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1、第5章 细胞的能量供应和利用二、光合作用的原理和应用阮建英阮建英福安二中福安二中二二 光合作用的原理和应用光合作用的原理和应用（一）光合作用的探究历程（一）光合作用的探究历程1 1、海尔蒙特实验、海尔蒙特实验2 2、普利斯特利实验（、普利斯特利实验（17711771年）年）6 6、美国鲁宾和卡门实验（、美国鲁宾和卡门实验（19391939年）年）7、卡尔文循环、卡尔文循环3 3、17791779年，荷兰的英格豪斯年，荷兰的英格豪斯4 4、18641864年，德国萨克斯实验年，德国萨克斯实验5 5、恩格尔曼水绵实验（、恩格尔曼水绵实验（18801880年）年）结论：结论：1 1、海尔蒙特实验、海
2、尔蒙特实验水分是植物建造自身的原料水分是植物建造自身的原料返回返回1结论：结论：2 2 、普利斯特利实验、普利斯特利实验（17711771年）年）植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气变得污浊的空气返回返回1当时有人重复了普利斯特利的实验，却得到当时有人重复了普利斯特利的实验，却得到了完全相反的结论，认为植物也能使空气变了完全相反的结论，认为植物也能使空气变得污浊，为什么？得污浊，为什么？3 3、17791779年，荷兰的英格豪斯年，荷兰的英格豪斯 普利斯特利的实验只有在普利斯特利的实验只有在光照光照下才能成下才能成功；植物体只有功；植物体只有绿
3、叶绿叶才能更新污浊空气。才能更新污浊空气。结论：结论： 1785年：年：绿叶在光下放出的是绿叶在光下放出的是O2，吸收的是吸收的是CO21845年：年： 梅耶根据能量转换和守恒定律指出，植梅耶根据能量转换和守恒定律指出，植物在进行光合作用时，把物在进行光合作用时，把光能光能转换成转换成化化学能学能储存起来储存起来返回返回1在在暗暗处处放放置置24小小时时一一半半曝曝光光，一一半半遮遮光光碘碘蒸蒸气气处处理理结论：结论：绿叶在光下的产物除绿叶在光下的产物除了氧气还有了氧气还有淀粉淀粉 4 4、18641864年年，德国萨克斯实验，德国萨克斯实验返回返回1同位素标记法研究同位素标记法研究C18O2
4、 CO2H2OH218O光照下的光照下的球藻悬液球藻悬液O218O2AB同位素同位素18O标记标记H2O和和CO2H2 18O和和C18O2结论：光合作用释放结论：光合作用释放的氧气来自水的氧气来自水 光合作用释放的光合作用释放的O2到底是来自到底是来自H2O ，还是还是CO26 6、美国鲁宾和卡门实验（、美国鲁宾和卡门实验（19411941年）年）返回返回1同位素可用于追踪物质的运同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用同位素标行和变化规律。用同位素标记的化合物，化学性质不会记的化合物，化学性质不会改变改变。7、美国卡尔文循环、美国卡尔文循环 用用14C标记的标记的CO2供小球藻实验，供小球
5、藻实验，追踪检测其放射性。探明追踪检测其放射性。探明CO2中的中的C的转移途径。的转移途径。卡尔文循环：卡尔文循环：CO2 C3 (CH2O)返回返回1 (有机物有机物)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植物可以更新空气植物可以更新空气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
6、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来自水氧来自水。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来自碳来自COCO2 2（一）光合作用的探究历程（一）光合作用的探究历程光合作用概念光合作用概念 绿色植物通过叶绿体，利用光能，把绿色植物通过叶绿体，利用光能，把COCO2 2和水和水转化成储存着能量的有机物，并释放转化成储存着能量的有机物，并释放O O2 2的过的过程程CO2H2O （CH2O）O2光能光能叶绿体叶绿体糖类糖类光合作用过程光合作用过程光反应阶段（需光）光反
7、应阶段（需光） 暗反应阶段暗反应阶段（有光无光均可）（有光无光均可） 光光 反反 应应条件：条件：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光、酶、色素 过程：过程：场所：场所：类囊体的类囊体的薄膜上薄膜上 物质物质物质物质变化变化变化变化H2O光光H+ +O2ADP+Pi+光能光能酶酶ATP能量变化：能量变化：能量变化：能量变化：光能光能光能光能ATPATP中活跃化学能中活跃化学能中活跃化学能中活跃化学能ADP+Pi酶酶ATP水的光解：水的光解：ATP的形成：的形成：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
