5.4光合作用與能量轉(zhuǎn)化-光合作用的原理和應(yīng)用課件-2024-2025學(xué)年高一上學(xué)期生物人教版（2019）必修1

第4節(jié)

光合作用與能量轉(zhuǎn)化第5章細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用

二

光合作用的原理和應(yīng)用光合作用是怎樣進(jìn)行的？光合作用過(guò)程中物質(zhì)變化與能量轉(zhuǎn)化有什么關(guān)系？◎本節(jié)聚焦光合作用原理在生產(chǎn)中有哪些應(yīng)用？一、光合作用的原理光合作用是指綠色植物通過(guò)葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過(guò)程。1.光合作用的概念：2.光合作用的化學(xué)反應(yīng)式：CO2+H2O葉綠體光能（CH2O）+O2表示糖類，一部分是淀粉，一部分是蔗糖3.光合作用的實(shí)質(zhì)：物質(zhì)：

能量：無(wú)機(jī)物→有機(jī)物光能→有機(jī)物中的化學(xué)能記自然界總到處都是二氧化碳、水和陽(yáng)光，然而，能夠利用它們合成有機(jī)物的卻只有進(jìn)行光合作用的細(xì)胞。完成這一神奇過(guò)程的就是葉綠體。

葉綠體是如何將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能？又是如何將化學(xué)能儲(chǔ)存在糖類等有機(jī)物中的？光合作用釋放的氧氣，是來(lái)自原料中的水還是二氧化碳呢？探索光合作用原理的部分實(shí)驗(yàn)1.19世紀(jì)末，科學(xué)界普遍認(rèn)為，在光合作用中：CO2+H2O（CH2O）甲醛縮合1928年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)甲醛對(duì)植物有毒害作用，而且甲醛不能通過(guò)光合作用轉(zhuǎn)化為糖。2.1937年，英國(guó)植物學(xué)家希爾發(fā)現(xiàn)：H2O離體葉綠體光能O2水光解產(chǎn)生氧氣的化學(xué)反應(yīng)稱為希爾反應(yīng)?希爾的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明水的光解產(chǎn)生氧氣，是否說(shuō)明植物光合作用產(chǎn)生的氧氣中的氧元素全部都來(lái)自水？3.1941年，美國(guó)科學(xué)家魯賓和卡門(mén)：同位素示蹤法結(jié)論：光合作用釋放的O2中的氧元素全部來(lái)自水光照射下的小球藻懸液CO2H2OC18O2H218O18O2O2甲組乙組4.1954-1957年，美國(guó)科學(xué)家阿爾農(nóng)發(fā)現(xiàn)：

在光照下，葉綠體可合成ATP，且此過(guò)程總是與水的光解相伴隨。5.20世紀(jì)40年代，卡爾文：

光照射下的小球藻懸液14CO2H2OO2（14CH2O）同位素示蹤法CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中的碳的途徑稱為卡爾文循環(huán)。CO2+H2O葉綠體光能（CH2O）+O2上述實(shí)驗(yàn)表明：

氧氣的產(chǎn)生和糖類的合成不是同一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，而是分階段進(jìn)行的。記根據(jù)是否需要光能，光合作用可以劃分成兩個(gè)階段：

光反應(yīng)階段光合作用的第一階段，必須有光才能進(jìn)行光合作用的第二階段，有沒(méi)有光都可以進(jìn)行暗反應(yīng)階段（碳反應(yīng)/卡爾文循環(huán)）4.光合作用的過(guò)程光反應(yīng)階段場(chǎng)所：葉綠體類囊體薄膜上ADP+Pi

ATP光、酶色素條件：光、色素、酶場(chǎng)所：物質(zhì)變化：①水的光解：③ATP的合成：葉綠體類囊體薄膜上能量轉(zhuǎn)化：ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能光能2H2OO2+4H++4e-

光色素光反應(yīng)階段②還原劑的形成：出葉綠體，供細(xì)胞呼吸利用或釋放到環(huán)境中為還原型輔酶II，是一種還原劑，參與于暗反應(yīng)；還儲(chǔ)存著一定的能量，可為暗反應(yīng)供能。為暗反應(yīng)供能NADP++H++2e-

NADPH

酶記暗反應(yīng)階段場(chǎng)所：葉綠體的基質(zhì)中卡爾文循環(huán)條件：場(chǎng)所：①CO2的固定：能量轉(zhuǎn)化：暗反應(yīng)階段②C3的還原：有光無(wú)光都可、需多種酶葉綠體基質(zhì)中CO2+C52C3酶2C3

（CH2O）+C5ATP、NADPH酶物質(zhì)變化：有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能ADP+Pi

