Quang hợp

[Mr Bi]

Quang hợp
​

I. Mục tiêu Học xong phần A3, học sinh phải:
- Trình bày được khái niệm và vai trò của quang hợp
- Giải thích được mối liên quan chặt chẽ giữa chức năng và bộ máy quang hợp
- Phân biệt và so sánh được sự giống nhau và khác nhau về các con đường cố định CO2 ở các nhóm thực vật C3, C4, CAM
- Giải thích được các ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến quang hợp
- Liên hệ và vận dụng được giữa lí luận với thực tiễn vấn đề điều khiển chức năng quang hợp với mục đích nâng cao năng suất cây trồng​

II. Tóm tắt nội dung
1.Khái niệm về quang hợp
1.1. Định nghĩa:

Phương trình quang hợp được viết như sau:
6 CO2 + 6 H2O —-A/s, Sắc tố —-> C6H12O6 + 6O2
Người ta thường dựa vào phương trình quang hợp này để định nghỉa quá trình quang hợp của thực vật.
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).​

1.2. Vai trò của quá trình quang hợp​

Chúng ta có thể khẳng định một cách chắc chắn rằng: Quang hợp là một quá trình mà tất cả sự sống trên trái đất này đều phụ thuộc vào nó và chứng minh điều khẳng định này bằng ba vai trò của quá trình quang hợp sau đây:
a) Quang hợp tạo ra hầu như toàn bộ các chất hữu cơ trên trái đất. Ngoài quá trình quang hợp ở cây xanh và ở một số vi sinh vật quang hợp, nói chung không có một sinh vật nào có thể tự tạo được chất hữu cơ (trừ một số rất ít vi sinh vật hoá tự dưỡng). Vì vậy người ta gọi thực vật và một số vi sinh vật quang hợp là các sinh vật quang tự dưỡng và luôn đứng đầu chuỗi thức ăn trong các hệ sinh thái. Động vật lấy thức ăn trực tiếp từ thực vật. Nhu cầu ăn, mặc, ở của con người được cung cấp gián tiếp (qua động vật) và trực tiếp từ thực vật.
b) 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.
c) 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 O2 trong khí quyển luôn được giữ cân bằng (CO2: 0,03%, O2: 21%), đảm bảo cuộc sống bình thường trên trái đất.​

1.3. Bản chất hoá học và khái niệm hai pha của quang hợp:
Trên cơ sở các thí nghiệm:
- Chiếu sáng nhấp nháy
- Ánh sáng và nồng độ CO2
- Đo hệ số nhiệt Q10
Đã xác định: 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. Tiếp theo là 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
2.1. 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 dưới để trao đổi khí trong quá trình quang hợp​

2.2. 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.​

2.3. Hệ sắc tố quang hợp:
- Nhóm sắc tố chính – clorophin.
+ Clorophin a: C55H72O5N4Mg
+ Clorophin b: C55H70O6N4Mg

- Nhóm sắc tố phụ – Carotenoid
+ Caroten: C40H56
+ Xanthophin: C40H56O(1-6)
- Nhóm sắc tố của thực vật bậc thấp – phycobilin:
+ Phycoerythrin: C34H47N4O8
+ Phycoxyanin: C34H42N4O9​

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

a). 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
b). Nhóm Carotenoit sau khi hấp thụ ánh sáng, đã truyền năng lượng thu được
dưới dạng huỳnh quang cho Clorophin
c). 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
3.1. 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:
1. Phản ứng kích thích chlorophin: chl + h√ = chl* = chln
(ch l- trạng thái bình thường, chl* – trạng thái kích thích, chln – trạng thái bền thứ cấp).
2. Phản ứng quang phân li nước:

4 chl* + 2 H2O ↔ 4chlH+ + 4e + O2​

3. Phản ứng quang hoá sơ cấp 3 (được thực hiện bằng hai hệ quang hoá PSI và PSII) và photphorin hoá quang hoá:
12H2O +18ADP + 18Pv + 12NADP => 18ATP + 12NADPH2 +6O2​

3.2.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).

