人教版高中生物必修1第5章细胞的能量供应和利用第4节光合作用与能量转化课件

必修1·分子与细胞人教版高中生物1.实验原理(1)提取色素:利用无水乙醇溶解绿叶中的色素。(2)分离色素:色素在层析液中的溶解度不同,溶解度高的色素随层析液在滤纸上扩散得快(离

层析液液面远);反之则慢。第4节

光合作用与能量转化必备知识清单破知识点1绿叶中色素的提取和分离2.实验过程(1)提取色素(2)分离色素——纸层析法

特别提醒

提取色素时研磨应迅速,分离色素时加盖密闭,且在通风良好的条件下进行,因为

无水乙醇和层析液均易挥发,且层析液有毒性。3.实验结果及分析知识拓展

纸层析法分离色素时,也可以用圆形滤纸进行。此时应在圆心处点样,滤液在圆

形滤纸上的扩散原理和在滤纸条上是一样的,可看到4个同心圆,结果如图所示。

4.实验的异常现象分析(1)收集到的滤液绿色过浅①未加SiO2或研磨不充分,色素未充分提取出来。②未加CaCO3或加入过少,叶绿素被破坏。③一次加入大量的无水乙醇,导致提取液浓度太低(应多次少量加入)。④使用放置数天的绿叶或绿叶用量少,滤液中的色素(叶绿素)含量太少。(2)滤纸条色素带重叠:可能是滤液细线画得过粗或连续画滤液细线。(3)滤纸条看不见色素带①没有提取出色素。②滤液细线触及层析液,且时间较长,色素全部溶解到层析液中。知识拓展

(1)影响叶绿素合成的因素

(2)色素与叶片颜色的关系1.上图为类胡萝卜素、叶绿素a、叶绿素b吸收光能的百分比。不同色素对蓝紫光的吸收百

分比差别不大,对红光的吸收百分比差别较大。2.一般情况下,光合作用所利用的光都是可见光(400~760nm)。知识点2绿叶中色素的吸收光谱1.恩格尔曼实验(1)实验选材①水绵:叶绿体呈螺旋带状分布,便于观察。②需氧细菌:直观定位释放O2的部位。(2)实验一知识点3叶绿体的结构适于进行光合作用(3)实验二:用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。(4)实验结论:叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用放氧。2.叶绿体的形态结构与功能相适应1.光合作用: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。2.探索光合作用原理的部分实验知识点4光合作用的原理3.光合作用的过程

光反应阶段暗反应(碳反应)阶段场所类囊体薄膜叶绿体基质条件光、色素、酶、水、ADP、

Pi、NADP+等CO2、ATP、酶、NADPH等物质变化①水的光解:H2O

H++O2;②NADP++H+

NADPH;③ADP+Pi+能量

ATP①CO2的固定:CO2+C5

2C3;②C3的还原:2C3

C5+(CH2O)能量变化光能→ATP和NADPH中的化学能ATP和NADPH中的化学能→(CH2O)中的化学能联系①物质联系:光反应生成的ATP和NADPH供暗反应中C3的

还原,而暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+;②能量联系:光反应为暗反应提供了活跃的化学能,暗反应

将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能易错分析

(1)C3还原消耗的能量来自ATP和NADPH,同时NADPH(还原型辅酶Ⅱ)作还原剂。(2)暗反应有光、无光都能进行:若光反应停止,因NADPH和ATP还没有消耗完,暗反应可继续

进行一段时间。4.光合作用总反应式

(1)H2O中的O:以O2的形式释放出去。(2)CO2中的O:进入有机物。(3)CO2中C的转移途径:CO2→C3→(CH2O)、C5。1.影响光合作用强度的环境因素及其应用知识点5光合作用原理的应用