和NADP+用于光反應(yīng)來(lái)源于呼吸作用，呼吸作用供給不足時(shí)，由外界環(huán)境提供指三碳化合物（3-磷酸-甘油酸）指五碳化合物（核酮糖-1,5-二磷酸）RuBP記光反應(yīng)階段場(chǎng)所：葉綠體類囊體薄膜上暗反應(yīng)階段場(chǎng)所：葉綠體基質(zhì)中光合作用的過(guò)程比較項(xiàng)目光反應(yīng)暗反應(yīng)區(qū)

別條件場(chǎng)所物質(zhì)變化能量轉(zhuǎn)化聯(lián)系光、色素、酶有光無(wú)光都可、需多種酶葉綠體類囊體薄膜上葉綠體基質(zhì)中光能→ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能ATP、NADPH中活躍的化學(xué)能→有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能水的光解、還原劑的形成、ATP的合成CO2的固定、C3的還原光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供NADPH和ATP。暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供NADP+、ADP和Pi。光反應(yīng)與暗反應(yīng)的區(qū)別與聯(lián)系二、光合作用原理的應(yīng)用1.光合作用強(qiáng)度（光合速率）指植物在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)光合作用制造糖類的數(shù)量。（1）概念：（2）表示方法：①單位時(shí)間內(nèi)光合作用產(chǎn)生有機(jī)物的量②單位時(shí)間內(nèi)光合作用吸收CO2的量③單位時(shí)間內(nèi)光合作用產(chǎn)生O2的量記（3）影響因素：根據(jù)光合作用的化學(xué)反應(yīng)式可以知道，只要影響到原料、能量的供應(yīng)，都可能是影響光合作用強(qiáng)度的因素。例如：環(huán)境中CO2濃度、葉片氣孔開(kāi)閉情況（影響CO2的供應(yīng)量）光照強(qiáng)度（影響能量供應(yīng)）溫度（影響酶的活性）病蟲(chóng)害、無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)（影響葉綠體的形成和結(jié)構(gòu)）等等

光合作用強(qiáng)度直接關(guān)系農(nóng)作物的產(chǎn)量，研究影響光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素很有現(xiàn)實(shí)意義。2.實(shí)驗(yàn)探究探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響（1）實(shí)驗(yàn)原理下沉上浮葉片含有空氣，上浮抽氣葉片

；產(chǎn)生O2充滿細(xì)胞間隙，葉片

。光合作用

光合作用產(chǎn)生的氧氣量可作為光合作用強(qiáng)度的指標(biāo)，氧氣量會(huì)改變?nèi)~片的密度。記（2）實(shí)驗(yàn)步驟①取生長(zhǎng)旺盛的綠葉，用直徑為0.6cm的打孔器打出圓形小葉片30片。0.6cm②將圓形小葉片置于注射器內(nèi)。注射器內(nèi)吸入清水，待排出注射器內(nèi)殘留的空氣后，用手指堵住注射器前端的小孔并緩慢拉動(dòng)活塞，使圓形小葉片內(nèi)的氣體逸出。該步驟重復(fù)2-3次。處理過(guò)的小葉片因?yàn)榧?xì)胞間隙充滿了水，所以全部沉到水底。③將處理過(guò)的圓形小葉片，放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用。④取3只小燒杯，分別倒入20mL富含CO2的清水。（可事先通過(guò)吹氣的方法補(bǔ)充CO2，也可以用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%-2%的NaHCO3溶液提供CO2）然后各放入10片形葉片。⑤然后分別置于強(qiáng)、中、弱三種光照下。實(shí)驗(yàn)中，可用5W的LED燈作為光源，利用小燒杯與光源的距離來(lái)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。強(qiáng)光中等光弱光⑥觀察并記錄同一時(shí)間段內(nèi)各裝置中葉片浮起的數(shù)量。（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果小圓形葉片加富含CO2的清水光照強(qiáng)度葉片浮起數(shù)量甲10片20mL強(qiáng)乙10片20mL中丙10片20mL弱多中少光照強(qiáng)度影響光合作用強(qiáng)度。在一定范圍內(nèi)，隨光照強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，光合作用強(qiáng)度也不斷增強(qiáng)。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)論記思考：植物在進(jìn)行光合作用的同時(shí)，還會(huì)進(jìn)行呼吸作用。我們觀測(cè)到的光合作用指標(biāo)，如O2的產(chǎn)生量，是植物光合作用實(shí)際產(chǎn)生的總O2量嗎？不是。植物光合作用實(shí)際產(chǎn)生的總O2量=O2的產(chǎn)生量+呼吸作用消耗的O2量記（1）少數(shù)種類的細(xì)菌，細(xì)胞內(nèi)沒(méi)有葉綠素，不能進(jìn)行光合作用，但是卻能夠利用體外環(huán)境中的某些無(wú)機(jī)物氧化時(shí)所釋放的能量來(lái)制造有機(jī)物。

例如：硝化細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌等少數(shù)種類的細(xì)菌2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化細(xì)菌2HNO2+O22HNO3+能量硝化細(xì)菌CO2+H2O（CH2O）+O2能量化能合成作用和光合作用的

