5.4光合作用的原理和应用第2课时课件-2024-2025学年高一上学期生物人教版（2019）必修1

第5章细胞的能量供应和利用 第五章 第4节 光合作用的原理与应用(第2课时) 学习目标 1. 理解探索光合作用场所和原理的部分实验，简述并熟记光合作用的基本过程，理清光合作用中元素的去向。 2. 掌握光照强度对光合作用的影响实验，表述影响光合作用的因素及其应用。 一、光合作用的原理 (1) 概念: (2) 光合作用总反应式： 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。 CO2 + H2O （CH2O)+O2 光能 叶绿体 光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢 ？ ? 2 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 (CH2O) 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。 得出初步结论：氧来自CO2的可能性较小，较可能来源于H2O。 1. 光合作用的探究历程 科学家们围绕着氧元素的去向开展了科学探讨。 资料2：1937年，英国科学家希尔发现，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。 O2 H+ 希尔反应 讨论1：该能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？ 答：不能。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。 思考1: 希尔的实验中没有直接观察到氧元素的转移，那么，如何观察元素的转移？我们有没有学过什么科学方法可以做到这一点呢？ 同位素示踪法（即同位素标记法） 思考2: 现在我们要研究的是氧原子在光合作用过程中的转移，即氧气中的氧是来自于CO2还是H2O。应该用什么同位素来标记什么物质？ 用18O分别标记二氧化碳和水， 18O是稳定同位素，因此不能检测放射性，只能检测质量。 1. 光合作用的探究历程 资料3：1941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。 对比实验 (相互对照) CO2 H2O C18O2 H218O 18O2 O2 甲组 乙组 光照射下的 小球藻悬液 光合作用释放的O2中的氧元素全部来自水 是检测释放出的O2的质量，而不是检测释放出的O2的放射性， 1. 光合作用的探究历程 资料4：美国科学家阿尔农（D.Arnon)在1954年发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年发现，这一过程总是与水的光解相伴随。 综合以上几个实验，可以得出以下结论： 1.光合作用释放的氧气中的氧元素来自水； 2.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； 3.叶绿体中ATP的合成总是伴随着水的光解。 1. 光合作用的探究历程 那么碳元素的转移呢？ （1）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中； （2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)； （3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。 1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2，给予光照，让小球藻(属于绿藻，是真核生物)进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向。 14CO2→14C3→(14CH2O)和14C5 ④实验结论：光合产物中有机物的碳来自CO2. ①实验方法： 放射性同位素示踪法 ②实验变量： 自变量是 ，因变量是 。 时间 14C标记的化合物 ③实验结果： 2. 光合作用的原理 光合作用：两个阶段（划分依据：是否需要光能） 光反应阶段 光合作用的第一阶段，必须有光才能进行。场所：叶绿体的类囊体薄膜 光合作用的第二阶段，有没有光都可以进行。 场所：叶绿体基质中 暗反应阶段 （碳反应/卡尔文循环） CO2 + H2O 叶绿体 光能 （CH2O）+ O2 ADP+ Pi + 能量(光能) ATP 酶 ATP ADP+Pi 酶 H2O 类囊体薄膜上的色素分子 O2 H+ 光能 条件： 光、 色素、 酶 场所： 物质变化 水的光解 ATP的合成 叶绿体类囊体薄膜上 光能 能量转变： 活跃的化学能贮存在ATP和NADPH中 产物： O2、NADPH、ATP 2H2O O2 + 4H++4e- 光 参与暗反应 2. 