8、件：条件：过程：过程：叶绿体基质叶绿体基质 酶酶 多种酶多种酶参加催化参加催化物质物质物质物质变化变化变化变化 能量变化：能量变化：能量变化：能量变化：还还 原原酶酶酶酶ATP供能供能ADP+PiCoCo2+ C5酶 2c3 Co2的固的固定定：2c3酶酶(CH2O)C5ATP ADPC3的还原：的还原：H+H2O ATPATP中活跃中活跃中活跃中活跃的化学能的化学能的化学能的化学能 糖类糖类糖类糖类中稳定的化学能中稳定的化学能中稳定的化学能中稳定的化学能 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
9、原原酶酶光反应光反应暗反应暗反应光合作用总光合作用总过程：过程： 光反应阶段与暗反应阶段的比较光反应阶段与暗反应阶段的比较 项目项目光反应阶段光反应阶段暗反应阶段暗反应阶段区区别别场所场所条件条件物质物质变化变化能量能量转化转化类囊体的薄膜上类囊体的薄膜上叶绿体的基质中叶绿体的基质中需需光、色素和酶光、色素和酶需需多种酶多种酶光能光能转变为转变为ATP中中活活跃的化学能跃的化学能ATP中中活泼的化学能活泼的化学能转化转化为有机物中为有机物中稳定的化学能稳定的化学能 水的光解：水的光解：2H2O 光光 4H+O2光光ADP+Pi ATP酶酶CO2的固定：的固定：CO2+C5 2C3C3的还原：的
10、还原：2C3 （CH2O） H，ATP酶ATP ADP+Pi酶酶联联 系系1、光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应的进行提供、光反应是暗反应的基础，光反应为暗反应的进行提供H和和ATP2、暗反应是光反应的继续，暗反应为光反应的进行提供暗反应是光反应的继续，暗反应为光反应的进行提供合成合成ATP的原料的原料ADP和和Pi3、两者两者相互独立又同时进行相互独立又同时进行，相互制约又密切联系相互制约又密切联系 1 请分析光下的植物突然停止光照后，其体内请分析光下的植物突然停止光照后，其体内的的C5化合物和化合物和C3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
11、请分析光下的植物突然停止请分析光下的植物突然停止CO2的供应后，其的供应后，其体内的体内的C5化合物和化合物和C3化合物的含量如何变化？化合物的含量如何变化？HH ATPATP还原还原受阻受阻C C3 3 C C5 5 COCO2 2 固定固定停止停止C C3 3 C C5 5 光合作用的实质光合作用的实质1、物质转化：、物质转化：2、能量转化：、能量转化：无机物无机物有机物有机物光能光能有机物中稳有机物中稳定的化学能定的化学能ATP中活跃中活跃的化学能的化学能 1 1、光合作用是在、光合作用是在上进行的。上进行的。 、光合作用分为、光合作用分为 和和 两个阶段。两个阶段。、光合作用释放氧气来
12、自于、光合作用释放氧气来自于。、光合作用中的形成于、光合作用中的形成于反应阶段。反应阶段。、光反应为暗反应提供、光反应为暗反应提供和和。叶绿体叶绿体光反应光反应光反应光反应暗暗暗暗反应反应反应反应水水光光ATPATP、光反应阶段能量变化是、光反应阶段能量变化是 。9 9、暗反应阶段能量变化是、暗反应阶段能量变化是 转化为转化为 。、光反应场所是、光反应场所是 ， 暗反应场所是暗反应场所是 。类囊体薄膜类囊体薄膜叶绿体基质叶绿体基质、二氧化碳中碳的转移途径是、二氧化碳中碳的转移途径是。COCO2 2C C3 3(CH(CH2 2O)O)光能活跃化学能光能活跃化学能光能活跃化学能光能活跃化学能AT
13、PATPATPATP中中中中ATPATPATPATP中中中中活跃化学能活跃化学能活跃化学能活跃化学能有机物中稳定化学能有机物中稳定化学能有机物中稳定化学能有机物中稳定化学能自养生物：自养生物：能够直接把从外界环境能够直接把从外界环境摄取的摄取的无机物转变成为自身的组成物质无机物转变成为自身的组成物质，并储存，并储存了能量的一类生物了能量的一类生物 异养生物：异养生物：不能直接利用无机物制成有不能直接利用无机物制成有机物机物，只能把从外界，只能把从外界摄取的现成的有机摄取的现成的有机物物转变成自身的组成物质，并储存了能转变成自身的组成物质，并储存了能量的一类生物量的一类生物 能够利用体外环境中的
14、能够利用体外环境中的某些无机物氧化时某些无机物氧化时所释放的能量所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：例如：硝化细菌、硫细菌、铁细菌硝化细菌、硫细菌、铁细菌等少数种类的细菌等少数种类的细菌化能合成作用化能合成作用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能量能量探究实验探究实验环境对光合作用强度的影响环境
