内容正文:
5.4.2光合作用的原理和应用
一、光合作用的概念
1.光合作用指:绿色植物通过叶绿体,利用光能,将CO2和水转化成储存着能量的有机物,并且释放出O2的过程。
2.光合作用概念式:
注意:→、光能、叶绿体、( )必写
3.光合作用计算式与有氧呼吸的总反应式在物质上相反。
光合作用计算式:6CO2+12H2O → C6H12O6+6H2O+602
有氧呼吸总反应式: C6H12O6+6H2O+602 → 6CO2+12H2O+能量
二、探索光合作用原理的部分实验
1.恩格尔曼实验
选材:①水绵,叶绿体呈螺旋带状分布,便于观察;② 好氧细菌,可以准确判断出释放02的部位。
实验开始前,临时装片的状态:隔绝空气、黑暗、临时装片中含有NaHCO3稀溶液。
实验设计:①没有空气的黑暗环境排除了02和光的干扰;
②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:
③临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。
第一个实验结论:光合作用释放02;光合作用场所为叶绿体。
2.希尔实验
不能说明植物光合作用产生的O2中的O元素全部来自于水,能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。氧化剂Fe3+模拟的是NADP+, 若不加入则不能持续释放氧气(因为没有加入CO2,不进行暗反应不会生成NADP+)。
若试管中加入光合色素,给予光照,能产生O2。(×) 原因:无酶
若试管中加入类囊体,给予光照,能产生O2。(√) 原因:有色素和酶
若试管中加入叶绿体基质,给予CO2, 能合成糖类。(×) 原因:没有光反应提供的ATP 和 NADPH
3.鲁宾和卡门实验
实验方法:同位素标记法。
自变量:被标记的物质。
因变量:释放氧气的质量。
本实验为对比实验,两组均为实验组,相互对照
实验设计思路:用18O分别标记H2O和CO2,一组提供H218O和CO2, 另一组提供H2O 和C18O2;放在其他条件相同的条件下培养, 一段时间后检测两组02的释放情况。
第一组释放的氧气都为18O2,第二释放的均为O2。
实验结论:光合作用释放的氧气来自H2O 不来自CO2。(注:18O不具有放射性)
4.阿尔农:发现ATP的合成总与水的光解相联系。
5.卡尔文实验:
方法:放射性同位素标记法。
材料:小球藻(真核,除蓝细菌以外带藻的均为真核)
条件:提供光照、14CO2;
不同时间(几十秒内、几秒内、1秒以内)把小球藻放入煮沸(杀死小球藻使酶失活)的酒精(提取有机物)中,再用纸层析分离,最后鉴定放射性物质。
C 的转移途径为 :14CO₂→14C3→ (14CH₂O )
三、光合作用的过程
1.★光合作用根据是否需要光能分为光反应阶段和暗反应阶段。
光反应阶段
暗反应(碳反应)阶段
所需条件
必须有光条件下进行
有光无光均可
进行场所
类囊体薄膜(常考,注意书写规范)
叶绿体基质
物质变化
能量转换
光能→ATP和NADPH中活跃的化学能
ATP和NADPH中活跃的化学能(写全)→有机物中稳定的化学能
联系
★光反应为暗反应提供ATP和NADPH(写全);暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+(写全)
2.叶绿体类囊体薄膜上的能量转化示意图
①水是电子的最初供体,NADP+是电子的最终受体。
②H+的主动运输维持了类囊体膜两侧H+的浓度差。
③氧气是在类囊体膜的内侧合成的,NADPH和ATP在膜的外侧合成。
