1、第5章 细胞的能量供应和应用第4节 光合作用与能量转化问题探讨1.1.用人工光源生产蔬菜，可以避免由于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，自然环境中光照强度不足，导致光合作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可以用强度低而造成的减产。同时人工光源的强度和不同色光可以 调控，可以根调控，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。2.2.影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件也有影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件也有外界条件，二氧化碳浓度，外界条件，二氧化碳浓度，营养液和温度是影响植物生
2、长的重要外部条件，因此要进行控制，营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物以便让植物达到最佳的生长状态。达到最佳的生长状态。 你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。1. 靠人工光源生产蔬菜有什么好处？2. 为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件? 在植物工厂里 , 人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量 。在自然界 , 则是万物生长靠太阳 。太阳光能的输入 、捕获和转化 , 是生物圈得以维持运转的基
3、础 。 光合作用(photosynthesis )是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径 。因此,有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应。开篇开篇Introductory观察发现叶片叶片作为高等植物进行作为高等植物进行光光合作用合作用的主要器官通常都的主要器官通常都是是绿色的绿色的，说明其中，说明其中有绿有绿色的色素色的色素。白化苗白化苗不能进不能进行光合作用，无法制造有行光合作用，无法制造有机养料。机养料。 可见，叶片中的色素与光能的捕获有关。绿叶中有哪些色素呢？一、捕获光能的色素和结构一、捕获光能的色素和结构123用无水乙醇提取色素（色素能溶解在有机溶剂中）提取的原理实验目的提取并分离绿叶
4、中的色素，探究绿叶中色素的种类分离的原理用层析液分离色素（色素在层析液中溶解度不同，溶解度越高，扩散得越快）-纸层析 法探究实践 绿叶中色素的提取和分离实验材料与试剂新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）、无水乙醇、层析液（可用新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）、无水乙醇、层析液（可用9393号汽油代替）号汽油代替）二氧化硅、碳酸钙二氧化硅、碳酸钙1.新鲜的绿叶色素含量多 2.二氧化硅可使研磨更充分3. 碳酸钙防止研磨中色素被破坏干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药勺，量筒毛细吸管，剪刀，药勺，量筒(10mL)(
5、10mL)，天平。，天平。实验用具探究实践 绿叶中色素的提取和分离探究实践 1.提取绿叶中的色素1234称取5g的绿叶，剪碎， 放入研钵中。放入少许二氧化硅和碳酸钙， 再放入10mL无水乙醇， 迅速、充分地研磨二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。防止无水乙醇挥发叶绿体能够被充分破坏，使得色素能充分被释放出来将研磨液迅速倒入玻璃漏斗 中进行过滤。收集滤液,封口。用单层尼龙布过滤，过滤叶脉及二氧化硅等。盛放滤液的试管用橡胶塞塞紧，防止无水乙醇的挥发。制备滤纸条干燥的定性滤纸1cm铅笔线为什么要剪去两角？避免层析液在边缘扩散过快（边缘效应），使其同步到达细线探究实践 2.分离绿叶
6、中的色素探究实践 2.分离绿叶中的色素画滤液细线注意：细而齐、重复23次，待滤液干后，再画一两次。 （为了积累更多的色素使分离色素带更明显）探究实践 2.分离绿叶中的色素为何滤液细线不能触及层析液？防止色素溶解在层析液中为何要盖上培养皿？防止层析液挥发，因其易挥发且有毒层析探究实践 绿叶中色素的提取和分离探究实践 2.分离绿叶中的色素叶绿素类胡萝卜素（含量约（含量约3/43/4）（含量约（含量约1/41/4）叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）实验结果:这4种色素对光的吸收有什么差别吗？光合色素的吸收光谱叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱叶绿素主要吸收红光和蓝紫光类胡