15、对光合作用强度的影响 光合作用强度光合作用强度 可以通过测定一定时间内原料消耗或产物可以通过测定一定时间内原料消耗或产物生成的数量来定量的表示生成的数量来定量的表示提出问题提出问题作出假设作出假设设计实验设计实验进行实验进行实验分析结果，得出结论分析结果，得出结论表达与交流表达与交流在一定范围内随光照强度的增强，光合作在一定范围内随光照强度的增强，光合作用强度也增强用强度也增强案例：案例：探究光照强弱对光合作用强度的影响探究光照强弱对光合作用强度的影响实验步骤实验步骤取生长旺盛的绿叶，用打孔器取生长旺盛的绿叶，用打孔器 打出小圆片打出小圆片3030片。片。将小圆形叶片置于注射器内，将小圆形叶片
16、置于注射器内， 抽拉出小圆形叶片内的气体，抽拉出小圆形叶片内的气体， 重复几次。重复几次。叶叶圆圆片片实验步骤实验步骤将气体逸出的小圆形叶片，放入将气体逸出的小圆形叶片，放入黑暗处黑暗处盛有清水盛有清水 的烧杯中待用。的烧杯中待用。取取3 3只小烧杯只小烧杯( (培养皿培养皿) )，分别倒入，分别倒入20mL20mL富含富含COCO2 2的的 清水。清水。分别向分别向3 3只小烧杯中各放入只小烧杯中各放入1010片小圆形叶片，然后片小圆形叶片，然后分别对这分别对这3 3个实验装置进行强、中、弱三种光照。个实验装置进行强、中、弱三种光照。实验步骤实验步骤30cm30cm60cm60cm90cm9
17、0cm观察并记录同一时间段内各实验装置观察并记录同一时间段内各实验装置中小圆形叶片中小圆形叶片浮起的数量浮起的数量。ABC实验步骤实验步骤30cm30cm60cm60cm90cm90cm实验结果实验结果实验结论实验结论A A中上浮叶圆片最多，其次是中上浮叶圆片最多，其次是B B，C C中最少。中最少。光合作用的强度受光照强度的影响，光合作用的强度受光照强度的影响，在一在一定光照强度范围内定光照强度范围内，随光照强度升高光合，随光照强度升高光合作用速率逐渐增强。作用速率逐渐增强。光合作用原理的应用光合作用原理的应用（1 1）影响光合作用的因素）影响光合作用的因素外因：外因：光照、光照、COCO2
18、 2、温度、水、矿质元素等温度、水、矿质元素等内因内因：植物种类、发育时期、不同部位叶片、叶植物种类、发育时期、不同部位叶片、叶片不同发育时期（色素、酶）片不同发育时期（色素、酶）光照时间：光照时间：光照强度：光照强度：时间越长，产生的光合产物越多时间越长，产生的光合产物越多 在一定光照强度范围内，增加在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率。光照强度可提高光合作用速率。光照光照 光反应光反应光照强度光照强度光照强度光照强度光光合合速速率率0 0光强光强NADPHNADPH、ATPATP暗反应暗反应C C3 3还原还原（CHCH2 20 0）光强光强COCO2 2吸收吸收COCO2
19、 2释放释放A A 0 0B B C C 净光净光合量合量呼吸呼吸量量总总光光合合量量只进行呼吸作用只进行呼吸作用光补偿点光补偿点光饱和点光饱和点光照强度光照强度 真光合量净光合量真光合量净光合量+ +呼吸量呼吸量 光合作用速率光合作用速率=呼吸作用速率呼吸作用速率达到最大光合速率所需达到最大光合速率所需的最小光照强度的最小光照强度光照强度光照强度光光合合速速率率0 0光强光强光强光强COCO2 2吸吸收收COCO2 2释释放放A A0 0B BC C阳生植物阳生植物阴生植物阴生植物光补偿点光补偿点光饱和点光饱和点光反应光反应光照强度光照强度NADPHNADPH、ATPATP暗反应暗反应C C
20、3 3还原还原（CHCH2 20 0）从海的不同深度采集到从海的不同深度采集到4 4种类型的浮游植物种类型的浮游植物（、和和），测定了每种类型的光），测定了每种类型的光合作用，如下图所示。在最深处采集到的是合作用，如下图所示。在最深处采集到的是哪种类型的浮游植物？哪种类型的浮游植物？ 光照强度光照强度光光合合速速率率据光照强度可制定的据光照强度可制定的农作物增产措施农作物增产措施光照强度光照强度(1)(1)白天：适当增强光照，延长光照白天：适当增强光照，延长光照(2)(2)阴雨天：适当补光阴雨天：适当补光(4)(4)种植时：种植时： 合理密植合理密植 增大光合面积增大光合面积(3)(3)间作套
