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1、第4节 光合作用与能量转化问题探讨讨论1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度条件？用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，使蔬菜产量达到最大。二氧化碳浓度、营养液和温度都是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行调控，以便让植物达到最佳生长状态
2、。一.捕获光能的色素和结构正常的绿色玉米幼苗可以生长白化的玉米幼苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。根据以上现象，请你猜测一下原因是什么?叶片中的色素与光能的捕获有关捕获光能的色素提出问题：绿叶中有哪些色素？绿叶中有哪些色素？实验探究：绿叶中色素的提取与分离绿叶中色素的提取与分离一、实验原理1.绿叶中色素的提取原理叶绿体中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇（丙酮、酒精、汽油、苯、石油醚等）中，所以用无水乙醇可提取叶绿体中色素。2.绿叶中色素的分离原理纸层析法色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得快，溶解度低的色素分子随层析液在滤纸条上的扩散得慢，因而可用层析液将不同
3、的色素分离。二、实验步骤二、实验步骤 提取色素称取5g绿色叶片并剪碎加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10ml无水乙醇充分研磨，过滤，收集滤液制备滤纸条将滤纸条一端剪去两角用铅笔划一条细的横线划滤液细线用毛细吸管吸取滤液沿铅笔线画出一条细线待滤液干后，再划一两次将滤纸条尖端朝下插入盛有层析液的烧杯中（注意层析液不要没及滤液细线）分离色素观察加入二氧化硅使研磨更充分，加入碳酸钙可防止叶绿素被破坏（橙黄色）（蓝绿色）（黄色）（黄绿色）胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b从上到下记为：胡黄ab绿叶中绿叶中的色素的色素叶绿素叶绿素类胡萝卜素类胡萝卜素叶绿素叶绿素a（蓝绿色）（蓝绿色）叶绿素叶绿素b（黄绿色）（
4、黄绿色）叶黄素（黄色）叶黄素（黄色）胡萝卜素（橙黄色）胡萝卜素（橙黄色）（含量约（含量约占占3/4）（含量约占（含量约占1/4）秋冬季节叶片呈现黄色又怎么回事？叶片呈现绿色是怎么回事？色素种类颜色含量溶解度扩散速度胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b橙黄色最少最高最快黄 色较少较高较快蓝绿色最多较低较慢黄绿色较多最低最慢白光白光提出问题：这4种色素对光的吸收有什么差别？实验探究：阳光（白光）在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。红橙黄绿青蓝紫760nm400nm红外线可见光紫外光对照组白光白光含色素的溶液含色素的溶液实验组实验结论：光合色素主要吸收红光和蓝紫光叶绿素a和
5、叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光在温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？无色透明的效果最好，绿色的最差吸收光能的百分比/%波长波长/nm050100400450500550650600700类胡萝卜素类胡萝卜素叶绿素叶绿素b叶绿素叶绿素a三、实验关键1.1.选材时应注意选择选材时应注意选择鲜嫩、色浓绿、无浆汁鲜嫩、色浓绿、无浆汁的叶片。如菠菜叶、棉花的叶片。如菠菜叶、棉花叶、洋槐叶等。叶、洋槐叶等。2.2.画滤液细线时应以画滤液细线时应以细、齐、直细、齐、直为标准，重复画线时必须等上次画线为标准，重复画线时必须等上次画线干燥后再进行，重复干
6、燥后再进行，重复2-32-3次。次。3.3.层析时层析时不要让滤液细线触及层析液不要让滤液细线触及层析液。叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体模式图叶绿体模式图基质基质基粒基粒外膜外膜内膜内膜类囊体类囊体基粒基粒叶绿体的功能资料1 1881年，德国科学家恩格尔曼做了这样一个实验：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光部位。恩格尔曼的实验示意恩格尔曼的实验示意图图紧接着，他又做了一个实验：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。40
7、0450500550600650700波长波长/nm资料2 在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶。四种光合色素分布在类囊体的薄膜上四种光合色素分布在类囊体的薄膜上与光合作用有关的酶分布在类囊体膜上和叶绿体基质中与光合作用有关的酶分布在类囊体膜上和叶绿体基质中外膜与内膜是透明的利于光的透过外膜与内膜是透明的利于光的透过根据结构与功能相适应的特点，推测叶绿体的结构二.光合作用的原理和应用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。CO2+H2O (CH2O)+O2光 能叶绿体1 探索光合作用原理的部分实验19世纪末C
