【课件】光合作用与能量转化课件2023-2024学年高一上学期生物人教版必修1

5.4光合作用与能量转化

5.4.1捕获光能的色素和结构

能进行光合作用的生物大多数都是绿色植物。这说明他们含有某些特定色素，如果没有这些色素，他们还能进行光合作用吗？

玉米幼苗中偶尔会出现白化苗。白化苗由于不能进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。

绿叶中究竟含有哪些与光合作用有关的色素呢？我们可以通过一个实验进行探究。【探究.实践】绿叶中色素的提取和分离

实验原理：1、提取原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。2、分离原理：绿叶中的色素不只一种，它们都能溶解在层析液中。然而它们在层析液中的溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。分离色素的方法叫做“纸层析法”。材料用具：1、新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶，为什么要“新鲜”？黄叶可以吗？为什么？）。2、无水乙醇（用来做什么？可以用什么替代？）3、层析液（如何配制？用来做什么？）4、二氧化硅（有什么作用？忘记加会造成什么后果？）5、碳酸钙（有什么作用？忘记加会造成什么后果？）6、其他材料（教材第98页）。左图：二氧化硅右图：碳酸钙方法步骤：1、提取绿叶中的色素：（1）称取5g菠菜叶，剪碎，放入研钵中；（2）加少许二氧化硅和碳酸钙，再加入10mL无水乙醇，进行迅速、充分的研磨。（3）将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤，收集滤液。（一块单层尼龙布）（用棉塞塞紧试管口）思考：得到的色素提取液颜色呈淡绿色的原因有哪些?①研磨不充分，未加入二氧化硅，或研磨速度太慢，乙醇挥发，导致溶解的色素量很少；②选材不当，未选择新鲜绿叶或称取的新鲜绿叶量过少；③加入无水乙醇的量过多，导致色素溶液被稀释；④未加入碳酸钙或加入的量过少，导致色素被破坏，主要是叶绿素被破坏。铅笔线2、制备滤纸条：

将干燥的定性滤纸剪成滤纸条，在将纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。3、画滤液细线：

用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀画出一条细线，等滤液干后再重复画一到两次。

要求：细、直、齐。

（重复2—3次，是为了在滤液细线处积累更多的色素，使分离后的色素带更明显。）层析液培养皿滤液细线4、分离绿叶中的色素：将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。注意：

层析液不能没及滤液线，防止色素溶解在层析液中。（1）滤纸条上有几条色素带？它们是按什么次序分布的？5、观察与记录：4条，从上到下依次为：胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。（2）滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？滤纸条上有4条色素带说明绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢不同。色素带的宽窄程度不同，说明不同色素的含量不同。其中，胡萝卜素最少，叶绿素a最多。（3）若实验结束时滤纸条上没有出现色素带，可能的原因是什么？忘记画滤液细线；滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。思维拓展：若在圆形滤纸的中央滴一滴色素提取液，再滴加适量的层析液，色素会随层析液扩散，会得到近似同心环的4个色素圈，由外向内依次是什么色素？分别是什么颜色？绿叶中的色素叶绿素类胡萝卜素叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）约占3/4，不稳定约占1/4，较稳定绿叶中光合色素的分类：为什么植物春夏叶子翠绿，而秋天则叶子是金黄呢？

夏季绿叶中叶绿素含量比类胡萝卜素高，呈现绿色。由于叶绿素易受到低温破坏，秋季低温使叶绿素被大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来。

光合色素通过吸收光能获得能量进行光合作用，那么不同色素对光的吸收有区别吗？阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。

分别让不同颜色的光照射色素溶液，就可以得到色素溶液的吸收光谱。光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm。不同波长的光，颜色不同。一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。叶绿素提取液类胡萝卜素提取液蓝紫光和红光色带很暗蓝紫光色带很暗

实验表明：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，

类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。

光合色素对绿光的吸收量最少。思考：1、为什么在夏季大多数植物的叶片都是绿色的?2、用什么颜色的材质搭建的大棚最适于植物进行光合作用？什么颜色的大棚中植物光合作用效率最低？为什么？光合色素对绿光的吸收量最少，大量绿光被反射。无色透明。绿色。白光可以为植物提供全面的光照，光合色素对绿光的吸收量非常少，不利于光合作用的进行。应用：植物工厂靠LED灯提供光照或补充光照时，常见的是红色、蓝色和白色的光源。色素名称色素颜色相对含量在层析液中的溶解度扩散速度主要吸收光谱胡萝卜素叶黄素叶绿素ａ叶绿素ｂ光合色素总结：橙黄色黄色蓝绿色黄绿色最少较少最多较多最大较大较小最小最快较快较慢最慢蓝紫光红光和蓝紫光

