光合作用和呼吸作用与碳循环和能量流动(精).ppt

专题五 光合作用和呼吸作用与碳循环和能量流动 重点知识联系与剖析 一 光合作用 1 光合作用的实质 通过光合作用的光反应把光能转变成活跃的化学能 通过暗反应把二氧化碳和水合成有机物 同时把活跃的化学能转变成稳定的化学能贮存在有机物中 2 光合色素及其物理性质与功能 叶绿素不溶于水 但易溶于酒精 丙酮 石油醚等有机溶剂中 呈黄绿色 叶绿素吸收光的能力极强 如果把叶绿素的丙酮提取液放在光源与分光镜之间 可以看到光谱中有些波长的光被吸收了 因此 在光谱上就出现了黑线或暗带 这种光谱叫吸收光谱 叶绿素吸收光谱的最强区域有两个 一个是在波长为640nm 660nm的红光部分 另一个在波长为430nm 450nm的蓝紫光部分 对其他光吸收较少 其中对绿光吸收最少 由于叶绿素吸收绿光最少 所以叶绿素的溶液呈绿色 1 叶绿素的荧光现象 我们在做叶绿素的提取和分离实验时 还会看到一种现象 试管中的叶绿素的丙酮提取液在透射光下是翠绿色的 而在反射光下是棕红色的 2 叶绿素的生物合成 类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素两种 颜色分别是橙黄色和黄色 功能是吸收蓝紫光 除此之外还具有保护叶绿素 防止强烈光照伤害叶绿素的功能 光是叶绿素形成的主要条件 一般植物在黑暗中生长都不能合成叶绿素 但藻类 蕨类和松柏科植物在黑暗中可合成少量叶绿素 叶绿素形成的最低温度是2 4 C 适宜温度30 C以上最高温度40 C 矿质元素 植物却NMgFeMnCu或Zn都不能形成叶绿素 NMg是组成叶绿素的元素 其他是叶绿素形成过程中某些酶的催化剂 秋天 因低温 紫外线强烈等外界因素和叶片衰老等内部因素 叶绿素的合成速度低于分解的速度 叶绿素含量相对减少 而类胡萝卜素分子比较稳定 不易破坏 所以叶片逐渐呈现类胡萝卜素的颜色 黄色 植物叶子呈现的颜色是叶子中各种色素的综合表现 正常叶子的叶绿素和类胡萝卜素的分子比例约为4 1 叶绿素a与叶绿素b的比约为3 1 叶黄素与胡萝卜素之比约2 1 由于叶绿素比黄色的类胡萝卜素多 所以正常的叶子总是呈绿色 至于红叶 是因为秋天降温 体内积累较多的糖分以适应寒冷 体内可溶性糖多了 就形成了较多的花色素 同时秋天叶子内的pH值改变 叶内呈现酸性 使花色素表现出红色 3 先合作用的过程 光反应 在光反应阶段主要进行2个反应 水的光解 生成还原态的氢 NADPH和O2 方程可简写为 2H2O4 H O2 二是将电子传递给NADP 的过程中 将ADP和Pi合成ATP 这个过程称为光合磷酸化过程 方程式可简单表示为 ADP PiATP 最后电子传递给NADP 形成NADPH 这2个过程都是在基粒片层结构薄膜上进行的 光反应的产物共有3种 H ATP和O2其中 H 和ATP是供给暗反应的原料 O2则释放到大气中 或被呼吸作用所利用 光反应必须在光下才能进行 暗反应 在叶绿体的基质中进行的 进行暗反应必须具备4个基本条件 CO2 酶 H 和ATP 其中 H 和ATP来自光反应 CO2主要来自大气中 酶是叶绿体本身所固有的 具备上述4个基本条件 不论有光和无光暗反应都能进行 关于光合作用的公式 6co2 12H2oc6H12o6 6H2o 6o2 光合作用的主要产物是糖类 单糖 二糖和多糖 但一些实验证明 蛋白质 脂肪和有机酸也是直接产物 4 光合作用的意义 5 影响光合作用的因素 主要有光照强度 CO2浓度 温度和矿质营养 第一 制造有机物 实现巨大的物质转变 将CO2和H2O合成有机物 第二 转化并储存太阳能 第三 净化空气 使大气中的O2和CO2含量保持相对稳定 第四 对生物的进化具有重要作用 光照强度 植物的光合作用强度在一定范围内是随着光照强度的增加 同化CO2的速度也相应增加 但当光照强度达到一定时 光合作用的强度不再随着光照强度的增加而增强 植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用 当植物在某一光照强度条件下 