LHQ54能量之源——光与光合作用

第第4 4节节 能量之源能量之源光与光合作用光与光合作用 俗话说：俗话说：“万物生长靠太阳万物生长靠太阳”，为什么这么说呢？，为什么这么说呢？ 我们来看一组数据：我们来看一组数据： 地球表面上的绿色植物每年大约制造地球表面上的绿色植物每年大约制造4400亿吨亿吨 有机物有机物(全球粮食产量全球粮食产量21.3亿吨亿吨)； 绿色植物：约为绿色植物：约为7.111018 kJ/年年 240,000个三门峡水电站所发出的电力。个三门峡水电站所发出的电力。绿色植物储存在有绿色植物储存在有机物中的能量来自机物中的能量来自哪里呢？哪里呢？光合作用需要色素去捕获光能。光合作用需要色素去捕获光能。正常苗正常苗白化苗白化苗正常幼苗能进正常幼苗能进行光合作用制行光合作用制造有机养料。造有机养料。白化苗不能进行白化苗不能进行光合作用，无法光合作用，无法制造有机养料。制造有机养料。2、捕获光能的结构、捕获光能的结构叶绿体叶绿体（1）分布：）分布：主要分布在绿色植物的叶肉细胞主要分布在绿色植物的叶肉细胞（2）形态：）形态：一般呈扁平的椭球形或球形一般呈扁平的椭球形或球形（3）结构）结构外膜外膜内膜内膜（4）功能：）功能：光合作用光合作用的场所的场所基粒基粒由两个以上的类囊体组成，含由两个以上的类囊体组成，含色素色素和和酶酶基质基质含多种光合作用所必需含多种光合作用所必需的的酶酶透明透明，有利于光线的透过，有利于光线的透过（二）叶绿体的结构（二）叶绿体的结构结构：结构：外膜、内膜、外膜、内膜、基粒、基质基粒、基质形态：形态：扁平的椭球形扁平的椭球形基粒的类囊体的薄膜上基粒的类囊体的薄膜上色素的分布：色素的分布：类囊体类囊体双层膜结构双层膜结构基质基质基粒片层基粒片层基粒基粒酶酶色素色素绿叶中色素的提取和分离绿叶中色素的提取和分离实验原理：实验原理：提取提取(无水乙醇无水乙醇)、分离分离(层析液层析液)目的要求：目的要求：绿叶中色素的提取和分离及色素的种类绿叶中色素的提取和分离及色素的种类材料用具：材料用具：新鲜的绿叶、定性滤纸等、无水乙醇等新鲜的绿叶、定性滤纸等、无水乙醇等方法步骤：方法步骤： 1.提取绿叶中的色素提取绿叶中的色素 2.制备滤纸条制备滤纸条 3.画滤液细线画滤液细线 4.分离绿叶中的色素分离绿叶中的色素 5.观察和记录观察和记录讨论：讨论： 1.滤纸条上色带的数目、排序、宽窄？滤纸条上色带的数目、排序、宽窄？ 2.滤纸条上的滤液细线，为什么不能触及层析液？滤纸条上的滤液细线，为什么不能触及层析液？实验步骤：实验步骤：1.提取绿叶中的色素提取绿叶中的色素SiO2：使碾磨充分：使碾磨充分CaCO3：防止色素被破坏：防止色素被破坏无水乙醇：提取色素无水乙醇：提取色素2.制备滤纸条制备滤纸条铅笔线铅笔线画铅笔细线画铅笔细线减去两角的目的：减去两角的目的：防止层析液从边缘扩散速防止层析液从边缘扩散速度太快。度太快。实验步骤：实验步骤：3.画滤液细线画滤液细线实验步骤：实验步骤：滤液细线的要求：滤液细线的要求：细、直细、直、齐（使色素处于同齐（使色素处于同一起跑线）；一起跑线）；重复重复2 23 3次（防止色素太少次（防止色素太少分离现象不明显）。分离现象不明显）。4.分离绿叶中的色素分离绿叶中的色素实验步骤：实验步骤：层析液层析液培养皿培养皿滤液细线滤液细线注意注意: :滤液细线不能触到层析液滤液细线不能触到层析液（防止色素溶解在层析液中）（防止色素溶解在层析液中）烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞（层析液易挥发且有毒）（层析液易挥发且有毒）捕捕获获光光能能的的色色素素类胡萝类胡萝卜素卜素叶绿素叶绿素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(占占1/4)(占占3/4)5 5、观察与记录实验结果、观察与记录实验结果实验步骤：实验步骤：滤纸上色带的排列顺序如何？宽窄如何？说明什么？滤纸上色带的排列顺序如何？宽窄如何？说明什么？