Bồi dưỡng HSG chủ đề Quang hợp ở thực vật Sinh học 11

BỒI DƯỠNG HSG CHỦ ĐỀ QUANG HỢP Ở THỰC VẬT MÔN SINH HỌC 11

1. Khái niệm về quang hợp

a. Khái niệm

    - Khái niệm: Quang hợp là quá trình cây xanh hấp thụ năng lượng ánh sáng bằng hệ sắc tố của mình và sử dụng năng lượng này để tổng hợp chất hữu cơ (đường glucôzơ) từ các chất vô cơ (CO₂ và H₂O).

b. Vai trò của quá trình quang hợp

    - Quang hợp tạo ra hầu như toàn bộ các chất hữu cơ trên trái đất.

    - Hầu hết các dạng năng lượng sử dụng cho các quá trình sống của các sinh vật trên trái đất ( năng lượng hoá học tự do - ATP) đều được biến đổi từ năng lượng ánh sáng mặt trời (năng lượng lượng tử) do quá trình quang hợp.

    - Quang hợp giữ trong sạch bầu khí quyển: Hàng năm quá trình quang hợp của các cây xanh trên trái đất đã hấp thụ 600 tỉ tấn khí CO₂ và giải phóng 400 tỉ tấn khí O2 vào khí quyển. Nhờ đó tỉ lệ CO₂ và O trong khí quyển luôn được giữ cân bằng (CO₂: 0,03%, O₂: 21%), đảm bảo cuộc sống bình thường trên trái đất.

c. Bản chất hoá học và khái niệm hai pha của quang hợp:

Quang hợp gồm:

  - Quá trình oxy hoá H₂O nhờ năng lượng ánh sáng. Đây là giai đoạn gồm các phản ứng cần ánh sáng, phụ thuộc vào ánh sáng, gọi là pha sáng của quang hợp. Pha sáng hình thành ATP, NADPH và giải phóng O₂.

   - Quá trình khử CO2 nhờ ATP và NADPH do pha sáng cung cấp. Đây là giai đoạn gồm các phản ứng không cần ánh sáng, nhưng phụ thuộc vào nhiệt độ, gọi là pha tối của quang hợp. Pha tối hình thành các hợp chất hữu cơ, bắt đầu là đường glucôzơ.

2. Bộ máy quang hợp

 a. Lá - cơ quan quang hợp

   * Hình thái, cấu trúc của lá liên quan đến chức năng quang hợp.

- Lá dạng bản và có đặc tính hướng quang ngang

- Lá có một hoặc hai lớp mô giậu ở mặt trên và mặt dưới lá ngay sát lớp biểu bì chứa lục lạp thực hiện chức năng quang hợp

- Lá có lớp mô khuyết với khoảng gian bào lớn,nơi chứa nguyên liệu quang hợp

- Lá có hệ thống mạch dẫn dày đặc để dẫn sản phẩm quang hợp đi các cơ quan khác

- Lá có hệ thống khí khổng ở cả mặt trên và mặt dới để trao đổi khí trong quá trình quang hợp.

b. Lục lạp - bào quan thực hiện chức năng quang hợp

   Cấu trúc của lục lạp thích ứng với việc thực hiện hai pha của quang hợp: pha sáng thực hiện trên cấu trúc hạt, pha tối thực hiện trên thể nền.

c. Hệ sắc tố quang hợp

- Nhóm sắc tố chính - clorophin.

- Clorophin a: C₅₅ H₇₂ O₅ N₄ Mg  

- Clorophin b: C₅₅ H₇₀ O₆ N₄ Mg

- Nhóm sắc tố phụ - Carotenoid

- Caroten: C₄₀ H₅₆            

- Xanthophin: C₄₀ H₅₆O_(1-6)

- Nhóm sắc tố của thực vật bậc thấp - phycobilin:         

- Phycoerythrin:         C₃₄ H₄₇ N₄ O₈  

- Phycoxyanin:          C₃₄ H₄₂ N₄ O9  

* Vai trò của các nhóm sắc tố trong quang hợp:

- Nhóm Clorophin hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng đỏ và vùng xanh tím chuyển năng lượng thu được từ các phôton ánh sáng cho quá trình quang phân ly H₂O và cho các phản ứng quang hóa để hình thành ATP và NADPH.

- Nhóm Carotenoit sau khi hấp thụ ánh sáng, đã truyền năng lượng thu được dưới dạng huỳnh quang cho Clorophin.

