5.4.2光合作用的原理和应用课件-2026-2027学年高一上学期生物人教版必修1

第4节 光合作用与能量转化 第2课时 光合作用的原理和应用 必修一 第5章 细胞的能量供应和利用 光合作用的原理 1 一、光合作用 指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将 转化成储存着能量的 ，并且释放出 的过程。 CO2 + H2O （CH2O）+O2 糖类 光能 叶绿体 2.反应式 1.概念 3.实质 合成有机物，储存能量。 将无机物合成有机物，光能转换为有机物中稳定的化学能。 二氧化碳和水 有机物 氧气 2 CO2 O2 C + H2O 甲醛 多个缩合 糖类 很多年来，人们一直以为： 甲醛→糖 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类。 二、探索光合作用原理的实验 初步判断： 氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。 1.19世纪末 2.1928年: 应该注意到光合作用反应式中所有的反应物和产物都含有氧，而上面反应式并没有指出释放的O2是来自CO2还是H2O。 很多年来，人们一直以为光能将CO2分解成O2和C，C与H2O结合成（CH2O） 3 3.1937年，希尔 1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)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。 二、探索光合作用原理的部分实验 3.希尔反应 4Fe3+ （或其他氧化剂）+ 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2 光能 叶绿体 2.希尔的实验 是 否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？ 是；因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中C元素。 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；该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并未直接观察到氧元素的转移。 希尔进一步研究证实，植物光合作用的光反应是氧分子的产生，而不是CO2的还原，氧的产生是由于叶绿体以草酸铁作受氢体所致，其机理与完整细胞光合放氧过程相一致。 p103讨论： 5 4.1941年，鲁宾和卡门 自变量为标记物质(H218O与C18O2)，因变量为的相对分子质量不同的O2 。（同位素标记法、对比实验的方法） 实验说明： 光合作用释放的O2来自于H2O 。 二、探索光合作用原理的部分实验 实验方法： p103讨论3 5.1954年，阿尔农 1954年，美国阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体光照时发现，当向反应体系中供给ADP、Pi等物质时，体系中就会有ATP出现。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。 H2O O2 + 2H+ + 能量 光照 叶绿体 ADP+Pi ATP ATP的合成与希尔反应的关系 二、探索光合作用原理的部分实验 p103讨论4 6.1964年，卡尔文 1964年以后，美国科学家卡尔文用14C标记14CO2，供小球藻进行光合作用，探明了CO2中的C的去向，称为卡尔文循环。 放射性同位素标记法。 光合产物中有机物的碳来自CO2 上述实验表明，光合作用释放的O2中的氧元素来自 ，氧气的产生和糖类的合成 同一个化学反应，而是分阶段进行的。P103　 二、探索光合作用原理的部分实验 方法： 结论： 水 不是 光合作用过程的示意图 根据 ，这些化学反应可以概括地分为 和 （现在也称为碳反应)两个阶段。 三、光合作用的过程 是否需要光能 光反应 暗反应 暗反应 光反应 叶绿体内的类囊体薄膜(或类囊体或叶绿体基粒）上。 ①水的光解： H2O O2 +H+ 光能 ③ATP的合成： ADP＋Pi ＋光能 ATP 酶 光能 ATP和NADPH中活跃的化学能 ②NADPH的合成:H++NADP+ NADPH 酶 NADPH:还原性辅酶II（光合）；NADH:还原性辅酶I（呼吸） 三、光合作用的过程 1.光反应阶段： 能量转化： 叶绿体基质 CO2的固定： C3的还原： 能量变化 ATP、NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 NADPH NADP+ ATP ADP+Pi (CH2O)+C5 2C3 糖类 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） 2.