Giải chi tiết Sinh học 11 Cánh diều mới bài 4: Quang hợp ở thực vật

Mở đầu

Quang hợp ở thực vật có vai trò gì đối với thực vật và với các sinh vật khác trên Trái Đất? Có phải quá trình quang hợp ở các cây trong hình 4.1 đều diễn ra theo cơ chế giống nhau?

Hướng dẫn trả lời:

Quang hợp bao gồm các vai trò sau:

• Tổng hợp chất hữu cơ: Sản phẩm của quang hợp là tạo ra nguồn chất hữu cơ làm thức ăn cho mọi sinh vật, là nguyên liệu cho công nghiệp, ngoài ra làm ra thuộc chữa bệnh cho con người.
• Cung cấp năng lượng: Năng lượng trong ánh sáng mặt trời khi được hấp thụ và chuyển hóa thành hóa năng trong các liên kết hóa học. Đây là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động sống của các sinh vật.
• Cung cấp O2: Quá trình quang hợp của cây xanh khi hấp thụ khí CO2 và giải phóng O2 giúp điều hoà không khí, giảm hiệu ứng nhà kính, ngoài ra đem lại không khí trong lành cho Trái Đất và cung cấp dưỡng khí cho các sinh vật khác.

Không phải quá trình quang hợp ở các cây trong hình 4.11 đều diễn ra theo cơ chế giống nhau

HÌNH THÀNH KIẾN THỨC MỚI

I. KHÁI QUÁT VỀ QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

Dựa vào phương trình tổng quát, hãy nêu bản chất của quá trình quang hợp ở thực vật.

Hướng dẫn trả lời:

Bản chất của quá trình quang hợp: Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng (NLAS) để chuyển hóa CO2 và H2O thành hợp chất hữu cơ (C6H12O6) đồng thời giải phóng O2, trong quá trình này thực vật chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học.

II. QUÁ TRÌNH QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

Câu hỏi 1: Cho biết nguyên liệu và sản phẩm của pha sáng

Hướng dẫn trả lời:

Nguyên liệu: Năng lượng ánh sáng

Sản phẩm: Năng lượng hóa học tích lũy trong NADPH và ATP

Câu hỏi 2: Phân chia thực vật thành các nhóm C3, C4 và CAM dựa trên cơ sở khoa học nào?

Hướng dẫn trả lời:

Phân chia thực vật thành các nhóm C3, C4 và CAM dựa trên cơ sở pha đồng hóa CO2 diễn ra ở chất nền của lục lạp. 

• Thực vật C3: Nhóm thực vật này cố định CO2 theo chu trình Calvin, sản phẩm ổn định đầu tiên của chu trình là hợp chát 3 carbon nên chúng được gọi là thực vật C3
• Thực vật C4: Ở tế bào thịt lá, CO2 được cố định bởi hợp chất phosphoenolpyruvate và hình thành hợp chất oxaloacetate (4C) (hợp chất 4 carbon được hình thành đầu tiên nên gọi là thực vật C4. Oxaloacetate được chuyển hóa thành malate và vận chuyển sang tế bào bao bó mạch. Tại đây, malate chuyển hóa thành pyruvate đồng thời giải phóng CO2, CO2 được cố định và chuyển hóa thành hợp chát hữu cơ theo chu trình Calvin.
• Thực vật CAM: bản chất hóa học của quá trình cố định CO2 ở thực vật CAM và thực vật C4 là giống nhau, tuy nhiên ở thực vật CAM cả 2 giai đoạn đều diễn ra trên một tế bào nhưng ở hai thời điểm khác nhau.

III. VAI TRÒ CỦA QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

Giải thích vì sao quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng?

Hướng dẫn trả lời:

 Quang hợp tạo ra các phân tử đường. Các phân tử đường được vận chuyển đến tất cả các tế bào của cơ thể thực vật. Khoảng 50% hợp chấ carbon tạo ra từ quá trình quang hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng cho thực vật thông qua quá trình hô hấp tế bào, phần con lại được sử dụng để tổng hợp các hợp chất hữu cơ tham gia kiến tạo đồng thời dự trữ năng lượng cho tế bào và cơ thể thực vật. Đặc biệt, tinh bột là nguồn dự trữ carbon và năng lượng chính của tế bào và cơ thể thực vật.

Các hợp chất hữu cơ chiếm khoảng 90 - 95% tổng khối lượng vật chất khô của tế bào và cơ thể thực vật, phần còn lại 5 - 10% là các nguyên tố khoáng. Như vậy có thể thấy, quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng, hiệu quả của quá trình quang hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất cây trồng.

