1920 第4章 第2节 第2课时 光合作用的过程 影响光合作用的环境因素.docx

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1920第4章第2节第2课时光合作用的过程影响光合作用的环境因素

第2课时　光合作用的过程　影响光合作用的环境因素

学习目标

核心素养

1.说明植物细胞的叶绿体从太阳光中捕获能量，这些能量在二氧化碳和水转变为糖与氧气的过程中，转换并储存为糖分子中的化学能。

2.探究不同环境因素对光合作用的影响。

1.阐明光合作用过程中贯穿着物质和能量的变化，形成并巩固物质与能量观。

2.通过列表格的方法，比较光反应和暗反应。

3.分析影响光合作用的因素，构建影响光合作用的坐标曲线。

4.按照科学探究的要求，设计出探究不同环境因素对光合作用的影响的方案并实施，记录数据，交流讨论实验结果。

一、光合作用的主要场所——叶绿体

1．图中[1]外膜、[2]内膜使其内部结构与细胞质基质分开，保证了叶绿体相对独立地进行代谢活动。

2．由[3]类囊体叠合成[4]基粒，增大了膜面积，吸收、传递和转换光能的光合色素分布在类囊体膜上。

3．[5]叶绿体基质中还含有少量的DNA和RNA。

与光合作用有关的酶分布在类囊体膜和叶绿体基质中。

4．叶绿体通过类囊体堆叠成基粒增大光合作用面积。

二、光合作用的过程

注：

C3为三碳化合物，C5为五碳化合物。

1．图中Ⅰ的名称是光反应，Ⅱ的名称是暗反应，Ⅰ与Ⅱ划分的依据为是否需要光能，Ⅰ＋Ⅱ总称为光合作用。

2．Ⅰ进行的场所是类囊体膜上，Ⅱ进行的场所是叶绿体基质中。

3．图中的化学反应

（1）Ⅰ中的化学反应

①水的光解：

水分解成O2和[H]。

②ATP的合成：

在酶的作用下，ADP与Pi形成ATP。

（2）Ⅱ中的化学反应

①CO2的固定：

CO2与五碳化合物结合形成两分子三碳化合物。

②CO2的还原：

三碳化合物接受ATP的能量并被[H]还原，形成糖类和五碳化合物。

（3）总反应方程式：

CO2＋H2O

（CH2O）＋O2。

4．光合作用的概念

（1）场所：

绿色植物的叶绿体。

（2）物质变化：

将CO2和H2O合成为有机物并释放出O2。

（3）能量变化：

将光能转变成储存在有机物中的化学能。

三、影响光合作用的环境因素

1．光照强度低时，植物光合速率低。

光照强度增强，光合速率变大；光照强度进一步提高，光合速率增加幅度逐渐变小；光照强度超过一定值时，光合速率不再增加。

2．CO2是光合作用的原料之一。

在一定范围内，植物光合速率随着CO2浓度的上升而增加，达到某一定值后，增加CO2浓度，光合速率不再增加。

3．温度影响酶活性，因而对光合速率也有明显的影响。

（1）教材表4—3表明，不同植物光合作用的最适温度不同，一般在25～30_℃左右。

（2）低温下植物光合速率变低的原因主要是酶活性降低。

（3）高温下光合速率变低的原因主要是高温使植物失水过多，影响气孔的开闭，减少了CO2进入细胞的量。

4．水和营养元素会直接或间接地影响植物光合速率。

（1）水是光合作用的原料，能直接影响植物光合速率。

（2）氮素可以促进叶片面积的增大和叶片数目的增多，从而增加光合面积，间接地影响植物光合速率。

5．在农业生产中主要通过增加光照面积、延长光照时间等途径提高光能利用率。

1．叶绿体中的色素分布在基质中。

（　　）

2．光合作用需要的酶只分布在叶绿体基质中。

（　　）

3．植物处在干旱环境中，光合作用不能正常进行，主要影响光反应中水的光解。

（　　）

4．光合作用光反应产生的ATP只用于暗反应阶段，不能用于其他生命活动。

（　　）

5．温度改变只影响光合作用光反应过程。

（　　）

6．叶绿体中ATP的合成发生在类囊体膜上，ATP的水解发生在叶绿体基质中。

（　　）

[答案]　1.×　提示：

叶绿体中的色素分布在类囊体膜上。

2．×　提示：

类囊体的膜上和叶绿体基质中都有。

3．×　提示：

植物缺水，则气孔关闭，CO2供应不足，影响暗反应，水的光解只需很少H2O就能进行。

4．√

5．×　提示：

温度改变时，不管是光反应还是暗反应均会受到影响。

6．√

光合作用的过程

[讲解归纳]