暗反应阶段： CO2＋C5 2C3 酶 酶 （卡尔文循环） 酶 叶绿体 中的色素 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 酶 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ADP、Pi和NADP+。 三、光合作用的过程 光能→ATP、NADPH中活跃的化学能 →有机物中稳定的化学能 能量转换 12 光合作用的原理 1 四、光合作用中元素的转移 CO2 + H2O 光能 叶绿体 （CH2O）+ O2 教材隐性知识：①源于P104“相关信息”： 光合作用的产物有一部分是_____，还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入 ，再通过韧皮部运输到植株各处。 淀粉 筛管 13 光合作用的原理 1 五、光合作用的意义 1.产生有机物，为自身及异养生物提供营养物质。 2.转化并储存太阳的光能，为生命活动提供能量。 3.为有氧呼吸的生物提供氧气； 维持大气中O2和CO2的平衡，从而缓解温室效应。 光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。 14 光合作用的原理 1 六、环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 1.“来源－去路”法 CO2浓度不变 NADPH、ATP C3 C5 （CH2O） 光照减弱 光照增强 减少 减少 减少 减少 增加 增加 增加 增加 15 1.“来源－去路”法 光照不变 C3 C5 （CH2O） NADPH、ATP CO2浓度减少 CO2浓度增加 增加 增加 增加 增加 减少 减少 减少 减少 16 2.模型法 ①图1中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ②图2中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ③图3中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 ④图4中曲线甲表示 ，曲线乙表示 。 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C5、NADPH、ATP C3 C3 C5、NADPH、ATP 六、环境改变时光合作用各物质含量的变化分析 ①用单位时间单位面积内CO2的消耗量或O2的产生量来表示 光合作用强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的量（即光合作用速率）。 ②植物在进行光合作用的同时，还进行呼吸作用。 实际测量到的光合作用指标是净光合作用速率，称为表观光合速率。 如光合作用产生的O2=释放到空气中的O2+呼吸作用消耗的O2 光合作用原理的应用 2 一、光合作用强度 一）概念： 二）表示： ③总光合=净光合+呼吸 1.实验原理 叶片含有空气上浮 抽气 叶片下沉 叶片上浮 光合作用产生O2 O2充满细胞间隙 自变量 光照强弱 因变量 光合作用强度 相同时间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 ①实验叶片： 同种、生长状况相同、小圆形叶片大小相同、等量… ②NaHCO3溶液： 无关变量 等量,相同浓度 数量/ t 光合作用原理的应用 2 三）探究环境因素对光合作用强度的影响 （1）0.6cm的打孔器打孔 打出圆形小叶片30片 （2）叶片置于注射器内 抽出叶片的气体 (3)叶片黑暗处清水中保存 三）探究环境因素对光合作用强度的影响 2.材料用具 打孔器、注射器、5W LED台灯、米尺、烧杯、绿叶 3.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），向3只 小烧杯中各放入10片小圆形叶片；（5）分别对这3个实验装置进行强、中、弱三种光照（小烧杯距5W台灯距离分为10、20、30cm） 。 3.实验步骤 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 4.实验结论 在一定范围内，光合作用强度随光照强度的增强而增强。 光合强度 光照强度 线粒体 叶绿体 O2 释放O2 （可测得） 叶肉细胞 CO2 吸收CO2 （可测得） 总光合作用 = 净光合作用 + 呼吸作用 有机物的制造量 CO2的固定量 O2的产生量 有机物积累量 CO2的吸收量 O2的释放量 有机物的消耗量 CO2的释放量 O2的吸收量 四）光合作用与呼吸作用关系 光合作用原理的应用 2 叶绿体固定CO2的速率是总光合速率，叶肉细胞和植物体吸收CO2的速率是净光合速率。当植物体的V光合=V呼吸时，则叶肉细胞V光合>V呼吸。 22 光合作用原理的应用 2 二、光合作用的影响因素及应用 CO2+H2O （CH2O)+O2 光能 叶绿体 CO2的浓度: 温度 H2O 矿质元素（Mg合成叶绿素） 1.外因 2.内因 酶的种类和数量、色素的含量、叶龄、叶面积指数 环境中CO2浓度、叶片气孔导度 光照强度 23 光照强度 0 CO2吸收 CO2 释放 A B C 呼吸速率 光补偿点 光饱和点 净光合 总光合 B：光合=呼吸( ) D：光合速率开始达到最大时 的光照强度 ( ) C点之后限制因素： 。 