IV. MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUANG HỢP Ở THỰC VẬT

Câu hỏi 1: Phân tích ảnh hưởng của ánh sáng tới hiệu quả quang hợp.

Hướng dẫn trả lời:

Ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến quá trình quang hợp. Ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến phản ứng phân li nước và mức độ kích thích của các phân tử diệp lục, ảnh hưởng đến sự đóng mở của khí khổng nên gián tiếp ảnh hưởng đến hàm lượng CO2 trong tế bào.

Cường độ ánh sáng, thành phần quang phổ và thời gian chiếu sáng đều ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật. Ở cường độ ánh sáng mà cường độ quang hợp và hô hấp bằng nhau thì gọi là điểm bù ánh sáng. Hiệu quả của quang hợp tăng khi tăng cường độ ánh sáng và đạt giá trị cực đại ở điểm bão hòa ánh sáng, vượt qua điểm bão hòa ánh sáng, cường độ quang hợp không tăng mà có thể bị giảm. Ánh sáng đỏ và xanh tím giúp tăng hiệu quả của quang hợp. Thời gian chiếu sáng khoảng 10 - 12 giờ/ngày thường phù hợp với đa số thực vật.

Câu hỏi 2: Phân tích mối quan hệ giữa nồng độ CO2 và cường độ quang hợp. Điểm bù CO2 được xác định như thế nào?

Hướng dẫn trả lời:

Mối quan hệ giữa nồng độ CO2 với cường độ quang hợp: Khi tăng nồng độ CO2 thì cường độ quang hợp cũng tăng tỉ lệ thuận, sau đó tăng chậm cho tới khi đến giá trị bão hòa (nồng độ CO2 khoảng 0,06 - 0,1%).

Điểm bù CO2 là nồng độ CO2 mà tại đó lượng CO2 sử dụng cho quá trình quang hợp tương đương với lượng CO2 tạo ra trong quá trình hô hấp.

Câu hỏi 3: Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình quang hợp.

Hướng dẫn trả lời:

Nhiệt độ tối ưu cho quá trình quang hợp phụ thuộc vào loài thực vật và môi trường sống của chúng. Thông thường, khi các nhân tố môi trường khác ở điều kiện thuận lợi, cường độ quang hợp tăng khi tăng nhiệt độ. Khi vượt qua ngưỡng nhiệt tối ưu, cường độ quang hợp bắt đầu giảm. Ngưỡng nhiệt tối ưu của thực vật C3 dao động trong khoảng C, ngưỡng nhiệt tối ưu của thực vật C4 dạo động trong khoảng C, còn ở thực vật CAM là C.

Câu hỏi 4: Nêu các biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng dựa trên cơ sở cải tạo điều kiện môi trường sống.

Hướng dẫn trả lời:

Cải tạo tiềm năng của cây trồng: Tăng hiệu suất quang hợp bằng cách chọn tạo giống có cường độ quang hợp cao, chọn tạo giống cây kết hợp với biện pháp canh tác để sản phẩm quang hợp phân bố chủ yếu vào các bộ phận giá trị kinh tế (hạt, củ, hoặc thân, ...)

Tăng diện tích lá: Thực hiện biện pháp như tưới nước và bón phân hợp lí để lá sinh trưởng tốt, kết hợp với việc chăm sóc và loại bỏ sự cạnh tranh dinh dưỡng của những loài cỏ dại, các loài sinh vật ăn lá hoặc gây bệnh cho lá.

Sử dụng hiệu quả nguồn sáng: Chọn giống cây có thời gian sinh trưởng phù hợp với thời gian chiếu sáng và nhiệt độ ở các mùa khác nhau. Tăng diện tích tiếp xúc của lá cây với ánh sáng bằng cách bố trí hàng, luống phù hợp.

Tăng cường nguồn sáng: Khi cần thiết có thể chiếu sáng bổ sung và sử dụng nguồn sáng có bước sóng phù hợp với từng loại cây trồng.

V. THỰC HÀNH

1. Quan sát được lục lạp trong tế bào thực vật

Học sinh trình bày (hình vẽ hoặc ảnh chụp) và giải thích các kết quả thu được.

