高中生物《能量之源——光与光合作用》课件12（80张PPT）（人教版必修1）

欢迎进入生物课堂 2 光合作用 专题复习 光合作用的重要意义和研究简史 直到18世纪中期 人们一直以为植物体内的全部营养物质 都是从土壤中获得的 并不认为植物体能够从空气中得到什么 古希腊哲学家亚里士多德 土壤是构成植物体的原材料 光合作用的一组实验 现象 年后 纯净的雨水 结论 不足 比利时 海尔蒙特 水是光合作用的原料之一 没有考虑到空气对光合作用的作用 土壤重量减少约0 1千克 植株重量增加约74 4千克 90 8千克 2 3千克 76 7千克 90 7千克 1771 1777 英国约瑟夫 普里斯特利 现象 蜡烛熄灭 现象 蜡烛持续燃烧 现象 小鼠死亡 现象 小鼠存活 结论 植物能够净化因燃烧或呼吸而变混浊的空气 疑问 不同的人重复实验 有的成功 有的失败 原因何在 1779荷兰英格豪斯 叶片和绿色枝条在阳光下 才能更新空气的成分 绿色植物在光下释放氧气 结论 1880年德国科学家恩吉尔曼 现象 分析 在没有空气的黑暗环境中 用极细的光束照射水绵 好氧细菌只集中在被光线照射的叶绿体附近 光线照射部位进行光合作用产生了氧气 在没有空气的环境中 完全暴露在光下 现象 好氧细菌的集中原因 见光叶绿体部位有氧气的产生 好氧细菌集中在叶绿体所有受光部位 结论 叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所 恩吉尔曼实验设计有哪些巧妙之处 选材 水绵具有细长的带状叶绿体 易于观察现象 好氧细菌的利用 准确显示出氧气产生的部位 设计 黑暗无空气的设计 进行黑暗和曝光的对比实验 极细光线的入射 现象 结论 1864年德国科学家萨克斯 未遮光部分变成蓝色 淀粉是光合作用的产物之一 1637年中国明代学者宋应星 人所食物皆为气所化 故复于气 不足 未能通过实验去检验自己的理论 萨克斯实验的发展 分析 结论 A装置内存在CO2 B装置中没有CO2存在 CO2是光合作用的原料之一 1938 美国科学家鲁宾和卡门 H2OC18O2 H218OCO2 O2O2O2 O2O2O2 O2O2O2 O2O2O2 O2O2O2 O2O2O2O2 O2O2O2O2 18O218O218O2 18O218O218O2 18O218O218O2 18O218O218O2 18O218O218O2 18O218O218O2 结论 光合作用释放的氧全部来自水 光能 叶绿体 光合作用的定义 光合作用是指绿色植物通过叶绿体 利用光能 把二氧化碳和水转化成储存能量的有机物 并且释放氧气的过程 光合作用反应式 6CO2 12H2O CH2O 6 6H2O 6O26CO2 6H2O CH2O 6 6O2 计算题用 光能 叶绿体 实验设计练习 材料 银边天竺葵一盆 黑色遮光纸若干 碘液 其他所需材料任选 请设计一个实验 验证叶绿体是光合作用的场所 注意 1 分步叙述2 控制单一变量原则3 对使用的药品要有量的描述4 应设置对照组5 研究对象或器皿要标号6 实验现象的显性化 过程略 光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义 第一 制造有机物 绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的 据估计 地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物 这远远超过了地球上每年工业产品的总产量 绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物 人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物 第二 转化并储存太阳能 地球上几乎所有的生物 都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的 煤炭 石油 天然气等燃料中所含有的能量 