D AB：光合<呼吸 BC：光合>呼吸 呼吸 A：只有呼吸 C点之前限制光合作用的因素是 。 二、影响光合作用强度的因素及其应用 1.外因:(1)光照强度 光照强度 光补偿点 光饱和点 CO2浓度、温度 植物体在B点时，它的叶肉细胞的光合强度 呼吸强度（大于、等于、小于） 大于 S z L w h S z L w h 光照强度 0 CO2吸收 CO2释放 A B C 光补偿点 光饱和点 D A点：只呼吸不光合 O2 CO2 AB段：呼吸＞光合 B点：呼吸＝光合 BC段：光合＞呼吸 （1）光照强度 25 (2).光照强度、CO2浓度和温度对光合作用的综合作用 P点及P点前：限制光合速率的因素应为横坐标所示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断 。 P-Q: 限制光合速率的因素为横坐标所示的因子+各曲线所表示的因子 Q点及Q点后：影响因素为各曲线所示的因子。 提高 应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加 ，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加 和CO2浓度以提高光合速率。 CO2浓度 光照强度 26 二、光合作用的影响因素及应用 2.内部因素 （1）植物自身的遗传特性 阴生植物呼吸作用较弱，对光的利用能力也不强。 阳生植物是指在强光环境中生长 发育健壮，在阴蔽和弱光条件下生长发育不良的植物称阳性植物 阴生植物是指在弱光条件下比强光条件下生长良好的植物。 光照强度 0 CO2吸收 CO2 释放 A B C 阳生植物 呼吸速率 阴生植物 A1 B1 C1 D D1 光补偿点： > 光饱和点： > 应用：间作套种 阳生植物 阴生植物 阳生植物 阴生植物 27 化能合成作用: 能够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： 2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量 2HNO2+O2 2HNO3+能量 CO2+H2O (CH2O)+ O2 能量 硝化细菌: 项目 光合作用 化能合成作用 区别 能量来源 代表生物 绿色植物 相同点 光能 无机物氧化释放的能量 硝化细菌 都能将CO2和H2O等无机物合成有机物 3 硝化细菌、铁细菌、硫细菌等。 28 1.依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。 (1)光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。( ) (2)光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。 ( ) (3)影响光反应的因素不会影响暗反应。 ( ) 一、概念检测 ✘ ✓ ✘ 29 一、概念检测 2.如果用含有14C 的 CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是 ( ) A. CO2 →叶绿素→ ADP B. CO2→叶绿体→ ATP C. CO2→乙醇 →糖类 D. CO2→三碳化合物→糖类 D 30 O2 H+ NADPH NADP+ ADP+Pi ATP 2C3 C5 3.根据光合作用基本过程填充下图 31 1.下图是夏季晴朗的白天， 某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。 分析曲线图并回答： （1）7～10时的光合作用强度不断增强原因是 。 （2）10～12时左右的光合作用强度明显减弱原因 是 。 （3）14～17时的光合作用强度不断下降的原因是 。 光照强度不断减弱 光照强度逐渐增大 温度很高，蒸腾作用很强，使气孔大量关闭，CO2供应减少 二、拓展应用 （4）从图中可以看出，限制光合作用的因素有 。 光照强度、温度 （5）依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。 可用温室大棚控制光照强度、温度，如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等。 32 二、拓展应用 3.在玻璃瓶底部铺一层潮湿的土壤，播下一粒种子，将玻璃瓶密封，放在靠近窗户能照到阳光的地方，室内温度保持在 30℃左右。不久，这粒种子萌发长成幼苗。你能预测这株植物幼苗能够生存多长时间吗？如果能，请说明理由。如果不能，请说明你还需要哪些关于植物及其环境因素的信息。 植物的生活需要水、无机盐、阳光、适宜的温度、空气(含有二氧化碳)。从给出的信息可以看出，植物生长的基本条件都是满足的，因此，只要没有病虫害等不利因素，这株植物(幼苗)能够生存一段时间。但这株植物究竟能够生存多长时间，需要知道土壤含水量、植物体内有机物积累速率、瓶中CO2总量、植物光合速率、呼吸速率或有机物积累速率等信息。 