高中生物3-5-2光反应、碳反应、环境必修1

第2课时光反应、碳反应、环境因素影响光合速率光反应与碳反应

类囊体膜

NADPH

ATP

O2

ATP

H＋、O2和电子

NADPH

NADPH3．碳反应的场所：

，最终产物是

。二氧化碳还原为糖的一系列反应称为

。4．碳反应的第一步：在酶的作用下，1分子的

与1个

结合，形成1个六碳分子，这个六碳分子随即分解成2个

分子。第二步：三碳分子接受来自

的氢和来自

的磷酸基团，形成1分子

。5．三碳糖分子离开卡尔文循环，或在

被利用，或运到

。在叶绿体内能作为合成

、

和

的原料而被利用，但大部分是运至叶绿体外，并且转变成

，供植物体所有细胞利用。叶绿体基质三碳糖卡尔文循环二氧化碳五碳糖(RuBP)三碳NADPHATP三碳糖(磷酸)叶绿体内叶绿体外淀粉蛋白质脂质蔗糖[思维激活]

光反应与碳反应是同时进行的吗？提示

光反应为碳反应提供ATP和NADPH，它们是同时进行的，不过光反应结束后，碳反应仍可利用积累的ATP和NADPH进行一段时间。1．光系统Ⅰ和光系统Ⅱ比较光反应包括许多个反应，其中最重要的是发生在两种叶绿素蛋白质复合体(称为光系统Ⅰ和光系统Ⅱ)中的电子被光激发的反应。光系统Ⅱ中，光使叶绿素中的一个电子由低能状态激发到高能状态。这个高能电子随后丢失能量而进入光系统Ⅰ，这时一部分丢失的能量便转化为ATP中的能量。光系统Ⅱ中丢失的电子由水中的电子补充。光系统Ⅰ中，也有一个叶绿素分子中的低能电子被光激发，成为另一个高能电子，这个高能电子的作用是将NADP＋还原为NADPH。NADPH是一种强还原剂，是碳反应中所必需的。光系统Ⅰ中被激发并丢失能量的电子则由来自光系统Ⅱ的电子来补充。2．光反应与碳反应的区别与联系项目光反应碳反应实质光能转变为化学能，并放出O2同化CO2形成有机物(酶促反应)时间短促，以微秒计较缓慢条件需叶绿素、光、酶不需叶绿素和光，需要多种酶场所在叶绿体内基粒类囊体膜中进行在叶绿体基质中进行联系(1)光反应为碳反应提供NADPH和ATP，碳反应为光反应提供ADP、Pi、NADP＋；(2)没有光反应，碳反应无法进行；没有碳反应，有机物无法合成。总之，光反应是碳反应的物质和能量的准备阶段，碳反应是光反应的继续，是物质和能量转化的完成阶段。二者是光合作用全过程的两个阶段，既有区别又紧密联系，是缺一不可的整体【巩固1】

下图所示为叶绿体中色素、蛋白质等成分在膜上的分布。在图示结构上(

)。A．此生物膜为叶绿体内膜B．产生的ATP可用于植物体的各项生物活动C．发生的能量转换是：光能→化学能，此化学能可贮存于ATP与NADPH中D．在图示结构中可完成光反应与碳反应解析色素存在于叶绿体类囊体膜上，而非叶绿体内膜；光反应产生的ATP只用于碳反应；在类囊体膜上只能进行光合作用的光反应，碳反应需在叶绿体基质中进行。光反应可将光能转化为化学能贮存于ATP和NADPH中，故只有C选项正确。答案C3．外界环境骤变时光合作用中三碳酸、NADPH、ATP、ADP、NADP＋等物质变化规律根据图解从来源去路分析改变条件三碳分子RuBPNADPH和ATPO2(CH2O)合成量NADP＋ADP＋Pi光照强→弱，CO2供应不变增加减少减少产生减少减慢增加光照弱→强，CO2供应减少增加增加产生加快增加减少光照不变，减少CO2供应减少增加增加产生减慢减少减少光照不变，增加CO2供应增加减少减少产生加快增加增加【巩固2】

