1-3(3)光合作用及光呼关系

第三讲光合作用及光呼关系考点一光合作用的探究历程1.光合作用发现史中的经典实验及分析2．恩格尔曼的实验在设计上的巧妙之处(1)实验材料选得妙：用水绵作为实验材料。水绵不仅具有细而长的带状叶绿体，而且叶绿体呈螺旋状分布在细胞中，便于观察和分析研究。(2)排除干扰的方法妙：恩格尔曼将临时装片放在黑暗并且没有空气的环境中，排除了环境中光线和氧气的影响，从而确保实验能够正常进行。(3)观测指标设计得妙：通过好氧细菌的分布进行检测，从而能够准确地判断出水绵细胞中释放氧气的部位。(4)实验对照设计得妙：将极细的光束照射处的叶绿体与黑暗处的叶绿体、完全曝光的叶绿体进行对照，从而明确实验结果是由光照引起的。3．在光合作用的发现中，大多数科学家利用了对照实验(1)萨克斯：自身对照，自变量为光照(一半曝光与另一半遮光)，因变量为颜色变化。(2)恩格尔曼：自身对照，自变量为光照(照光处与不照光处；黑暗与完全曝光)，因变量为好氧细菌的分布。(3)鲁宾和卡门：相互对照，自变量为标记物质(HO与C18O2)，因变量为O2的放射性。(4)普利斯特利：缺少空白对照，实验结果说服力不强。考点二光合作用的过程图中：①，②，③，④。O2［H］C3CO2(1)光反应阶段①条件：光、光合色素。②场所：叶绿体类囊体薄膜上。③物质变化：水的光解和ATP的合成。④能量变化：光能转变成活跃的化学能储存在ATP中。(2)暗反应阶段①条件：酶、[H]、ATP。②场所：叶绿体基质。③物质变化：CO2的固定和C3的还原。CO2的固定：能量变化：ATP中活跃的化学能转变为有机物中稳定的化学能(3)总反应式：1.过程(4)光反应与暗反应的关系①反应式：(以生成C6H12O6为例)6CO2＋12H2O―――→叶绿体光能C6H12O6＋6O2＋6H2O②同位素标记元素转移途径：H：3H2O――→光反应[3H]――――→暗反应(C3H2O)C：14CO2――――→CO2的固定14C3――――→C3的还原(14CH2O)O：H182O―――→光反应18O2C18O2―――――→CO2的固定C3―――――→C3的还原1822.光合作用的反应式及元素去向分析3.环境因素骤变对物质含量动态变化的判断当外界条件改变时，短时间内将直接影响光合作用中C3、C5、[H]、ATP及(CH2O)的含量，其含量变化可以采用如图分析：根据“变谁从谁入手”的方法进行分析:若光照改变，从左端入手，按①→②③分析，④暂时不变；CO2浓度变化从右端入手，按④→②③分析，①暂时不变，快则均快，慢则均慢，最终四个反应速率保持一致。条件过程变化C3C5[H]和ATP模型分析光照由强到弱，CO2供应不变①过程减弱②③过程减弱，④过程正常进行增加减少减少光照由弱到强，CO2供应不变①过程增强②③过程增强④过程正常进行减少增加增加光照不变，CO2由充足到不足④过程减弱，①②③过程正常进行，随C3减少②③减弱，①过程正常减少增加增加光照不变，CO2由不足到充足④过程增强①②③正常进行，随C3增加②③增强，①过程正常增加减少减少C3、C5含量变化的两点注意(1)以上分析只表示条件改变后短时间内各物质相对含量的变化，而非长时间。(2)以上各物质变化中，C3和C5含量的变化是相反的，[H]和ATP的含量变化是一致的。4.化能合成作用①概念：自然界中少数种类的细菌，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，这种合成作用叫作化能合成作用。②举例：硝化细菌的化能合成作用过程：a.硝化作用b.有机物合成③化能合成作用与光合作用的比较项目化能合成作用光合作用不同能量来源体外无机物氧化放出的能量光能生物类型原核生物(如硝化细菌等)主要为绿色植物，还有蓝藻等相同代谢类型自养需氧型物质变化将无机物(CO2和H2O等)转化为储存能量的有机物生态地位生产者考点3影响光合作用的因素及应用光合作用强度(光合作用速率)：是指植物在一定时间内将光能转化为化学能的多少。通常用单位时间、单位叶面积的CO2吸收量或O2释放量表示。光合作用效率：是指植物将照射到植物上的光能转化为化学能的效率。