1817年，两位法国科学家首次从植物中分离出叶绿素，但当时并不清楚叶绿素在植物细胞中的分布情况。

1865年，德国植物学家萨克斯研究叶绿素在光合作用中的功能时，发现叶绿素并非普遍分布在植物的整个细胞中，而是集中在一个更小的结构里，后来人们称之为叶绿体。这些光合色素分布在哪里呢？显微结构（光学显微镜）亚显微结构（电子显微镜44000倍）叶绿体的结构适于进行光合作用

叶绿体由透明的双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由若干个圆饼状的类囊体堆叠而成。

吸收光能的4种色素和光合作用所需的酶就分布在类囊体的薄膜上，基粒与基粒之间充满了叶绿体基质。

叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大的扩展了受光面积。1g菠菜中的类囊体总面积达60m2。恩格尔曼叶绿体除了吸收光能，还有什么功能呢？资料一：恩格尔曼水绵实验水绵水绵的叶绿体该实验的结论是什么？叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。恩格尔曼的第一个实验：恩格尔曼的第二个实验：

用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。该实验的结论是什么？

水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长的光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。思考：恩格尔曼的实验设计有哪些巧妙之处？1.实验材料选择

和

。二者分别有什么优点？2.“没有空气的黑暗环境”排除了

和

的干扰。3.用极细的光束照射，叶绿体分为了

和

的部位，形成了

。4.将临时装片暴露在光下的实验可以对第一个实验的实验结论进行

。水绵好氧细菌水绵的叶绿体较大，便于观察。好氧细菌的聚集情况可以体现氧气的产生部位和相对含量。氧气光受光多受光少对照验证资料2：在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用必需的酶。综合上述资料，叶绿体具有什么功能？叶绿体能够吸收特定波长的光，是进行光合作用的场所。叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础是什么？在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作所必需的酶。1、下列关于叶绿体的描述，正确的是（

）A．叶绿体中的类胡萝卜素主要吸收红光和蓝紫光B．光学显微镜可以观察到类囊体C．叶绿体外表的双层膜上具有叶绿素和酶D．基粒由类囊体堆叠而成课堂练习：D2、下列关于“绿叶中色素的提取和分离”实验原理的叙述，正确的是（）A、加入少许二氧化硅可防止在研磨时叶绿体中的色素受到破坏B、用无水乙醇将叶绿体中的色素进行分离C、滤纸条上离滤液细线最远的色素带呈黄绿色D、溶解度越高的色素随层析液在滤纸上扩散得越快D本节小结绿叶中的色素叶绿素类胡萝卜素叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色）胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）约占3/4，不稳定约占1/4，较稳定5.4.2光合作用的原理和应用光合作用的定义：

一般来说，光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。光合作用的表达式：CO2+H2O(CH2O)+O2光能叶绿体注：（CH2O）表示糖类。叶绿体如何将光能转化为化学能？又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的？光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢？为搞清楚这些问题，科学家做过很多实验，我们来看其中的几个：探索光合作用原理的部分实验资料1：19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C与H2O结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。CO2O2C+H2O甲醛(CH2O)1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。得出初步结论：氧来自二氧化碳的可能性较小，较可能来源于水。资料2：1937年，英国科学家希尔发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O，没有CO2），在光照下可以释放出氧气。O2H+离体的叶绿体悬浮液像这样，离体叶绿体在适当条件下发生水的光解，产生氧气的化学反应称作希尔反应。讨论1：希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？为什么？

不能。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。讨论2：希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？

能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。

希尔的实验中没有直接观察到氧元素的转移，那么，如何观察元素的转移？我们有没有学过什么科学方法可以做到这一点呢？同位素示踪法（即同位素标记法）现在我们要研究的是氧原子在光合作用过程中的转移过程，应该用什么同位素来标记什么物质？如何设置对照？使用16O和18O，标记二氧化碳和水。

一组用18O标记二氧化碳，水不做标记；另一组用18O标记水，二氧化碳不做标记。资料3：1941年，美国科学家鲁宾（S.Ruben)和卡门（M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给同种植物提供H218O和CO2，第二组给植物提供H2O和C18O2。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是18O2,第二组释放的都是O2。CO2H218O光照射下的同种植物悬液C18O2H2O18O2O2对比实验相互对照实验结论：光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。资料4：美国科学家阿尔农（D.Arnon)在1954年发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年发现，这一过程总是与水的光解相伴随。综合以上几个实验，可以得出以下结论：1、光合作用释放的氧气中的氧元素来自水；2、氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的；3、叶绿体中ATP的合成总是伴随着水的光解。光合作用的过程十分复杂，以上实验探究的是其中的第一阶段。由于该过程需要光能，必须有光才能进行，故被叫做“光反应阶段”。该过程在类囊体的薄膜上进行。H2OO2+2H+