7、萝卜素主要吸收蓝紫光因为叶绿素对绿光吸收最少，因为叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。所以叶片才呈现绿色。 功能：吸收、传递和转化光能这些捕获光能的色素存在于细胞中的什么部位？叶绿体的结构适于进行光合作用形状：扁平的椭球形或球形结构：内外两层膜均光滑，类囊体堆叠形成基粒扩大了膜面积，为光合色素和酶提供了更多的附着场所。基质中含有少量DNA、RNA、核糖体等，可以进行某些蛋白质的生物合成功能：吸收光能思考讨论水绵和需氧型细菌放在没有空气的小室内叶绿体除了吸收光能以外，还有什么功能吗？恩格尔曼实验一 极 细 光 束 均匀光照水绵水绵好氧细菌好氧细菌极细光束照射
8、极细光束照射完全曝光完全曝光黑暗 无空气好氧细菌集中于叶好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的绿体被光束照射的部位部位好氧细菌分布于好氧细菌分布于叶绿体所有受光叶绿体所有受光部位部位结论：叶绿体光合作用释放氧气，叶绿体是进行光合作用的场所思考讨论1.为什么选用水绵和好氧细菌作为实验材料？水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。好氧细菌可确定释放O2的部位。2.为什么选用黑暗并且没有空气的环境？选用黑暗并且没有空气的环境，可排除光线 和氧的干扰。思考讨论 极 细 光 束 均匀光照三棱镜三棱镜结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光综合上述两个实验可以得出：叶绿体是光合作用的场所照射水绵照射水绵好氧细菌聚集在红光好
9、氧细菌聚集在红光和蓝紫光的区域和蓝紫光的区域思考讨论恩格尔曼实验二小结：叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体的结构和功能相适应1.叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着大量光合色素2.类囊体膜上和叶绿体基质中，有许多与光合作用有关的酶3.叶绿体的结构与光合作用高度适应二、光合作用的原理和应用二、光合作用的原理和应用1、探索光合作用原理的部分实验光合作用：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光能叶绿体简式：光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳？叶绿
10、体是如何将光能转化为化学能？叶绿体是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？又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？19281928年年: : 甲醛不能通过光合作用转化成糖甲醛不能通过光合作用转化成糖, ,甲醛对植物有毒甲醛对植物有毒. .1919世纪末世纪末: : 甲醛甲醛糖糖CO2O2C + H2O甲醛19371937年，年，希尔希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中剂（悬浮液中有有H H2 2O O，没有，没有COCO2 2），），在光照下可以释放出氧气在光照下可以释放出氧气。1、探索光合作用原
11、理的部分实验1、探索光合作用原理的部分实验离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应。希尔反应:4Fe3+ + 2H2O 4Fe2+ + 4H+ + O2结论：水的光解产生氧气。水的光解产生氧气。 氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，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。而是分阶段进行的。思考问题：1、2O2真的全部来自于H2O吗 ？1940年: 鲁宾和卡门 （同位素标记法）光照射下的光照射下的小球藻悬液小球藻悬液CO2H2O C18O2H218O18O2O2甲组乙组结论：光合作用释放的氧来自水光合作用释放的氧来自水 , , 与二氧化碳无关。与二氧化碳
12、无关。1、探索光合作用原理的部分实验1、探索光合作用原理的部分实验 1954 1954年，美国年，美国阿尔农阿尔农等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体等用离体的叶绿体做实验：在给叶绿体光照光照时发现，当向反应体系中供给时发现，当向反应体系中供给ADPADP、PiPi等物质时，体系中就会有等物质时，体系中就会有ATPATP出出现。现。19571957年，他发现这一过程总是年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随与水的光解相伴随。 H2O O2 + 2H+ + 能量光照光照叶绿体叶绿体ADP+Pi ATPATP的合成与希尔反应的关系: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