④ATP合成酶复合物存在于类囊体膜上、线粒体内膜上和能进行有氧呼吸的原核细胞的细胞膜上,但不存在于各类基质中。
3.没有光照,植物不能进行光合作用暗反应阶段,原因没有光反应为暗反应提供ATP和NADPH
4.叶绿体中ATP移动方向:类囊体薄膜→ 叶绿体基质; ADP、Pi 含量最多的场所:叶绿体基质。
5.CO2 固定需要酶,不需要ATP; C3 还原需要酶、ATP、NADPH。
6.★细胞呼吸产生的还原氢其实是NADH(还原型辅酶Ⅰ),而光合作用产生的还原氢是NADPH(还原型辅酶Ⅱ),两种物质不同,不能混用。
NADH和NADPH的元素组成相同,都是C、H、O、N、P。
7.光反应阶段产生的ATP 只用于叶绿体自身(如C3的还原、DNA的复制、蛋白质的合成等 ) ;
细胞呼吸产生的ATP 用于各项生命活动: 如主动运输、胞吐、胞吞、大脑思考、萤火虫发光等。
8.★叶绿体光合色素吸收的光能的两方面用途:将水分解为氧气和H+、用于合成ATP和NADPH。
9.★NADPH在暗反应中的作用:作为 C3的还原的还原剂,并提供能量 。
10.以下细胞产生ATP的场所分别为:
哺乳动物成熟的红细胞和蛔虫细胞:细胞质基质 一般的动物细胞:细胞质基质和线粒体
叶肉细胞:细胞质基质、线粒体、叶绿体 根尖细胞:细胞质基质、线粒体
好氧原核细胞:细胞膜、细胞质基质
11. 绿叶通过气孔从外界吸收CO2,一分子CO₂与C5 固定形成2分子C3
12.【拓展】请以暗处理过的黑藻为实验材料,验证细胞中叶绿体光合作用能产生淀粉、写出实验思路和预
期实验结果(试剂和用具可根据需要选择)
实验思路:长势相同的黑藻平均分为两组,一组在适宜光下照射一段时间,另一组黑暗处理,用酒精脱色后滴加碘液(碘蒸气也可),显微镜下观察(要点为:“为分两组,不可以先进行暗处理因为题目中已给出,酒精脱色处理,显微镜观察”)(2分)
实验结果:光照组叶绿体中出现蓝色,黑暗组不变成蓝色(仅光照组叶绿体出现蓝色即可给分。(实验思路错,结果正确也不得分)(2分)
13.C3、C5含量变化规律:
C3、C5含量变化总是相反,C5 与ATP、NADPH含量变化相同
(改变光,则从光反应开始分析;改变CO2则从暗反应开始分析)
(1)光照强度由弱到强,ATP与NADPH含量增加,短时间CO2固定速率不变,C3 还原速率增加,所以 C₃含量减少,C5含量增加。【考试答C3、C5含量变化时从来源和去路两个角度答】
(2)CO2浓度增加,则CO2 固定速率增加,C3 还原速率不变,所以C3含量增加,C5含量减少。由于光照强度不变,ATP 和 NADPH 合成速率不变,但消耗速率增加,则ATP 和NADPH 含量减少。
(3)“模型法”表示C3和C5的含量变化,起始值C3高于C5(约是其2倍)
有利于光合(如提高光照强度、CO2浓度、相同强度白光变红光)时,ATP、NADPH、C3、C5生成速率均增加(注意是生成速率,不是含量),不利都减少;
(CH2O): 有利于光合增加,不利于光合减少。
四、★元素转移
1.追踪有氧呼吸过程中以下元素的转移途径:
14C6H12O6→ 14C3H4O₃→14CO₂
18O₂→H218O ; H218O → C18O₂
3H₂O→ [H]→3H2O
2. 给小鼠吸入含18O的O₂ ,一段时间后可在H2O、CO₂中检测到18O(而不是检测到放射性)原因:
18O的转移途径为18O2 → H218O → C18O₂
3.有氧呼吸产物H2O 中 H 的来源:葡萄糖和水, CO2 中O的来源:葡萄糖和水 。
4.光合作用过程中元素转移
14CO₂→14C3→ (14CH2O )
H218O → 18O₂
