高中生物必修一第五章第四节能量之源光与光合作用

一、捕获光能的色素和结构一、捕获光能的色素和结构 1、实验：绿叶中色素的提取和分离 原理：叶绿体中的色素可以溶解在无水乙醇中，可以用来提取色素。色素在层析液中的溶解度不同，在滤纸上的扩散速度有差别，可以 用来分离色素。方法与步骤方法与步骤提取色素提取色素称取5g左右的鲜叶，剪碎，放入研钵中。加少许的二氧化硅（充分研磨）和碳酸钙（防止色素被破坏）与10ml无水乙醇。在研钵中快速研磨。将研磨液进行过滤。方法与步骤方法与步骤制备滤纸条制备滤纸条方法与步骤方法与步骤画滤液细线画滤液细线方法与步骤方法与步骤分离色素分离色素实验结果：实验结果：绿叶绿叶中的中的色素色素叶绿素叶绿素类胡萝卜素类胡萝卜素（含量约（含量约3/4）（含量约（含量约1/4）叶绿素叶绿素a（蓝绿色）（蓝绿色）叶绿素叶绿素b（黄绿色）（黄绿色）胡萝卜素胡萝卜素（橙黄色）（橙黄色）叶黄素叶黄素（黄色）（黄色）胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶黄素叶绿素叶绿素a叶绿素叶绿素b叶绿素溶液叶绿素溶液吸收可见光，用于光合作用吸收可见光，用于光合作用2.2.色素的功能：色素的功能：色素的吸收光谱图色素的吸收光谱图 400 500 600 700nm 400 500 600 700nm 1001005050吸收光能百分比叶绿素类胡萝卜素可 见 光 区叶绿素：吸收蓝紫光和叶绿素：吸收蓝紫光和红光红光类胡萝卜素：吸收蓝紫类胡萝卜素：吸收蓝紫光光叶片为什么是绿色叶片为什么是绿色?叶叶绿绿体体结结构构模模式式图图外膜外膜内膜内膜基粒基粒基质基质每个基粒都由每个基粒都由一个个圆饼状一个个圆饼状的囊状结构堆的囊状结构堆叠而成。这些叠而成。这些囊状结构称为囊状结构称为类囊体。吸收类囊体。吸收光能的四种色光能的四种色素就分布在素就分布在类类囊体的薄膜上囊体的薄膜上。而每个基粒都而每个基粒都含有两个以上含有两个以上的类囊体，多的类囊体，多者可达者可达100个个以上。叶绿体以上。叶绿体内有如此多的内有如此多的基粒和类囊体，基粒和类囊体，极大地扩大了极大地扩大了受光面积受光面积。4 4、资料分析：叶绿体的功能、资料分析：叶绿体的功能1装片中好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中。装片中好氧细菌分布在叶绿体所有受光部位的周围。氧是由叶绿体释放出来的，氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体叶绿体是光合作用的场所。是光合作用的场所。2结论：结论：叶绿体的被叶绿体的被光束照射到的光束照射到的部位部位是光合作用的场所是光合作用的场所结论：结论：现象：现象：没有没有空气空气黑暗黑暗 极极 细细 光光 束束 完完 全全 光光 照照讨论：讨论：恩格尔曼实验在设计上有什么巧妙之处？恩格尔曼实验在设计上有什么巧妙之处？（1 1）、用水绵作实验材料，有）、用水绵作实验材料，有细而长的带状叶绿细而长的带状叶绿体体，螺旋状分布在细胞中，便于观察和分析研究。，螺旋状分布在细胞中，便于观察和分析研究。（2 2）、将临时装片置于黑暗且没有空气的环境）、将临时装片置于黑暗且没有空气的环境中，排除了环境中中，排除了环境中光线和光线和O2的影响，从而确保的影响，从而确保实验能顺利进行。实验能顺利进行。（3 3）、用极细的光束照射，并且用好氧菌进）、用极细的光束照射，并且用好氧菌进行检测，能准确的判断水绵行检测，能准确的判断水绵细胞中放细胞中放O2 部位。部位。（4 4）、进行黑暗（局部光照）与曝光的）、进行黑暗（局部光照）与曝光的对照实对照实验验，从而明确实验结果完全是由光照引起的。，从而明确实验结果完全是由光照引起的。结论结论:叶绿体叶绿体是进行光合作用的场所，它内是进行光合作用的场所，它内部的巨大膜表面上，不仅分布着许多部的巨大膜表面上，不仅分布着许多吸收光能的吸收光能的色素分子色素分子，还有许多进行，还有许多进行光合作用所必需的光合作用所必需的酶酶。二、光合作用的原理和应用二、光合作用的原理和应用光合作用的探究历程（光合作用的探究历程（P101102）结论：水分是结论：水分是植物建造自身植物建造自身的原料。的原料。