归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的 第三 使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定 据估计 全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧 平均为10000t s 吨每秒 以这样的消耗氧的速度计算 大气中的氧大约只需二千年就会用完 然而 这种情况并没有发生 第四 对生物的进化具有重要的作用 在绿色植物出现以前 地球的大气中并没有氧 只是在距今20亿至30亿年以前 绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势以后 地球的大气中才逐渐含有氧 从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展 由于大气中的一部分氧转化成臭氧 O3 臭氧在大气上层形成的臭氧层 能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线 从而使水生生物开始逐渐能够在陆地上生活 经过长期的生物进化过程 最后才出现广泛分布在自然界的各种动植物 植物的叶是进行光合作用的主要器官 气孔的结构 叶绿体和其中的色素 叶绿体主要存在于绿色植物的叶肉细胞中 它的表面有双层膜 可以控制物质的进出 它的内部充满了无色的基质和绿色的基粒 在电子显微镜下观察叶绿体的超薄切片 可以看到每个基粒都是由一个个囊状的结构垛叠而成的 这些由膜围成的囊状结构叫做类囊体 在类囊体的薄膜上 有进行光合作用的色素 这些色素可以吸收 传递和转化光能 实际上 光合作用的能量转化就是在类囊体膜上进行的 在类囊体的薄膜上和叶绿体内的基质中有许多种酶 这些酶用来催化光合作用过程中的一系列化学反应 1 叶绿体中的色素叶绿体片层结构上的色素可分为两类 一类为作用中心色素 少数特殊状态的叶绿素a分子属于此类 它具有光化学活性 既是光能的 捕获器 又是光能的 转换器 另一类是天线色素 没有光化学活性 只有收集和传递光能的作用 能把光能聚集起来 当波长范围为400nm 700nm的可见光照到绿色植物上时 聚光系统的色素分子的吸收光量子被激发起来 光能就在色素分子之间以诱导共振的方式进行传递 并迅速传递到作用中心色素分子 完成光能的转化 天线色素包括大部分叶绿素a和全部叶绿素b 胡萝卜素 叶黄素等 也叫聚光色素 叶绿素a与叶绿素b的成分很相似 都不能溶解于水 但能溶解于酒精 丙酮和石油醚等有机溶剂中 它们的不同之处在于 叶绿素a分子比叶绿素b分子多两个氢原子 少一个氧原子 在颜色上 叶绿素a呈蓝绿色 叶绿素b呈黄绿色 这两种色素在高等植物绿叶中的比通常是3 1 叶绿素a化学式 C55H72O5N4Mg叶绿素b化学式 C55H70O6N4Mg 叶绿素吸收光的能力极强 叶绿素吸收光谱的最强吸收区有两个 一个在波长为640 660nm的红光部分 另一个在波长为430 450nm的蓝紫光部分 从图中可以清楚地看出叶绿素吸收不同波长光线的百分比 其他色素并不是不吸收 只是很少 所以包括全部色素的白光效率最高 换个角度进行研究 如果把叶绿素溶液放在光源与分光镜之间 就可以看到光谱中有些波长的光线被吸收了 这种光谱叫做吸收光谱 在红光区和蓝紫光区的光谱上就出现了明显的黑线或暗带 在光谱的橙光 黄光和绿光部分有不明显的吸收带 其中尤其对于绿光的吸收最少 由于叶绿素吸收绿光最少 基本都反射出来了 所以叶绿素的溶液呈现绿色 以绿光和蓝光为例 利用分光光度计检测观察到的现象如下 光电管是分光光度计的关键部件 从图中显示的数据可知 蓝光能透过叶绿素溶液的量很少 大部分被吸收 而绿光正好相反 几乎未被吸收 如果把蓝光换为红光 结果会怎样 叶绿素a与叶绿素b的吸收光谱很相似 但也略有不同 首先 叶绿素a在红光部分的吸收带宽些 而叶绿素b在红光部分的吸收带窄些 在蓝紫光部分的宽些 其次 与叶绿素b相比较 叶绿素a在红光部分的吸收带偏向长光波方面 而在蓝紫光部分则偏向短光波方面 叶绿体中的 类胡萝卜素 