- Nhóm Phycobilin hấp thụ ánh sáng ở vùng sóng ngắn, sóng có thể tới được nơi sinh sống của rong, rêu, tảo,…( dưới tán rừng hoặc dưới các lớp nước sâu )

3. Cơ chế quang hợp

a. Pha sáng

- Trong pha này hệ sắc tố thực vật hấp thụ năng lượng của các phôtôn ánh sáng và sử dụng năng lượng này cho các quá trình: quang hoá sơ cấp, quang phân li nước và photphorin hoá quang hoá.

- Có thể tóm tắt pha sáng bằng các phản ứng sau:

   + Phản ứng kích thích chlorophin: chl + h√ = chl* = chl

(chl-trạng thái bình thường, chl*-trạng thái kích thích, chl-trạng thái bền thứ cấp).

   + Phản ứng quang phân li nước:

4 chl* + 2 H₂O® 4chlH+ + 4e + O2

   + Phản ứng quang hoá sơ cấp (được thực hiện bằng hai hệ quang hoá PSI và PSII) và photphorin hoá quang hoá:

  12 H₂O +18ADP + 18Pv + 12NADP→ 18ATP + 12NADPH2 +6O2

b. Pha tối

- Trong pha này ATP và NADPH hình thành từ pha sáng được sử dụng để khử CO₂ tạo ra chất hữu cơ đầu tiên - đường glucôzơ. Pha tối được thực hiện bằng ba chu trình ở ba nhóm thực vật khác nhau: thực vật C₃, thực vật C₄ và thực vật CAM (viết tắt từ cụm từ Crassulacean Acid Metabolism - trao đổi acit ở họ Thuốc bỏng).

- Quang hợp ở các nhóm thực vật C_3., C₄ và CAM đều có một điểm chung là giống nhau ở pha sáng, chúng chỉ khác nhau ở pha tối - tức là pha cố định CO₂ và tên gọi thực vật C_3., C₄ là gọi theo sản phẩm cố định CO₂ đầu tiên, còn thực vật CAM là gọi theo đối tượng thực vật có con đường cố định CO₂ này.

4. Ảnh hưởng của nhân tố môi trường đến quang hợp

a. Quang hợp và nồng độ CO₂

- CO2 trong không khí là nguồn cung cấp cacbon cho quang hợp. Nồng độ CO2 trong không khí quyết định vận tốc của quá trình quang hợp.

- Điểm bù CO₂: Nồng độ CO₂ tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.

- Điểm bão hoà CO₂: Nồng độ CO₂ tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất.

b. Quang hợp và ánh sáng

* Cường độ ánh sáng

- Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng tối thiểu để cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau.

- Điểm bão hoà ánh sáng: Cường độ ánh sáng cực đại để cường độ quang hợp đạt cực đại.

* Về thành phần quang phổ ánh sáng:

Nếu cùng một cường độ chiếu sáng thì ánh sáng đơn sắc màu đỏ sẽ có hiệu quả quang hợp lớn hơn ánh sáng đơn sắc màu xanh tím.

c. Quang hợp và nhiệt độ

- Hệ số nhiệt Q10 đối với pha sáng là: 1,1- 1,4,đối với pha tối là: 2-3.

- Cường độ quang hợp phụ thuộc rất chặt chẽ vào nhiệt độ. Sự phụ thuộc giữa nhiệt độ và quang hợp theo chiều hướng như sau: khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp tăng rất nhanh và thường đạt cực đại ở 25 - 350C rồi sau đó giảm mạnh đến 0.

d. Quang hợp và nước

- Hàm lượng nước trong không khí, trong lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước,do đó ảnh hưởng đến độ mở khí khổng,tức là ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ CO2 vào lục lạp.

- Nước ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng và kích thước của bộ máy đồng hoá.

- Nước ảnh hưởng đến tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp

- Hàm lượng nước trong tế bào ảnh hưởng đến độ hidat hoá của chất nguyên sinh và do đó đến điều kiện làm việc của hệ thống enzim quang hợp

- Quá trình thoát hơi nước đã điều hoà nhiệt độ của lá,do đó ảnh hưởng đến quang hợp

- Sau cùng nước là nguyên liệu trực tiếp cho quang hợp với việc cung cấp H+ và e cho

phản ứng sáng.

5. Quang hợp và năng suất cây trồng

5.1. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng

    Quang hợp là quá trình cơ bản quyết định năng suất cây trồng. Phân tích thành phần hoá học trong sản phẩm thu hoạch của cây trồng ta sẽ có các số liệu sau: C: 45%, O: 42-45%, H: 6,5% chất khô. Tổng ba nguyên tố này chiếm 90-95% khối lượng chất khô. Phần còn lại: 5-10% là các nguyên tố khoáng. Rõ ràng là 90-95% sản phẩm thu hoạch của cây lấy từ CO₂ và H₂O thông qua hoạt động quang hợp.