+能量光照叶绿体ADP+PiATPH2O酶水的光解光能1.光反应类囊体薄膜上的色素酶酶O2H

+,e-NADPHNADP+ATPADP+PiATP的合成光反应阶段：叶绿体中类囊体的薄膜上。1、场所：2、条件：光、光合色素、多种酶。3、物质变化：（1）水的光解：H2OO2+H++2e-色素光能（2）NADPH的合成：2e-+H++NADP+（3）ATP的合成：ADP＋Pi＋能量酶NADPH

(供能、还原剂)ATP（供能）4、能量变化：光能酶ATP、NADPH中活跃的化学能通过以上几个实验，光合作用过程中氧元素的转移已经被探究清楚了，那么碳元素的转移呢？1946年开始，美国的卡尔文等用14CO2研究了CO2转化为糖的途径：向反应体系中充入一定量的14CO2,给予光照，让小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向。（1）光照时间为几分之一秒时发现，90%的放射性出现在一种三碳化合物（C3）中；（2）在5秒钟光照后，卡尔文等检测到含有放射性的五碳化合物（C5）和六碳糖(C6)；（3）30秒后检测产物，检测到了多种带14C标记的化合物。卡尔文NADPH供氢供能酶ATP(供能)ADP+PiCO2C52C3(CH2O)还原固定多种酶参加催化(淀粉、蔗糖等）酶光合作用的暗反应阶段：光合作用第二阶段的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。发生的场所是叶绿体基质中。C3：3-磷酸甘油酸C5：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP）暗反应阶段：1、场所：2、条件：3、物质变化：4、能量变化：叶绿体基质中NADPH、ATP、多种酶、CO2CO2＋C5CO2的固定：C3的还原：2C3(CH2O)+C5ATPNADPHNADP+ADP+Pi酶（糖类等有机物）ATP和NADPH中活跃的化学能有机物中稳定的化学能酶

2C3多种酶参加催化H2O水在光下分解O2NADPHADP+PiATP光能（供氢、供能）CO2C52C3(CH2O)还原固定光合作用过程图解：光反应阶段（叶绿体类囊体薄膜）暗反应阶段（叶绿体基质）（淀粉、蔗糖等）酶ATP和NADPH由类囊体薄膜转移至叶绿体基质中发挥作用；ADP、Pi和NADP+由叶绿体基质转移至类囊体薄膜参与下一轮的光反应。光反应与暗反应的区别和联系：比较项目光反应暗反应场所条件物质变化能量变化联系类囊体薄膜叶绿体基质中光、光合色素、多种酶NADPH、ATP、多种酶、CO2水的光解、NADPH和ATP的合成CO2的固定、C3的还原光能ATP中活跃的化学能稳定的化学能光反应为暗反应提供ATP和NADPH暗反应为光反应提供ADP和Pi、NADP+光反应和暗反应是一个整体，二者紧密联系，缺一不可。当光照强度或外界二氧化碳浓度发生变化时，C3或C5的量分别会发生什么样的变化?在该过程中光反应和暗反应是如何相互影响的？光合作用的表达式：CO2+H2O(CH2O)+O2光能叶绿体光合作用过程中的元素转移：O元素：H2OO2C元素：CO2C3(CH2O)和C5光合作用的意义：①把无机物合成为有机物，不仅是植物自身的营养物质,也是人和动物等异养生物的食物来源；②将光能转换成化学能，贮存在有机物中，为生命世界的生命活动提供了能量来源；③维持了大气成分的相对稳定。核酮糖-1,5-二磷酸光合作用原理的应用：光合作用的强度：简单来说，光合作用的强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造的糖类的数量。光合作用的强度直接关系到农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。那么哪些因素会影响光合作用呢？只要影响到光合作用的原料、能量的供应的因素，都可能是影响光合作用强度的因素。例如：水、二氧化碳（环境中的二氧化碳浓度、叶片气孔开闭的情况）、光能（外界光照的情况如光照强度、光的波长、光照时间等）、植物自身因素（光合色素含量、叶绿体的结构和功能、酶的含量和活性等）、无机营养、病虫害、气候条件等。探究光照强度对光合作用强度的影响叶片细胞间隙含有空气(上浮)叶片细胞间隙充满水(下沉)叶片细胞间隙充满O2(上浮)抽气光合作用产生O2实验原理：我们可以根据单位时间内小圆形叶片浮起的数量的多少，探究光照强度与光合作用强度的关系。变量分析：自变量：因变量：无关变量：光合作用强度(相同时间内小圆形叶片浮起的数量)光照强度(不同瓦数的灯或相同瓦数台灯离实验装置的距离)如温度、CO2浓度等，要求相同且适宜。方法步骤：1.打孔：取生长旺盛的绿叶，用直径为0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片（避开大叶脉）。