（橙黄色）（橙黄色）（黄色）（黄色）（蓝绿色）（蓝绿色）（黄绿色）（黄绿色）四种色素对光的吸收四种色素对光的吸收叶绿素叶绿素a a、b b主要吸主要吸_胡萝卜素和叶黄素主要吸收胡萝卜素和叶黄素主要吸收_蓝紫光、红光蓝紫光、红光蓝紫光蓝紫光叶绿体中的色素提取液叶绿体中的色素提取液观察实验结果：观察实验结果：色素种类色素种类 色素颜色色素颜色 色素含量色素含量 溶解度溶解度 扩散速度扩散速度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橙黄色橙黄色黄色黄色蓝绿色蓝绿色黄绿色黄绿色最少最少较少较少最多最多较多较多最高最高较高较高较低较低最低最低最快最快较快较快较慢较慢最慢最慢胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶黄素叶绿素叶绿素叶绿素叶绿素小结：小结：色素色素色素色素颜色颜色含量含量溶解度溶解度 扩散速扩散速度度吸收光吸收光能能橙黄色橙黄色黄色黄色蓝绿色蓝绿色黄绿色黄绿色最少最少较少较少最多最多较多较多最大最大较大较大较小较小最小最小最快最快较快较快较慢较慢最慢最慢蓝紫光蓝紫光蓝紫光蓝紫光红光红光与光合作用有关的色素存在于哪呢？与光合作用有关的色素存在于哪呢？叶绿体中色素提取和分离实验中几个关键问题叶绿体中色素提取和分离实验中几个关键问题 取叶要新鲜取叶要新鲜 ， 滤液中含有较多的色素；滤液中含有较多的色素； 研磨要迅速充分，防止无水乙醇挥发，同时可以得到色素浓度较大的研磨要迅速充分，防止无水乙醇挥发，同时可以得到色素浓度较大的滤液；滤液； 画滤液细线要重复次，以便色素带清晰；画滤液细线要重复次，以便色素带清晰； 滤液细线要细、直、齐，防止色素带重叠；滤液细线要细、直、齐，防止色素带重叠； 滤液细线勿浸入层析液，防止色素溶解在层析液中；滤液细线勿浸入层析液，防止色素溶解在层析液中； 层析时，烧杯要加盖，避免苯等有毒物质挥发出来污染空气；层析时，烧杯要加盖，避免苯等有毒物质挥发出来污染空气； 实验结束，要用肥皂洗手，因为实验中可能接触了苯等有毒物质；实验结束，要用肥皂洗手，因为实验中可能接触了苯等有毒物质； 滤纸条要避光保存，防止褪色滤纸条要避光保存，防止褪色 首先，植物的叶色是各种色素的综合表现，首先，植物的叶色是各种色素的综合表现，其中主要决定于叶绿素和类胡萝卜素含量的比其中主要决定于叶绿素和类胡萝卜素含量的比例。例。 一般说来，高等植物在正常情况下，叶肉一般说来，高等植物在正常情况下，叶肉细胞内叶绿素是类胡萝卜素的四倍，因此叶子细胞内叶绿素是类胡萝卜素的四倍，因此叶子总是呈现绿色；当叶片衰老或环境条件不正常总是呈现绿色；当叶片衰老或环境条件不正常时，时，叶绿素不稳定易被破坏，含量降低叶绿素不稳定易被破坏，含量降低，而，而胡胡萝卜素较稳定，所以叶片呈黄色。萝卜素较稳定，所以叶片呈黄色。为什么大部分叶片在正常情况下都是绿色的？为什么大部分叶片在正常情况下都是绿色的？为什么到了秋天叶片又会变成黄色？为什么到了秋天叶片又会变成黄色？三、光合作用的原理和应用三、光合作用的原理和应用1 1、概念、概念3 3、光合作用化学反应式：、光合作用化学反应式：4 4、光合作用过程、光合作用过程光反应阶段光反应阶段暗反应阶段暗反应阶段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吸收吸收光解光解供能供能固定固定还还原原酶酶光反应光反应暗反应暗反应2 2、光合作用的过程：、光合作用的过程：实质：实质：无机物（无机物（COCO2 2和和H H2 2O O） 有机物（糖类等）有机物（糖类等）光能光能 化学能。化学能。3 3、光反应与暗反应的区别和联系、光反应与暗反应的区别和联系条条 件件物质变化物质变化能量变化能量变化光反应光反应暗反应暗反应场场 所所比较项目比较项目联联 系系类囊体薄膜上类囊体薄膜上叶绿体的基质叶绿体的基质需光需光, ,色素和酶色素和酶不需光不需光, ,色素色素; ;需酶需酶2H2H2 2O 4H+OO 4H+O2 2光解光解ADP+Pi+ADP+Pi+能量能量ATPATP酶酶COCO2 2+ C+ C5 5 2C 2C3 3酶酶2C2C3 3 (CH (CH2 2O)+CO)+C5 5ATPATP、HH 酶酶稳定的化学能稳定的化学能光能光能 活跃的化学能活跃的化学能光反应为暗反应提供光反应为暗反应提供ATPATP和和HH，暗反应为光反应提供暗反应为光反应提供ADPADP和和PiPi1 1、光下的植物突然停止光照后，、光下的植物突然停止光照后，C C5 5化合物和化合物和C C3 3化合物的含量如何变化？化合物的含量如何变化？