进行光合作用所吸收的CO2与该温度条件下植物进行呼吸作用所释放的CO2量达到平衡时 这一光照强度就称为光补偿点 这时光合作用强度主要是受光反应产物的限制 当光照强度增加到一定强度后 植物的光合作用强度不再增加或增加很少时 这一光照强度就称为植物光合作用的光饱和点 此时的光合作用强度是受暗反应系统中酶的活性和CO2浓度的限制 光补偿点在不同的植物是不一样的 主要与该植物的呼吸作用强度有关 与温度也有关系 一般阳生植物的光补偿点比阴生植物高 光饱和点也是阳生植物高于阴生植物 所以在栽培农作物时 阳生植物必须种植在阳光充足的条件下才能提高光合作用效率 增加产量 而阴生植物应当种植在阴湿的条件下 才有利于生长发育 光照强度大 蒸腾作用旺盛 植物体内因失水而不利于其生长发育 农业生产上的应用 1 适当提高光照强度 2 延长光合作用时间 3 增加光合作用面积 合理密植 4 对温室大棚用无色透明玻璃 植物在进行光合作用的同时也在进行着呼吸作用 总光合作用是指植物在光照下制造的有机物的总量 吸收的CO2总量 净光合作用是指在光照下制造的有机物总量 或吸收的CO2总量 中扣除掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物 或释放的CO2 后 净增的有机物的量 温度 植物所有的生活过程都受温度的影响 因为在一定的温度范围内 提高温度可以提高酶的活性 加快反应速度 光合作用也不例外 在一定的温度范围内 在正常的光照强度下 提高温度会促进光合作用的进行 但提高温度也会促进呼吸作用 如图5 2所示 所以植物净光合作用的最适温度不一定就是植物体内酶的最适温度 农业上的应用 1 适时播种 2 温室或大棚作物时白天提高温度 晚上降低温度 3 植物 午休 现象的原因之一 CO2浓度 CO2是植物进行光合作用的原料 只有当环境中的CO2达到一定浓度时 植物才能进行光合作用 植物能够进行光合作用的最低CO2浓度称为CO2补偿点 即在此CO2浓度条件下 植物通过光合作用吸收的CO2与植物呼吸作用释放的CO2相等 环境中的CO2低于这一浓度 植物的光合作用就会低于呼吸作用 消耗大于积累 长期如此植物就会死亡 一般来说 在一定的范围内 植物光合作用的强度随CO2浓度的增加而增加 但达到一定浓度后 光合作用强度就不再增加或增加很少 这时的CO2浓度称为CO2的饱和点 如CO2浓度继续升高 光合作用不但不会增加 反而要下降 甚至引起植物CO2中毒而影响植物正常的生长发育 必需矿质元素的供应 绿色植物进行光合作用时 需要多种必需的矿质元素 如氮是催化光合作用过程各种酶以及NADP 和ATP的重要组成成分 磷也是NADP 和ATP的重要组成成分 磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用 绿色植物通过光合作用合成糖类 以及将糖类运输到块根 块茎和种子等器官中 都需要钾 再如镁是叶绿体的重要组成成分 农业上的应用 温室或大棚作物时适当提高二氧化碳的浓度 如释放干冰 使用农家肥 安装二氧化碳发生器等 水 水是光合作用的原料之一 缺水光合速率下降 农业上应做到合理灌溉 6 光合作用效率与光能利用率 光合作用效率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含的能量与光合作用中吸收的光能的比值 提高光合作用效率的措施包括光照强弱的控制 二氧化碳的供应 必需矿质元素的供应等 光能利用率是指绿色植物通过光合作用制造的有机物中所含的能量占照射到地面上日光能量的比率 光能利用率包括提高光合作用效率 延长光合作用时间和增加光合作用面积三方面 是提高农作物产量的重要条件之一 6 C3植物和C4植物 C3植物 是指在光合作用的暗反应过程中 一个CO2被一个五碳化合物 1 5 二磷酸核酮糖 简称RuBP 固定后形成两个三碳化合物 3 碳酸甘油酸 即CO2被固定后最先形成的化合物中含有三个碳原子 所以称为C3植物 C3植物叶片的结构特点是 叶绿体只存在于叶肉细胞中 维管束鞘细胞中没有叶绿体 