2.将圆形小叶片置于注射器内。吸入清水，排出注射器中空气，堵住注射器前端小孔并缓慢拉动活塞，抽出叶片内气体。重复2-3次。

3.将处理过的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。4.取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水(1%～2%的NaHCO3溶液)。

5.向3只小烧杯中各放入10片圆形小叶片，分别置于强、中、弱光下(用5W的LED灯为光源，通过改变小烧杯与光源距离来调节光照强度)。6.观察并记录同一时间内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量。

项目

烧杯小圆形叶片加富含CO2的清水光照强度叶片浮起数量110片20mL强210片20mL中310片20mL弱实验结论：在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强。多中少除上述实验角度之外，我们可以换一个角度来进行探究：(1)该实验的目的是什么？其对照组是如何设置的？(2)图示的装置中，叶片最先浮起来的是哪一组，判断依据是什么？探究温度和光照强度对光合作用的影响；共4组对照。B组，光照强度和温度较适宜。一、单因子影响：环境因素对光合作用的影响分析：1、光照强度：D吸收CO2释放CO20呼吸速率净光合速率总光合速率B点：光补偿点（光合作用速率等于细胞呼吸速率时的光照强度）；D点：光饱和点（光合作用强度不再随光照强度增加而增加时的光照强度）。应用：(1)间作(几种作物同时期播种)、套种(几种作物不同时期播种，生长期有部分重叠)；(2)轮作(几种作物轮换种植，生长期一般没有重叠)；(3)合理密植，增加光合作用面积。A点：光照强度为0，只进行呼吸作用。间作合理密植套种2.CO2浓度：ABCD0CO2浓度吸收CO2释放CO2B点

：进行光合作用所需CO2的最低浓度C点：CO2补偿点（表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度）；D点：CO2饱和点（表示在一定范围内，CO2浓度达到该点后，光合作用强度不再随CO2浓度的增加而增加）。应用：(1)多施有机肥或农家肥；(2)温室栽培植物时还可使用CO2发生器等；

(3)大田中还要注意通风透气。3.温度：酶的最适温度

在最适温度下，植物光合作用速率最大。温度过高时植物气孔关闭或酶活性降低，光合速率会减小。夏季晴朗的白天，陆生植物会出现“午休”现象。(1)水是光合作用的原料；(2)水是体内各种化学反应的介质；(3)水直接影响气孔的开闭,间接影响CO2进入。DE段出现原因：夏季晴朗的白天，正午时分温度过高，导致植物部分气孔关闭，使CO2的吸收量减少，导致光合作用速率降低。合理灌溉。4、水分：二、多因子影响：5、矿质元素：许多矿质元素是参与光合作用的许多重要化合物的组成成分，若缺乏或不足或影响光合作用的进行。如：N、P是NADP+和ATP的重要组分；Mg是叶绿素的重要组分。

在一定范围内，增加必须矿质元素的供应可提高光合速率，但要避免施肥过多影响植物对水的吸收。农业生产上应根据植物的需肥规律适当施肥。在实际生产中，往往是多种因素共同影响光合速率，所以要根据植物本身的生理特性，综合考虑各种因素共同作用的后果，制定合理的生产规范。1、植物工厂中应如何控制各种生产条件？

例如：通过人工光源适当提高光照强度、延长光照时间；适时、适量补充无机盐营养；适当提高空气中的二氧化碳浓度；合理灌溉；白天适当升温，夜晚适当降温；避免病虫害的发生等。综上所述，请回答：2、与大田生产相比，植物工厂有何优点？几乎不占用耕地，可以人为控制生产条件，使生产几乎不受天气、季节、地点等的控制，从而提高生产效率。植物的叶肉细胞在进行光合作用的同时还在进行呼吸作用，二者之间有怎么样的关系呢？进行的生理过程气体转移情况对应的生理状态模型A点吸收O2、释放CO2AB段吸收O2、释放CO2B点不与外界进行气体交换B点以后吸收CO2、释放O2

D吸收CO2释放CO20只