- Năng suất sinh học : là tổng lượng chất khô tích luỹ được mỗi ngày trên 1ha gieo trồng trong suốt thời gian sinh trưởng.

- Năng suất kinh tế : là 1 phần của năng suất sinh học được tích luỹ trong các cơ quan (hạt, củ,…) chứa các sản phẩm có giá trị kinh tế đối với con người của từng loài cây.

5.2. Các biện pháp nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp

    Đã có nhiều nghiên cứu làm sáng tỏ mối quan hệ giữa hoạt động của bộ máy quang hợp và năng suất cây trồng. Nhitriporovich- nhà Sinh lí thực vật người Nga đã đưa ra biểu thức năng suất cho mối quan hệ này:

Nkt = (FCO₂.L.Kf .Kkt)n

Nkt : năng suất kinh tế-phần chất khô tích luỹ trong cơ quan kinh tế

FCO2: khả năng quang hợp gồm: cường độ quang hợp (mg CO2/dm2 lá.giờ) và hiệu suất quang hợp (gam chất khô/m2lá.ngày).

L: diện tích quang hợp, gồm chỉ số diện tích lá (m2 lá/m2 đất) và thế năng quang hợp (m2 lá.ngày).

Kf: hệ số hiệu quả quang hợp - tỷ số giữa phần chất khô còn lại và tổng số chất khô quang

hợp được.

Kkt: hệ số kinh tế - tỷ số giữa số chất khô tích luỹ trong cơ quan kinh tế và tổng số chất khô quang hợp được.

n: thời gian hoạt động của bộ máy quang hợp.

Từ biểu thức trên chúng ta thấy rằng: năng suất cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố sau:

- Khả năng quang hợp của giống cây trồng (FCO2).

- Nhịp điệu sinh trưởng của bộ máy quang hợp (L).

- Khả năng tích luỹ chất khô vào cơ quan kinh tế (Kf, Kkt).

- Thời gian hoạt động của bộ máy quang hợp (n).

a. Tăng diện tích lá:

Bón phân, tưới nước hợp lí, thực hiện kĩ thuật chăm sóc phù hợp với loài và giống cây trồng.

b. Tăng cường độ quang hợp:

-  CĐQH là chỉ số thể hiện hiệu suất hoạt động của bộ máy quang hợp.Chỉ số đó ảnh hưởng quyết định đến sự tích luỹ chất khô và tăng năng suất cây trồng.

- Tăng CĐQH bằng cách thực hiện các biện pháp kĩ thuật như cung cấp nước bón phân ,chăm sóc hợp lí tạo điều kiện cho cây hấp thụ và chuyển hoá năng lượng mặt trời 1 cách có hiệu quả.

c. Tăng hệ số kinh tế :

- Tuyển chọn các giống cây có sự phân bố sản phẩm quang hợp vào các bộ phận có giá trị kinh tế với tỉ lệ cao.

5.3. Triển vọng của năng suất cây trồng

    Trong tương lai với sự tiến bộ của các phương pháp chọn, lai tạo giống mới , với sự hoàn thiện các biện pháp kĩ thuật canh tác, chắc chắn việc nâng cao năng suất  cây trồng ở một đất nước giầu ánh sáng như nước ta sẽ có triển vọng rất to lớn

Câu 1. Để phân biệt thực vật C₃ và C₄ người ta làm thí nghiệm sau:

TN1: Đưa cây vào chuông thủy tinh kín và chiếu sáng liên tục.

TN2: Trồng cây trong nhà kín có thể điều chỉnh được nồng độ O₂.

TN3: Đo cường độ quang hợp ở các điều kiện ánh sáng cao, nhiệt độ cao. (mgCO₂/dm²lá.giờ).

Hãy phân tích nguyên tắc của các thí nghiệm nói trên.

Trả lời:

* Thí nghiệm 1:

- Nguyên tắc: Dựa vào điểm bù CO2 khác nhau của TVC3 và TVC4. Cây C3 sẽ chết trước  do có điểm bù CO2 cao  khoảng 30ppm còn TV C4 có điểm bù CO2 thấp       (0-10ppm).

* Thí nghiệm 2:

- Nguyên tắc: Dựa vào hô hấp sáng. Hô hấp sáng phụ thuộc vào nồng độ O2; hô hấp sáng chỉ có ở thực vật C3 không có ở thực vật C4 nên khi điều chỉnh O2  cao thì năng suất quang hợp TV C3 giảm đi.