5.给植物浇灌含18O的H218O, 放在适宜光照条件下,一段时间后在18O₂、H218O 、、C18O₂ 、(CH₂18O) 中均可检测到18O(而不是检测到放射性)。过程 :
水的光解 H218O → 18O₂;
18O₂参与有氧呼吸第三阶段 18O₂ → H218O ,
H218O 参与有氧呼吸第二阶段 H218O → C18O₂,
C18O₂参与光合作用暗反应 C18O₂→ (CH₂18O )
五、探究光照强度对光合作用的影响(课本P105)
1. 变量分析:
自变量是光照强度,可通过调节小烧杯与光源之间的距离或台灯的瓦数来控制自变量;
因变量:同一时间段内小圆叶片浮起的数量或浮起相同数量小圆叶片所需时间
无关变量:叶片的大小和数量、 温度、NaHCO3溶液浓度等。
2. 用打孔器打叶圆片时避开大的叶脉,叶脉中的导管和筛管细胞中无叶绿体,不能进行光合作用。
3.小圆叶片气体逸出后,叶片因为细胞间隙充满水,所以会全部沉到水底。处理好的小圆叶片应置于黑暗条件下,目的是防止小圆叶片光合作用产生氧气,避免对实验结果造成干扰。
4. 质量分数为1%-2%的NaHCO3溶液提供CO₂。
5. 该实验用LED灯(冷光源)作光源,不用白炽灯(热光源)若用白炽灯做光源,需要在光源与装置中间加一个盛水的玻璃柱。目的是吸收白炽光照时产生的热量,避免光照对烧杯内温度造成影响。
6.实验中导致小圆叶片上浮的气体是O2 而不是 CO₂。
水中圆形小叶片在强、中、弱不同光照条件下,分别呈现上浮、沉到水底的状况,原因及叶肉细胞的气体交换图分析如下:
①在黑暗情况下,植物叶片只进行细胞呼吸,吸收O2,产生的CO2较易溶于水,所以叶片沉到
水底。叶肉细胞气体交换图如图:
②在弱光下,此时的光合作用强度小于或等于细胞呼吸强度,叶片中仍然没有足够的氧气,仍然沉到水底。叶肉细胞气体交换图如图:
③在中、强光下,叶片上浮,试分析其原因并在下图中绘制叶肉细胞气体交换图。
注意:此结果不能代表总光合或净光合速率,只能比较不同光照强度下的光合作用强度的大小。
7.本实验装置也可用来探究CO2浓度、温度等环境因素对光合速率的影响
如图为将等量的叶圆片放入含有不同浓度NaHC03,溶液中,给予一定光照,测量叶圆片全部上浮所用的平均时间。据图分析:
①本实验目的探究C02浓度对光合作用强度的影响。
②在ab段,随着NaHCO3溶液浓度的增大,光合速率逐渐增大。
bc段的限制因素是 温度、 光照强度 。
c点之后,因NaHC03溶液浓度过高、叶肉细胞失水,细胞代谢水平下降。
六、★光合速率和呼吸速率的表示
⑴总(真、实际)光合速率: 有光时,单位时间内CO2的固定量或消耗量、O2的产生量或有机物的制造量
(2)净光合速率:有光时,单位时间内CO2的吸收量或释放量、O2的释放量和吸收量或有机物的积累量
(3)呼吸速率:黑暗中,单位时间内CO2的释放量、O2的吸收量或有机物的消耗量
注意:叶绿体吸收CO2的量,释放O2的量代表总光合。(因为叶绿体吸收CO2的量=细胞呼吸产生+外界)
叶肉细胞或植物吸收CO2的量,释放O2的量代表净光合。
七、影响光合作用的因素
主要外因:光照强度、光质、光照时间、CO2 浓度、温度、水、矿质元素等;
内因:色素的含量、酶的数量和活性、 C5 的含量等。
1. 光照强度
⑴光照强度通过影响光反应中ATP和DANPH的合成,进而影响暗反应,影响光合速率。
⑵曲线分析:
图1、2分别是在最适温度下测得的光照强度对光合作用速率的影响、阳生植物与阴生植物的影响
图1 图2 图3 (M N代表两种气体)
①在一定范围内光合速率随光照强度的增加而增加,当光照强度增加到一定值时光合速率不再增加。