原理应用光照强度光照影响光反应阶段ATP、NADPH的产生,进而影响暗反应阶段①间作套种的农作物合理搭配,林带树种合理配置,充分利用光能;②适当提高光照强度可增加大棚作物产量CO2浓度CO2作为原料通过影响暗反应阶段C3的合成,从而影响光合作用强度在农业生产上可以通过“正其行,通其风”、增施农家肥等增大CO2浓度,提高光合作用速率温度主要通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率冬季种植蔬菜用大棚来提高温度水①主要影响叶片气孔的开闭,进而影响CO2进入叶片进行暗反应;②水是光合作用的原料之一合理灌溉等无机盐①N:酶、ATP的组成元素之一;②P:参与ATP、生物膜的组成;③Mg:参与叶绿素的组成;④K:参与有机物的运输等合理施肥:在一定浓度范围内,增大必需元素的供应,可提高光合作用速率,但超过一定浓度后,植物会因土壤溶液浓度过高发生渗透失水而萎蔫2.影响光合作用强度的其他环境因素:叶面积系数、光质(见定点1)。3.探究光照强度对光合作用强度的影响(1)实验原理(2)变量分析(3)实验结果:在一定范围内,单位时间内光照强度越大→圆形小叶片中产生的O2越多→浮起

的圆形小叶片数量越多。(4)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。1.概念:自然界中的某些生物能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。2.实例:硝化细菌。

知识点6化能合成作用归纳总结

光合作用和化能合成作用的共同点是都能利用CO2等合成有机物,区别在于两者

使用的能量不同。知识辨析1.在绿叶中色素的提取和分离实验中,未加二氧化硅或未加碳酸钙形成的实验现象相同,是否

正确?

不正确。未加二氧化硅会导致绿叶研磨不充分,色素未充分提取出来(4条色素带均变窄);未加碳酸钙会导致叶绿素被破坏,叶绿素a和叶绿素b的色素带变窄,其余色素带基本无影响。2.光合作用的暗反应阶段不需要光参与,可以在黑暗条件下持续进行,是否正确?

不正确。暗反应虽然不直接依赖于光,但依赖于光反应产生的ATP和NADPH,黑暗环境中

缺乏光反应产物,暗反应无法持续进行。3.干旱条件下植物光合速率降低,主要是因为光反应原料水不足,是否正确?

不正确。干旱缺水主要会影响植物的蒸腾作用,植物为避免失水过多,叶片部分气孔会关闭,导致CO2吸收减少,从而使光合速率降低。提示提示提示4.生物光合作用的场所不一定是叶绿体,没有叶绿体的生物也可以是自养生物,是否正确?

正确。蓝细菌是原核生物,没有叶绿体,细胞内有藻蓝素和叶绿素,蓝细菌是能进行光合作用的自养生物。5.通常,红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用,是否正确?不正确。叶绿体中的色素主要吸收400~760nm的可见光;波长小于400nm的紫外光和波长大于760nm的红外光不能被叶绿体色素吸收。6.光合作用的产物有淀粉和蔗糖,淀粉和蔗糖可以进入筛管,通过韧皮部运输到植株各处,是

否正确?

不正确。光合作用的产物有一部分是淀粉,还有一部分是蔗糖。蔗糖可以进入筛管,再通过韧皮部运输到植株各处。

提示提示提示1.叶面积系数

(1)叶面积系数:单位土地面积上植物绿色叶片的总面积与土地面积的比值,又叫叶面积指数。关键能力定点破定点1

影响光合作用强度的其他环境因素(2)叶面积系数小于a时,随叶面积系数增加,群体光合速率和干物质积累速率均提高;叶面积

系数>b时,随叶面积系数增加,群体呼吸速率增加而光合速率保持不变,故群体干物质积累速

率降低。(3)栽培作物时需合理密植,以提高光能利用率和单位土地的产量。2.光质(不同颜色的光):光合色素主要吸收红光和蓝紫光,因此,温室大棚中给植物补光时,同

等强度下使用红光比白光更有利于植物光合作用制造有机物。定点2

环境变化时光合作用过程中各物质的含量变化分析 

光照强度CO2浓度变化由强到弱由弱到强由充足到不足由不足到充足分析

①过程减弱↓ATP、NADPH减少↓②过程减弱,③过程正常↓C5、(CH2O)减少,C3增加①过程增强↓ATP、NADPH增加↓②过程增强,③过程正常↓C5、(CH2O)增加,C3减少③过程减弱↓C3减少,C5增加↓②过程减弱,①过程正常↓(CH2O)减少,