光合作用的原理——光反应阶段 NADPH H++NADP+ + 2e- NADPH 酶 +NADP+ 氧化型辅酶Ⅱ 还原型辅酶Ⅱ NADH: 还原性辅酶I（呼吸） NADPH: 还原性辅酶II（光合） 卡尔文循环 条件： 有光无光都可，需多种酶 场所： 叶绿体基质 物质变化 CO2的固定： CO2 + C5 2C3 酶 C3的还原： 能量转变： 产物： (CH2O)、NADP+、ADP、Pi 参与光反应 2. 光合作用的原理——暗反应阶段(碳反应) ADP+Pi ATP NADP+ 能量 C5 2C3 多种酶 (CH2O)糖类 CO2 固定 还原 酶 NADPH 酶 能量 ATP 2C3 (CH2O)+C5 酶 NADPH NADP+ ADP+Pi C3是指3-磷酸甘油酸 C5是指RuBP 活跃的化学能 稳定的化学能 一部分是淀粉，一部分是蔗糖。 NADPH的作用： ①在C3的还原中作还原剂； ②为C3的还原提供能量。 ATP的作用： 只用于暗反应C3 的还原 完成教材第106页第3题 2. 光合作用的基本过程 Pi+ADP ATP 酶 C5 2C3 多种酶 CO2 固定 NADP+ NADPH 酶 叶绿体 中的色素 吸收 可见光 H2O O2 H++2e- 光解 光反应 类囊体薄膜 暗反应 叶绿体基质 (CH2O) 供氢 供能 供能 光能→ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 无机物 转变 有机物 物质变化： 能量变化： 光合作用的实质 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。 反应阶段 反应部位 反应条件 物质变化 能量变化 产 物 联 系 光合作用实质 光反应 暗反应 类囊体薄膜上 叶绿体基质 必须有光、光合色素、酶 有光或无光均可，多种酶 光能→ATP和NADPH中活跃的化学能 ATP和NADPH中活跃的化学能→稳定的化学能 NADPH、ATP、O2 ADP、Pi 、（CH2O ）、C5、NADP+ 光反应为暗反应提供ATP和[H]，暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+ 把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来 2. 光反应和暗反应的比较 ①H的转移： H2O → NADPH→ (CH2O ) ②C的转移： CO2 → C3 →（CH2O） ③O的转移： CO2 → C3 →（CH2O） H2O → O2 CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O）+ O2 3. 光合作用中元素的转移 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 C5 2C3 多种酶 (CH2O) CO2 固定 4. 环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 光照 Ⅱ Ⅰ NADPH ATP Ⅲ 停止光照： Ⅰ变弱、 Ⅲ减弱、Ⅱ暂时不变 C3消耗减少、合成不变 C5合成减少、消耗不变 停止CO2供应： Ⅱ变弱、Ⅲ暂时不变 Ⅰ暂时不变 C5消耗减少、合成不变 C3合成减少、消耗不变 Ⅲ随后减弱 课堂练习:教材第106页 概念检测 5. 化能合成作用 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 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 硝化细菌 2HNO2+O2 2HNO3+能量 硝化细菌 6CO2+6H2O C6H12O6+ 6O2 能量 能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物 不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质，并储存了能量的一类生物 如：光能自养（绿色植物，蓝藻）、 化能自养（硝化细菌、铁细菌、硫细菌等） 如：人、动物、真菌(如蘑菇) 、多数的细菌（乳酸菌、大肠杆菌）等 自养生物：(光合作用，化能合成作用） 异养生物： (1)植物在夜晚不能进行光反应，只能进行暗反应( ) (2)光合作用中ATP的移动方向是从叶绿体基质到类囊体薄膜( ) (3)光合作用只能发生在叶绿体中( ) (5)土壤中的硝化细菌可利用CO2和H2O合成糖类( ) (6)叶绿体中可进行CO2的固定但不能合成ATP( ) × × × √ × 判断题 植物在夜晚只进行呼吸作用，不能进行光合作用。虽然暗反应有光无光都可进行，因为光反应为暗反应提供的NADPH、ATP是有限的。暗反应不能较长时间地在黑暗条件下进行。 叶肉细胞产生ATP的场所有哪些？光合作用和细胞呼吸产生的ATP在用途上有什么不同？ 答：①细胞质基质、线粒体、叶绿体； ②光合作用产生的ATP只用于暗反应C3 的还原，细胞呼吸产生的ATP用于其他各项生命活动； CO2+H2O 光能 叶绿体 (CH2O) +O2 1. 