②AC 段的限制因素为光照强度 , C 点的限制因素为CO2 浓度(一般没有内因2字答外因),限制C 点的内因为色素的含量、酶的数量、C5 的含量。
③A点代表的是呼吸速率,存在图3中的箭头 m1=m4、n1=n4 ;
AB段光合速率<呼吸速率,存在图3 中的箭头 m1=m2+m4、n1=n2+n4 ;
B 点为光补偿点,含义: 光合速率=呼吸速率时的光照强度,存在图3中的箭头 m1=m4=n1=n4 ;
BC段光合速率>呼吸速率,存在图3中的箭头 m4=m1+m3、n4=n1+n3 。
E 点为光饱和点: 达到最大光合速率时的最小光照强度
④C 点(光合速率>呼吸速率)时,叶绿体产生0₂的去向进入线粒体、释放到外界;CO2 来源:细胞呼吸提供、从外界吸收。产生ATP的场所:细胞质基质、线粒体、叶绿体。
⑤★若图1测得的是某植物,则B点时叶肉细胞的光合速率 > 呼吸速率;
⑥图1测得的为净光合速率,原因:该曲线纵坐标代表CO2 吸收速率(该曲线不过原点)
⑦阴生植物的光的补偿点和饱和点均低于阳生植物。
⑶应用
阴雨天适当补充光照,及时对大棚除霜消雾。
合理密植(提高光照强度和CO2 浓度);
间作(植株高的光饱和点高,植株矮的光饱和点低) 提高光能利用率;
⑷关键点移动
规律:有利于光合时BD向两边移,C点右上移;不利于光合时BD向中间移、C点左下移;
A 点只受温度影响(有利于呼吸下移,不利上移);
【 特 例:阳生植物变为阴生植物,不符合规律,A点上移 ,BD左移,C点左下移;】
例如:上图为某阳生植物在250C、大气CO2浓度下,随光照强度(红光)的变化,其净光合速率变化的曲线。植物光合作用的最是温度为250C,而呼吸作用的最适温度为350C。其中B点为光的补偿点,当外界单因素发生改变时,曲线中的几个点将如何移动,请填下表
项目
A点
B点
D点
C点
相同强度的红光换为白光
不动
右移
右移
右移
CO2浓度升高
不动
左移
右移
右上移
减少Mg2+供应
不动
右移
左移
左下移
温度升高到350C
下移
右移
左移
左下移
由阳生植物换为阴生植物
上移
左移
左移
左下移
⑸.面积:
代表呼吸消耗的总量:S1+S3;
代表总光合产生有机物的总量:S2+S3;
代表净光合积累的量:总光合(S2+S3) - 呼吸(S1+S3)=S2-S1
2.光质
⑴原理:在可见光光谱的范围内,不同波长的光下,光合作用效率是不同的。
在相同的光照强度下,与红光相比,在蓝紫光的照射下,植物的光合速率高。
原因:植物对蓝紫光的利用率更高。
在遮光条件下,蓝紫光的含量高。
植物为适应弱光环境,会提高叶绿素b的含量。原因:植物对蓝紫光的吸收百分比(利用率)高。
蓝紫光照射下,光合作用产物中蛋白质和脂肪含量会增加,红光照射下,光合作用产物中糖类的含量会增加。
⑵应用:
无色透明的塑料薄膜,日光中各色光均能透过,有色塑料薄膜主要透过同色光,所以温室大棚用无色塑料薄膜最有效。
叶绿素对绿光吸收最少,因此温室大棚用绿色塑料薄膜,植物的光合效率最低。
大棚补光应选红光或蓝紫光。
3. 光照时间
⑴光照时间提高光能利用率,提高作物的产量,但不能提高光合作用强度(速率)
⑵应用:
①温室中人工延长光照时间
②提高复种指数:一年一茬→一年多茬
4. CO2浓度
⑴原理:CO2 影响暗反应阶段,制约C3的形成,从而影响光合速率。
⑵曲线分析:分析方法与光照强度一模一样
图1中B点代表:CO2补偿点;
图2中A点代表:进行光合作用所需CO2的最低浓度(原因:RUBP羧化酶对CO2的亲和力有限)
⑶应用:
①正其行,通其风(主要提高CO2 浓度);
②增施农家肥。
施用农家肥的优点(两点):