整个光合作用过程都是在叶肉细胞里进行 光合产物变只积累在叶肉细胞中 C4植物 指在光合作用的暗反应过程中 一个C2被 个含有三个碳原子的化合物 磷酸烯醇式丙酮酸 固定后首先形成含四个碳原子的有机酸 草酰乙酸 所以称为C4植物 C4植物叶片的结构特点是 围绕着维管束的是呈 花环型 的两圈细胞 里面一圈是维管束鞘细胞 细胞较大 里面的叶绿体不含基粒 外圈的叶肉细胞相对小一些 细胞中含有具有基粒的叶绿体 通过C4途径固定CO2的过程是在叶肉细胞中进行的 C4中的C转移到C3途径是在维管束鞘细胞中进行的 光合作用的暗反应过程也是在维管束鞘细胞中进行 光合作用的产生也主要积累在维管束鞘细胞中 C4植物具有两条固定CO2的途径 即C3途径和C4途径 C4植物常分布在热带地区 光合作用效率较C3植物高 对CO2的利用率也较C3植物高 农作物的产量比C3农作物产量要高 如玉米就属于C4植物 7 光合速率及光合作用的计算 1 光合速率 光合作用的指标是光合速率 光合速率常以每小时每平方分米叶面积吸收二氧化碳毫克数表示 一般测定光合速率的方法都没有把叶子的呼吸作用考虑在内 所以结果是光合作用减去呼吸作用的差数 叫表观光合速率或净光合速率 总 真正光合速率 表观光合速率 呼吸速率 光合作用实际产氧量 实测的氧气释放量 呼吸作用耗氧量 光合作用实际二氧化碳消耗量 实测的二氧化碳消耗量 呼吸作用二氧化碳释放量 光合作用葡萄糖净生产量 光合作用葡萄糖实际生产量 呼吸作用葡萄糖消耗量 2 光合速率的计算 实际光合速率 从外界吸收的CO2 呼吸释放的CO2或实际光合速率 释放到外界的O2 呼吸消耗的O2 二 呼吸作用 1 呼吸作用的过程呼吸作用是指在生物体内氧化分解有机物并且释放能量的过程 分为有氧呼吸和无氧呼吸两种类型 有氧呼吸的过程分为3个阶段 有氧呼吸必须弄楚以下几点 CO2是在第二阶段产生的 是丙酮酸和水反应生成的 CO2中的氧原子一个来自葡萄糖 另一个来自水 这个过程在线粒体基质中进行 O2参与反应的阶段是第三阶段 是 H 和氧结合生成水 所以呼吸作用产物水中的氧来自O2 这个过程在线粒体内膜上进行 有氧呼吸过程中的反应物和生成物中都有水 反应物中的水在第二阶段参与和丙酮酸的反应 生成物中的水是有氧呼吸第三阶段 H 和02结合生成的 有氧呼吸过程中3个阶段进行的场所分别是 第一阶段在细胞质基质中进行 第二阶段是在线粒体基质中进行 第三阶段是在线粒体内膜进行 无氧呼吸是指不需要氧气条件下的呼吸作用 由于没有氧气 所以氧化分解有机物是不彻底的 在无氧呼吸的产物中绝对没有水生成 如在呼吸作用的产物有水生成 一定是进行了有氧呼吸 无氧呼吸过程分为2个阶段 第一阶段和有氧呼吸是公共的途径 即一分子葡萄糖被分解成2分子丙酮酸 第二阶段是利用第一阶段产生的 H NADPH 还原丙酮酸 在不同的植物细胞中 由于酶的不同 丙酮酸被还原的产物也是不同的 有的是乳酸 如马铃薯 玉米的胚等 有的是酒精 如苹果 陆生植物的根细胞等 无氧呼吸过程中的2个阶段均在细胞质基质中进行的 由于陆生植物的根细胞无氧呼吸的产物是酒精 所以陆生植物不能长期遭受水淹 2 有氧呼吸和无氧呼吸的比较 联系 1 有氧呼吸是在无氧呼吸的基础上进化而来 2 第一阶段完全相同 3 实质相同 分解有机物释放能量 有氧呼吸和无氧呼吸的公共途径是呼吸作用第一阶段 糖酵解 是在细胞质基质中进行 在没有氧气的条件下 糖酵解过程的产物丙酮酸被 H 还原成酒精和CO2或乳酸等 在有氧气的条件下 丙酮酸进入线粒体继续被氧化分解成CO2和H2O 约有44 的能量转移到ATP中 呼吸作用与光合作用的联系 呼吸作用是新陈代谢过程一项最基本的生命活动 它是为生命活动的各项具体过程提供能量 ATP 所以呼吸作用在一切生物的生命活动过程是一刻都不能停止的 呼吸作用的停止意味着生命的结束 光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢 一切生物的生命活动都直接或间接地依赖于光合作用制造的有机物和固定的太阳能 在植物体内 这2个过程是互相联系 