17 17世纪世纪海尔蒙特海尔蒙特栽培的柳栽培的柳树实验树实验结论：植物可以更新空气结论：植物可以更新空气有人重复了普利斯特利的实验，得到相反的结有人重复了普利斯特利的实验，得到相反的结果，所以有人认为植物也能使空气变污浊？果，所以有人认为植物也能使空气变污浊？17791779年，荷兰英格豪斯年，荷兰英格豪斯 普利斯特利的实验只有在普利斯特利的实验只有在阳光照射阳光照射下才能成功；植物体下才能成功；植物体只有绿叶才能只有绿叶才能更新空气更新空气。到到1785年，发现了空气的组年，发现了空气的组成，人们才明确绿叶在光下放出成，人们才明确绿叶在光下放出的是的是O2，吸收的是吸收的是CO2。光光能能化化学学能能储存在什储存在什么物质中？么物质中？德国德国梅耶梅耶18641864年，德国萨克斯实验年，德国萨克斯实验黑暗处理黑暗处理一昼夜一昼夜让一张叶片一半让一张叶片一半曝光一半遮光曝光一半遮光绿叶在绿叶在光光下制造下制造淀粉淀粉。用碘蒸气处理这片叶，用碘蒸气处理这片叶，发现曝光的一半呈深发现曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半则蓝色，遮光的一半则没有颜色变化。没有颜色变化。光合作用释放的光合作用释放的O2来自来自CO2还是还是H2O？第一第一组组光合作用产生的光合作用产生的O2来自于来自于H2O。H2180C02H20C18O2第二组第二组180202美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法）美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法）光合作用产生的有机物又是怎样合成的？光合作用产生的有机物又是怎样合成的？美国卡尔文美国卡尔文用用1414C C标记标记1414CO2CO2，供小球，供小球藻进行光合作用，探明了藻进行光合作用，探明了COCO2 2中的中的C C的去向，称为卡的去向，称为卡尔文循环。尔文循环。绿色植物通过绿色植物通过叶绿体叶绿体，利用，利用光能光能，把，把CO2和和H2O转化成储存能量的转化成储存能量的有机物有机物，并，并释放出释放出O2的过程。的过程。反应物、条件、反应物、条件、场所、生成物场所、生成物CO2H2O （CH2O）O2光能光能叶绿体叶绿体糖类糖类年代年代科学家科学家结论结论17711771普利斯特利普利斯特利植物可以更新空气植物可以更新空气17791779英格豪斯英格豪斯只有只有在光照下在光照下只有只有绿叶绿叶才可以更才可以更新空气新空气18451845R.R.梅耶梅耶植物在光合作用时植物在光合作用时把光能转变成把光能转变成了化学能了化学能储存起来储存起来18641864萨克斯萨克斯绿色叶片光合作用绿色叶片光合作用产生淀粉产生淀粉18801880恩格尔曼恩格尔曼氧氧由叶绿体释放出来。由叶绿体释放出来。叶绿体叶绿体是是光合作用的场所。光合作用的场所。19391939鲁宾鲁宾 卡门卡门光合作用释放的光合作用释放的氧氧来自来自水水。2020世纪世纪4040代代卡尔文卡尔文光合产物中有机物的光合产物中有机物的碳碳来自来自COCO2 2光合作用化学反应式：光合作用化学反应式：光合作用过程光合作用过程（1）光合作用分为哪几个阶段？分类依据是什么？）光合作用分为哪几个阶段？分类依据是什么？（2）每个阶段反应的条件、场所、物质变化、）每个阶段反应的条件、场所、物质变化、能量变化如何？能量变化如何？光光 反反 应应叶绿体叶绿体中的色中的色素素光能光能H2O水在光下分解水在光下分解O2H 过程：过程：场所：场所：H2OHO2ADP+Pi+光能光能ATPADP+Pi酶酶ATP暗暗 反反 应应co2C5 固固 定定2c3H供氢供氢酶酶(CH2O)糖类糖类 场所：场所：条件：条件：过程：过程：多种酶多种酶参加催化参加催化co2+C52c32c3(CH2O)C5H ATPATPADP+Pi+能量能量还还 原原ATP供能供能ADP+Pi色素分子色素分子可见光可见光C52C3ADP+PiATP2H2OO24H多种酶多种酶酶酶(CH2O)CO2吸收吸收光解光解能能固定固定还还原原酶酶光反应光反应暗反应暗反应光合作用总过程：光合作用总过程：光反应和暗反应的比较场所场所条件条件物质物质变化变化能量能量变化变化光反应光反应暗反应暗反应联系联系基粒片层结构薄膜基粒片层结构薄膜叶绿体基质中叶绿体基质中光、色素、酶、水、光、色素、酶、水、ADP PiADP PiHH、ATPATP、酶、酶、COCO2 2、C C5水的光解水的光解ATPATP的生成的生成COCO2 2的固定的固定 C C3 3的还原的还原光能光能ATPATP中活跃的化学能中活跃的化学能ATPATP中活跃的化学能中活跃的化学能 有机物中稳定的化学能有机物中稳定的化学能1、光反应为暗反应准备了还原剂H和能量ATP；2、暗反应为光反应补充消耗掉的ADP和Pi。