Hướng dẫn trả lời:

2. Nhận biết, tách chiết các sắc tố trong lá cây

Học sinh trình bày các kết quả thu được trên từng loại lá và cho nhận xét về màu sắc của các dịch lọc và miếng giấy lọc thu được ở các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng

Hướng dẫn trả lời:

• Kết quả và thảo luận: Miếng giấy lọc ở cốc đong đựng mẫu thí nghiệm có xuất hiện màu xanh, miếng giấy lọc ở cốc đong đựng mẫu đối chứng không dính màu
• Kết luận: trong cốc cồn (thí nghiệm) có màu sắc đậm hơn chứng tỏ độ hòa tan của các sắc tố trong cồn mạnh hơn là độ hòa tan các sắc tố trong nước

3. Thí nghiệm tìm hiểu sự hình thành tinh bột trong quá trình quang hợp

Học sinh trình bày các kết quả thu được, nhận xét màu sắc của phiến lá bọc giấy màu và không bọc giấy màu

Hướng dẫn trả lời:

Kết quả sự tạo thành tinh bột: Phần lá bị bịt giấy đen không có phản ứng đổi màu với dung dịch iodine, phần lá không bị bịt giấy đen có phản ứng đổi màu với dung dịch iodine.

Giải thích: Tiến hành bịt một phần lá thí nghiệm bằng băng giấy màu đen nhằm: ngăn cản quá trình quang hợp ở phần lá bị bịt băng đen.

• Phần lá bị bịt giấy đen: lá không thể quang hợp, tổng hợp chất hữu cơ. Lá không tích trữ được tinh bột nên không có phản ứng đổi màu với dung dịch iodine.
• Phần lá không bị bịt giấy đen: lá có thể quang hợp, tổng hợp chất hữu cơ. Lá tích trữ được tinh bột nên có phản ứng đổi màu với dung dịch iodine.

4. Thí nghiệm tìm hiểu sự thải oxygen trong quá trình quang hợp

Học sinh trình bày và giải thích các kết quả thu được

Hướng dẫn trả lời:

Kết quả sự thải oxygen: Ống nghiệm ở ngoài sáng có xuất hiện bọt khí, ống nghiệm ở trong tối không có bọt khí

Giải thích: Chất khí được thải ra chính là khí oxygen. Do cốc thuỷ tinh được chiếu ánh sáng nên cành rong đuôi chó ở cốc đó sẽ tiến hành quang hợp thải ra khí oxygen. Oxygen nhẹ hơn nước nên sẽ tạo thành bọt khí nổi lên trên.

LUYỆN TẬP

Câu hỏi 1: Nên chiếu ánh sáng có bước sóng nào để tăng cường hiệu quả quang hợp ở thực vật?

Hướng dẫn trả lời:

Thực vật sử dụng các phạm vi nanomet khác nhau cho các giai đoạn tăng trưởng khác nhau. Phạm vi hữu ích cho cây trồng gọi là Bức xạ quang hợp – chúng có bước sóng từ 400 nm đến 700 nm (bức xạ ánh sáng nhìn thấy) có hiệu quả đối với quang hợp.

Câu hỏi 2: Quan sát hình 4.9, so sánh nhu cầu CO2 giữa thực vât C3 và C4.

Hướng dẫn trả lời:

• Nhu cầu CO2 của thực vât C3 cao (25 - 100 ppm)
• Nhu cầu CO2 của thực vât C4 thấp (0 - 10 ppm)

Câu hỏi 3: Giải thích cơ sở khoa học của các biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng liên quan đến quá trình quang hợp

Hướng dẫn trả lời:

Muốn nâng cao năng suất cây trồng thì cần phải có các biện pháp tác động để tăng hiệu quả của quá trình quang hợp. Cơ sở khoa học của các biện pháp kĩ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng liên quan đến quá trình quang hợp là dựa trên những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang hợp ở thực vật

VẬN DỤNG

Câu hỏi 1: Ở những vùng có khí hậu nóng và khô nên trồng nhóm thực vật nào? Giải thích.

Hướng dẫn trả lời:

Ở những vùng có khí hậu nóng và khô nên trồng nhóm thực vật CAM bởi vì khí khổng của loài thực vật này thường đóng vào ban ngày và mở ra vào ban đêm để tránh mất nước do quá trình thoát hơi nước

Câu hỏi 2: Ý nghĩa của việc xác định điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng đối với cây trồng.

Hướng dẫn trả lời:

Xác định điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng đối với cây trồng sẽ giúp xác định được điểm cực đại mà ở đó hiệu quả của quang hợp là tốt nhất, duy trì được cường độ ánh sáng tại điểm này sẽ giúp cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt và cho năng suất lớn