33 P108一、选择题 1.下列关于水稻细胞内 ATP 的叙述，错误的是 （ ） A.能与 ADP 相互转化 B.只能由细胞呼吸产生 C.可为物质跨膜运输提供能量 D.释放的磷酸基团能与某些蛋白质结合 2.在不损伤植物细胞内部结构的情况下，下列可用于去除细胞壁的物质是（ ） A.蛋白酶 B.纤维素酶 C.盐酸 D.淀粉酶 B B 34 一、选择题 3.下图表示酶活性与温度的关系。下列叙述正确的是 ( ) A.当温度为t2时，该反应的活化能最高 B.当反应物浓度提高时， t2对应的数值可能会增加 C.温度在t2时比在t1时更适合酶的保存 D.酶的空间结构在t1时比t3时破坏更严重 B 35 一、选择题 4.叶绿体不同于线粒体的特点有( ) A.具有双层选择透过性膜 B.利用水进行化学反应 C.能分解水产生氧气和H+ D.合成 ATP 为生命活动供能 5.叶肉细胞中不能合成 ATP 的部位是 ( ) A.线粒体内膜 B.叶绿体的类囊体膜 C.细胞质基质 D.叶绿体基质 C D 36 一、选择题 6.在我国西北地区，夏季日照时间长，昼夜温差大，那里出产的瓜果往往特别甜。这是因为( ) A.白天光合作用微弱，晚上呼吸作用微弱 B.白天光合作用旺盛，晚上呼吸作用强烈 C.白天光合作用微弱，晚上呼吸作用强烈 D.白天光合作用旺盛，晚上呼吸作用微弱 D 37 光合作用 有氧呼吸 区别 部位 场所 条件 原料 产物 物质转化 能量转变 联系 含叶绿体的细胞 叶绿体 光、色素、酶 光能 化学能，储存在有机物中 无机物 有机物 线粒体（主要场所） O2 、酶 活细胞 将有机物中的能量释放出来，一部分转移到ATP中 分解有机物 光合为呼吸提供有机物和O2 ； 呼吸为光合提供CO2，能量。 二、非选择题 1.请设计并填写一个表格，简明而清晰地体现出你对光合作用与细胞呼吸之间主要区别和内在联系的理解。 CO2、H2O 有机物、O2 有机物、O2 CO2、H2O 38 二、非选择题 2.CO2浓度增加会对植物光合作用速率产生影响。 研究人员以大豆、甘薯、花生、水稻、棉花作为 实验材料，分别进行三种不同实验处理，甲组提供 大气 CO2浓度(375μmol·mol-1)，乙组提供大气 CO2浓度倍增环境(750umol·mol-1)，丙组先在大 气 CO2浓度倍增的环境中培养 60 d，测定前一周 恢复为大气大气 CO2浓度。整个生长过程保证充足的 水分供应，选择晴天上午测定各组的光合作用速率。结果如下图所示。回答下列问题。 （1）CO2浓度增加，作物光合作用速率发生的变化是 ；出现这种变化的原因是： 提高 CO2参与光合暗反应，光照充足，增CO2浓度，与C5结合形成C3增加，葡萄糖也增加，故光合速率增加。 （2）在CO2浓度倍增时，光合作用速率并未倍增，此时限制光合作用速率增加的因素可能是： 。 NADPH、 ATP 的供应限制；固定CO2的酶活性 不高、C5的再生速率不足、有机物在叶绿体中积累较多等。 39 二、非选择题 （3）丙组的光合作用速率比甲组低。有人推测可能是因为作物长期处于高浓度CO2环境而降低了固定 CO2的酶的活性。这一推测成立吗?为什么? 可能成立。若植物长期处高浓度CO2下，降低了固定 CO2的酶的含量或活性，当恢复到大气 CO2浓度后，已降低的酶的含量或活性未能恢复，又失去了高浓度CO2的优势，故会表现出比大气 CO2浓度下更低的光合速率。 40 二、非选择题 （4）有人认为:化石燃料开采和使用能升高大气 CO2浓度，这有利于提高作物光合作用速率对农业生产是有好处的。因此，没有必要限制化石燃料使用，世界主要国家之间也没有必要签署碳减排协议。请查找资料，对此观点作简要评述。 光合作用受温度、水分等外部因素的影响，也受到内部的酶活性等内因素的影响。长期高 CO2浓度可能使某些酶活性降低，高温也可能引起植物其他的变化，如色素降低；同时温室效应致气温升高，引起蒸发率升高而影响水分供应，高温环境下，呼吸作用增强，消耗的有机物也增多。故温室效应不一定会提高作物产量。 41 一、光呼吸：光呼吸是指绿色植物在光照情况下吸收O2，将叶绿体中的C5分解产生CO2的过程。光呼吸是一个“耗能浪费”的生理过程，因此，抑制植物的光呼吸可实现农作物的增产。 二、光呼吸的意义：防止强光对叶绿体的破坏。强光时，由于光反应速率大于暗反应速率，因此，叶肉细胞中会积累ATP和NADPH，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和NADPH ，从而减轻对叶绿体的伤害。 光呼吸的危害（1）如果在较强光下，光呼吸加强，使得C5氧化分解加强，一部分碳以CO2的形式散失，从而减少了光合产物的形成和积累。（2）光呼吸过程中消耗了ATP和还原氢，即造成了能量的损耗。 光呼吸的意义防止强光对叶绿体的破坏。强光时，由于光反应速率大于暗反应速率，因此，叶肉细胞中会积累ATP和还原氢，这些物质积累会产生自由基，尤其是超氧阴离子，这些自由基能损伤叶绿体，而强光下，光呼吸加强，会消耗光反应过程中积累的ATP和还原力，从而减轻对叶绿体的伤害。 四、光呼吸的危害和意义 基 础 梳 理 总结 $