1．光合作用过程图解

2．反应式中元素和物质的去向

（1）氧元素

（2）碳元素

CO2→三碳化合物→（CH2O）

（3）氢元素

H2O→[H]→（CH2O）

（4）叶绿体中[H]、ATP、ADP和Pi的运动方向

①[H]和ATP：

类囊体膜→叶绿体基质。

②ADP和Pi：

叶绿体基质→类囊体膜。

3．光反应与暗反应的比较

光反应

暗反应

条件

必须在光下

有光、无光都可以

场所

叶绿体类囊体膜

叶绿体基质

物质转化

①水的光解：

2H2O

4[H]＋O2

②ATP的合成：

ADP＋Pi＋光能

ATP

能量转化

光能→ATP中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能

联系

光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi，如图：

4.光合作用条件骤变对相关物质含量变化的影响分析

（1）改变某一因素（光照强度、CO2浓度）时细胞内中间产物，如C3、C5、[H]、ATP等含量的变化，强调的是突然发生改变时，短时间内的变化。

（2）第一步：

在熟知光合作用过程的基础上，构建如下模型，明确光合作用过程中物质的来源与去路：

①ATP和[H]来源于Ⅰ过程，消耗于Ⅲ过程。

②C3来源于Ⅱ过程，消耗于Ⅲ过程。

③C5来源于Ⅲ过程，消耗于Ⅱ过程。

第二步：

分析外界条件的变化对光合作用过程的影响：

①如果光照强度发生变化，则直接影响过程Ⅰ，依次影响过程Ⅲ、Ⅱ。

②如果CO2浓度发生变化，则直接影响过程Ⅱ，依次影响过程Ⅲ、Ⅰ。

第三步：

根据外界条件的变化，从中间产物的来源（生成）和去路（消耗）两个方面综合分析。

因为只考虑瞬时变化，当某一条件突然改变时，首先考虑这个因素所影响的那一环节，其他环节仍按原来的正常速率进行。

如突然改变光照强度，其他条件不变时，C3含量的变化为：

（3）各物质含量的变化中，C5与C3含量的变化是相反的，[H]与ATP的含量变化是一致的。

1．下图为绿色植物光合作用过程示意图（物质转换用实线表示，能量传递用虚线表示，图中a～g为物质，①～⑥为反应过程），下列判断错误的是（　　）

A．绿色植物能利用a物质将光能转换成活跃的化学能储存在c中

B．e中不储存化学能，所以e只能充当还原剂

C．图中①表示水分的吸收，③表示水的光解

D．在g物质供应充足时，突然停止光照，C3的含量将会上升

B　[a为光合色素，能将光能转换成活跃的化学能储存在ATP中，A正确；e为水光解生成的[H]，其含有活跃的化学能，参加暗反应C3的还原，B错误；图中①表示根系从土壤中吸收水分，③表示水的光解生成[H]和氧气，C正确；gCO2供应充足时，突然停止光照，生成[H]和ATP量下降，C3的还原速率下降，C3的消耗减少，另一方面，二氧化碳固定生成C3的速率基本不变，D正确。

]