也含有两种色素 即胡萝卜素和叶黄素 类胡萝卜素也不能溶解于水 但能溶解于有机溶剂中 在颜色上 胡萝卜素呈橙黄色 叶黄素呈黄色 胡萝卜素和叶黄素的吸收光谱与叶绿素的不同 它们的最大吸收带在蓝紫光部分 而不吸收红光等光波较长的光 胡萝卜素的化学组成是C40H56 叶黄素的化学组成是C40H56O2 这就是说 叶黄素分子比胡萝卜素分子多两个氧原子 类胡萝卜素除了具有吸收光能的作用之外 还有保护叶绿素 防止强烈光照伤害叶绿素的功能 植物只有绿色部分才能进行光合作用 联系一些实际生活中的问题 加深对光合色素及色素的理解 1 你知道韭黄和蒜黄是怎么培育出来的吗 这个问题涉及到了植物叶绿素合成时的条件问题 叶绿素是光合色素中最重要的一类色素 绿色植物只有在光下才能合成叶绿素 韭黄 蒜黄是在黑暗条件下培育出来的 因为植物此时不能合成叶绿素 只能长成黄化苗 而黄化苗的薄壁细胞比较多 所以吃起来比较嫩 口感比韭菜 蒜苗好一些 但要注意 植物不能长期处于无光条件下 2 如果土壤短期缺镁 植物的叶片会出现什么现象呢 叶绿素是一种较复杂有机化合物 其中心有一个镁离子 因此叶绿素的形成还与镁这种矿质元素有关 没有镁 叶绿素也是不能形成的 在植物的矿质代谢中已经学习过 有两类矿质元素可以移动 一是像氮 如NO3 磷 H2PO4 钾 K 这样以离子状态运输的矿质元素 还有一类就是像镁这样以不稳定化合物 如叶绿素 状态存在的矿质元素 能移动的矿质元素才能被重复利用 而且这些矿质元素一般都运输到植物体生长比较活跃的地方 如茎尖 芽尖 幼叶等处 土壤中短期缺乏镁这种可移动的离子时 整个植物体中的叶片受损伤的程度是不一样的 此时老叶先受损变黄 而幼叶暂时不会受到缺镁的损伤 幼叶从老叶处夺取镁 依然能够呈现鲜绿色 反之 如果土壤中缺乏的是钙 铁这些不能移动的离子 植物体首先受损伤的则是新叶 3 浅海中自上而下为什么会出现绿藻 褐藻 红藻等藻类植物的分层分布现象 这是一个和光质 光的成分 有关的生物学问题 我们平常看到的物体的颜色实际上是这个物体反射的光 如看到叶片是绿色 说明叶片反射绿光 而吸收了其它颜色的光线 看到一个物体是白色的 说明这个物体不吸收任何光 并把光线全部反射回来 看到一个物体是黑色的 说明这个物体把所有光都吸收了 没有反射任何光线 这是理解这个问题的关键 通过上面的分析已经知道 绿藻反射了绿光 褐藻反射了黄褐色光线 而红藻反射了红光 绿藻中含有叶绿素等光合色素 红藻 如紫菜 中有藻红蛋白 藻红素 和类胡萝卜素等光合色素 图1是太阳光的光谱示意图 图2中A是藻红蛋白的吸收光谱示意图 通过学习过的物理学知识 知道光子能量E h 即波长越短 光子的能量越高 由此可知 水层对光波中的红 橙部分吸收显著多于对蓝 绿部分的吸收 红 橙光达不到较深水层 长波光的穿透力差 即水深层的光线相对富含短波长的蓝 绿光 思考 红藻为什么能吸收绿光 藻红蛋白的吸收光谱与叶绿素不同 叶绿素不能吸收绿光 所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层 含藻红蛋白和类胡萝卜素 吸收由蓝紫光和黄绿色光较多的红藻分布于海水较深的地方 这是植物在演化过程中 对于深水中光谱成分发生变化通过自然选择的一种生理适应 4 很多植物的叶片到秋天会变红 很多植物的花在一天的不同时间中也会呈现不同的颜色 你知道这是什么的原因吗 本题涉及了植物细胞中色素及其比例变化的问题 一般来说 正常叶片的叶绿体中有两大类光合色素 其中叶绿素和类胡萝卜的分子比例为三比一 叶绿素a和叶绿素b也约三比一 叶黄素和胡萝卜的比为二比一 由于绿色的叶绿素比黄色的类胡萝卜素多 占优势 所以正常叶子总是呈现绿色 秋在天 条件变得寒冷 叶衰老 由于叶绿素较易被破坏或先降解 数量减少 而类胡萝卜素比较稳定 所以叶片呈现黄色 至于红叶 不是叶片中叶绿体的色素造成的 而是由细胞液泡中的花青素引起的 因秋天温度降低 植物体内叶绿素分解 其他色素才得以显现 秋天天气渐冷 植物积累较多的糖分以适应寒冷 体内的可溶性糖多了 相应转化的花青素也增加 而花青素类似于酸碱指示剂的石蕊 