农家肥中的有机物可被微生物分解为CO2 和无机盐(不能写成无机物,因为有些无机物光合作用不利用,例如氮气、一氧化碳等)。
施用有机肥使土壤疏松,有利于植物根细胞进行有氧呼吸,有利于无机盐的吸收,从而提高光合速率。(农作物不能直接利用有机物。)
③ 在温室中使用二氧化碳发生器或与猪舍相通等。
⑷关键点移动
下图为某阴生植物在350C、光的补偿点对应的光照强度(白光)下,随CO2浓度的变化,其净光合速率变化的曲线。植物光合作用的最是温度为250C,而呼吸作用的最适温度为350C。其中B点为CO2补偿点,当外界单因素发生改变时,曲线中的几个点将如何移动,请填下表
项目
A点
B点
C点
D点
相同强度的白光换为红光
不动
左移
右移
右上移
光照强度增强
不动
左移
右移
右上移
减少Mg2+供应
不动
右移
左移
左下移
温度下降到250C
上移
左移
右移
右上移
由阴生植物换为阳生植物
下移
右移
右移
右上移
5.温度
⑴原理:温度通过影响与光合作用关的酶的活性影响光合作用(图1),其影响光合作用的光反应和暗反应阶段,主要影响暗反应阶段,温度还可以通过影响气孔的开闭程度影响暗反应(图2)。
在一定温度范围内,随着温度的升高,光合速率增加,超过最适温度,随着温度的增加,光合速率下降。
图1 图2
⑵应用
①晴天时,温室中增大昼夜温差,有助于提高产量原因:白天适当升温有助于提高光合速率,夜间适当降温,降低细胞呼吸消耗,保证有机物积累。【注意:如果是阴天,则不需增大昼夜温差,应白天晚上温度都低,降低细胞呼吸消耗】
②大田:适时播种
6.水
⑴原理:
①水既是光合作用的原料,又是体内各种化学反应的介质,直接影响光合作用速率
②★水分还能影响气孔的开闭 ,影响 CO2 进入叶片,间接影响光合作用暗反应速率(主要)
③缺水会使淀粉水解减慢,糖类堆积,光合产物输出缓慢。
⑵应用
①预防干旱(地膜覆盖) 。
②适时、适量浇水。
⑶夏季中午浇水,植物物萎蔫的原因:夏季中午土壤温度高,蒸腾作用旺盛,浇水会使土壤温度降低,使植物根部细胞呼吸减弱,吸收无机盐减弱,根部细胞吸水减少,从而出现萎蔫。
⑷水淹之后,植物光合作用减慢的原因:水淹后植物根部细胞主要进行无氧呼吸,使之吸收的无机盐减少,光合作用减慢。
7.矿质元素
⑴原理
一般给植物施肥施的是N、 P、K、Mg等;
N:有助于提高光合色素和酶(ATP、NADPH 也可)的含量;
P: 有助于提高ATP和NADPH的含量;
Mg: 有助于提高叶绿素的含量
K:促进光合产物向贮藏器官运输;(小麦穗、棉花桃、苹果等)
⑵应用:适时、适量施肥
施肥后需立即浇水的原因:矿质元素只有溶于水才能被植物吸收 。
合理施肥的原因:防止施肥过多导致“烧苗”现象。
8.★光合作用的一部分是是淀粉,一部分是蔗糖,淀粉在在叶绿体基质中合成,蔗糖在细胞质基质中合成。蔗糖(非还原糖,性质稳定)可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。叶绿体或叶肉细胞中的光合产物不能及时运出,也会使光合速率减慢。
9拓展:光合作用酶的活性的影响因素:
光合作用酶的活性不仅受到温度、PH的影响,还受CO2浓度和光的调节。
⑴CO2浓度对光合作用酶的活性的影响机制
高温会使Rubisco偏向加氧反应(光呼吸),而高浓度的CO2 可竞争性抑制Rubisco与O2结合,减少光呼吸对光合作用的干扰,使得酶在较高温度下,仍能保持较高得催化效率,客观上体现为最适温度升高。另外CO2与Rubisco结合后,会增强酶分子内部的疏水作用和氢键网络,让酶的三维结构更稳定,能够再高温下维持催化活性的构象,不易高温发生变性失活。
⑵光照对光合作用酶的活性的影响机制
①光依赖的离子与PH 调控