2．图甲为叶绿体结构与功能示意图，图乙表示一株小麦叶肉细胞内C3相对含量在24h内的变化。

请据图分析回答问题：

（1）图甲中A、B、C、D分别表示参与光合作用或光合作用生成的物质，则A、B、C、D依次是________________。

（2）在图甲Ⅰ上发生的过程称为________，Ⅰ上含有的参与此过程的物质是________。

（3）在图甲Ⅰ上发生的反应与在Ⅱ中发生的反应之间的物质联系是_____________________________。

（4）图乙中，从________点开始合成有机物，至________点有机物合成终止。

（5）ab段C3含量较高，其主要原因是_______________________。

（6）g点C3含量极少，其原因是_________________________。

（7）与f点相比，g点时叶绿体中[H]含量较________（填“高”或“低”）。

[解析]　根据光合作用过程可知，图甲中A、B、C、D依次是H2O、CO2、C3和C5。

Ⅰ是叶绿体基粒，在其上发生光反应，叶绿体基粒上含有参与光反应的色素和酶。

Ⅱ是叶绿体基质，在其内发生暗反应。

光反应为暗反应提供[H]和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi等。

图乙中从b点开始C3含量下降，至i点C3含量不再变化，说明光合作用从b点开始，到i点结束。

在b点前无光照，不能进行光反应，也不能进行C3的还原，因此在ab段C3含量较高，b点之后，开始进行光合作用，C3含量下降，i点无光照，光合作用停止。

g点时植物气孔大量关闭，导致CO2供应不足，C3合成减少，[H]消耗减少，因此g点时叶绿体中[H]含量高于f点时。

[答案]　

（1）H2O、CO2、C3和C5　

（2）光反应　色素和酶

（3）光反应为暗反应提供[H]和ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi等　（4）b　i　（5）无光不能进行光反应，缺少[H]和ATP，C3不能被还原

（6）气孔关闭，叶肉细胞内CO2含量低，CO2的固定减弱　（7）高

（1）在无光条件下，暗反应能否长期进行？

提示：

不能。

因为无光条件下，光反应不能进行，光反应的产物ATP和[H]减少，不能满足暗反应的需求，暗反应终将停止。

（2）若暗反应停止，光反应能否持续进行？

提示：

不能，若暗反应停止，光反应产生的ATP和[H]积累过多，将抑制光反应的进行。

（3）科学研究表明，光合作用的产物除糖类和O2外，还有蛋白质和脂肪等。

我们将怎样用实验证明这种观点呢？

提示：

采用同位素标记法，以14C标记参加光合作用的CO2，测定含14C的产物中是否有蛋白质、脂肪等。

影响光合作用的环境因素

[问题探究]

光合作用过程一般与太阳辐射进程相符合：

从早晨开始，光合作用逐渐加强，中午达到高峰，以后逐渐降低，到日落后停止，成为单峰曲线。

但晴天无云而太阳光照强烈时，则形成双峰曲线，呈现“午休”现象。

请分析出现这种现象的原因。

提示：

出现这种现象的原因：

第一，水分在中午供应不足，气孔关闭；第二，二氧化碳供应不足等。

[讲解归纳]

1．光照强度

（1）原理分析：

光照强度主要影响光反应阶段ATP和[H]的产生，进而限制暗反应阶段。

（2）曲线右图分析：

A点

光照强度为0，此时只进行细胞呼吸；A点的CO2释放量表示细胞呼吸速率

AB段

开始进行光合作用，随光照强度的增强，光合作用强度也增强，但光合作用强度小于细胞呼吸强度

B点

光合作用强度＝细胞呼吸强度（细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用），此时光照强度称为光的补偿点

BC段

随光照强度的增强，光合作用强度不断增强

C点

光照强度增强，光合作用强度基本不变，此时光照强度C′点称为光的饱和点，C点的CO2吸收量表示净光合作用速率

（3）应用分析

①欲使植物正常生长，则光照强度应大于B点对应的光照强度。

②适当提高光照强度可增加作物产量。

③阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，间作套种时农作物的种类要合理搭配。

2．CO2的浓度

（1）原理分析：

通过影响暗反应阶段，制约C3生成。

（2）曲线分析

图1　　　　图2

①走势分析：

图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增大而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。

②关键点分析：

图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点。

图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。

图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。

（3）应用分析

①温室中适当增加CO2浓度，如投入干冰等；

②大田中“正其行，通其风”，以及多施有机肥来提高CO2浓度。

3．温度

（1）原理分析：

通过影响酶活性进而影响光合作用。

（2）曲线分析

①AB段：

随着温度升高，光合作用增强。

②B点：

光合作用最适温度。

③BC段：

随着温度升高，光合作用减弱。

④温度过高时，酶失活，光合作用完全停止。

（3）应用分析

①适时播种。

②温室栽培时白天适当提高温度，夜间适当降低温度。

4．水和营养元素

（1）水：

是光合作用重要的反应物，又可影响气孔的开闭，间接影响CO2的吸收，还可影响光合产物的运输，从而影响光合速率。

（2）营养元素：

营养元素影响细胞内许多化合物的合成，从而影响植物体的光合作用，如氮是构成细胞内叶绿素、酶、ATP等物质的基本元素，可以促进叶片面积的增大和叶片数量的增多，从而影响光合作用。