8、O2O2C释放H2OH-C-HO甲醛缩合缩合糖类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类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。H2O 2H+O2铁盐（或其他氧化剂）离体叶绿体 光照a.a.希尔的实验能否说明水的光解与糖类的合成不是同一化学反应？希尔的实验能否说明水的光解与糖类的合成不是同一化学反应？能，因为悬浮液中没有能，因为悬浮液中没有COCO2 2，糖类合成时需要，糖类合成时需要COCO2 2中的碳元素中的碳元素b.b.希尔反应能否说明植物光
9、合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？希尔反应能否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部来自水？不能，反应体系中还可以存在其他氧元素供体不能，反应体系中还可以存在其他氧元素供体1941年，美国科学家鲁宾和卡门用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧的来源O2H2O小球藻悬液C18O2第一组第一组H218O小球藻悬液CO218O2第二组第二组鲁宾和卡门的实验说明植物光合作用产生的氧气中的氧全部来自水1954年，美国科学家阿尔农发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，又发现这一过程总是与水的光解相伴随。上述实验表明光合作用不是一个简单的化学反应，是分阶段进行的。实际上，光合作用包括一系列化
10、学反应。根据是否需要光照，可以概括地分为光反应和暗反应，暗反应也叫碳反应2 光合作用的过程（1）第一阶段光反应场所：类囊体薄膜条件：光、色素、酶物质变化：2H2O O2+4H+H+NADP+NADPHADP+Pi+光能 ATP能量变化：光能 （ATP和NADPH）中活跃的化学能太阳能H2O光反应类囊体NADPHATPADP+PiNADP+基粒O2H+酶酶酶2 光合作用的过程（2）第二阶段暗反应场所：叶绿体基质条件：有光或无光、酶物质变化：CO2+C5 2C3 2C3+NADPH+ATP NADP+ADP+Pi+C5+(CH2O)能量变化：（ATP和NADPH）中活跃的化学能 糖类等有机物中稳定
11、的化学能太阳能H2O光反应类囊体NADPHATP2C3C5ADP+PiNADP+CO2(CH2O)暗反应叶绿体基质基粒O2H+酶酶叶绿体基质2C3C5CO2NADPHATP(CH2O)(CH2O)蔗糖蔗糖葡萄糖葡萄糖淀粉淀粉细胞质基质卡尔文循环3 光反应与暗反应的区别与联系光反应光反应暗反应暗反应条条 件件场场 所所物质变化物质变化能量变化能量变化产产 物物原原 料料实质实质联联 系系 光、色素、酶光、色素、酶 NADPHNADPH、ATPATP、多种酶、多种酶类囊体的薄膜上（基粒）类囊体的薄膜上（基粒）叶绿体基质叶绿体基质1.1.水的光解水的光解 1.CO1.CO2 2的固定的固定2.ATP
12、2.ATP的合成的合成 2.C2.C3 3的还原的还原 光能光能 ATPATP中活跃中活跃 ATPATP中活跃的化学能中活跃的化学能的化学能的化学能 有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能 ATP、NADPH、O2 （CH2O）、）、ADP、Pi等等H2O CO2光反应为暗反应提供了光反应为暗反应提供了NADPHNADPH和和ATPATP，暗反应为光反应，暗反应为光反应提供提供ADPADP、PiPi，光反应和暗反应是一个整体。，光反应和暗反应是一个整体。物质合成，能量储存物质合成，能量储存光照和CO2浓度变化对植物细胞内C3、C5、H、ATP、O2、(CH2O)含量的影响短时间内变化C3C5
13、HATPO2(CH2O)光照增强光照减弱CO2增多减少CO2简记：停止光照C3升，ATP跟着C5一起走当光反应停止时，暗反应会受到怎样的影响？当暗反应停止时，光反应又会受到怎样的影响？如：硝化细菌如：硝化细菌2NH2NH3 3+3O3O2 22HNO2HNO2 2+2H+2H2 2O+O+能量能量硝化细菌2HNO2HNO2 2+O+O2 2硝化细菌2HNO2HNO3 3+能量能量CO2+H2O（CH2O）+O2硝化细菌化能合成作用概念：某些细菌可以利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放 的能量，将CO2等无机物转变成有机物影响光合作用强度的因素（1 1）光合作用强度表示方法：）光合作用强度表示