Như vậy quang hợp ở các nhóm thực vật C3, 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 C3, 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.
1. Con đường cố định CO2 ở thực vật C3

2. Con đường cố định CO2 ở thực vật C4

3. Con đường cố định CO2 ở thực vật CAM

4. ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến Quang hợp ​

Quang hợp là quá trình cơ bản trong hoạt động sống của cơ thể thực vật, có quan hệ mật thiết với tất cả các quá trình trao đổi chất khác của cơ thể và chịu ảnh hưởng liên tục của nhân tố môi trường.​

4.1. 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. a) Điểm bù CO2: Nồng độ CO2 tối thiểu để cường độ quang hợp và cường độ hô hấp bằng nhau.
b) Điểm bão hoà CO2: Nồng độ CO2 tối đa để cường độ quang hợp đạt cao nhất.
​

4.2. Quang hợp và cường độ, thành phần quang phổ ánh sáng

Trong các yếu tố môi trường liên quan đến quang hợp, ánh sáng là yếu tố cơ bản để tiến hành quang hợp.
Trong mối liên quan này, cần lưu ý hai khái niệm:​

a) Điểm bù ánh sáng: Cường độ ánh sáng tối thiểu để cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau.
b) 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: Đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cường độ quang hợp và thành phần quang phổ ánh sáng và thấy rằng: 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.​

4.3. 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. Như vậy 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.​

4.4. Quang hợp và nước
Vai trò của nước đối với quang hợp có thể tóm tắt như sau:
- Hàm lượng nước trong không khí, trong lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước, do đó ảnh h ưởng đến độ mở khí khổng, tức là ảnh hưởng đến tốc độ hấp thụ CO2 vào lục lạp.
- Nước ảnh hởng 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.​

5.5. Quang hợp và dinh dưỡng khoáng
Chú ý học theo sơ đồ minh hoạ trong SGK​

5. Quang hợp và năng suất cây trồng
5.1. Quang hợp quyết định năng suất cây trồng​

Người ta đã chứng minh được rằng: 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. Chính vì vậy chúng ta có thể khẳng định rằng: Quang hợp quyết định 90-95% năng suất cây trồng.
Timiriazev-nhà Sinh lí thực vật người Nga đã viết: “ Bằng cách điều khiển chức năng quang hợp, con ngời có thể khai thác cây xanh vô hạn “. Trồng trọt đúng là một hệ thống sử dụng chức năng cơ bản của cây xanh – chức năng quang hợp và tất cả các biện pháp kĩ thuật của hệ thống trồng trọt đều nhằm mục đích sao cho mọi hoạt động của bộ máy quang hợp có hiệu quả nhất.
Có thể nói: Trồng trọt chính là ngành kinh doanh năng lượng mặt trời.​

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 .
Như vậy các biện pháp kĩ thuật nhằm nâng cao năng suất cây trồng chính là các biện pháp nhằm:
- Tăng cường độ và hiệu suất quang hợp bằng chọn giống, lai tạo giống mới có khả năng quang hợp cao .
- Điều khiển sự sinh trưởng của diện tích lá bằng các biện pháp kĩ thuật như bón phân, tưới nước hợp lí.
- Nâng cao hệ số hiệu quả quang hợp và hệ số kinh tế bằng chọn giống và các biện pháp kĩ thuật thích hợp
- Chọn các giống cây trồng có thời gian sinh trưởng vừa phải hoặc trồng vào thời vụ thích hợp để cây trồng sử dụng được tối đa ánh sáng mặt trời cho quang hợp .​