特别提醒：

其他影响光合作用的因素

（1）因叶绿体中色素对各种色光的吸收不同，光质（不同色光）也会影响光合作用强度。

（2）光照时间的长短不影响光合作用速率，但可以影响植物体光合作用的总量，从而影响植物的生长。

（3）叶龄也会影响光合作用强度，随叶龄的增大，叶面积逐渐增大，光合作用速率也随之增大，到成熟时达到最大，之后随叶片衰老，叶绿素不断分解，光合作用速率随之下降。

5．多因子变量

图像

含义

P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随该因子的不断加强，光合速率不断提高；Q点时，横坐标所表示的因子不再是影响光合速率的因素，影响因素为坐标图中所标出的其他因子

应用

温室栽培时，在一定光照强度下，白天可适当提高温度，增加光合酶的活性，提高光合速率，也可同时适当补充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浓度以提高光合作用速率

1．科研人员检测晴朗天气下露天栽培和大棚油桃的光合速率（Pn）日变化情况，并将检测结果绘制成下图。

下列相关说法错误的是（　　）

A．光照强度增大是导致ab段、1m段Pn增加的主要原因

B．致使bc段、mn段Pn下降的原因是气孔关闭

C．致使ef段、op段Pn下降的原因是光照逐渐减弱

D．适时浇水、增施农家肥是提高大田作物产量的重要措施

B　[早晨日出后光照强度不断增大，使得露天栽培的和大棚栽培的油桃的光合速率迅速上升。

大棚栽培条件下的油桃在bc段Pn下降，主要原因是日出后旺盛的光合作用消耗大量CO2，使大棚内密闭环境中CO2浓度迅速下降；而露天栽培的油桃在mn段Pn下降，是因环境温度过高导致气孔关闭，不能吸收CO2。

15时以后，两种栽培条件下的光合速率持续下降，是光照强度逐渐减弱所致。

适时浇水能避免植物因缺水导致气孔关闭，增施农家肥能增加土壤中CO2浓度，这两项都是提高大田作物产量的重要措施。

故选B。

]

2．甲、乙、丙三图分别表示探究几种环境因素对马铃薯光合作用速率影响的实验结果。

下列分析中正确的是（　　）

A．甲图所示实验主要研究光照强度和温度对马铃薯光合作用速率的影响

B．甲图P点之前，限制马铃薯光合作用速率的主要因素为光照强度和温度

C．乙图Q点时高CO2浓度条件下，可通过进一步增加光照强度来提高马铃薯光合作用速率

D．丙图Q点之后三条曲线的走势为保持平稳

A　[本题关键是理解曲线的含义。

甲图所示实验主要研究温度和光照强度对马铃薯光合作用速率的影响，A项正确；甲图中P点之前限制光合作用的主要因素是光照强度，B项错误；乙图中，Q点光照强度已不再是光合速率的主要限制因素，C错误；丙图Q点之后随温度升高，三条曲线的走势可能逐渐下降，D错误。

]

[课堂小结]

知识网络构建

核心语句归纳

1.光合作用可分为光反应阶段和暗反应阶段。

2.光反应的场所是类囊体膜上，原料是水，产物是ATP、[H]和氧气。

3.暗反应的场所是叶绿体的基质，原料是ATP、[H]和CO2，产物是糖。

4.光反应和暗反应相互制约。

5.影响光合作用的环境因素有光照、温度、CO2浓度等。

6.光合作用的实质是把无机物转化为有机物，把光能转化为化学能储存在有机物中。

7.光合作用强度的表示方法：

一定时间内原料消耗量或产物生成量。

1．下列有关叶绿体的叙述，正确的是（　　）

A．叶绿体色素都分布在类囊体膜上

B．叶绿体的色素分布在外膜和内膜上

C．光合作用的酶只分布在叶绿体基质中

D．光合作用的酶只分布在外膜、内膜和基粒上

A　[叶绿体由内外双层膜、类囊体和基质三部分构成。

类囊体是一种扁平的囊状结构，在类囊体膜上，有进行光合作用必需的色素和酶。

许多类囊体叠合成基粒，基粒之间充满着基质，其中含有与光合作用有关的酶。

]