13、合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。总结： 1、探索光合作用原理的部分实验2、光合作用过程有光才能反应有光才能反应有光、无光都能反应有光、无光都能反应划分依据:反应过程是否需要光能光反应（光合作用第一阶段）暗反应（光合作用第二阶段）又称碳反应2、光合作用过程光反应 类囊体薄膜上类囊体薄膜上的色素分子的色素分子可见光可见光ADP+PiATPH2OO2NADP+酶酶吸收吸收光解光解H+NADPH酶酶氧化型辅酶氧化型辅酶还原型辅酶还原型辅酶条件：光、光合色素、酶、水、光、光合色素、酶、水、ADP、Pi、NADP+场所：（基粒）类囊体薄膜上（基粒）类囊体薄膜上主要产物：O2 、 ATP 、 NA
14、DPH2、光合作用过程物质转化：水的光解：ATP的合成：H2O O2+ H+ e- 光色素NADPH的合成：光能能量转变：ATP、NADPH中活跃的化学能ADP + Pi + 能量 ATP + H2O酶NADP+ + H+ + 2e- NADPH酶2、光合作用过程暗反应 ADP+PiATPNADP+能量能量C52C3多种酶(CH2O)糖类CO2固定还原酶NADPH酶能量能量条件： 有没有光都可以，需多种酶、有没有光都可以，需多种酶、CO2、ATP、NADPH场所：叶绿体基质中叶绿体基质中产物： （CH2O）、ADP 、Pi、NADP+2、光合作用过程物质转化：CO2的固定：C3的还原：2C3
15、(CH2O)+C5酶ATP、NADPHATP、NADPH中活跃的化学能能量转变：有机物中稳定的化学能CO2C5 2C3酶叶绿体叶绿体中的色素中的色素可见光可见光C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原光反应暗反应NADP+NADPH光能ATP中活跃的化学能ATP中活跃的化学能有机物中稳定的化学能酶2、光合作用过程2、光合作用过程1. NADPH 和 ATP的移动途径是什么？从类囊体薄膜到叶绿体基质。从类囊体薄膜到叶绿体基质。2. NADP+ 和 ADP 的移动途径呢？从叶绿体基质到类囊体薄膜。从叶绿体基质到类囊体薄膜。3. NADPH 的作用？活泼的
16、还原剂；活泼的还原剂；储存部分能量供暗反应阶段利用。储存部分能量供暗反应阶段利用。2、光合作用过程 H H 的转移：的转移： H2O NADPH (CH2O ) C C 的转移：的转移： CO2 C3 （CH2O） O O 的转移：的转移：CO2 C3 （CH2O）H2O O2 6CO2+12H2O C6H12O6+6O2+6H2O光能叶绿体总反应式光反应和暗反应的比较光反应光反应暗反应暗反应区区别别所需条件所需条件进行场所进行场所物质变化物质变化能量转化能量转化联联系系物质变化物质变化上的联系上的联系能量转化能量转化上的联系上的联系必须有光必须有光有光或无光均可有光或无光均可类囊体薄膜类囊体
17、薄膜叶绿体基质叶绿体基质水光解为水光解为O2和和H+;ATP和和NADPH的合成的合成CO2的固定；的固定；C3的还原；的还原；ATP和和NADPH的分解的分解光能转化为光能转化为ATP和和NADPH中的化学能中的化学能ATP和和NADPH中的化学能转化为中的化学能转化为有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能光能光能ATP和和NADPH中的化学能中的化学能有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能光反应为暗反应提供光反应为暗反应提供ATP和和NADPH;暗反应为光反应提供了暗反应为光反应提供了ADP、Pi、NADP+叶绿体叶绿体中的色素中的色素可见光可见光C52C3ADP+PiATPH2OO2
18、H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原NADP+NADPHCO2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拓展补充 环境条件骤变时，相关物质含量的变化环境条件骤变时，相关物质含量的变化拓展补充 环境条件骤变时，相关物质含量的变化环境条件骤变时，相关物质含量的变化叶绿体叶绿体中的色素中的色素可见光可见光C52C3ADP+PiATPH2OO2H+多种酶酶(CH2O)CO2吸收光解固定还原NADP+NADPH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化能合成作用 能够利用
