5.4.2光合作用的原理和应用课件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二、光合作用的原理和应用一般来说，光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。光能CO2+H2O（CH2O）+O2叶绿体叶绿体如何将光能转化为化学能？又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？表示糖类1光合作用的原理【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。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。不能通过光合作用实现材料：处理：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），在光照下进行结果：有O2释放（细胞器水平上）叶绿体中H2O光解产生氧气。推测：离体叶绿体【资料2】

1937年希尔实验1.根据实验，尝试补充完整希尔的实验表达式。H2O光照叶绿体Fe3+得电子Fe2+H+O22.实验中Fe3+被还原成Fe2+，说明了什么？产生了具有还原性的物质3.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？

可以说明。CO2是合成糖的一种必需原料，此实验在没有CO2的条件下完成了水的光解，说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示希尔反应是相对独立的反应阶段。同位素标记法4.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？若要证明，可采用什么方法？不能，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。实验思路：用同位素标记法来研究物质的去路材料：小球藻处理：光合作用产生的O2来自于H2O，不来自CO2。结论：光照射下的小球藻悬液CO2H2O

C18O2H218O18O2O2甲组乙组【资料3】

鲁宾和卡门实验【资料4】

阿尔农实验

1954年，美国科学家阿尔农(D.Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。

1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。尝试用示意图表示ATP的合成与希尔反应的关系？H2OO2+2H+

+能量光照叶绿体ADP+Pi

ATP上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，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。

根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应(也称为碳反应)，两个阶段。2光合作用的过程光反应阶段必须有光才能进行过程：类囊体薄膜上的色素分子可见光ADP+PiATPH2OO2NADP+酶吸收光解H+NADPH酶氧化型辅酶Ⅱ还原型辅酶Ⅱ光能能量转化：ATP、NADPH中活跃的化学能①作为活泼的还原剂②提供能量NADPH的作用：物质转化水的光解：ATP的合成：H2OO2+H+

光NADPH的合成：ADP+Pi+能量

ATP酶NADP++H++能量

NADPH酶条件：光、色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+场所：类囊体薄膜上主要产物：O2、ATP、NADPH暗反应阶段有没有光都能进行场所：过程：叶绿体的基质中CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类实验探究实验思路：同位素标记14CO2，研究物质转化过程材料：小球藻处理：光照、提供14CO2；不同时间杀死小球藻，再纸层析分离，最后鉴定放射性物质。卡尔文实验资料：当反应进行到5s时,14C出现在一种五碳化合物(C5)和一种六碳糖(C6)中,将反应时间缩短到0.5s时,14C出现在一种三碳化合物(C3)中。经9年左右的时间,他终于弄清了光合作用中暗反应的碳循环途径。(1)请用符号和箭头表示碳的转移途径。(2)如果要探究CO2转化成的第一个产物是什么,请说出可能的实验思路。不断缩短光照时间后杀死小球藻,同时提取产物并分析,直到最终提取物中只有一种放射性代谢产物,该物质即为CO2转化成的第一个产物。ADP+PiATPNADP+能量C52C3多种酶(CH2O)糖类CO2固定还原酶NADPH酶能量ATP、NADPH中活跃的化学能能量转化：有机物中稳定的化学能也称作卡尔文循环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)。物质转化CO2的固定：C3的还原：2C3

(CH2O)+C5酶ATP、NADPHCO2＋C5

2C3酶条件：有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH场所：叶绿体基质中产物：（CH2O）、ADP、Pi、NADP+叶绿体中的色素可见光C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原光反应暗反应NADP+NADPH酶类囊体薄膜叶绿体基质【问题1】总结光合作用过程中的能量的转移途径？ATP和NADPH中活跃的化学能有机物中稳定的化学能光能【问题2】分析光反应和暗反应之间的联系？光反应为暗反应提供ATP、NADPH,暗反应为光反应ADP、NADP+；二者相互依存，相互制约；没有光反应，暗反应不能进行；没有暗反应，光反应也不能长时间进行。【合作探究】【问题4】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？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用于多项耗能的生命活动；细胞质基质、线粒体、叶绿体（的类囊体薄膜）；【问题3】分析ATP、NADPH、ADP、NADP+等物质在叶绿体中移动的方向？ATP和NADPH：从叶绿体的类囊体薄膜

叶绿体基质；ADP和NADP+：从叶绿体基质

类囊体薄膜。

光合作用实质光反应阶段暗反应阶段条件场所物质变化能量变化光、色素、酶等不需光、酶、NADPH、ATP等叶绿体类囊体薄膜叶绿体基质中水的光解；

ATP、NADPH的生成CO2的固定；C3的还原活跃化学能光能活跃化学能有机物中稳定化学能光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+

。联系把无机物转变成有机物，把光能转变成化学能贮存起来P104“小字部分”：光合作用中元素的转移CO2+H2O光能叶绿体（CH2O）+O2NADPH(C3H2O)14C3(14CH2O)18O2C3(CH218O)若产物为C6H12O6：写出反应式并标出元素去向CO2浓度不变NADPH、ATP