从碱性到酸性会呈现从蓝色到红色颜色渐变 具体而言是 pH 10时则呈蓝色 pH7 8时呈淡紫色 pH 3时呈红色 由于秋天时液泡中花青素增多 而且细胞液的pH值又偏酸性 因此叶子就变红了 不仅如此 花青素的颜色也会随环境中存在的不同的金属离子而改变 所以同一种花青素在不同的花中 或是同一种花由于种植的土壤不同 都能显出不同的颜色 光合作用的过程 光合作用的过程 可以用下面的反应式来概括 6CO2 6H2O CH2O 6 6O2上述反应式并没有表示出光合作用的具体过程 实际上 光合作用的过程是十分复杂的 它包括许多个化学反应 大体上说 根据是否需要光能 光合作用的过程可以分为光反应和暗反应两个阶段 光叶绿体 光合作用过程 光能转换成电能 色素的作用 叶绿体中的色素分布在类囊体膜上 叶绿体色素 吸收和传递光能 吸收光能 并可将光能转变成电能 大多数叶绿素a叶绿素b胡萝卜素叶黄素 少数特殊状态的叶绿素a 光能转换成电能 过程1 了解即可 光能转换成电能 过程2 了解即可 4H O2 e 光能转换成电能 过程3 了解即可 e H O2 光能转换成电能 过程4 了解即可 e H O2 光能转换成电能 过程5 了解即可 4H O2 e e H O2 光能转换成电能 过程6 了解即可 e H e H O2 O2 在光的作用下 重复上述过程 形成电子流 电能转换成活跃的化学能1 了解即可 NADP 电能转换成活跃的化学能2 了解即可 类囊体 膜内 膜外 H H H H ATP合成酶 类囊体 膜内 膜外 H 光合作用形成活跃化学能图解 脱离叶绿素a的电子 经过一系列的传递 最后传递给一种带正电荷的有机物 NADP 失去电子的叶绿素a变成一种强氧化剂 能够从水分子中夺取电子 使水分子氧化生成氧分子和氢离子 H 叶绿素a由于获得电子而恢复稳态 这样 在光的照射下 少数处于特殊状态的叶绿素a 连续不断地丢失电子和获得电子 从而形成电子流 使光能转换成电能 A代表处于特殊状态下的叶绿素a B代表具有吸收和传递光能作用的色素 C和D代表传递电子的物质 电能转换成活跃的化学能 了解即可 NADP NADPH NADPH 酶 随着光能转换成电能 NADP 得到两个电子和一个氢离子 就形成了NADPH 这样 一部分电能就转化成活跃的化学能储存在NADPH中 还原型辅酶 氧化型辅酶 活跃的化学能转化成稳定的化学能 在暗反应阶段 二氧化碳被固定后形成的一些三碳化合物 在有关酶的作用下 接收ATP和NADPH释放出的能量 最终形成糖类等有机物 了解即可 小结 光合作用中能量转化过程 小结 光合作用的过程 叶肉细胞叶绿体类囊体膜上 光能 电能 活跃化学能 活跃化学能 稳定的化学能 通过一些综合性的问题 加深对光合作用的理解 1 当光合作用的光反应过程被人为阻断 暗反应会停止吗 反过来 当暗反应过程被人为阻断 光反应会怎样变化 光合作用的光反应与暗反应是相互联系的 而它们之间的联系纽带是还原能力 即ATP和还原性氢 NADPH还原型辅酶 当光反应停止时 如植物在黑暗条件下 暗反应的ATP和NADPH的来源被阻断 暗反应会相继停止 而反过来 当暗反应停止时 如植物在气孔完全关闭 或无二氧化碳 光反应是不是也受到影响呢 答案是肯定的 暗反应停止 光反应也会随之停止 因为光反应产生的ATP和NADPH没有被暗反应消耗 根据化学平衡的原理 相当于光反应的产物浓度升高 化学平衡会向反向进行 从而光反应就停止了 这四种植物光合作用的过程一样吗 C3植物和C4植物 了解即可 C3和C4植物的概念和实例 了解即可 C3植物概念 光合作用的暗反应中 CO2固定后的第一个产物是C3化合物的植物 实例 小麦 水稻 菜豆 马铃薯等大多数植物 C4植物概念 光合作用的暗反应中 CO2固定后的第一个产物是C4化合物的植物 实例 玉米 高粱 甘蔗等属于C4植物 C3和C4植物叶片结构特点 了解即可 C3和C4植物叶片结构比较 含有 有一圈细胞 花环状 地环绕在维管束鞘细胞的外面 含有 但无基粒 大 含有 排列疏松 不含 小 C3途径和C4途径的概念 C3途径概念 光合作用中 CO2固定后的第一个产物是C3化合物的途径 