19、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：例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌。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+6H2O 2C6H12O6+ 6O2能量拓展补充三、光合作用的影响因素及应用三、光合作用的影响因素及应用光合作用强度定义：指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O光能叶绿体表示方法：固定或消耗CO2的量制造或产生有机物（糖类）量产生O2的量单位时间内光合作
20、用思考：思考：能否测量出光合作用强度？能否测量出光合作用强度？线粒体线粒体叶绿体叶绿体O2释放O2（可以测得）（可以测得）叶肉细胞CO2吸收CO2（可以测得）（可以测得）叶绿体：进行光合作用，进行光合作用，合成合成有机物，有机物，产生产生O2，消耗消耗CO2线粒体：进行有氧呼吸，进行有氧呼吸，消耗消耗有机物，有机物，消耗消耗O2，产生产生CO2光合作用强度O2CO2O2CO2只有呼吸作用，无光合作用O2CO2光合作用呼吸作用O2O2CO2CO2光合作用强度光合作用制造的有机物的量 - 呼吸作用消耗的有机物的量 = 有机物积累量固定或消耗CO2量产生O2的量CO2吸收量O2的释放量CO2的释放量
21、O2的吸收量总光合作用强度 - 呼吸作用强度 = 净光合作用强度真正光合作用强度 - 呼吸作用强度 = 表观光合作用强度光合作用强度影响光合作用的因素光照强度、CO2的浓度、温度H2O、矿质元素（Mg合成叶绿素）外因内因酶的种类、数量色素的含量叶龄不同影响光合作用的因素光照强度0CO2吸收CO2释放ABC阳生植物呼吸速率光补偿点光补偿点 光饱和点光饱和点阴生植物A1B1C1净光合总光合B点：光合作用=呼吸作用D点：光合速率开始达到 最大时外界的光照强度（限制因素：CO2浓度、温度等）D阴生植物呼吸作用较弱，对光的利用能力也不强。A-B：光合作用呼吸作用呼吸A点: 只进行呼吸作用1、光照强度应用
22、：合理密植；阴雨天适当补充光照间作套种适当剪枝影响光合作用的因素A:只进行呼吸作用B：光合作用=呼吸作用 细胞呼吸释放的CO2 全部用于光合作用B-C：光合作用呼吸作用A-B：光合作用呼吸作用影响光合作用的因素CO2浓度吸收速率CO2释放速率CO2DA点：对应的CO2浓度为能进行光合作用的最低CO2浓度。CO2补偿点光合作用速率呼吸作用速率对应的D点为CO2饱和点C点之后光合速率的限制因素：外因主要为光照强度和温度，内因为酶的数量和活性。B点：C点：1.多施有机肥或农家肥；2.温室栽培植物时还可使用CO2发生器等；3.大田中还要注意通风透气。应用：2、 CO2浓度影响光合作用的因素O O温度A
23、光合速率BC最适温度下植物光合作用最大，植物体内的酶最适温度在4050之间。温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减弱。1.适时播种2.温室中,白天适当提高温度,晚上适当降温3.植物“午休”现象应用：3、 温度影响光合作用的因素植物24小时中CO2的吸收量e ef f：光照减弱，光合速率明显变慢：光照减弱，光合速率明显变慢c cd d：温度高，部分气孔关闭，温度高，部分气孔关闭，COCO2 2供应量供应量 下降，下降，光合速率减慢。光合速率减慢。 植物出现植物出现“午休午休”现象。现象。b b、f f点：点：光补偿点，光合速率光补偿点，光合速率= =呼吸速率呼吸速率f f点：点：积累有
24、机物最多的点积累有机物最多的点 a点：温度降低，点：温度降低， 减弱，减弱，CO2释放减少。释放减少。 b点：开始进行点：开始进行 。bc段：光合作用段：光合作用 细胞呼吸。细胞呼吸。 c点：光合作用点：光合作用 细胞呼吸。细胞呼吸。ce段：光合作用段：光合作用 细胞呼吸。细胞呼吸。 d点：点： 过高，部分或全部气孔关闭，过高，部分或全部气孔关闭， CO2供应量下降，供应量下降，出现出现“午休现象午休现象”。 e点：光合作用点：光合作用 细胞呼吸。细胞呼吸。ef段：光合作用段：光合作用 细胞呼吸。细胞呼吸。fg段：停止段：停止 ，只进行，只进行 。呼吸呼吸光合作用光合作用小于小于等于等于大于大
25、于温度温度等于等于小于小于光合作用光合作用呼吸作用呼吸作用影响光合作用的因素积累有机物时间段： 段。制造有机物时间段： 段。消耗有机物时间段： 段。一天中有机物积累最多的时间点： 点。CEBFOGE影响光合作用的因素一天中温室大棚中CO2的变化影响光合作用的因素D、H点：点：光合速率等于呼吸速率光合速率等于呼吸速率F-G段：段：午休现象午休现象I点：点：CO2浓度大小跟浓度大小跟A点相比减小，点相比减小，减少的减少的COCO2 2转化成有机物积累在植物体内。转化成有机物积累在植物体内。 说明有有机物的积累说明有有机物的积累DH段：光合速率大于呼吸速率，段：光合速率大于呼吸速率， 积累有机物积累有机物光合作用强度的测定装置总光合产生的O2量 = 呼吸消耗的O2量 + 净光合释放O2量