光合作用强度（又称光合速率） ①单位时间(单位叶面积) CO2的固定量 ②单位时间(单位叶面积) O2的产生量 ③单位时间(单位叶面积) 有机物产生量 概念 植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量，是描述光合作用强弱的指标。 表示方法 二、光合作用原理的应用 单位时间、单位面积内反应物减少量或产物增加量。 表示方法 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 （如：Mg 合成叶绿素） 气孔开闭情况 影响 因素 1. 影响因素 二、光合作用原理的应用 2. 探究光照强度对光合作用强度(光合速率)的影响 实验材料： 生长旺盛的绿色叶片→小圆形叶片 实验原理： 光合作用产生的氧气量可作为光合强度的指标， 叶片含有空气，上浮 抽气 叶片 ； 产生O2充满细胞间隙，叶片 。 光合作用 下沉 上浮 实验设计： 自变量： 光照强度 因变量： 光合作用强度 无关变量： 叶圆片的数量和大小、温度、CO2浓度、光照时间等 实验装置分析： 自变量： 光照强度 因变量： 光合作用强度 单位时间内小圆形叶片浮起的数量 用5W的LED灯作为光源，利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。 控制方法 检测方法 无关变量： 温度、光照时间、CO2浓度(NaHCO3溶液可提供CO2)等 吸收LED灯的热量，防止对实验结果产生干扰。 方法步骤： 1. 打孔：取生长旺盛的叶片，避免叶脉处(无叶绿体)，获得圆形小叶片30片。 打孔器 方法步骤： 2. 排气：排除原先预留在叶片中O2对实验结果的干扰 ①排出注射器内残留的空气后，用手堵住注射器前端的小孔并缓缓拉动活塞，使小圆形叶片内的气体逸出。 方法步骤： 3. 沉水：处理后的小圆片置于黑暗处的清水烧杯中(防止提前进行光合作用） 4. 分组：取3只烧杯，分别加入20mL富含CO2的清水(也可用质量分数为1-2%的NaHCO3溶液) 5. 光照：分别向3只烧杯各放10片小圆叶，然后分别置于强、中、弱三种光照下。 6. 观察记录: 同一时间段内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量。(或上浮相同数量的小圆形叶片各实验装置所用时间。) 前提条件：CO2是恒定 实验结果： 光照强度影响光合作用强度，在一定光照强度范围内，光合作用随着光照强度的增加而增强。 实验结论： 小圆形叶片 加富含CO2的清水 光照强度 叶片浮起数量 甲 10片 20 mL 强 乙 10片 20 mL 中 丙 10片 20 mL 弱 多 中 少 4. 植物中光合作用与呼吸作用(有氧呼吸)的物质联系和能量转化 细胞质基质 CO2 若光合速率>呼吸速率 “三率”的表示方法 实际(总/真正)光合速率 （不可测定，需计算） CO2利用量/固定量/同化量/消耗量 O2的产生量 有机物的产生量/制造量 CO2吸收量 O2释放量 有机物积累量 净光合速率 (可测定) CO2释放量 O2吸收量 有机物消耗量 呼吸速率 （在黑暗下测定） 实际观测到的光合作用指标。 = 净光合速率+呼吸速率 问题思考见教材第105页 课堂练习:《课时》第38页第2题 速率也可换成作用强度 4. 植物中光合作用与呼吸作用(有氧呼吸)的物质联系和能量转化 细胞质基质 CO2 问：给植物提供H218O，短时间内生成的O2和CO2均含有18O？ 答：均含有 若光合速率>呼吸速率 辨析净光合速率与总光合速率曲线 典型曲线分析一 光照下CO2的吸收量 黑暗中CO2的释放量 曲线c：净光合速率 曲线d：呼吸速率 净光合速率等于呼吸速率； 总光合速率是净光合速率的2倍。 E点代表 的含义： 课堂练习:《能培》第110页第2题 《能培》第113页例3中C和D选项 《单元测评卷五》 第24题(2)、(3) 《课时》第38页第3题 1. AD段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是____________________； 2. DH段玻璃罩内CO2浓度下降的原因是____________________； 3. HI段玻璃罩内CO2浓度增加的原因是_____________________； 4. 光合速率等于呼吸速率的点是_______； 5. 经过一昼夜的时间，该植物是否生长？____。 判断的依据： ， __________________________________________________________________ 光合速率＜呼吸速率 光合速率＜呼吸速率 光合速率＞呼吸速率 D、H 是 I和A点相比，玻璃罩内CO2浓度减少，减少的CO2转化成有机物积累在植物体内 如图是密闭玻璃罩内的植物一天中光合速率的变化曲线图。 典型曲线分析二 课堂练习: 《单元测评卷五》 第18题B选项 《单元测评卷五》 第19题A选项 AB段 B点： C点： 黑暗，仅有细胞呼吸，无光合作用 光合速率逐渐增大， 但光合速率<呼吸速率 CD段 DE段 光合速率=呼吸速率 随着光强和温度的提高，光合速率逐渐增大，光合速率>呼吸速率 B和H点：光合速率=呼吸速率 H点以下：光合速率<呼吸速率 H点以上：光合速率>呼吸速率 典型曲线分析二 如图是自然环境下的植物光合速率变化曲线图。 