C4途径概念 光合作用中 CO2固定后的第一个产物是C4化合物的途径 C4植物的CO2固定简要过程 C4途径 CO2 C3途径 C4植物光合作用特点示意图 C3 PEP 2C5 C3 丙酮酸 多种酶参加催化 2C3 C3和C4植物固定CO2途径的比较 C3植物 C4植物 请判断 C3植物的CO2固定只有C3途径 C4植物的CO2固定只有C4途径 C4途径的意义 C4植物中的PEP羧化酶与CO2的亲和力高 能起到 二氧化碳泵 的作用 与C3植物相比 C4植物大大提高了固定CO2的能力 适应生存环境 讨论 如何提高光合效率的途径 采取哪些措施提高农业产量 等问题 体会到学习生物学理论的实际价值 强化学以致用 理论联系的理念 例如 你能利用光合作用原理 提出在农业生产中提高作物产量的具体措施吗 实际是考查学生对影响光合作用因素的理解 影响光合速率的因素有二 影响光合速率的内部因素同C3途径中有关的酶与CO2的亲和力相比 C4途径中磷酸烯醇式丙酮酸 PEP 羧化酶与CO2的亲和力高60倍 好像存在一个 二氧化碳泵 特别是在高温 强光和干旱条件下 绿色植物气孔关闭 叶内CO2浓度大大降低情况下 C4植物 如玉米和甘蔗 仍保持较高的光合作用效率 例05年高考北京理综第2题 下列能鉴别野牛草是否为C4植物的简便方法是A 制作叶表皮临时装片 观察气孔大小B 制作叶横切临时装片 观察叶脉结构C 分离 测定叶片中各种色素的含量D 用碘液测定叶片中淀粉的含量 答案 B解析 本题考查的知识点是C4植物的主要形态特点和相关的生理特性 以及利用所掌握的生物实验技能 分析问题解决实际问题的能力 不能从叶表皮气孔的大小区分C3和C4植物 植物叶片中各种色素的含量也会因为植物的种类和生存环境的不同而有很大差别 这与属于C3或C4植物的关系不大 叶片中淀粉的含量受多种因素 如温度 光照等 的影响 也不是区分C3或C4植物的关键因素 正确答案应该是B项 C4植物的叶片中 围绕着维管束的是呈 花环型 的两圈细胞 里面的一圈是维管束鞘细胞 外面的一圈是一部分叶肉细胞 C4植物中构成维管束鞘的细胞比较大 里面含有没有基粒的叶绿体 这种叶绿体不仅数量比较多 而且个体比较大 叶肉细胞则含有正常的叶绿体 例05年高考全国卷 理综第2题 在光照下 供给玉米离体叶片少量的14CO2 随着光合作用时间的延续 在光合作用固定CO2形成的C3化合物和C4化合物中 14C含量变化示意图正确的是 解析 本题主要考查的知识点是C4植物的光合作用机理 玉米属于C4植物 在其叶肉细胞的叶绿体中 在有关酶的催化作用下 一个CO2被一个叫做磷酸烯醇式丙酮酸的C3 这个3碳化合物英文缩写符号是PEP 固定 形成一个C4化合物 C4化合物进入维管束鞘细胞的无基粒的叶绿体中 释放出一个CO2 并且形成一个含有三个碳原子的有机酸 丙酮酸 释放出来的CO2先被一个C5固定 然后很快进入C3途径 可见 14C含量变化逐渐由C4转入C3 由于提供给玉米离体叶片的是少量的14CO2 以后再提供的则是一般的CO2 所以随着光合作用时间的延续 在光合作用固定CO2形成的C3化合物和C4化合物中 14C含量变化示意图正确的是B图 答案 B 例05年高考全国卷生物科第21题 下列关于C3植物和C4植物代谢和结构特点的描述 正确的是A CO2都是先与五碳化合物结合 形成三碳化合物B CO2都是先与三碳化合物结合 形成四碳化合物C C3植物的叶肉细胞和维管束鞘细胞部具有叶绿体D C4植物维管束鞘细胞中叶绿体没有基粒 解析 本题考查的知识点是C3植物和C4植物代谢和结构特点 以及相关的分析综合能力 C3植物叶片中的维管束鞘细胞不含叶绿体 维管束鞘以外的叶肉细胞排列疏松 但都含有叶绿体 C4植物的叶片中 围绕着维管束的是呈 花环型 的两圈细胞 里面的一圈是维管束鞘细胞 外面的一圈是一部分叶肉细胞 C4植物中构成维管束鞘的细胞比较大 里面含有没有基粒的叶绿体 这种叶绿体不仅数量比较多 而且个体比较大 叶肉细胞则含有正常的叶绿体 答案 D 同学们 来学校和回家的路上要注意安全 同学们 来学校和回家的路上要注意安全