* Thí nghiệm 3:

- Nguyên tắc: Dựa vào điểm bảo hòa ánh sáng. Điểm bảo hòa ánh sáng của thực vật C4 cao hơn thực vật C3 nên ở điều kiện ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao do cường độ quang hợp của thực vật C4 cao hơn (thường gấp đôi ) thực vật C3

Câu 2

a. Điểm bù ánh sáng là gì? Có thể sử dụng điểm bù ánh sáng để xác định cây ưa bóng và cây ưa sáng được không? Giải thích.

a. Mặc dù diện tích lỗ khí của toàn bộ khí khổng chỉ gần bằng 1% diện tích của lá, nhưng lượng nước thoát ra khỏi khí khổng lại lớn hơn lượng nước thoát qua bề mặt lá nhiều lần. Tại sao vậy? Trả lời:

a. - Điểm bù ánh sáng: Điểm bù ánh sáng là điểm cường độ ánh sáng mà ở đó cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.

- Có thể sử dụng.... để phân biệt cây ưa bóng và cây ưa sáng:

+ Cây ưa sáng có điểm bù ánh sáng cao, cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp.

+ Nếu ở một cường độ ánh sáng nào đó:

* một cây thải CO₂, có nghĩa là cây có điểm bù ánh sáng cao → cây ưa sáng

* còn một cây vẫn hấp thụ CO₂, có nghĩa là cây có điểm bù ánh sáng thấp → cây ưa bóng.

b. Cơ sở vật lý của quá trình bốc hơi nước đã chứng minh rằng: các phân tử nước bốc hơi và thoát vào không khí ở mép chậu nước dễ dàng hơn nhiều so với các phân tử nước bốc hơi từ giữa chậu nước. Như vậy vận tốc thoát hơi nước không chỉ phụ thuộc vào diện tích thoát hơi mà phụ thuộc chặt chẽ vào chu vi của các diện tích đó. Rõ ràng là hàng trăm khí khổng trên một milimet vuông lá sẽ có tổng chu vi lớn hơn rất nhiều so với chu vi lá và đó là lý do tại sao lượng nước thoát qua khí khổng là chính và với vận tốc lớn.

Câu 3

     a. Điểm bù ánh sáng quang hợp là gì? Điểm bù ánh sáng của cây ưa sáng và cây ưa bóng khác nhau như thế nào? Giải thích?

     b. Điểm bão hoà CO₂ là gì? Sự bão hoà CO₂ xảy ra trong điều kiện tự nhiên không?

Trả lời:

* Điểm bù ánh sáng là: Cường độ ánh sáng giúp quang hợp và hô hấp bằng nhau

* Cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng, vì: Cây ưa bóng có lục lạp to, nhiều hạt diệp lục hơn cây ưa sáng -> hấp thu ánh sáng tích cực, hiệu quả -> có điểm bù ánh sáng thấp, thích nghi với cường độ chiếu sáng tương đối yếu

* Điểm bão hoà CO₂: Nồng độ CO₂ để quang hợp đạt mức cao nhất.

* Trong tự nhiên không xảy ra tình trạng bão hoà CO₂, vì: hàm lượng CO₂ trong tự nhiên chỉ vào khoảng 0,03% rất thấp so với độ bão hoà CO₂( 0,06% - 0,4%).

Câu 4. Đặc điểm cấu trúc nào của lục lạp thích ứng với việc thực hiện hai pha của quá trình quang hợp?

Trả lời:

- Ngoài là màng kép, trong là cơ chất (chất nền) có nhiều hạt grana. Hạt grana là nơi diễn ra pha sáng, chất nền là nơi diễn ra pha tối.

- Hạt grana chứa hệ sắc tố quang hợp (hấp thụ các tia sáng) chứa trung tâm pư và các chất truyền điện tử giúp pha sáng được thực hiện.

- Chất nền có cấu trúc dạng keo, trong suốt, chứa nhiều enzim cacboxil hóa phù hợp với việc thực hiện các phản ứng khử CO2 trong pha tối.

----

 -(Để xem nội dung của tài liệu, các em vui lòng xem online hoặc đăng nhập HOC247.NET tải về máy)-

Trên đây là một phần trích đoạn nội dung tài liệu Bồi dưỡng HSG chủ đề Quang hợp ở thực vật Sinh học 11. Để xem thêm nhiều tài liệu tham khảo hữu ích khác các em chọn chức năng xem online hoặc đăng nhập vào trang hoc247.net để tải tài liệu về máy tính.

Hy vọng tài liệu này sẽ giúp các em học sinh ôn tập tốt và đạt thành tích cao trong học tập.