光合作用开始点 BC段 光合午休: 气温过高，蒸腾作用旺盛，部分气孔关闭，导致CO2供应不足 EF段 温度逐渐降低，光合速率逐渐恢复 FH段 随着光照减弱，光合作用逐渐下降 H点： 光合速率=呼吸速率， 有机物积累最多 HG段 光合速率<呼吸速率 G点： 光合作用消失点 GI段 黑暗，仅有细胞呼吸，无光合作用 课堂练习: 《单元测评卷五》 第19题 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 （如：Mg 合成叶绿素） 气孔开闭情况 影响 因素 三、影响光合作用的因素及其应用 内部因素：植物叶片的叶龄、叶绿素含量及酶 在一定范围内，随叶龄增大，叶绿素含量不断增加和酶活性增强，光合作用强度不断增加。 应用：农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据其原理，降低其细胞呼吸消耗有机物。 (1) 原理： 影响光反应阶段，制约ATP、NADPH的产生，进而制约暗反应。 光补偿点：光合速率等于呼吸速率时，所对应的光照强度。 = 外部因素：光照强度 (2) 曲线分析： A：光照强度为0， 只进行 。 AB：呼吸速率 光合速率，净光合速率 0 B：呼吸速率 光合速率，净光合速率 0 呼吸作用 ＞ ＜ = 黑暗下呼吸所释放的CO2量 CO2浓度、温度 (1) 原理： 影响光反应阶段，制约ATP、NADPH的产生，进而制约暗反应。 光饱和点：光合速率达到最大时所对应的最小光照强度 外部因素：光照强度 (2) 曲线分析： BC：呼吸速率 光合速率，净光合速率 0； D以后限制光合作用的主要因素： 。 ＜ ＞ 外部因素：光照强度 ①温室或大棚中适当补充光照，以提高光合速率，达到增产目的。②适当延长光照时间。 应用： 2. B点时，植物叶肉细胞净光合速率 为0吗？ 总光合速率=呼吸速率， 净光合速率=0(针对整个植株而言） 对于植物叶肉细胞，由于其非绿色部分只进行细胞呼吸，不进行光合作用，B点整个植株净光合速率为0，但是对于叶肉细胞，其总光合速率大于呼吸速率，净光合速率大于0。 思考： 1. B点时，植株的总光合速率为0吗？ 课堂练习:单元检测卷五第14题D选项 光照强度 外部因素：光照强度 结论：阳生植物的光补偿点和光饱和点都比阴生植物大。 阳生植物：在强光环境中生长发育健壮，在阴蔽或弱光条件下生长发育不良的植物。 阴生植物：在较弱的光照条件下能够生长良好的植物叫阴生植物。 外部因素：CO2浓度 (1)原理：影响暗反应阶段，制约CO2的固定及C3的生成，进而影响光反应。 (2)曲线分析： 应用：①增加空气流动，以增加CO2浓度（正其行、通其风） ②施用农家肥料：土壤中微生物分解农家肥中的有机物，放出CO2 40 (1)原理：温度通过影响 ，进而影响光合作用。 (2)曲线分析：AB段：随着温度升高，光合速率 。 B点：对应光合作用所需的酶的 ，光合速率 。 BC段：随着温度升高，酶活性 ，光合速率 。 酶的活性 增大 最适温度 最大 下降 减小 ①农业上适时播种农作物。 ②温室中，适当增加昼夜温差，保证有机物积累。 应用： 外部因素：温度 植物“光合午休”现象 此时温度过高，气孔关闭，二氧化碳吸收量减少，暗反应减弱，光合速率降低。 课堂练习:教材第106页拓展应用2 矿质元素 水 N：光合酶及NADP+和ATP的重要组分 P：NADP+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 1. 光合作用的原料 2. 体内各种化学反应的介质 3. 直接影响气孔的开闭,间接影响CO2进入 应用：合理施肥 应用：预防干旱 合理灌溉 外部因素：水分和矿质元素 1.光合速率的测定方法——气体量变化法 将装置置于光照充足， 温度适宜的环境中 保证了容器内CO2浓度的恒定，满足了绿色植物光合作用的需求。 细胞呼吸会不会改变瓶内压强？ 不会 测定的是总光合还是净光合？ 净光合 液滴右移代表？ 净光合大于0 补充 43 2.光合速率的测定方法——黑白瓶法 黑瓶不透光，只进行呼吸作用 白瓶透光，可以进行光合作用和呼吸作用。 呼吸作用量 = 初始溶氧量 － 黑瓶溶氧量 净光合作用量 = 白瓶溶氧量 － 初始溶氧量 总光合作用量 = 净光合作用量+呼吸作用量 = 白瓶溶氧量-黑瓶溶氧量 从某一水层取样，装入若干个等体积黑瓶和白瓶中，并分别测得初始溶氧量；把黑白瓶悬挂于原水深处。一段时间后，分别测出黑、白瓶的溶氧量并算出平均值。 补充 44 课堂练习 2.(2023·广东省·单元测试)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释放量和O2产生总量的变化，图乙表示蓝藻光合作用速率与光照强度的关系。有关说法正确的是（ ） A. 图甲中，光照强度为b时，光合作用速率等于呼吸作用速率 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a、b、c点光合作用速率的因素主要是光照强度 B $$