ATP、NADPH增加③过程增强↓C3增加,C5减少↓②过程增强,①过程正常↓(CH2O)增加,ATP、NADPH减少模型归纳总结

(1)C3的起始值高于C5。(2)光照强度影响C3的还原,即C3的消耗;CO2浓度影响CO2的固定,即C3的生成。(3)C5、ATP、NADPH变化一致,与C3变化相反。各物质的含量取决于其生成速率和消耗速率。(4)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化,而非长时间。1.光合速率、细胞呼吸速率和净光合速率的表示方法知识点3绿色植物光合速率的测定 

表示方法(总)光合速率光照下,单位时间O2的产生量、CO2的固定量、有机物的制造量呼吸速率黑暗下,单位时间CO2的释放量、O2的消耗量、有机物的消耗量净光合速率光照下,单位时间O2的释放量、CO2的吸收量、有机物的积累量(1)(总)光合速率=呼吸速率+净光合速率(2)光合作用固定的CO2总量=呼吸作用产生的CO2量+从外界吸收的CO2量(3)光合作用产生的O2量=呼吸作用消耗的O2量+释放到外界的O2量2.液滴移动法(1)测定呼吸速率①将装置甲置于黑暗条件下,植物只进行细胞呼吸,单位时间内红色液滴左移的距离表示植物O2的消耗速率,可代表呼吸速率。②t小时后,记录液滴移动距离为a。③细胞呼吸速率(黑暗中O2消耗速率)=a/t。

甲(2)测定净光合速率

乙①将装置乙置于光照条件下,植物进行光合作用和细胞呼吸,单位时间内红色液滴右移的距离表示植物的O2释放速率,可代表净光合速率。②t小时后,记录液滴移动距离为b。③净光合速率(植物O2释放速率)=b/t。(3)测定(总)光合速率(装置甲和乙):(总)光合速率=(a+b)/t。(4)为防止气压、温度等物理因素引起实验误差,应设置对照实验,即用死亡的相同大小的同

种绿色植物分别进行上述实验,根据红色液滴的移动距离对原实验结果进行校正。

图示及操作分析半叶法

叶片两部分不存在物质和能量转移,t小时后,截取对称位置面积均为S的叶片称重,计为WA和WB①遮光部分:细胞呼吸速率

(有机物的消耗速率)=(初始重量-WA)/(S×t);②曝光部分:净光合速率(有物的积累速率)=(WB-初始重量)/(S×t);③(总)光合速率=(WB-WA)/(S×t)3.半叶法和黑白瓶法黑白瓶法①从某一水层相同位置取样,装入若干个等体积黑瓶(不透光)和白瓶(透光)中,并分别测得初始溶氧量x;②把黑、白瓶悬挂于原水深处;③一段时间后,分别测出黑瓶、白瓶的溶氧量并算出平均值y、z①黑瓶:细胞呼吸速率(O2消耗速率)=(x-y)/t;②白瓶:净光合速率(O2释放速率)=(z-x)/t;③(总)光合速率=(z-y)/t1.光照强度(或CO2浓度)对光合作用的影响(1)曲线分析

定点4

光合作用相关曲线分析

曲线分析图示A点只进行细胞呼吸(CO2释放速

率可表示细胞呼吸速率)

AB段光合速率<呼吸速率

B点光合速率=呼吸速率,B点时

的光照强度(CO2浓度)称为光

补偿点(CO2补偿点)

BC段光合速率>呼吸速率

C点此时的光照强度(CO2浓度)称

为光饱和点(CO2饱和点),C点

以后光照强度(CO2浓度)增

加,光合速率不再增加(2)“补偿点和饱和点”移动问题

①A点:代表呼吸速率,细胞呼吸增强,A点下移;反之,A点上移。②B点与C点

B点(光补偿点)C点(光饱和点)适当增大(减小)CO2浓度左移(右移)右移(左移)土壤缺Mg2+右移左移③D点:代表最大光合速率,增大CO2浓度使光合速率增大时,D点向右上方移动;反之,D点向左