停止停止光照光照光反应光反应停止停止2 2、光下的植物突然停止、光下的植物突然停止COCO2 2的供应后，的供应后，C C5 5化合化合物和物和C C3 3化合物的含量如何变化？化合物的含量如何变化？H ATP还原还原受阻受阻C3 C5 CO2 固定固定停止停止C3 C5 思考与讨论：思考与讨论：增加增加减少减少减少或没有减少或没有 减少或没有减少或没有减少减少增加增加增加增加增加增加减少减少增加增加增加增加减少或没有减少或没有增加增加减少减少减少减少增加增加增加增加减少减少增加增加减少减少光合作用光合作用有氧呼吸有氧呼吸代谢代谢类型类型合成作用合成作用(或同化作用或同化作用)分解作用分解作用(或异化作用或异化作用)物质物质变化变化无机物无机物 有机有机物物有机物有机物 无机物无机物能量能量变化变化光能光能化学能化学能(储能储能)化学能化学能ATP、热能、热能(放能放能)实质实质合成有机物，储存能合成有机物，储存能量量分解有机物、释放能量，供细分解有机物、释放能量，供细胞利用胞利用场所场所叶绿体叶绿体活细胞活细胞(主要在线粒体主要在线粒体)条件条件只在光下进行只在光下进行有光、无光都能进行有光、无光都能进行联系联系五、光合作用和呼吸作用中的化学计算五、光合作用和呼吸作用中的化学计算光合作用反应式：光合作用反应式：6CO212H2OC6H12O66O26H2O呼吸作用反应式：呼吸作用反应式：有氧：有氧：C6H12O66O26H2O 6CO212H2O无氧：无氧：C6H12O62C2H5OH2CO2 (植物植物)实测实测CO2吸收量吸收量光合作用光合作用CO2吸收量吸收量呼吸作用呼吸作用CO2释放量释放量实测实测O2释放量释放量光合作用光合作用O2释放量释放量呼吸作用呼吸作用O2消耗量消耗量1.为生物生存提供了物质来源和能量来源；为生物生存提供了物质来源和能量来源；2.维持了大气中维持了大气中O2和和CO2的相对稳定；的相对稳定；3.对生物的进化有直接意义。对生物的进化有直接意义。 (1)使还原性大气使还原性大气氧化性大气氧化性大气 (2)使有氧呼吸生物得以发生和发展使有氧呼吸生物得以发生和发展 (3)形成臭氧层，过滤紫外线，使水生生形成臭氧层，过滤紫外线，使水生生物登陆成为可能物登陆成为可能光合作用的意义光合作用的意义（四）影响光合作用强度的因素（四）影响光合作用强度的因素1 1、植物自身因素、植物自身因素遗传因素、叶龄、叶面积遗传因素、叶龄、叶面积2 2、环境因素对光合作用的影响、环境因素对光合作用的影响1 1）光照）光照2 2）温度）温度3 3）二氧化碳浓度）二氧化碳浓度4 4）水分）水分5 5）矿质元素）矿质元素延长光合作用时间延长光合作用时间增加光能增加光能利用率利用率提高光合提高光合作用效率作用效率控制光照强弱控制光照强弱提高复种指数提高复种指数( (轮作轮作) )温室中人工光照温室中人工光照合理密植合理密植间作套种间作套种通风透光通风透光在温室中施有机肥，在温室中施有机肥，使用使用CO2发生器发生器阴生植物阴生植物阳生植物阳生植物应用应用提高农作物产量的措施提高农作物产量的措施红光和蓝紫光红光和蓝紫光适时适量施肥适时适量施肥合理灌溉合理灌溉保持昼夜温差保持昼夜温差增加光合作用面积增加光合作用面积控制控制H2O供应供应控制必需矿质元素供应控制必需矿质元素供应控制控制CO2供应供应控制温度控制温度控制光质控制光质光合作用是在光合作用是在 的催化下进行的，温度直接影的催化下进行的，温度直接影响响 ；ABAB段表示：段表示： ； B B点表示：点表示： ； BCBC段表示：段表示： ； 酶的活性酶的活性酶酶此温度条件下，光合速率最高此温度条件下，光合速率最高超过最适温度，光合速率随温度升高而下降超过最适温度，光合速率随温度升高而下降1、温度温度一定范围内，光合速率随温度升高而升高一定范围内，光合速率随温度升高而升高应用：应用：增加昼夜温差，保证有机物的积累增加昼夜温差，保证有机物的积累图中图中A A点含义：点含义： ；B B点含义：点含义： ；C C点表示：点表示： ；若甲曲线代表阳生植物，则乙曲线代表若甲曲线代表阳生植物，则乙曲线代表 植物。植物。 