离体的叶绿体在光照下进行稳定的光合作用时，如果突然中断CO2气体的供应，则短暂时间内叶绿体中C3(三碳酸)与C5(RuBP)化合物相对含量的变化是(

)。A．C3化合物增多、C5化合物减少B．C3化合物增多、C5化合物增多C．C3化合物减少、C5化合物增多D．C3化合物减少、C5化合物减少解析在光合作用碳反应过程中，C3化合物和C5化合物的转化可简单表示为：C5＋CO2→C3(三碳酸)→C5(RuBP)，如果突然中断CO2的供应，新的C3化合物不能产生，原有C3化合物还原过程仍在进行。因此，造成C3(三碳酸)化合物减少，C5(RuBP)化合物增多。答案C1．光合速率又称_________，是指______________(如一定的叶面积)在单位时间内进行多少光合作用(如_________________________________)。2．表观光合速率是指在_____条件下，人们测得的CO2吸收量是植物_________________________。3．真正光合速率是指植物在_____条件下，植物从外界环境中吸收的CO2的量，_____呼吸作用释放的CO2的量，即植物实际所_____的CO2的量。表观光合速率_____真正光合速率。环境因素影响光合速率

光合强度一定量的植物释放多少氧气、消耗多少二氧化碳光照从外界环境吸收的CO2总量光照加上同化小于4．影响光合速率的环境因素(1)光强度。光合速率随光强度的增加而_____，但在强度达到全日照之前，光合作用已达到__________时的速率，即光强度再增加光合速率__________。因为在光饱和点的光强度下，光合作用的光反应已达到最快的速率，所以光强度再增加也不能使光合速率_____。(2)温度。光合作用也有一个最适温度，和_______有最适温度一样。(3)二氧化碳浓度。空气中CO2浓度的增加会使光合速率____。增加光饱和点也不会增增加酶反应加快空气中二氧化碳的浓度、土壤中水分的多少、光照的长短与强弱、光的成分以及温度的高低等，都是影响光合作用的环境因素。选择其中一种因素，通过实验分析它对光合作用的影响。光合作用的进行可以通过一定时间内原料的消耗量或产物生成量来研究。例如：可以用排水法收集一定时间内黑藻经光合作用所产生的氧气量；可以用精密pH试纸测定在密闭系统中黑藻经光合作用后溶液pH的改变推算出CO2浓度的变化。1．【案例】

课题：探究光质(不同波长的光)对水生黑藻光合作用强度的影响假设：白光下黑藻的光合作用最强。实验材料：黑藻，水，碳酸氢钠，大烧杯，100W聚光灯，不同颜色的玻璃纸。实验的可变因素：光质的不同(包括红、绿、白三种颜色)。实验中通过红、绿、白三种颜色玻璃纸包住100W聚光灯的方法控制可变因素的变化。实验中通过观察(或检测)单位时间内黑藻经光合作用后溶液pH的改变，来测量光合作用速率。观察实验并得出结论。2．光合速率表示的方法(1)单位时间内光合作用消耗CO2的量；(2)单位时间内光合作用释放O2的量。3．影响光合速率的环境因素(1)光照强度(甲图)A点：只进行细胞呼吸；AB段：随光照强度增强，光合作用强度逐渐增大但仍小于细胞呼吸强度；B点(光补偿点)：光合作用强度等于细胞呼吸强度；BC段：随光照强度不断增强，光合作用强度逐渐增大且大于细胞呼吸强度；C点(光饱和点)：光合作用强度达到最大值。(2)CO2浓度(图乙)在一定范围内，光合作用强度随CO2浓度的增加而增大，但当CO2浓度增加到一定程度后，光合作用强度不再增加。曲线中A点：只进行细胞呼吸；B点(CO2补偿点)：光合作用强度等于细胞呼吸强度；C点(CO2饱和点)：光合作用强度达到最大值。①影响CO2饱和点补偿点的内因与影响光饱和点和补偿点的内因相同。例如，植物在上图中C点时光合作用强度不再上升，完全可能是受色素的影响，光反应产物NADPH和ATP不足造成的，也可能是受酶活性或酶浓度的影响，导致碳反应的CO2固定和还原能力有限。②外因a．温度：影响酶活性。b．光照强度：上图中植物之所以在C点后光合产量不能上升，也完全可能是因为光照不足光反应受限，NADPH和ATP的数量有限而影响了碳反应的速度。(3)温度(图丙)B点对应的温度是最适温度，此时光合作用最强，高于或低于此温度光合作用强度都会下降，因为温度会影响酶的活性。特别提醒①影响光合作用的因素还有内因，如色素、酶等；且环境因素还有水、无机盐等。②各种环境因素，对光合作用并不是单独地发挥作用，而是综合地起作用。下图为多因子变量对光合速率的影响。P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中其他因子的措施。(4)与光合作用有关矿质元素的供应曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高使植物吸水困难从而导致光合作用速率下降。应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时地、适量地增施肥料，可以提高作物的光合作用。(5)叶龄曲线分析：随幼叶的不断生长，光合作用增强；到壮叶后基本稳定；成为老叶后，光合作用逐渐下降。这与叶片内的叶绿素有关。应用：农作物、果树管理后期适当摘除老叶、残叶以促使茎叶蔬菜及时换新叶，都是根据此原理。【巩固3】