叶绿体处不同条件下，叶绿体处不同条件下，C C3 3、C C5 5、H H、ATPATP以及以及(CH(CH2 2O)O)合成量的动态变化合成量的动态变化条件条件C C3 3C C5 5H H和和ATPATP(CH(CH2 2O)O)合成合成量量停止光照停止光照COCO2 2供应不变供应不变增加增加下降下降减少或没有减少或没有减少或没有减少或没有光照不变光照不变停止停止COCO2 2供应供应减少减少 增加增加增加增加减少或没有减少或没有光照不变光照不变COCO2 2供应不变供应不变(CH(CH2 2O)O)运输受阻运输受阻增加增加减少减少增加增加减少减少原料和产物的对应关系：原料和产物的对应关系：（CH2O）CHOCO2CO2H2OO2H2O能量的转移途径：能量的转移途径：碳的转移途径：碳的转移途径：光能光能中中活跃活跃的化学能的化学能(CH2O)中中稳定稳定的化学能的化学能CO2C3（CH2O）光合作用原理的应用光合作用原理的应用影响影响光合作用强度光合作用强度的因素？的因素？COCO2 2的浓度，光照的长短与强弱；光的成分；温的浓度，光照的长短与强弱；光的成分；温度的高低、必需矿物质元素、水分等。度的高低、必需矿物质元素、水分等。例：适当提高例：适当提高CO2的浓度（温室大棚），增加光照时间的浓度（温室大棚），增加光照时间和光照强度，农作物间距合理，选择适当的光源等。和光照强度，农作物间距合理，选择适当的光源等。若甲曲线代表阳生植物，则乙曲线代表阴生植物。若甲曲线代表阳生植物，则乙曲线代表阴生植物。BC段：段：随光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，随光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，C点点为光饱和点为光饱和点。A点点:光照强度为光照强度为0此时只进行细胞呼吸，释放的二氧化碳量此时只进行细胞呼吸，释放的二氧化碳量可表示此时细胞呼吸的强度。可表示此时细胞呼吸的强度。AB段：段：随光照强度增强，光合作用强度增强，二氧化碳释放量逐渐减少，因随光照强度增强，光合作用强度增强，二氧化碳释放量逐渐减少，因细胞呼吸释放二氧化碳一部分用于光合作用，细胞呼吸释放二氧化碳一部分用于光合作用，细胞呼吸强度大于光合作用强细胞呼吸强度大于光合作用强度。度。B点点细胞呼吸释放的二氧化碳全部用于光合作用，即光合作用细胞呼吸释放的二氧化碳全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度。强度等于细胞呼吸强度。B点称为光补偿点点称为光补偿点(1)光照强度光照强度(2 2)二氧化碳浓度二氧化碳浓度曲线分析曲线分析在一定浓度范围内，随二氧化碳浓度的增加，植物的光合作用强在一定浓度范围内，随二氧化碳浓度的增加，植物的光合作用强度加强。度加强。A A点：表示进行光合作用所需二氧化碳的最低浓度。点：表示进行光合作用所需二氧化碳的最低浓度。B B点：表示二氧化碳饱和点，超过该浓度，光合强度不再增加。点：表示二氧化碳饱和点，超过该浓度，光合强度不再增加。应用：对农田里的农作物应合理密植，应用：对农田里的农作物应合理密植，“正其行，通其风；对正其行，通其风；对温室作物来说，应增施农家肥料或使用二氧化碳发生器。温室作物来说，应增施农家肥料或使用二氧化碳发生器。BA光合作用光合作用强度强度(3 3)温度温度曲线分析曲线分析光合作用是在多种酶的催化下进行的，温度直接影响酶的活性光合作用是在多种酶的催化下进行的，温度直接影响酶的活性AB段：在一定温度范围内，随温度的升高，光合作用逐渐增强段：在一定温度范围内，随温度的升高，光合作用逐渐增强B点表示光合作用的最适温度，此时光合速率最高；点表示光合作用的最适温度，此时光合速率最高；BC段表示段表示，超过了光合作用的最适温度，随温度的升高，光合，超过了光合作用的最适温度，随温度的升高，光合作用强度逐渐下降。