光照强度为光照强度为0 0，只进行呼吸作用，只进行呼吸作用光合作用与呼吸作用强度相等光合作用与呼吸作用强度相等光合作用强度不再随光照强度增强而增强光合作用强度不再随光照强度增强而增强阴生阴生2、光照强度光照强度B：光补偿点：光补偿点C：光饱和点：光饱和点轮作轮作延长光合作用时间延长光合作用时间间种、合理密植间种、合理密植增加光合作用面积增加光合作用面积应用：应用：适当增加光照强度适当增加光照强度光合作用效率与光照强度、时间的关系光合作用效率与光照强度、时间的关系一天的时间一天的时间O 121311101514光照强度光照强度C光合作用效率光合作用效率C点：点：温度过高，气孔关闭，影响了温度过高，气孔关闭，影响了COCO2 2的吸收，暗反应减弱。的吸收，暗反应减弱。3、CO2的浓度的浓度应用：应用：大田中增加空气流动、大田中增加空气流动、温室中增施有机肥温室中增施有机肥OAOA段：段： ；ABAB段：段： ；B B点以后：点以后： 。B二氧化碳浓度过低，无法进行光合作用二氧化碳浓度过低，无法进行光合作用随着二氧化碳浓度增加，光合速率逐渐增强随着二氧化碳浓度增加，光合速率逐渐增强光合速率达到最大值光合速率达到最大值（分解者将有机肥分解为二氧化碳和无机盐）（分解者将有机肥分解为二氧化碳和无机盐）N：光合酶及光合酶及ATP的重要组分的重要组分P： 类囊体膜和类囊体膜和ATP的重要组分；的重要组分； K：促进光合产物向贮藏器官运输促进光合产物向贮藏器官运输Mg：叶绿素的重要组分叶绿素的重要组分 5. 5. 矿质元素矿质元素 4. 4. 水分水分应用：应用： 合理灌溉合理灌溉应用：应用：合理施肥合理施肥（分解者将有机肥分解为二氧化碳和无机盐）（分解者将有机肥分解为二氧化碳和无机盐）（一）光合作用的探究历程（一）光合作用的探究历程五年后五年后1 1、16481648年，海尔蒙特的柳树实验年，海尔蒙特的柳树实验柳树增重约柳树增重约82kg82kg土壤减少约土壤减少约100g100g水分是建造植物体的原料水分是建造植物体的原料结论：结论：局限：局限： 忽略空气对植物的影响忽略空气对植物的影响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。植物可以更新空气植物可以更新空气2 2、17711771年，英国科学家年，英国科学家 普利斯特利普利斯特利结论：结论：为什么植物也能使空气变污浊？为什么植物也能使空气变污浊？3、1779年年, 荷兰的科学家荷兰的科学家 英格豪斯（英格豪斯（500多次试验）多次试验）普利斯特利的实验普利斯特利的实验只有在只有在阳光照射阳光照射下下才能成功；才能成功； 植物体只有绿叶才植物体只有绿叶才能能更新空气。更新空气。到到1785年，发现了年，发现了空气的组成，人们空气的组成，人们才明确绿叶在光下才明确绿叶在光下放出的是放出的是O2，吸收，吸收的是的是CO2。即：可以更新空气即：可以更新空气的是的是O2 ，使空气，使空气变污浊的是变污浊的是CO24 4、18451845年，德国科学家年，德国科学家 梅耶梅耶光光能能化化学学能能储存在储存在什么物什么物质中？质中？光合光合作用作用5 5、18641864年，德国科学家萨克斯年，德国科学家萨克斯黑暗处理一昼夜黑暗处理一昼夜用碘蒸气处理这片叶，发现用碘蒸气处理这片叶，发现曝光的一半呈深蓝色，遮光曝光的一半呈深蓝色，遮光的一半则没有颜色变化。的一半则没有颜色变化。让一张叶片一半曝光让一张叶片一半曝光一半遮光一半遮光、绿叶在光下制造淀粉。绿叶在光下制造淀粉。结论：结论：光合作用释放的光合作用释放的O O2 2来自来自COCO2 2还是还是H H2 2O O？18O2O2CO2第第二二组组第第一一组组C18O2H218OH2O6 6、19411941年，美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法）年，美国鲁宾和卡门实验（同位素标记法）光照射下的小光照射下的小球绿藻悬浮液球绿藻悬浮液光合作用产生的光合作用产生的O2来自于来自于H2O。结论：结论：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？7、20世纪世纪40年，美国卡尔文年，美国卡尔文14CO2小球藻小球藻有机物的有机物的14C（卡尔文循环）（卡尔文循环）结论：结论：光合产物中有机物的碳来自光合产物中有机物的碳来自COCO2 2叶绿体的功能叶绿体的功能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)选材方面，选用水绵为实验材料。