植物通过光合作用制造有机物中所含有的能量与光合作用中吸收的光能的比值，它由植物叶片吸收光能的能力、及将吸收了的光能转化为化学能的能力决定。光能利用率：植物将一年中投射到该土地上的光能转化成化学能的效率。指植物光合作用所累积的有机物所含能量，占照射在同一地面上的日光能量的比率。（一）内部因素1.与植物自身的遗传特性有关，如阴生植物和阳生植物，如图1所示。2.植物叶片的叶龄、叶面积指数也会制约光合作用，如图2、图3所示。（二）外部因素1．光照：影响光反应阶段(1)光照时间：光照时间越长，产生的光合产物越多。(2)光质：由于色素吸收可见光中的红光和蓝紫光最多，吸收绿光最少，故不同波长的光对光合作用的影响不同，建温室时，选用无色透明的玻璃(或塑料薄膜)作顶棚，能提高光能利用率。(3)光照强度：光照强度通过影响植物的光反应进而影响光合速率。光照强度增加，光反应速度加快，产生的[H]和ATP增多，使暗反应中还原过程加快，从而使光合作用产物增加。(4)光照强度对光合作用速率影响的曲线分析A点只呼吸不光合细胞释放CO2吸收O2AB段呼吸＞光合细胞释放CO2吸收O2B点光合＝呼吸细胞外观上不与外界发生气体交换B点后光合＞呼吸细胞吸收CO2释放O2应用：①温室生产中，适当增强光照强度，以提高光合速率，使作物增产；②阴生植物的光补偿点和光饱和点都较阳生植物低，如图中虚线所示，间作套种农作物，可合理利用光能。2．CO2浓度(1)原理：CO2影响暗反应阶段，制约C3的形成。(2)曲线分析：图1中A点表示CO2补偿点，即光合速率等于呼吸速率时的CO2浓度。图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。B和B′点都表示CO2饱和点。(3)应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光合速率。3．温度(1)原理：温度通过影响酶的活性影响暗反应阶段。(2)曲线分析：AB段在B点之前，随着温度升高，光合速率增大B点酶的最适温度，光合速率最大BC段随着温度升高，酶的活性下降，光合速率减小，50℃左右光合速率几乎为零(3)应用：温室栽培植物时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合速率；晚上适当降低温室内温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。4．水分和矿质元素对光合作用的影响(1)水分：水既是光合作用的原料，又是体内各种化学反应的介质，如植物缺水导致萎蔫，使光合速率下降。另外，水分还能影响气孔的开闭，间接影响二氧化碳进入植物体内。如夏季中午，植物为防止蒸腾作用失水过多，气孔关闭，二氧化碳供应不足，光合速率下降，这种现象称为植物的“光合午休”。(2)矿质元素：矿质元素直接或间接影响光合作用。N是构成叶绿素、酶、ATP等的元素；P是构成ATP的元素，并参与叶绿体膜的构成；Mg是构成叶绿素的元素；K影响糖类的合成与运输。无机盐对光合速率的影响：N、P、K、Mg等无机盐缺乏时主要导致光反应强度降低，从而使植物的产量减少，因此在农业生产中要适当地施肥以增加农作物的产量。影响光合作用的环境因素5．光合作用曲线的分析(1)环境条件改变对补偿点、饱和点的影响CO2(或光)补偿点和饱和点的移动方向：一般有左移、右移之分，其中CO2(或光)补偿点B是曲线与横轴的交点，CO2(或光)饱和点C是最大光合速率对应的CO2浓度(或光照强度)，位于横轴上。(1)补偿点的移动：①呼吸速率增加，其他条件不变时，CO2(或光)补偿点应右移，反之左移。②呼吸速率基本不变，相关条件的改变使光合速率下降时，CO2(或光)补偿点应右移，反之左移。(2)饱和点的移动：相关条件的改变(如增大光照强度或增大CO2浓度)使光合速率增大时，饱和点应右移，反之左移。(3)阴生植物与阳生植物相比，CO2(或光)补偿点和饱和点都应向左移动。