21、种时农作物的种类间作套种时农作物的种类 搭配，林带树种的配置搭配，林带树种的配置 光反应光反应光照强度光照强度NADPHNADPH、ATPATP暗反应暗反应C C3 3还原还原（CHCH2 20 0）光合面积光合面积 光合面积光合面积 应用：应用：合理密植、修剪合理密植、修剪，合，合理施肥、浇水，避免徒长。理施肥、浇水，避免徒长。中下层叶片所受的光照往往中下层叶片所受的光照往往在在光补偿点以下光补偿点以下，白白消耗，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。有机物，造成不必要的浪费。 C C3 3的生成的生成COCO2 2浓度浓度暗反应暗反应C C3 3还原还原 （CHCH2 20 0）光光合合速速率
22、率0 0COCO2 2浓度浓度A A B B COCO2 2浓度浓度如如C0C02 2 浓度低于浓度低于0.005%0.005%，光合作用，光合作用不能进行不能进行，大气中，大气中C0C02 2含量是含量是0.03%0.03%，如能提高到，如能提高到0.1%0.1%，产量可，产量可提高一倍提高一倍！但浓！但浓度提高到一定程度后，产量便不再提高度提高到一定程度后，产量便不再提高CO2浓度浓度应用：农作物增产措施应用：农作物增产措施（2 2）温室栽培，晴天适当增加）温室栽培，晴天适当增加 COCO2 2浓度浓度施有机肥（农家肥）施有机肥（农家肥）施用施用NHNH4 4HCOHCO3 3肥料肥料（1
23、 1）合理密植使农田通风良好）合理密植使农田通风良好 “ “正其行，通其风正其行，通其风” ” 光光合合速速率率0 0COCO2 2浓度浓度A AB BCOCO2 2发生器发生器 温度温度酶活性酶活性1 1、温度、温度NADPHNADPH、ATPATP生成量生成量暗反应暗反应（CHCH2 20 0）生成量生成量光反应光反应主主次次2 2、温度是、温度是影响气孔开闭影响气孔开闭的因素之一的因素之一温度温度应用：应用：农作物增产措施农作物增产措施晴天：晴天：白天适当升温，晚上适当白天适当升温，晚上适当 降温以保持较高的昼夜温差降温以保持较高的昼夜温差连续阴雨天：连续阴雨天：白天和晚上均降温白天和晚
24、上均降温1 1、适时播种；、适时播种；2 2、温室栽培：、温室栽培：3 3、防止、防止“午休午休”现象现象3、“午休午休”现象现象1212时左右时左右温度高温度高，蒸腾作用增强，蒸腾作用增强，气孔气孔大量大量关闭关闭，CO2CO2供应供应减少，减少，光和作用光和作用强度减弱强度减弱 H2OH H2 2O O暗反应暗反应C C3 3还原还原 （CHCH2 20 0）【H H】的生成的生成1 1、光合作用的原料；、光合作用的原料；2 2、植物体内各种生化、植物体内各种生化 反应的介质；反应的介质；3 3、影响气孔的开闭。、影响气孔的开闭。应用：应用：根据作物需水规律根据作物需水规律合理灌溉；合理灌
25、溉； 预防干旱洪涝预防干旱洪涝OAOA段：段：在一定范围内，水在一定范围内，水越充足，光合作用速率越快越充足，光合作用速率越快 水水矿质元素矿质元素矿质元素直接或间接矿质元素直接或间接影响光合作用。如可影响光合作用。如可促进叶片面积增大，促进叶片面积增大，提高酶的合成速率，提高酶的合成速率，作为酶的激活剂等，作为酶的激活剂等，提高光合作用速率。提高光合作用速率。 应用：应用：根据作物的需肥规律，根据作物的需肥规律，适时、适时、适量适量地增施肥料，可提高农作物产量。地增施肥料，可提高农作物产量。 矿质元素矿质元素叶龄叶龄 OAOA段：段：ABAB段：段：BCBC段：段：幼叶幼叶，随幼叶的不断生，
26、随幼叶的不断生长，叶面积不断增大，长，叶面积不断增大，叶内叶绿体不断增多，叶内叶绿体不断增多，叶绿素含量不断增加，叶绿素含量不断增加，光合作用速率不断提高光合作用速率不断提高 壮叶壮叶，叶片的面积、叶绿体和叶绿素都处，叶片的面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定。于稳定状态，光合速率也基本稳定。 老叶老叶，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被，随着叶龄的增加，叶片内叶绿素被破坏，光合速率也随之下降。破坏，光合速率也随之下降。 应用：应用：农作物、果树管理后期农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶及适当摘除老叶、残叶及茎叶蔬菜及时换新叶茎叶蔬菜及时换新叶，可降低其细胞呼吸消耗有机物。，可降低其细胞呼吸消耗有机物。 多因子对光合作用速率的影响多因子对光合作用速率的影响P P点之前：点之前： Q Q点：点：P P点之前限制光合速率的因素为横坐标所表示的点之前限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高高 横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，若要提高光合速率，可采取适当提高图因子，若要提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法示中的其他因子的方法
