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第4节光合作用与能量转化2019.10光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把CO2和H2O转化成储存能量的有机物，并释放出O2的过程。二、光合作用的原理和应用CO2＋H2O（CH2O）＋O2光能叶绿体（一）光合作用的原理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？我们先来分析科学家做过的一些实验。探索光合作用原理的部分实验19世纪末，科学界普遍认为，在光合作用中，C02分子的C和O被分开，O2被释放、C与H20结合成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。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。1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）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H20，没有C02），在光照下可以释放出氧气。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。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，研究光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H20和C02，使它们分别变成H2180和C1802。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H20和C1802，第二组给同种植物提供H2180和C02。在其他条件都相同的情况下，第一组释放的氧气都是02，第二组释放的都是180。第二组H2180C02H20C18O2第一组180202小球藻(一种单细胞的绿藻)1954年，美国科学家美国科学家阿尔农(D.Arnon)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。讨论1．希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？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？3．分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？4．尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，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。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应和暗反应（现在也称为碳反应)两个阶段。光反应阶段光合作用第一个阶段的化学反应，必须有光才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段是在类囊体的薄膜上进行的。暗反应阶段光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段，也称作卡尔文循环。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段，CO2被利用，经过一系列的反应后生成糖类。1961年，梅尔温•卡尔文(美)因研究植物的光合作用获得诺贝尔化学奖。C02是如何转变成糖类的呢？20世纪40年代，美国科学家卡尔文（M.Calvin,1911—1997）等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做了这样的实验：用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。叶绿体中的色素还原多种酶参加催化（CH2O）ADP+Pi酶ATP2C3C5固定CO2光反应（在类囊体的薄膜上进行）暗反应（在叶绿体的基质中进行）光能光合作用的过程H2OO2水在光下分解H+NADP+酶NADPHCO2＋H2O（CH2O）＋O2光能叶绿体光反应和暗反应对比光反应阶段暗反应阶段条件场所物质变化能量变化光、色素、酶多种酶类囊体薄膜叶绿体基质中水的光解：ATP的合成：CO2的固定：C3的还原：光能有机物中稳定化学能光反应是暗反应的基础，为暗反应提供NADPH和ATP，暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi联系2H2O4[H]+O2光能ADP＋Pi＋光能ATP酶CO2＋C52C3酶[H]、TP2C3(CH2O)+C5+H2O酶ATP和NADPH中活跃的化学能简而言之，在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体膜上的色素捕获后，将水分解为02和H+等，形成ATP和NADPH,从而使光能转化成ATP中的化学能；NADPH和ATP驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将C02转化为储存化学能的糖类。可见光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。光合作用产生的有机物，不仅供植物体自身利用，还养活了包括你我在内的所有异养生物。光能通过驱动光合作用而驱动生命世界的运转。项目光合作用细胞呼吸区别场所条件物质变化能量变化ATP用途联系稳定的化学能活跃的化学能，释放能量光合作用与细胞呼吸对比叶绿体细胞质基质、线粒体需光不需光合成有机物分解有机物光能稳定的化学能，储存能量光合作用为细胞呼吸提供有机物和O2；细胞呼吸为光合作用提供CO2和水用于叶绿体内的暗反应用于各种生理活动光合作用的强度（简单地说，就是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量），直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。（二）光合作用原理的应用探究光照强度对光合作用强度的影响影响光合作用强度的因素有很多，你们可以选择其中某种因素，探讨它与光合作用的强度有什么关系。影响光合作用强度的因素有：光照强度、光的颜色、温度、CO2浓度、水、矿质元素等。1.光照强度光饱和点呼吸作用速率光补偿点光饱和点应用：生产上应合理控制光照强度，如阴雨天适当人工补光，及时对大棚除霜消雾。应用：生产上使田间通风良好（“正其行，通其风”）、增施有机肥等，可增加对农作物的CO2供应。2.CO2浓度ABDCB’CO2补偿点CO2饱和点应用：温室大棚适当的昼夜温差，白天适当升温，增强光合作用，晚上适当降温，抑制呼吸作用，可增加有机物积累。3.温度（2）当植物叶片缺水时，气孔会关闭，影响CO2进入叶内，暗反应受阻，光合作用速率下降。4.水分的供应应用：生产上应合理灌溉。（1）当植物叶片缺水时，直接影响光反应。5.必需矿质元素N、P、Mg、K等都会影响光合作用。应用：生产上应合理施肥。多因子对光合速率影响的分析能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物，这种合成作用叫做化能合成作用。例如：硝化细菌等。2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化细菌2HNO2+O22HNO3+能量硝化细菌CO2+H2O（CH2O）+O2能量酶化能合成作用二、光合作用的原理和应用小结（一）光合作用的过程过程、反应式、实质、与呼吸作用对比（二）光合作用原理的应用影响光合作用的各种因素及应用1.在光合作用的暗反应过程中，没有被消耗掉的是A.[H]B.C5化合物C.ATPD.CO2B练一练2.光合作用过程中，产生ADP和消耗ADP的部位在叶绿体中依次为①外膜②内膜③基质④类囊体膜A．③②B．③④C．①②D．④③B3.在光照充足的环境里，将黑藻放入含有18O的水中，过一段时间后，18O最先A.在植物体内的葡萄糖中发现B.在植物体内的淀粉中发现C.在植物体内的淀粉、脂肪、蛋白质中均可发现D.在植物体周围的空气中发现D4.在光合作用过程中，能量的转移途径是A.光能ATP叶绿素葡萄糖B.光能色素ATP葡萄糖C.光能叶绿素CO2葡萄糖D.光能ATPCO2葡萄糖B5.光照增强，光合作用增强。但夏季的中午却又因叶表面气孔关闭而使光合作用减弱（“光合午休”）。这是由于A.水分产生的[H]数量不足B.叶绿体利用的光能合成的ATP不足C.空气中CO2量相对增多，而起抑制作用D.暗反应中三碳化合物产生的量太少D6.下列措施中，不会提高温室蔬菜产量的是A.增大O2浓度B.增大CO2浓度C.增强光照D.调节室温A