①当缺镁时，其他条件不变：：abcd②当图示表示阳生植物的光合作用强度时，则阴生植物：abcd③当CO2浓度较低时，其他条件不变：abcd④干旱初期，对呼吸影响不大:a,但气孔关闭,CO2吸收量少,则bcd⑤当图示表示绿光时的光合作用强度，则改用红光后：abcd(2)光照、CO2浓度和温度对光合作用的综合作用①常见曲线：②曲线分析：P点：限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随着因子的不断加强，光合速率不断提高。Q点：横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素，影响因素主要为各曲线所表示的因子。要想提高光合速率，可适当提高图示中的其他影响因子的强度。③应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当增加CO2，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当增加光照强度和CO2浓度以提高光合速率。[模型解读]图1夏季一昼夜CO2吸收和释放变化曲线图2密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线（3）密闭容器及自然环境中植物—昼夜光合作用曲线ob段、fg段：bf段：bc段、ef段：ce段：a点：b点：c点：d点：e点：图1夏季一昼夜CO2吸收和释放变化曲线夜间没有光照，光合停止，只进行呼吸；有机物减少，环境中CO2增加，O2减少。白天光合作用与呼吸作用同时进行，制造有机物的时间段。清晨和傍晚光照较弱，光合小于呼吸；有机物减少，环境中CO2增加，O2减少。光合大于呼吸；积累有机物，有机物的总量增加；环境中CO2减少，O2增加。凌晨2～4时，温度降低，呼吸作用减弱，CO2释放减少。有微弱光照，植物开始进行光合作用。上午7时左右，光合作用等于呼吸作用。CO2积累量最大。温度过高，部分气孔关闭，出现光合“午休”现象。下午6时左右，光合作用等于呼吸作用。光合作用产物积累量最大。一昼夜有机物的积累量(用CO2量表示)的表示方法:方法1：一昼夜有机物的积累量＝白天从外界吸收的CO2量－晚上呼吸释放的CO2量；方法2：一昼夜有机物的积累量＝白天固定的CO2量－24小时呼吸释放的CO2量。方法1中用的是净光合作用量，方法2中用的是总光合作用量。图1夏季一昼夜CO2吸收和释放变化曲线图1中有机物的积累量：一昼夜有机物的积累量＝SP－SM－SN(Sp、SM、SN分别表示P、M、N的面积)。一昼夜光合作用中C3含量的变化(1)AB段、IJ段的C3含量较高，原因是夜间无光，[H]和ATP缺乏，C3不能被还原。(2)BC段的C3含量下降，原因是BC段的光照强度增强，产生[H]和ATP增多，C3被还原，C3减少；GI段的C3含量上升，原因是GI段的光照强度减弱，产生[H]和ATP减少，C3被还原的量减少，C3增多。(3)CD段的C3含量升高，原因可能是白天该地区天气暂时由晴转阴，光反应不足。(4)G点的C3含量最低，原因是G点气孔关闭，二氧化碳不足，生成C3的量减少，而C3的还原正常进行，所以C3含量低；相反C5的消耗减少，而还原过程又产生C5，因此G点C5含量较高。图2密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线AB段：BC段：CD段：D点：DH段：H点：HI段：无光照，植物只进行呼吸作用。温度降低，呼吸作用减弱。4时后，微弱光照，开始进行光合作用，但光合作用强度＜呼吸作用强度。随光照增强，光合作用强度＝呼吸作用强度。光合作用强度＞呼吸作用强度。其中FG段表示“光合午休”现象。随光照减弱，光合作用强度下降，光合作用强度＝呼吸作用强度。光照继续减弱，光合作用强度＜呼吸作用强度，直至光合作用完全停止。图2密闭玻璃罩内CO2浓度与时间的关系曲线图2中植物生长与否的判断(1)I点低于A点，说明：(2)若I点高于A点，说明：(3)若I点等于A点，说明：一昼夜，密闭容器中CO2浓度减小，即光合作用＞呼吸作用，植物生长。光合作用＜呼吸作用，植物体内有机物总量减少，植物不能生长。光合作用＝呼吸作用，植物体内有机物总量不变，植物不生长。考点15光合作用和细胞呼吸考点4光合作用与细胞呼吸的关系1．场所的比较(1)叶绿体的类囊体薄膜：ATP