下方移动。(3)阴生植物

阴生植物的光补偿点和光饱和点均小于阳生植物。间作套种农作物,可以合理利用光能。2.密闭容器中一昼夜植物光合作用曲线AB段CO2增加→植物释放CO2→植物光合作用强度<呼吸作用强度B点植物光合作用强度=呼吸作用强度(光合作用在B点前已经开始,而不是在B点开始)BC段CO2减少→植物吸收CO2→植物光合作用强度>呼吸作用强度C点植物光合作用强度=呼吸作用强度,有机物积累最多CD段CO2增加→植物释放CO2→植物光合作用强度<呼吸作用强度,直至光合作用停止(1)曲线分析(2)该植物一昼夜表现为生长的原因:密闭容器内CO2浓度在D点时低于A点时,说明经过一昼

夜,密闭容器中CO2减少,即植物光合作用制造的有机物总量>呼吸作用消耗的有机物量,该植

物有有机物的积累。3.自然环境中(夏季晴朗天气)一昼夜植物光合作用曲线

b点开始进行光合作用c点光合作用强度=呼吸作用强度d点“光合午休”e点光合作用强度=呼吸作用强度,有机物积累量

最大bf段制造有机物ce段积累有机物典例晴朗夏季,某兴趣小组将用全素营养液培养的花生植株放入密闭的玻璃罩内,置于室外

继续培养,获得实验结果如图所示。其中图甲表示玻璃罩内的CO2含量一昼夜的变化情况(A

点表示玻璃罩内起始CO2浓度),图乙表示该植株一昼夜CO2释放速率或吸收速率,图丙表示花

生叶肉细胞中两种细胞器的四种生理状态。下列有关叙述正确的是

(

)甲C乙丙A.图甲中的D点与图丙中的②对应,D点之后植株开始进行光合作用B.图甲中的H点与图乙中的e点对应,此时植株的光合作用最强C.图乙中ac段发生的生理过程对应图丙中的④D.图乙中积累有机物的时段是di段思路点拨

图甲:D点前植株开始进行光合作用,D点和H点植株光合速率=细胞呼吸速率。图乙:c点植株开始进行光合作用,d点和h点植株光合速率=细胞呼吸速率。图丙:①光合速率>细胞呼吸速率,②光合速率=细胞呼吸速率,③光合速率<细胞呼吸速

率,④只进行细胞呼吸。解析

图甲中的D点植株光合速率=呼吸速率,此时叶肉细胞的光合速率>细胞呼吸速率,对

应图丙中的①,D点之前植株已经开始进行光合作用,A错误。图甲中的H点植株光合速率=细

胞呼吸速率,与图乙中的h点对应;图甲中的EF段CO2含量下降速度最快,即净光合速率最大,

此时植株的光合作用最强,B错误。图乙中ac段植株处于黑暗环境中,细胞只进行呼吸作用,

对应图丙中的④,C正确。图乙中dh段植物吸收CO2,植株光合速率>细胞呼吸速率,积累有机

物,而hi段植物释放CO2,植株光合速率<细胞呼吸速率,体内有机物减少,D错误。1.物质联系(1)碳元素

定点5

光合作用和呼吸作用中物质和能量的联系 

(3)氢元素

2.能量联系

(2)氧元素Rubisco是普遍分布于玉米、大豆等作物叶绿体中的一种双功能酶,它既是光呼吸中不

可缺少的加氧酶,也是卡尔文循环中固定CO2最关键的羧化酶。在较强光照下,Rubisco以五碳化合物(RuBP)为底物,在CO2/O2的值高时,催化RuBP结合CO2发

生羧化;在CO2/O2的值低时,催化RuBP结合O2发生氧化产生光呼吸,具体过程如图所示。

学科素养情境破情境探究素养

生命观念——光合作用的特殊类型问题1从物质变化的角度看,光呼吸和有氧呼吸的共同点是什么?

光呼吸和有氧呼吸都需要消耗O2,都产生CO2。问题2在天气晴朗、气候干燥的中午,大豆叶肉细胞中光呼吸的强度较通常条件下会升高还

是降低?为什么?

升高。在天气晴朗、气候干燥的中午,光照强度较强,植物部分气孔关闭,CO2/O2的值

较低,此时Rubisco催化RuBP结合O2发生氧化产生光呼吸,故光呼吸强度升高。问题3光呼吸的存在会明显降低作物产量,原因是什么?

光呼吸存在时,光呼吸消耗参与暗反应的ATP、NADPH和RuBP,使暗反应速率降低,

从而使光合作用合成有机物减少。问题4研究表明,光呼吸是植物在长期进化过程中为适应环境变化、提高抗逆性而形成的一

条代谢途径。据图推测,光呼吸提高抗逆性的作用机理是什么?