作用强度逐渐下降。应用：适时播种；温室栽培中要保持昼夜温差。应用：适时播种；温室栽培中要保持昼夜温差。光合作用光合作用强度强度 (4)(4)必需矿质元素供应对光合作用的影响必需矿质元素供应对光合作用的影响 影响：矿质元素直接或间接影响光合作用。一定范围影响：矿质元素直接或间接影响光合作用。一定范围 内内N N、P P、K K等矿质元素越多，光合速率越快。等矿质元素越多，光合速率越快。N N是构成是构成 叶绿素、叶绿素、酶、酶、ATPATP等的元素；等的元素；P P是构成是构成ATPATP等的元素，参与叶绿体膜的构等的元素，参与叶绿体膜的构成；成；MgMg是构成叶绿素的元素；是构成叶绿素的元素；K K影响糖类的合成和运输。影响糖类的合成和运输。应用：合理施肥。应用：合理施肥。(5)(5)水对光合作用的影响水对光合作用的影响 影响：水尽管是光合作用的原料和化学反应的介质，但影响：水尽管是光合作用的原料和化学反应的介质，但是水对光合作用的影响在多数情况下是间接影响。是水对光合作用的影响在多数情况下是间接影响。缺水（蒸腾缺水（蒸腾作用过强）导致气孔关闭，限制二氧化碳进入叶片；作用过强）导致气孔关闭，限制二氧化碳进入叶片；缺水引起缺水引起叶片内淀粉水解加强，可溶性糖过多，光合产物输出缓慢等。叶片内淀粉水解加强，可溶性糖过多，光合产物输出缓慢等。应用：预防干旱，合理灌溉。应用：预防干旱，合理灌溉。自养生物：自养生物：能够直接把从外界环境摄取的无机物转能够直接把从外界环境摄取的无机物转变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物。变成为自身的组成物质，并储存了能量的一类生物。四、化能合成作用四、化能合成作用异养生物：异养生物：不能直接利用无机物制成有机物，只能不能直接利用无机物制成有机物，只能把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物把从外界摄取的现成的有机物转变成自身的组成物质，并储存了能量的一类生物。质，并储存了能量的一类生物。能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释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例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌菌2NH2NH3 3+3O+3O2 2 2HNO 2HNO2 2+2H+2H2 2O+O+能量能量硝化细菌硝化细菌2HNO2HNO2 2+O+O2 2 2HNO 2HNO3 3+能量能量硝化细菌硝化细菌6CO6CO2 2+6H+6H2 2O 2CO 2C6 6H H1212O O6 6+6O+6O2 2能量能量光合作用与有氧呼吸的比较光合作用与有氧呼吸的比较光反应暗反应有氧呼吸反应场所叶绿体基粒类囊体薄膜上叶绿体基质细胞质基质和线粒体反应条件光、色素和酶ATP、H、酶O2、酶物质变化水的光解ATP的合成CO2的固定CO2的还原葡萄糖的初步分解丙酮酸彻底分解H的氧化能量变化光能转化为活跃的化学能活跃的化学能转化为稳定的化学能稳定的化学能转化为活跃的化学能影响因子光照强度、CO2浓度、T、矿质元素、H2OT、O2总反应式 光合作用 呼吸作用 场所 条件 原料 产物 物质变化 能量变化 结论：结论：含叶绿体的细胞含叶绿体的细胞所有的活细胞所有的活细胞 必须有光必须有光有光无光均可有光无光均可有机物和氧有机物和氧 二氧化碳和水二氧化碳和水 有机物和氧有机物和氧二氧化碳和水二氧化碳和水制造有机物制造有机物储存能量储存能量 释放能量释放能量分解有机物分解有机物二者既相互对立二者既相互对立,又相互又相互_。依存依存 影响光能利用率的因素在生产中的应用：影响光能利用率的因素在生产中的应用：光能利用率光能利用率光合作用效率光合作用效率(轮作轮作)(合理密植：间种、套种合理密植：间种、套种)1、光照强度、光质、光照强度、光质2、CO2浓度浓度3、温度、温度4、矿质元素（、矿质元素（合理施肥）合理施肥）5、水（、水（合理灌溉）合理灌溉）（1）单位时间内光合作用产生糖的数量（2）单位时间光合作用吸收二氧化碳的量（3）单位时间光合作用放出的氧气的量