5.3. Triển vọng của năng suất cây trồng​

Trên quan điểm quang hợp, muốn tăng năng suất cây trồng, chúng ta phải điều khiển quần thể quang hợp cả ba mặt: thành phần tạo nên quần thể, cấu trúc của quần thể và hoạt động của quần thể, sao cho có hiệu quả nhất. Trong thực tế sản xuất, người ta đã nghiên cứu tạo ra các quần thể quang hợp có năng suất rất cao như quần thể quang hợp của vi tảo Chlorella, quần thể quang hợp tối ưu của thực vật trong điều kiện khí hậu nhân tạo. Các hệ quang hợp này đã sử dụng được 5% ánh sáng mặt trời và cho năng suất khoảng 125 tạ /ha (vùng ôn đới v), 250 tạ / ha (vùng nhiệt đới v), trong khi hầu hết các quần thể cây trồng, kể cả quần thể rừng nhiệt đới chỉ mới sử dụng được 0,5 – 2,5% ánh sáng mặt trời và cho năng suất khoảng 50 tạ / ha.
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
III. Câu hỏi và bài tập

1. Vì sao nói: Quang hợp là quá trình oxi hoá khử?
2. Nêu vai trò của quang hợp?
3. Trong màng thylacoit của lục lạp có 2 hệ thống quang hoá3: PS I và PS II
a) PS I hay PS II hoặc cả hai chứa sắc tố hấp thụ ánh sáng. Đó là những nhóm sắc tố nào?
b) Quang phân ly H2O xảy ra ở đâu, sản phẩm của chúng là gì ? Sản phẩm nào được sử dụng cho phản ứng sáng?
c) Một số vi khuẩn quang hợp không có quá trình quang phân ly H2O mà phân huỷ các hợp chất khác. Hãy chọn một hợp chất đúng trong các hợp chất sau đây: H2S,CH4,Na2SO4,C2H4
4. Cây cối có thể điều chỉnh số lượng và chất lượng ánh sáng chiếu vào nó được không? Bằng cách nào?
5. Khi đo cường độ quang hợp của cây trồng vùng nhiệt đới người ta thấy có hiện cường độ quang hợp giảm vào buổi tra. Hãy giải thích hiện tợng này.
III. Trả lời câu hỏi và bài tập
Câu 1. Nói: Quang hợp là quá trình oxi hoá khử, vì quang hợp là một quá trình hoá học gồm 2 pha rõ rệt: Pha sáng là pha oxi hoá H2O nhờ năng lượng ánh sáng và pha tối là pha khử CO2 nhờ ATP và NADPH hình thành từ pha sáng.
Câu 2. Vai trò của quang hợp: Nêu đầy đủ 3 vai trò:
- Quang hợp là quá trình gần như duy nhất tạo ra chất hữu cơ từ các chất vô cơ.
- Quang hợp biến đổi năng lượng vật lí Q (năng lượng phôtôn n) thành năng lượng hoá học dự trữ trong các chất hữu cơ ( ATP ).
- Quang hợp hấp thụ CO2 và thải O2, giúp cân bằng tỉ lệ CO2 và O2 trong khí quyển và chỉ với tỉ lệ này con người và mọi sinh vật trên trái đất này mới tồn tại được.
Câu 3. a) Cả hai hệ thống quang hoá đều chứa sắc tố. Đó là các nhóm sắc tố: clorophin và carotenoit.
b) Quang phân li H2O xảy ra ở pha sáng ( PS II ). Sản phẩm của quá trình này là NADPH và O2. Sản phẩm NADPH được sử dụng cho phản ứng tối.
c) Hợp chất đúng là H2S
Câu 4. Có. Bằng cách:
- Sắp xếp các tầng lá trên cây
- Xoay bề mặt lá vuông góc hoặc song song với tia sáng.
- Thay đổi bề mặt chiếu sáng hoặc vị trí của lục lạp.
- Thay đổi hàm lượng và tỉ lệ các nhóm sắc tốT
Câu 5. Cường độ quang hợp giảm vào buổi trưa ở vùng nhiệt đới trong mùa hè, vì buổi trưa mùa hè nhiệt độ rất cao, cây phải thoát rất nhiều nước. Để tiết kiệm nước cây phải đóng bớt khí khổng (khép hờ). Trong trường hợp này, sự thoát hơi nước giảm, nhưng lượng CO2 hấp thụ lại ít và dẫn đến cường độ quang hợp giảm.


Sưa tầm