光呼吸可以为光合作用提供CO2。提示提示提示提示讲解分析1.光呼吸与光合作用暗反应的比较

光合作用暗反应光呼吸过程①CO2+C5

2C3;②2C3

C5+(CH2O)①C5+O2

C2+C3;②C2+C3

C5+CO2反应物C5、CO2C5、O2条件CO2/O2的值高CO2/O2的值低意义合成糖类,储存能量消耗能量,生成的CO2可用于光合作用2.一些植物在进化中形成了特殊的固定和浓缩CO2的机制,能够在高温、干旱导致气孔开放

度下降的情况下,有效利用叶肉细胞间隙低浓度的CO2进行光合作用,如C4植物和CAM植物。(1)C4植物:CO2在叶肉细胞被PEP(磷酸烯醇式丙酮酸)固定,生成C4,C4通过胞间连丝进入维管

束鞘细胞生成CO2,CO2被C5固定,从而进入卡尔文循环。(2)CAM植物:夜晚,植物气孔开放吸收CO2,CO2在叶肉细胞被固定为苹果酸,储存在液泡中;白

天,苹果酸出液泡,在细胞质基质中分解并释放CO2,CO2被C5固定,从而进入卡尔文循环。

C3植物C4植物CAM植物植物类型典型温带植物典型热带或亚热带植物典型干旱地区植物主要CO2固定酶RubiscoPEP羧化酶、RubiscoPEP羧化酶、Rubisco发生CO2固定的细胞叶肉细胞叶肉细胞和维管束鞘细胞叶肉细胞卡尔文循环的场所叶肉细胞的叶绿体基质维管束鞘细胞的叶绿体基质叶肉细胞的叶绿体基质最初CO2接受体RuBP(C5)PEP光下:RuBP(C5);黑暗中:PEPCO2固定的最初产物C3C4光下:C3;黑暗中:草酰乙酸(C4)3.C3植物、C4植物和CAM植物的比较C3途径是碳同化的基本途径,C4途径和CAM途径都只起固定CO2的作用,最终还是通过C3途径合成有机物。典例呈现例题植物的叶肉细胞在光下有一个与呼吸作用不同的生理过程,即在光照下叶肉细胞吸收O2,释放CO2。由于这种反应需叶绿体参与,并与光合作用同时发生,故称光呼吸。Rubisco是一

个双功能的酶,具有催化羧化反应和加氧反应两种功能。RuBP(C5)既可与CO2结合,经此酶催

化生成PGA(C3),进行光合作用;又可与O2在此酶催化下生成1分子PGA和1分子PG(C2),进行光

呼吸。具体过程如图1:(1)在光照条件下,Rubisco催化RuBP与CO2生成PGA的过程称为

,该过程发生在

(填场所)中。Rubisco也可以催化RuBP与O2反应,推测O2与CO2比值

(填“高”或“低”)时,有利于光呼吸而不利于光合作用。(2)分析表中数据,

遮光比例条件下植物积累的有机物最多。结合已学的生物学知识

和图1中的信息,从两个方面解释为什么该条件下比不遮光条件下积累的有机物多?

。遮光比例(%)叶绿素含量(mg/g)净光合速率(μmol·m-2·s-1)植株干重(g)02.18.07.5102.39.69.9302.48.99.2502.65.07.2702.92.74.8903.003.2(3)在干旱和过强光照下,因为温度高,蒸腾作用强,植物气孔大量关闭。此时的光呼吸可以消

耗光反应阶段生成的多余的

,光呼吸产生的

又可以作为暗反应阶段的

原料,因此有观点指出光呼吸在一定条件下对植物也有重要的正面意义。(4)1955年,科学家通过实验观察到,对正在进行光合作用的叶片突然停止光照,短时间内叶片

会释放出大量的CO2,他们称之为“CO2的猝发”。某研究小组测得在适宜条件下某植物叶

片遮光前吸收CO2的速率和遮光后(完全黑暗)释放CO2的速率,图2为吸收或释放CO2的速率

随时间变化趋势的示意图(吸收或释放CO