2．下图表示植物光合作用的一个阶段，下列各项叙述正确的是（　　）

A．该反应的场所是叶绿体的类囊体

B．C3生成C6H12O6需要[H]、ATP和多种酶

C．提高温度一定能促进C6H12O6的生成

D．在无光条件下，有利于暗反应进行

B　[图为光合作用的暗反应阶段，该反应进行的场所是叶绿体基质。

C3生成C6H12O6需在多种酶的催化下，利用ATP提供的能量，通过[H]的还原进行。

若在最适温度条件下，提高温度反而会降低酶的活性，会使反应减弱。

在无光条件下，暗反应会因[H]和ATP的缺乏受到限制。

]

3．如图曲线Ⅰ表示黄豆在适宜温度、CO2浓度为0.03%的环境中光合作用速率与光照强度的关系。

在y点时改变某条件，结果发生了如曲线Ⅱ所示的变化。

下列分析合理的是（　　）

A．与y点相比较，x点时叶绿体中C3含量低

B．在y点时，适当升高温度可导致曲线由Ⅰ变为Ⅱ

C．制约x点时光合作用的因素主要是叶绿体中色素的含量

D．制约z点时光合作用的因素可能是CO2浓度

D　[x点时，光照强度较弱，光反应提供的[H]和ATP较少，C3化合物的浓度较y点时高；题目中已提到是在适宜温度下测定的相关的关系，如果再提高温度，会降低光合作用速率；制约x点时光合作用的因素主要是光照强度；在适宜温度和较强光照强度条件下，提高CO2浓度可提高光合作用速率。

]

4．某植物在停止供水和恢复供水条件下，气孔开度（气孔开放程度）与光合速率的变化如下图所示。

请回答：

（1）停止供水后，光合速率下降。

这是由于水是________的原料，又是光合产物在植物体内________的主要介质。

（2）在温度、光照相同的条件下，图中A点与B点相比，光饱和点低的是________点，其主要原因是___________。

（3）停止供水一段时间后，叶片发黄，原因是__________。

此时类囊体结构破坏，提供给暗反应的________减少。

[解析]　

（1）植物体内缺少水分时光合速率下降，这是由于水是光合作用的原料，同时水也是生物体内物质运输的主要介质，光合产物的运输也离不开水。

（2）A点和B点相比，A点水分供应充足，气孔开度高，二氧化碳的吸收多，光合速率大；而B点缺少水分，气孔开度低，二氧化碳的吸收少，光合速率小，所以B点的光饱和点比A点的低。

（3）叶片发黄的主要原因是停止水分供应后，细胞代谢强度下降，叶绿素合成速度减慢甚至停止，或叶绿素被分解。

光反应在类囊体薄膜上进行，为暗反应提供ATP和[H]。

[答案]　

（1）光合作用　运输

（2）B　气孔开度降低，CO2吸收减少（答出一项即可）

（3）叶绿素合成速度变慢或停止（或叶绿素分解），类胡萝卜素的颜色显露出来（答出一项即可）　[H]和ATP

[教材课上思考答案]（教师用书独具）

积极思维（P76）

（1）CO2浓度保持不变，温度恒定的情况下，一定光照强度范围内，随着光照强度的增大，光合作用速率越来越大；当达到光饱和点后，光照强度增大，光合作用速率不变。

（2）在光照强度和温度保持不变的情况下，一定CO2浓度范围内，随着CO2浓度的增大，光合作用速率越来越大；当达到CO2饱和点后，CO2浓度增大，光合作用速率不变。

（3）一定温度范围内，随着温度的升高，光合作用速率不断增大；当达到最适温度后，随着温度的升高，光合作用速率逐渐降低。

[教材课后习题答案]（教师用书独具）

评价指南（P79）

一、单项选择题

1．C　2.B　3.B　4.A　5.D　6.B

二、技能增进题

光反应

暗反应

场所

类囊体膜

叶绿体的基质

物质转化

水变成O2和[H]等

CO2参与反应、糖类形成等

能量转化

合成ATP

能量储存在有机物中