夏季，在晴天、阴天、多云、高温干旱四种天气条件下，猕猴桃的净光合作用强度(实际光合速率与呼吸速率之差)变化曲线不同，表示晴天的曲线图是(

)。解析A选项曲线表示高温、干旱天气时，猕猴桃净光合作用强度变化。高温干旱时，植物气孔长时间处于关闭状态，CO2吸收减少，从而影响到光合作用的碳反应，所以光合速率比较低，只有在上午一段时间，气孔逐渐开放，光合速率才有可能增加；B选项曲线表示晴天时猕猴桃的净光合作用强度变化。夏季晴天时，中午因光照强、温度高，植物体为了防止水分过多蒸发，气孔会关闭，此时CO2的吸收也会减少，从而影响光合作用碳反应，净光合作用强度也就下降了，所以，这种条件下植物净光合作用强度应该有两个峰值；

C选项曲线表示多云时猕猴桃的净光合作用强度变化。多云时，气孔开放的程度比较大，CO2吸收比较多，这样往往不会出现两个峰值，但光照强度较晴天弱，所以最大峰值小于晴天；D选项曲线表示阴天时猕猴桃的净光合作用强度变化。阴天时植物光合作用强度比较低，而此时细胞呼吸还比较高，这样净光合作用强度相对来说比较低。答案B光反应与碳反应的关系

A．U在光合作用中的作用是吸收和传递光能B．V吸收光能后被激发，使H2O分解，产生电子流C．W为CO2的还原剂D．U至Y的能量转换在叶绿体囊体膜上进行思维导图：深度剖析本题考查光合作用的过程分析。其中U起的作用主要是吸收和传递光能，V是特殊状态的叶绿素a，作用是将水分子分解，从而产生氧气和H＋，从而形成电子流，将光能转化为电能，W为二氧化碳的还原剂，在还原二氧化碳的过程中将能量贮存在有机物中，成为稳定的化学能，由U至Y表示光合作用的全过程，其场所是叶绿体，包括叶绿体类囊体膜和叶绿体基质。答案D规律方法当外界条件骤变时，光反应与碳反应中物质变化情况外界条件三碳酸RuBPNADPH和ATP三碳糖合成量突然停止光照CO2供应不变增加减少减少或没有减少或没有突然增加光照CO2供应不变减少增加增加增加光照不变，突然停止CO2供应减少增加减少或没有减少或没有光照不变，突然增加CO2供应增加减少减少增加光照不变，CO2供应不变(三碳糖)运输受阻增加减少增加减少【例2】

在春末晴朗白天，重庆某蔬菜基地测定了某大棚蔬菜在不同条件下的净光合作用强度(实际光合作用强度与呼吸作用强度之差)，结果如图(假设塑料大棚外环境条件相同；植株大小一致、生长正常，栽培管理条件相同)。影响光合速率的因素

(1)在曲线a中，与11时相比，13时植株叶绿体内C3酸与C5(RuBp)相对含量较高的是________(C3或C5)；在11时和13时分别摘取植株上部成熟叶片用碘蒸气处理，13时所取叶片显色较________(深或浅)。(2)曲线b的峰值低于曲线a，其两个主要决定因素是____________(光照强度、环境温度、空气中CO2含量)。曲线c高于曲线b，原因是补充光照能使叶绿体产生更多的________用于CO2还原；若在棚内利用豆科植物做绿肥，可明显增加土壤中________元素的含量，主要促进植株体内________和________等生物大分子的合成。(3)6～9时和16～18时，曲线b高于曲线a，主要原因是此时段棚内________较高。思维导图：深度剖析本题以曲线图的形式考查分析问题、获取信息、解决问题的能力。(1)结合一天中光照特点和曲线图所示信息可知，a曲线在13时左右的净光合作用强度出现下降的原因是高温和强光照使蒸腾作用过快，散失水分过多，从而导致部分气孔关闭，CO2吸收量减少，光合速率下降，单位时间单位面积内积累的有机物减少(但总积累量在增加)。因此，在13时，C5含量会多，同时(CH2O)的量也会增多，用碘蒸气处理时，显色较深。(2)光反应能够为酸反应提供ATP和NADPH，相比曲线b，曲线c是在白天补充光照的条件下形成的，因此能够制造更多的ATP和NADPH，光合效率较高。利用豆科植物做绿肥，能够提高土壤中的氮元素的含量。