水绵不选材方面，选用水绵为实验材料。水绵不仅具有细长的带状叶绿体，而且叶绿体螺仅具有细长的带状叶绿体，而且叶绿体螺旋状地分布在细胞中，便于观察、分析研旋状地分布在细胞中，便于观察、分析研究。究。 （3）选用了）选用了极细光束照射极细光束照射，并且选用，并且选用好氧细菌检测好氧细菌检测，从而能够准确判断出水绵细胞中从而能够准确判断出水绵细胞中释放氧的部位释放氧的部位。 小结：光合作用探究历程小结：光合作用探究历程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17791779英格豪斯英格豪斯18451845梅耶梅耶18641864萨克斯萨克斯18801880恩格尔曼恩格尔曼19391939鲁宾鲁宾 卡门卡门2020世纪世纪4040代代卡尔文卡尔文植物可以更新空气植物可以更新空气只有在光照下植物可以更新空气只有在光照下植物可以更新空气植物在光合作用时把光能转变植物在光合作用时把光能转变成了化学能储存起来成了化学能储存起来绿色叶片光合作用产生淀粉绿色叶片光合作用产生淀粉氧由叶绿体释放出来。叶绿体氧由叶绿体释放出来。叶绿体是光合作用的场所是光合作用的场所光合作用释放的氧来自水光合作用释放的氧来自水光合产物中有机物的碳来自光合产物中有机物的碳来自COCO2 2糖类糖类概念：概念：绿色植物通过绿色植物通过 ，利用，利用 ，把把 转化成储存着能量转化成储存着能量的的 ，并且释放出，并且释放出 的过程。的过程。叶绿体叶绿体光能光能二氧化碳和水二氧化碳和水有机物有机物氧气氧气从从反应物、场所、条件、生成物反应物、场所、条件、生成物总结总结光合作用的表达式和概念：光合作用的表达式和概念：（三）化能合成作用（三）化能合成作用异养生物异养生物(人、动物、真菌、大部分细菌人、动物、真菌、大部分细菌)营营养养类类型型自养生物自养生物光能自养生物光能自养生物(绿色植物绿色植物)化能自养生物化能自养生物利用环境中现成的有机物来维持生命活动。利用环境中现成的有机物来维持生命活动。以以COCO2 2和和H H2 2O O（无机物）为原料合成糖类（有机（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着的能量。物），糖类中储存着的能量。光合作用光合作用 以以光光为能源，以为能源，以CO2和和H2O（无机物）为原料合成（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如：绿色植物。例如：绿色植物。化能合成作用化能合成作用 利用环境中某些利用环境中某些无机物氧化时释放的能量无机物氧化时释放的能量将将CO2和和H2O（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。（无机物）合成糖类（有机物）。如硝化细菌。光能自养生物光能自养生物化能自养生物化能自养生物能量来源：能量来源：能量来源：能量来源：光能光能化学能化学能能够利用体外环境中的能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所某些无机物氧化时所释放的能量释放的能量来制造有机物的合成作用来制造有机物的合成作用 例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等细菌。例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌等细菌。2NH3+3O2 2HNO2+2H2O+能量能量硝化细菌硝化细菌2HNO2+O2 2HNO3+能量能量硝化细菌硝化细菌6CO2+12H2O C6H12O6+ 6O2+6H2O 能量能量酶酶不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。水层绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收，即到达深水层的光线是相对富含部分的吸收，即到达深水层的光线是相对富含短波长的光，所以吸收红光和蓝紫光较多的绿短波长的光，所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方的红藻分布于海水深的地方