光照下,叶绿体类囊体薄膜进行光反应,将H+泵入类囊体腔,使叶绿体基质的PH从5.5升至8.0左右,暗反应的核心酶如Rubisco等的最适PH 均偏碱性,会显著激活这些酶的活性。
②还原态物质的激活作用
光反应生成的NADPH可将暗反应酶中的二硫键(-S-S-)还原为巯基(-SH),改变酶的构象使其激活。
③光对Rubisco活化酶的调控
光照能促进Rubisco活化酶的活性,钙镁可移除结合在Rubisco活化活性位点上的抑制剂(如RUBP),帮助Rubisco与CO2、Mg2+结合形成有活性的构象,从而提升Rubisco的羧化效率。
10.总结影响气孔开放程度的因素:
⑴水分:水分供应充足时,保卫细胞吸水,气孔打开。水分供应不足时,保卫细胞失水,气孔关闭。
⑵光照:光照下,保卫细胞内的叶绿体进行光合作用,消耗CO2使细胞内PH升高,激活细胞膜上的H+-ATP酶泵出H+,形成膜电位驱动K+和Cl-内流,导致保卫细胞浓度变大,细胞吸水,气孔打开。
光照使保卫细胞消耗CO2使细胞内PH升高,淀粉磷酸化酶水解淀粉为可溶性糖,导致保卫细胞浓度变大,细胞吸水,气孔打开。黑暗或逆境时,离子外流,导致保卫细胞浓度变小,细胞失水,气孔关闭。
⑶温度:温度过高,为了避免蒸腾速率过快,气孔关闭。
⑷CO2浓度:当外界CO2浓度高,大量CO2扩散进入保卫细胞,导致细胞内PH降低,抑制细胞膜上的H+-ATP酶泵出H+,无法形成膜电位驱动K+和Cl-内流,导致保卫细胞失水,气孔关闭。
当外界CO2浓度降低,保卫细胞的CO2因光合作用消耗二持续减少,导致细胞内PH升高,激活细胞膜上的H+-ATP酶泵出H+,形成膜电位驱动K+和Cl-内流,导致保卫细胞吸水,气孔打开。
⑸风:风主要通过改变叶片周围的气体环境和水分状态,间接影响气孔的开度。适度微风促进气孔的开放,强风导致气孔关闭。
⑹脱落酸(ABA),植物缺水时,根和叶片会ABA,通过调控保卫细胞的例子运输和水分外流,诱导气孔关闭。
11.叶龄和叶面积对光合作用的影响
新叶展开期光合速率上升的原因:色素和酶含量增加,酶活性增大,受光面积增大;
老叶光合速率下降原因:色素和酶含量降低,酶活性降低。此时做色素的提取和分离,三四条色素带会变窄。
12.多因素曲线:自变量(不止 一个 ,题干有几个写几个)
分叉以前的限制因素主要是横坐标;
分叉至变平: 两种因素均是限制因素;
变平以后,多条曲线之间的因素为主要限制因素。
13.24h曲线分析
AC(ac) :只有呼吸作用(注:图甲中BC段、图乙中ab 段是由于温度低,呼吸速率减慢)
C(c):光合作用出现,开始制造有机物
D(d):光合作用强度=呼吸作用强度,有机物开始积累
FG(ef):光合午休现象,原因:温度过高、蒸腾作用过强,部分气孔关闭,CO2 吸收减少,暗反应减慢,光合速率下降(乙图ef 和gh 段下降原因不同;ef 光合午休,gh 光照强度下降)
H(h): 光合作用强度=呼吸作用强度,有机物积累量达到最多
HI之间(hi之间):光合作用强度<呼吸作用强度
图甲【判断植物是否生长】该植物一天能生长,原因:I 点低于A 点,一天内玻璃罩内CO2 浓度下降,CO2用于有机物的合成,有有机物积累。
图乙【判断植物是否生长】用字母表示植物一天有机物积累是P-M-N, 若>0,则可生长。
光合速率=呼吸速率的点(若密闭装置或纵坐标表示CO2浓度则找拐点; 若为大田或纵坐标为CO2吸收速率则找交点)左图DH, 右图dh:
开始积累有机物: D(d), 有机物积累最多: H(h)。
8、 ★总结
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