C3C5

（CH2O）光照减弱减少增加减少减少光照增强增加减少增加增加光照不变NADPH、ATPC3C5

（CH2O）CO2浓度减少增加减少增加减少CO2浓度增加减少增加减少增加在光照强度与光照时间不变的情况下，交替光照和连续光照，那种条件下有机物的合成量更多？光反应和暗反应在不同的酶的催化作用下相对独立进行，在一般情况下，光反应的速率比暗反应的速率快得多，光反应产生的ATP和NADPH除满足暗反应正常利用外，还有一定量的剩余。持续光照，光反应产生的大量ATP和NADPH不能及时被完全利用，暗反应限制了光合作用的速率，降低了光能的利用率。光照、黑暗交替进行，则黑暗间隔可利用光照时积累的光反应产物，再持续进行一段时间的暗反应。因此，在光照强度与光照时间不变的情况下，交替光照较连续光照条件下制造的有机物多。一、概念检测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。（

）××√D2.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

ADPB.CO2

叶绿体

ATPC.CO2

乙醇

糖类D.CO2

三碳化合物

糖类3.根据光合作用的基本过程填充下图ATPNADPHADP+PiNADP+C3C5O2化能合成作用（P106小字）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：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+6H2O2C6H12O6+6O2能量讨论：进行化能合成作用的生物属于自养还是异养生物？异养生物：只能利用环境中现成的有机物来维持自身的生命活动。自养生物：以无机物转变成为自身的组成物质。（能够进行光合作用或者化能合成作用的生物）源于必修1P106“小字部分”：光合作用和化能合成作用的比较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_________相同点都能将

等无机物合成有机物光能无机物氧化释放的能量硝化细菌CO2和H2O光合作用的影响因素及应用3探究光照强度对光合作用的影响植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。光合作用强度：（一般用光合速率表示）也可以通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量地表示概念：单位时间内有机物的制造/产生量单位时间内CO2的消耗/固定量单位时间内O2的生成量探究环境因素对光合作用强度的影响【实验目的】探究光照强度对光合作用的影响【实验步骤】1.打孔：用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片2.将圆形小叶片置于注射器内，使叶片内气体逸出3.将处理过圆形小叶片放入清水中，黑暗保存，小圆形叶片全部沉到水底4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（1%~2%的NaHCO3溶液）5.分组实验：分别将10片叶圆片投入3只盛20mLNaHCO3的小烧杯中

并调整5W台灯距离6.观察并记录：观察同一时间内各实验装置中圆形小片浮起的数量【实验结果】【实验结论】在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。或观察实验装置中浮起相同数量圆形小片所需的时间台灯灯泡的功率（W）555台灯与烧杯的距离（cm）102030叶片漂起的数量5min00010min98715min109920min13101025min13109光饱和点：光合作用不再随光照强度增加而增加时的光照强度光饱和点光合作用强度光照强度

1.自变量：2.因变量：光合作用强度检测方法：3.无关变量：相同时间圆形小叶片浮起的数量控制方法：小烧杯与光源的距离控制相同且适宜光照强度叶片含有空气，上浮叶片下沉O2充满细胞间隙，叶片上浮抽气光合作用产生O2实验原理：教材P105植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。我们观测到的光合作用指标，如O2的产生量，是植物光合作用实际产生的总O2量吗？不是O2CO2O2较强光照时CO21.真光合速率、实际光合速率、总光合速率：O2的产生量或CO2的固定量/消耗量或有机物的产生量单位时间单位体积2.净光合速率、表观光合速率：O2的释放量或CO2的吸收量或有机物的剩余量/积累量3.呼吸速率：O2的消耗量或CO2的产生量或有机物的消耗量（黑暗条件）总光合速率=净光合速率+呼吸速率(1)当净光合速率＞0时，植物因积累有机物而生长。(2)当净光合速率＝0时，植物不生长。(3)当净光合速率＜0时，植物不能生长，长时间处于此种状态，植物将死亡。光合速率与植物生长1.无光，只进行呼吸3.光合＝呼吸2.光照强度较弱，光合＜呼吸4.光照强度较强，光合＞呼吸1.光合作用和细胞呼吸中各种元素的去向：C、H、O4光合作用的影响因素叶绿体中的色素可见光C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原光反应暗反应NADP+NADPH酶类囊体薄膜叶绿体基质光合作用的影响因素1.光：光照强度、光质2.CO2浓度3.温度4.水一.外因二.内因5.无机盐（矿质元素）遗传特性、发育时期、植物叶面积指数、主要因素：光照强度、温度、CO2浓度叶绿素含量、酶的活性和数量、ADP和Pi含量、RuBP含量、有机物的输出情况、气孔导度等CO2吸收量0光照强度只进行呼吸作用光饱和点净光合作用总光合作用1.光照的影响：光照强度、光质不同、日变化•••光补偿点，光合=呼吸时的光照强度•CO2释放量呼吸作用应用：合理密植间作套种适当剪枝补光思考：在图中,呼吸作用消耗有机物的量可表示为

,光合作用产生有机物的量可表示为

。(用S1、S2、S3和数学符号表示)

S1+S2S3+S2A点：CO2补偿点，表示光合作用速率等于呼吸作用速率时的CO2浓度A′点：表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。B点：CO2饱和点，光合作用强度不再随CO2浓度的增加而增加时的CO2浓度B′点：CO2饱和点应用：1.施用农家肥2.注意通风2.CO2浓度影响酶的活性3.温度应用：1.适时播种2.白天适当提高温度,晚上适当降温3.“午休”现象4.水分（缺水→气孔关闭→CO2的吸收量减少）水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，如植物缺水导致萎蔫，使光合速率下降。另外，水分还能影响气孔的开闭，间接影响CO2进入植物