(3)温度能够影响酶的活性，因此，温度也会影响光合作用强度，在6～9时和16～18时，b条件下比a条件下棚内温度较高，因此，净光合作用强度相对较高。答案(1)C5(RuBP)深(2)光照强度、空气中CO2含量ATP、NADPH([H])氮(N)蛋白质核酸(3)温度技法必备(1)对照设计本部分的实验都要求设计对照实验，对照实验的设计方法有：①条件对照。实验中对对照组作了部分处理，所以叫条件对照。如验证酶的高效性实验，加入新鲜肝脏(H2O2酶)的一组为实验组，加入二氧化锰或Fe3＋(无机催化剂)的一组就是对照组。②相互对照。不单独设立对照组，而是几个实验组相互对照。如证明氧气浓度对有氧呼吸速率的影响，设置的不同浓度的氧气，各实验组进行相互对照。——————代谢类实验的设计方法和实验操作——————(2)平衡控制植物体本是一个相互联系的统一整体，在代谢活动中，影响因素较多，因此要特别注意实验的平衡控制。如探究在某一温度下植物体的呼吸速率，就要求在黑暗中进行，排除光合作用的干扰，还要注意实验植物的生长状态、水分和矿质元素的供应、氧气浓度等一系列其它因素。(3)水培法有些实验要用水培法。如必需的矿质元素的鉴定；以小球藻等藻类植物为实验材料，进行有关光合作用、细胞呼吸的实验设计。(4)饥饿处理在进行光合作用的实验设计中，对实验植物一般要进行饥饿处理，其目的是消耗掉叶片细胞内储存的有机物，方法是将植物放在黑暗的环境中一段时间，一般是24h。(5)二氧化碳缓冲液——NaHCO3溶液在探究植物的光合作用速率的实验中，常常在一个密闭的环境中要保持相对稳定的二氧化碳浓度，因此需要用到NaHCO3溶液，根据NaHCO3与H2CO3的平衡反应，来维持相对稳定的二氧化碳浓度。这里需要注意NaHCO3与NaOH的作用的区别。(6)光合作用与细胞呼吸速率的测定方法通常用密闭容器内气体体积的变化量(速率)来测定光合作用与细胞呼吸速率，两者都要求实验在一个密闭的环境中进行。能力展示光照和二氧化碳是影响光合作用的重要因素。某生物兴趣小组欲通过下列装置探究光照强度和二氧化碳浓度对光合作用强度的影响规律。(下图为测定光合作用速度的仪器)请设计实验步骤并分析实验结果。解析缓冲液用以调节小室内CO2的量，使其浓度保持在一个定值。小灯泡可以调节光照强度。小室内气体体积的变化可根据毛细管内水柱的移动距离测得。为了防止光照引起小室内气体的物理性膨胀或收缩所造成的误差，必须要有对照，并对实验结果进行校正。那么对照组小室内应放置同样大小的死叶片和等量同样的缓冲溶液作为对照。答案实验步骤(1)在一密闭小室内放置一片某作物新鲜叶片和二氧化碳缓冲溶液，在另一密闭小室内放置同样大小的死叶片和等量同样的缓冲溶液作为对照。(2)固定适宜光强(如20klx)，依次调节二氧化碳缓冲液为200mg/mL、400mg/mL、600mg/mL、800mg/mL、1000mg/mL……，分别测出光合速率值。(3)固定适宜浓度二氧化碳缓冲液(如600mg/mL)，依次调节光强为5klx、10klx、15klx、20klx、25klx、30klx、35klx、40klx……，分别测出光合速率值。(4)根据毛细管内水柱的移动距离测定两小室内气体体积的变化。(5)计算出两小室内气体体积的差值并在坐标系中绘出光强度和二氧化碳浓度对光合速率的影响曲线。结果提示光强度和二氧化碳浓度对光合速率的影响曲线如下图：解析光反应进行的部位是叶绿体类囊体膜，主要完成水的分解和ATP的合成；在光合作用过程中需要多种酶的参与；温度为0℃，有些植物仍可以进行光合作用，只是光合作用的速率很慢；还原剂NADPH只能在碳反应中起还原作用，在光反应中无还原作用。答案D2．如图甲表示某种植物光合速率受光照强度影响的变化曲线，图乙表示某种植物光合速率在不同光照强度下，受CO2浓度影响的变化曲线。a点与c点相比较，c点时叶肉细胞中C3的含量______；b点与c点相比较，b点时叶肉细胞中RuBP的含量______。(

)。