14、方法：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。植物在单位时间内通过光合作用产生的O2的数量植物在单位时间内通过光合作用固定CO2的数量。（2 2）影响光合作用强度的因素及应用：）影响光合作用强度的因素及应用：1.内部因素内部因素植物种类不同植物种类不同同一植物在不同的生长发育阶段同一植物在不同的生长发育阶段同一植物在不同部位的叶片（叶龄）同一植物在不同部位的叶片（叶龄）OAOA段：段：ABAB段：段：BCBC段：段：幼叶幼叶，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增，随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，光合速率不断提高加，光合速率
15、不断提高 壮叶壮叶，叶片面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定。，叶片面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定。老叶老叶，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合速率也随之下降。，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合速率也随之下降。应用：应用：栽培作物培养时栽培作物培养时适当摘除老叶和发黄的叶适当摘除老叶和发黄的叶，可降低有机物消耗。可降低有机物消耗。哪些外界因素会影响光合作用强度外部因素外部因素光照、温度、CO2浓度、矿质元素、水等O2NADPHATPNADP+ADP+Pi(CH2O)CO2H2O光能光反应阶段暗反应阶段多种酶参加催化色素和酶色素和酶C3C5
16、光照强度CO2吸收CO2释放0ABC光照强度CO2的吸收量代表光合作用强度吗？B点的意义？要让植物正常生长，光照应满足什么条件？若左图表示的是阳生植物光照强度与光合作用强度的关系，那么若是阴生植物呢？在曲线AC段影响光合作用强度的影响因子是什么？C点之后呢？当光照强度超过C点后，还可以通过什么措施提高光合作用强度？把光照强度B点突然提升至C点，C3，C5，ATP,H含量如何变化？将光照由白光改为蓝光，B点如何移动？若植物缺镁，B点如何移动？ABC净光合作用强度呼吸强度真正光合作用强度光光合合速速率率0 0COCO2 2浓度浓度A ACO2浓度B BCOCO2 2饱和点饱和点C C应用：农作物增
17、产措施温室栽培，晴天适当增加温室栽培，晴天适当增加COCO2 2浓度浓度合理密植使农田通风良好，合理密植使农田通风良好，“正其行，通其风正其行，通其风”施有机肥（农家肥）施有机肥（农家肥）施用干冰施用干冰COCO2 2发生器发生器 A,B,C点含义？在AC段光合作用强度的影响因子是什么？C点以后呢？当CO2浓度超过C点对应的浓度后，通过什么措施可以提高光合作用强度？温度酶活性酶活性1 1）温度）温度2 2）温度是影响气孔开闭的因素之一）温度是影响气孔开闭的因素之一光合作用强度光合作用强度应用：应用：农作物增产措施农作物增产措施a a 适时播种适时播种:b b 温室栽培：温室栽培：盛夏的中午，温
18、度高，气孔大盛夏的中午，温度高，气孔大多关闭，植物因为缺少多关闭，植物因为缺少COCO2 2而光合而光合作用强度下降。作用强度下降。晴天：晴天：白天适当升温，晚上适当降温以保持白天适当升温，晚上适当降温以保持 较高的昼夜温差较高的昼夜温差连续阴雨天：连续阴雨天：白天和晚上均降温白天和晚上均降温“午休午休”现象现象 H2O植物缺水时会引起植物叶片气孔关闭，植物因为植物缺水时会引起植物叶片气孔关闭，植物因为COCO2 2不足而光合作用强度下降。不足而光合作用强度下降。矿质元素N N N N：光合作用有关的酶、光合作用有关的酶、光合作用有关的酶、光合作用有关的酶、ATPATPATPATP、叶绿素、类
19、囊体膜的组成元素、叶绿素、类囊体膜的组成元素、叶绿素、类囊体膜的组成元素、叶绿素、类囊体膜的组成元素MgMgMgMg：叶绿素的重要组成成分叶绿素的重要组成成分叶绿素的重要组成成分叶绿素的重要组成成分P P P P：ATP,HATP,HATP,HATP,H的组成元素的组成元素的组成元素的组成元素多因子对光合作用速率的影响P点：Q点：限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高不断提高 横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，若要提高光合速率，可采横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，
20、若要提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法取适当提高图示中的其他因子的方法 例：下图甲、乙、丙分别表示几个环境因素对小麦光合作用速率的例：下图甲、乙、丙分别表示几个环境因素对小麦光合作用速率的影响，除各图中所示因素外，其他因素均控制在适中范围。下列影响，除各图中所示因素外，其他因素均控制在适中范围。下列分析不正确的是分析不正确的是A.A.甲图甲图P P点限制小麦光合作用速率的因素为光照强度点限制小麦光合作用速率的因素为光照强度B.B.乙图乙图Q Q点在高点在高COCO2 2浓度下要进一步提高小麦光合作用速率，可适当浓度下要进一步提高小麦光合作用速率，可适当调节环境温度调节环境温度C