互相制约的 光合作用的产物是呼吸作用的原料 呼吸作用的产物也是光合作用的原料 光合作用的光反应过程产生的ATP主要用于暗反应 很少用于植物体的其他生命活动过程 呼吸作用过程释放的能量主要是用于植物体的各项生命活动过程 包括光合作用产物的运输 影响呼吸作用的因素 1 内部因素 不同种类的植物呼吸速率不同 如旱生 水生 阴生 阳生 同一植物不同生长期呼吸速率不同 如幼苗 开花期呼吸速率高 成熟期呼吸速率低 同一植物不同组织器官呼吸速率不同 如生殖器官 营养器官 2 环境因素 一 影响因素 温度 温度能影响呼吸作用 主要是影响呼吸酶的活性 一般而言 在一定的温度范围内 呼吸强度随着温度的升高而增强 如图5 6曲线所示 根据温度对呼吸强度的影响原理 在生产实践上贮藏蔬菜和水果时应该降低温度 以减少呼吸消耗 温度降低的幅度以不破坏植物组织为标准 否则细胞受损 对病原微生物的抵抗力大减 也易腐烂损坏 氧气 氧气是植物正常呼吸的重要因子 氧气不足直接影响呼吸速度 也影响到呼吸的性质 在低氧条件下通常无氧呼吸与有氧呼吸都能发生 氧气的存在对无氧呼吸起抑制作用 有氧呼吸强度随氧浓度的增加而增强 关于无氧呼吸和有氧呼吸与氧浓度之间的关系用图5 7的曲线来表示 微生物的无氧呼吸称为发酵 氧气对发酵有抑制作用 图5 7的曲线也适用于对微生物的无氧呼吸和有氧呼吸的描述 CO2 增加CO2的浓度对呼吸作用有明显的抑制效应 这可以从化学平衡的角度得到解释 据此原理 在蔬菜和水果的保鲜中 增加CO2的浓度也具有良好的保鲜效果 注意 1 生物体细胞能否进行有氧呼吸的关键是细胞内是否存在有氧呼吸酶 而非线粒体的存在 2 区别呼吸 呼吸作用和呼吸运动 呼吸是指生物从外界获取氧 完成体内气体运输和细胞内物质氧化 最终将二氧化碳排出体外的过程 三 碳循环和能量流动 1 碳循环碳在无机环境中存在形式是碳酸盐和CO2 在生物群落中的存在形式是含碳有机物 在生物群落与无机环境之间的循环是以CO2的形式进行的 在生物群落内部的流动是以有机物的形式进行的 CO2进入生物群落是通过自养型生物完成的 主要是绿色植物的光合作用 呼吸作用指细胞内有机物氧化过程 包括有氧呼吸和无氧呼吸 呼吸运动指呼气和吸气动作 生物群落中的有机碳是通过生物的呼吸作用和微生物的分解作用将有机物彻底分解成CO2和H2O 归还到无机环境中 由于现代工业的迅速发展 人类大量燃烧煤 石油和天然气等化石燃料 使地层中经过千百万年积存的已经脱离碳循环的碳元素 在很短的时间释放出来 2 能量流动 能量流动的起点是生产者通过光合作用所固定的太阳能 流入生态系统的总能量就是生产者通过光合作用所固定的太阳能的总量 能量流动的渠道是食物链和食物网 一是呼吸消耗 二是用于生长 发育和繁殖 也就是贮存在构成有机体的有机物中 三是死亡的遗体 残落物 排泄物等被分解者分解掉 四是流入下一个营养级的生物体内 在生态系统内 能量流动与碳循环是紧密联系在一起的 流入一个营养级的能量是指被这个营养级的生物所同化的能量 一个营养级的生物所同化着的能量一般用于4个方面 能量流动的特点是单向流动和逐级递减 单向流动 是指生态系统的能量流动只能从第一营养级流向第二营养级 再依次流向后面的各个营养级 一般不能逆向流动 这是由于动物之间的捕食关系确定的 如狼捕食羊 但羊不能捕食狼 逐级递减是指输入到一个营养级的能量不可能百分之百地流人后一个营养级 能量在沿食物链流动的过程中是逐级减少的 能量在沿食物链传递的平均效率为10 20 即一个营养级中的能量只有10 20 的能量被下一个营养级所利用 能量金字塔是指将单位时间内各个营养级所得到的能量数值 按营养级由低到高绘制成的图形成金字塔形 称为能量金字塔 从能量金字塔可以看出 在生态系统中 营养级越多 在能量流动过程中损耗的能量也就越多 营养级越高 得到的能量也就越少 在食物链中营养级一般不超过5个 这是由能量流动规律决定的 研究能量流动规律有利于帮助人们合理地调整生态系统中的能量流动关系 使能量持续高效地流动向对人类最有益的部分 在农业生态系统中 根据能量流动规律建立的人工生态