相同，

不同。物質(zhì)轉(zhuǎn)化能量來(lái)源3.生物制造有機(jī)物的另一種方式化能合成作用記（2）代謝類型和呼吸類型代謝類型（同化作用）自養(yǎng)型異養(yǎng)型：光能自養(yǎng)型：化能自養(yǎng)型：人、動(dòng)物、真菌及大多數(shù)細(xì)菌硝化細(xì)菌等綠色植物、藍(lán)細(xì)菌等呼吸類型（異化作用）需氧型：兼性厭氧型：厭氧型：人、動(dòng)物、植物等破傷風(fēng)桿菌、產(chǎn)甲烷桿菌等酵母菌等記三、影響光合作用的因素1.影響光合作用的內(nèi)部因素：葉綠體的數(shù)量、色素的含量、酶的數(shù)量及活性等。2.影響光合作用的外部因素及應(yīng)用：

影響光合作用的外部因素主要有光照強(qiáng)度、CO2濃度、溫度、水和礦質(zhì)元素。記（1）光照強(qiáng)度①關(guān)鍵點(diǎn)：A點(diǎn)時(shí)，光照強(qiáng)度為0，此時(shí)只進(jìn)行細(xì)胞呼吸；B點(diǎn)時(shí)，細(xì)胞呼吸釋放的CO2量和光合作用吸收的CO2量相等，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光補(bǔ)償點(diǎn)；C點(diǎn)時(shí)，隨光照強(qiáng)度增加，光合作用強(qiáng)度不再增加，此時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。光飽和點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)②關(guān)鍵線段：AB段光合作用小于細(xì)胞呼吸強(qiáng)度；BC段光合作用強(qiáng)度大于細(xì)胞呼吸強(qiáng)度。③應(yīng)用：間作套種植物，可合理利用光能，提高光能利用率。延長(zhǎng)光合作用時(shí)間，能增加農(nóng)作物產(chǎn)量。記拓展：凈光合速率、總光合速率及呼吸速率間的關(guān)系（1）表示方法：項(xiàng)目表示方法凈光合速率（表觀光合速率）總光合速率（真正或?qū)嶋H光合速率）呼吸速率（遮光條件下測(cè)得）CO2吸收量、O2釋放量、有機(jī)物積累量CO2釋放量、O2吸收量、有機(jī)物消耗量CO2固定量、O2生成量、有機(jī)物制造量（2）關(guān)系：凈光合速率=總光合速率-呼吸速率①當(dāng)凈光合速率＞0時(shí)，植物才能積累有機(jī)物生長(zhǎng)②當(dāng)凈光合速率=0時(shí)，植物不生長(zhǎng)③當(dāng)凈光合速率＜0時(shí)，植物不生長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間處于此狀態(tài)，植物將會(huì)死亡記B（2）CO2濃度圖2圖1①曲線分析：圖1和圖2都表示在一定范圍內(nèi)，光合作用速率隨CO2濃度的增加而增大，但當(dāng)CO2濃度增加到一定范圍后，光合作用速率不再增加，此時(shí)的限制因素主要有溫度和光照強(qiáng)度。表示凈光合速率表示總光合速率記B圖2圖1②關(guān)鍵點(diǎn)分析：圖1中A點(diǎn)既不吸收也不釋放CO2，表示光合速率等于呼吸速率時(shí)的CO2的濃度，即CO2補(bǔ)償點(diǎn)。圖2中的A’點(diǎn)表示進(jìn)行光合作用的最低CO2濃度，即光合作用的起點(diǎn)。圖1和圖2中的B點(diǎn)和B’點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO2濃度都是CO2飽和點(diǎn)。CO2補(bǔ)償點(diǎn)光合起點(diǎn)記CO2飽和點(diǎn)CO2飽和點(diǎn)③應(yīng)用：溫室栽培植物時(shí)，適當(dāng)增加CO2濃度或施用有機(jī)肥，并且多通風(fēng)，以增強(qiáng)光合作用強(qiáng)度，提高產(chǎn)量。記（3）溫度①原理：溫度主要通過(guò)影響光合作用相關(guān)酶的活性來(lái)影響光合作用強(qiáng)度。②曲線分析：圖中B點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度是最適溫度，此時(shí)光合作用最強(qiáng)，高于或低于此溫度，光合作用強(qiáng)度都會(huì)下降。③應(yīng)用：溫室栽培時(shí)，白天可適當(dāng)提高溫度，增加光合作用強(qiáng)度。晚上可適當(dāng)降低溫度以降低細(xì)胞呼吸，降低有機(jī)物的消耗，從而增加作物產(chǎn)量。同一植物光合作用的最適溫度低于其呼吸作用最適溫度記（4）水①原理：水既是光合作用的原料，又是體內(nèi)各種化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)。另外，水還能影響氣孔的開(kāi)閉，從而間接影響CO2進(jìn)入植物體，所以水對(duì)光合作用有較大的影響。②應(yīng)