21、.C.丙图丙图Q Q点之后点之后3 3条曲线的走势是都会随着温度升高而呈逐渐下降趋条曲线的走势是都会随着温度升高而呈逐渐下降趋势势D.D.干旱初期，小麦光合作用速率下降的主要原因可以用甲图来说明干旱初期，小麦光合作用速率下降的主要原因可以用甲图来说明甲甲 乙乙 丙丙D光合作用和细胞呼吸光合作用和细胞呼吸 植物气体代谢特点植物气体代谢特点只进行呼吸作用呼吸作用强度光合作用强度呼吸作用强度光合作用强度呼吸作用强度光合作用强度O2O2O2O2O2O2COCOCOCO2 2 2 2吸吸吸吸收收收收量量量量O OCOCOCOCO2 2 2 2释释释释放放放放量量量量光照强度光照强度A AB BC C在黑
22、暗中呼吸所放出的在黑暗中呼吸所放出的COCO2 2光补偿点光补偿点光补偿点光补偿点光饱和点光饱和点光饱和点光饱和点净净光光合合量量 总总光光合合量量阳生植物阳生植物阴生植物阴生植物阴生植物阴生植物A B C D净光合速率与真正（总）光合速率的关系COCO2 2吸吸收收量量O OCOCOCOCO2 2 2 2释释释释放放放放量量量量光照强度A AB BC C净光合速率总光合速率呼吸速率总光合速率呼吸速率=净光合速率+一定时间内O2产生量、CO2固定（同化）量、有机物产生（制造）量一定时间内O2释放量、CO2吸收量、有机物积累（增加）量1.这株植物在光下这株植物在光下1小时光合作用共产生小时光合作
23、用共产生克葡萄糖克葡萄糖2.叶片在叶片在10、5000勒克斯的光照条件下，每小时释放的氧气量是勒克斯的光照条件下，每小时释放的氧气量是mg.3.。则。则1小时积累的葡萄糖是小时积累的葡萄糖是克。克。4.在在25条件下，这株植物在充分光照下条件下，这株植物在充分光照下1小时总共制造小时总共制造葡萄糖葡萄糖克。克。总光合速率总光合速率净光合速率净光合速率净光合速率净光合速率总光合速率总光合速率（练习）判断下列说法是净光合速率还是总光合速率？（练习）判断下列说法是净光合速率还是总光合速率？例1：以CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响。下列正确的是A.光照相同时间，
24、35时光合作用制造的有机物的量与30时相等B.光照相同时间，在20条件下植物积累的有机物的量最多C.温度高于25时，光合作用制造的有机物的量开始减少D.两曲线的交点表示光合作用制造的与呼吸作用消耗的有机物的量相等A例2.将状况相同的某种绿叶均分为四组，在不同温度下分别暗处理1h，再光照1h（光照强度相同），测其重量变化，得出如下表的数据。可以得出的结论是（）组别一二三四温度（）27282930暗处理后重量变化（mg）-1-2-3-1光照后与暗处理前重量变化（mg）+3+3+3+1A.该植物光合作用的最适温度约是27B.该植物细胞呼吸的最适温度约是29C.2729下的净光合速率相等D.30下的真
25、正光合速率为2mgh-1B光合作用曲线中关键点的移动例3.若已知植物的光合作用和呼吸作用的最适温度分别为25和30。如图，在25，在一定的光照强度下的某植物光合作用曲线。当相应条件变化时，相关点如何移动？CO2浓度CO2吸收量0ABDCm(1)适当增强光照强度，A点 ，B点 ，C点 ，m点 。(2)温度升高到30，A点 ，B点 ，C点 ，m点 。(3)土壤中缺镁时，A点 ，B点 ，C点 ，m点 。不动左移右移上移下移右移左移下移不动右移左移下移夏季晴朗的一天植物光合作用曲线CO2的吸收CO2的释放24时0abcdefga点：凌晨2时4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少b点：有微弱光照，
26、植物开始进行光合作用bc段：光合作用强度小于呼吸作用强度c点：光合作用强度等于呼吸作用强度ce段：光合作用强度大于呼吸作用强度d点：温度过高，部分气孔关闭，出现“午休”现象e点：光合作用强度等于呼吸作用强度ef段：光合作用强度小于呼吸作用强度fg段：没有光照，光合作用停止，只进行呼吸作用密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线ABCDEFGHI024681012141618202224玻玻璃璃罩罩内内CO2浓浓度度AB段：无光照，植物只进行呼吸作用BC段：温度降低，呼吸作用减弱CD段：C点之后，光照微弱，开始进行光合作用，但光合作用强度呼吸作用强度。其中FG段表示“光合午休”现象H点：光合作用强
27、度=呼吸作用强度。HI段：光照继续减弱，光合作用强度呼吸作用强度，直至光合作用完全停止I点低于A点：说明一昼夜，密闭容器中CO2浓度减小，植物体内有机物的总量增加，植物生长光合速率测定甲装置在黑暗条件下植物只进行细胞呼吸，由于 NaOH 溶液吸收了细胞呼吸产生的 CO2，所以单位时间内红色液滴左移的距离表示植物的 O2 吸收速率，可代表呼吸速率;而乙装置在光照条件下植 物进行光合作用和细胞呼吸，由于 NaHCO3溶液保证了 容器内 CO2浓度的恒定，所以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。真正光合速率=净光合速率+呼吸速率。为防止 气压、温度等物理因素所引起的误差，应设置对照实验，即用死亡的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红色液滴NaOH溶液绿色植物实验组甲（黑暗）红色液滴NaHCO3溶液对照组绿色植物乙（光照）