暗反应所需物质和能量 的准备阶段，暗反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。 尝试分析光照强度减弱或CO2浓度下降后，叶绿体内的C5、C3、NADPH和ATP的含量变化？ H2O O2＋NADPH 光能 ADP＋Pi ATP 光能 CO2 ＋ C5 C3 2 C3 ATP、NADPH C5 ＋ ( CH2O ) 简而言之，在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为O2和H+等，形成ATP和NADPH，于是光能转化成ATP和NADPH中的化学能；ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO2，转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。光合作用产生的有机物，不仅供植物体自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 同化作用 （异己→自己） 自养型 异养型 无机物→有机物 有机物→有机物 光能自养型 化能自养型 CO2 ( CH2O ) 植物叶肉细胞、蓝藻 硝化细菌、硫细菌、铁细菌 异化作用 （自己→异己） 主要指呼吸作用 需氧型 厌氧型 兼性厌氧型 醋酸菌、毛霉 乳酸菌 酵母菌 细胞的代谢类型 （光能合成作用） （化能合成作用） NH3 如：“酵母菌的代谢类型为异养兼性厌氧型”就是在描述其同化作用和异化作用。 光能 化学能 化学能 实际上是合成代谢和分解代谢 44 四. 光合作用的应用 1. 光合作用的强度： 植物在单位时间内通过光合作用制造的糖类( 也可以以O2和CO2为指标 )，直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的因素很有现实意义。 2. 光合作用与呼吸作用的关系： O2 CO2 CO2 O2 CO2 O2 O2 O2 CO2 CO2 光合 ＜ 呼吸 光合 ＝ 呼吸 光合 ＞ 呼吸 3. 影响光合作用的因素： 气孔既是蒸腾作用时水分子运出细胞的通道，也是CO2进入植物叶片的通道。 3. 影响光合作用因素的实践和应用： 光照强度 探究光照强度对光合作用强度的影响 探究 · 实践 1. 实验原理： 叶片细胞间隙中含有空气，放入水中会上浮；若先设法去除叶片内的空气，则叶片会下沉；再给予光照，使叶片进行光合作用产生O2，使得叶片上浮。光合作用强度越高，叶片上浮速度越快。 2. 实验步骤： 用打孔器，在新鲜的绿叶上避开主叶脉，打出圆叶片。均分成若干组。 用手指堵住注射器前端的小孔并缓慢地拉动活塞，使圆形小叶片内的气体溢出并重复这一步骤。叶片细胞间的气体即被排出。 1 2 用LED灯作为光源，将不同组别的烧杯置于光源的不同距离处（模拟光照强弱），一段时间以后，记录每组的叶片上浮数量。 3 光饱和点与光补偿点的移动规律 光饱和点与光补偿点的移动规律 光饱和点与光补偿点的移动规律 1.用等体积的三个玻璃瓶甲、乙、丙,同时从某池塘水深0.5 m 处的同一位置取满水样,立即测定甲瓶中的氧气含量,并将乙、丙瓶密封后沉回原处。一昼夜后取出玻璃瓶,分别测定两瓶中的氧气含量,结果如表(不考虑化能合成作用)。有关分析合理的是 (　　) 透光玻璃瓶甲 透光玻璃瓶乙 不透光玻璃瓶丙 4.9 mg 5.6 mg 3.8 mg A.丙瓶中浮游植物的细胞产生[H]的场所是线粒体内膜 B.在一昼夜内,丙瓶生物细胞呼吸消耗的氧气量约为1.1 mg C.在一昼夜后,乙瓶水样的pH比丙瓶的低 D.在一昼夜内,乙瓶中生产者实际光合作用释放的氧气量约为1.1 mg B 2.(2018·全国卷Ⅱ)为了研究某种树木树冠上下层叶片光合作用的特性,某同学选取来自树冠不同层的A、B两种叶片,分别测定其净光合速率,结果如图所示。据图回答问题: (1)从图可知,A叶片是树冠__________________(填“上层”或“下层”)的叶片,判断依据是_____________________________________________________________。  (2)光照强度达到一定数值时,A叶片的净光合速率开始下降,但测得放氧速率不变,则净光合速率降低的主要原因是光合作用的______________________反应受到抑制。  (3)若要比较A、B两种新鲜叶片中叶绿素的含量,在提取叶绿素的过程中,常用的有机溶剂是_____________。  下层 暗 A叶片的净光合速率达到最大时所需光照强度低于B叶片 无水乙醇 3.图甲表示水稻的叶肉细胞在光照强度分别为a、b、c、d时,单位时间内CO2的释放量和O2产生总量的变化。图乙表示蓝细菌光合速率与光照强度的关系,下列说法正确的是 (　　) A.图甲中,光照强度为b时,光合速率等于呼吸速率 B.图甲中,光照强度为d时,单位时间内细胞从周围吸收2个单位的CO2 C.图乙中,当光照强度为x时,细胞中产生ATP的场所有细胞质基质、线粒体和叶绿体 D.图乙中,限制e、f、g点光合作用速率的因素主要是光照强度 B 4.夏季晴朗的一天,甲、乙两株不同种植物在相同条件下CO2吸收速率的变化如图所示。下列说法正确的是(　　) A.甲植株在a点开始进行光合作用 B.乙植株在e点有机物积累量最多 C.曲线b～c段和d～e段下降的原因相同 D.两曲线b～d段不同的原因可能是甲植株气孔无法关闭 D Lavf58.35.100 Lavf58.20.100 Packed by Bilibili XCoder v2.0.2 $$