Giải SGK Sinh học 11 CTST Bài 4: Quang hợp ở thực vật có đáp án

- Nguyên liệu của quá trình quang hợp ở thực vật: CO$_{2}$, nước và năng lượng ánh sáng.

- Sản phẩm của quá trình quang hợp là: chất hữu cơ và khí O$_{2}$.

- Nguồn gốc của các nguyên liệu của quá trình quang hợp ở thực vật:

+ CO$_{2}$ được thực vật lấy từ khí quyển nhờ quá trình trao đổi khí của cây.

+ Nước được hấp thụ từ môi trường chủ yếu nhờ quá trình hấp thụ nước và muối khoáng ở rễ.

+ Năng lượng ánh sáng có thể sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời hoặc nhân tạo.

Sự sống của con người và các loài sinh vật trên Trái Đất đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp vì quang hợp có vai trò quan trọng đối với con người và các loài sinh vật:

- Quang hợp cung cấp chất hữu cơ và năng lượng cho thực vật và nhiều sinh vật khác: Khoảng 50% chất hữu cơ được tạo ra từ quang hợp được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của thực vật. Phần còn lại được dùng làm nguyên liệu tổng hợp các hợp chất hữu cơ cấu tạo nên thực vật, đồng thời là nguồn carbon và năng lượng dự trữ cho tế bào và cơ thể thực vật. Sản phẩm hữu cơ được tạo ra từ quang hợp cung cấp vật chất và năng lượng có thể sử dụng cho các loài sinh vật (kể cả con người). Sản phẩm của quá trình quang hợp còn cung cấp nguồn nguyên liệu cho công nghiệp, xây dựng, sản xuất dược liệu.

- Quang hợp cung cấp nguồn O$_{2}$ – dưỡng khí cho sự sống của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất.

- Quang hợp đảm bảo hàm lượng khí O$_{2}$ và CO$_{2}$ trong khí quyển được duy trì ở mức ổn định, góp phần ngăn chặn hiệu ứng nhà kính, bảo vệ môi trường sống của các sinh vật.

- Hệ sắc tố ở thực vật gồm hai nhóm: Chlorophyll (gồm chlorophyll a và chlorophyll b) và carotenoid (gồm carotene và xanthophyll).

- Vai trò của mỗi nhóm sắc tố:

+ Cholorophyll hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng xanh tím và đỏ, chuyển năng lượng ánh sáng hấp thụ được cho các phản ứng quang hóa để hình thành ATP và NADPH.

+ Carotenoid hấp thụ ánh sáng chủ yếu ở vùng xanh tím, sau đó, truyền năng lượng ánh sáng đã hấp thụ được cho chlorophyll.

- Một số loài thực vật có lá màu đỏ hoặc tím (rau dền, tía tô,…) vẫn có thể thực hiện quang hợp bình thường.

- Giải thích: Ngoài sắc tố màu xanh lục (chlorophyll) chứa trong lục lạp, lá còn có sắc tố đỏ, cam, tím,… (carotenoid). Tùy vào tỉ lệ các loại sắc tố này trong lá mà chúng sẽ có các màu sắc khác nhau. Như vậy, ở các loại lá có màu đỏ hoặc tím vẫn chứa chlorophyll chỉ là hàm lượng ít hơn carotenoid. Do đó, một số loài thực vật có lá màu đỏ hoặc tím (rau dền, tía tô,…) vẫn có thể thực hiện quang hợp bình thường.

- Pha sáng của quang hợp gồm các phản ứng sau:

+ Các phân tử sắc tố quang hợp hấp thụ năng lượng ánh sáng và truyền năng lượng đã hấp thụ cho chlorophyll a ở trung tâm phản ứng. Các phân tử chlorophyll a ở trung tâm phản ứng thu nhận ánh sáng trở thành dạng kích động electron và chuyền electron cho chuỗi truyền electron quang hợp nằm trên màng thylakoid.

+ Phản ứng quang phân li nước: Sự mất electron của chlorophyll a ở trung tâm phản ứng đã kích hoạt quá trình quang phân li nước theo sơ đồ phản ứng:

+ Phản ứng tổng hợp ATP và NADPH: Các electron được giải phóng từ quá trình quang phân li nước sẽ đến bù lại cho electron bị mất của chlorophyll a, còn các electron được kích hoạt bằng năng lượng ánh sáng giải phóng từ chlorophyll a và H$^{+}$ (từ quang phân li nước) sẽ tham gia tổng hợp ATP và khử NADP$^{+}$ thành NADPH trong chuỗi truyền electron quang hợp.

- Những sản phẩm được hình thành khi kết thúc pha sáng: ATP, NADPH và O$_{2}$.

Con đường đồng hóa CO$_{2}$ ở thực vật C$_{3}$ chia thành 3 giai đoạn: Giai đoạn cố định CO$_{2}$, giai đoạn khử và giai đoạn tái tạo chất nhận:

- Giai đoạn cố định CO$_{2}$: Ribulose bisphosphate (RuBP) kết hợp với CO$_{2}$ tạo ra 3-phosphoglycerate (3PG).

- Giai đoạn khử: 3PG được khử thành glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) với sự tham gia của ATP và NADPH được tạo ra từ pha sáng.

- Giai đoạn tái tạo chất nhận: Một phần G3P sẽ được sử dụng cho tái tạo RuBP, phần G3P còn lại sẽ được sử dụng để tổng hợp glucose.

Con đường đồng hóa CO$_{2}$ ở thực vật C$_{4}$: Thực vật C$_{4}$ cố định CO$_{2}$ theo hai giai đoạn với sự tham gia của hai loại tế bào khác nhau là tế bào nhu mô thịt lá và tế bào bao bó mạch.

- Giai đoạn cố định tạm CO$_{2}$ (diễn ra ở tế bào nhu mô thịt lá): Phosphoenolpyruvate (PEP) nhận CO$_{2}$ tạo thành sản phẩm đầu tiên là oxaloacetic acid (OAA). OAA bị khử để tạo thành malic acid (MA).

- Giai đoạn cố định CO$_{2}$ theo chu trình Calvin (diễn ra ở tế bào bao bó mạch): MA (4C) từ tế bào nhu mô thịt lá chuyển sang tế bào bao bó mạch được chuyển hóa thành pyruvic acid đồng thời giải phóng CO$_{2}$. CO$_{2}$ được giải phóng sẽ tiếp tục đi vào chu trình Calvin để tổng hợp glucose. Còn pyruvic acid sẽ được sử dụng để tái tạo chất nhận CO$_{2}$ ban đầu là PEP với sự tham gia của ATP.

Thực vật C$_{4}$ và thực vật CAM có thêm chu trình cố định tạm CO$_{2}$ để đảm bảo nguồn cung cấp CO$_{2}$ cho quang hợp trong điều kiện khí khổng chủ động đóng một phần để tránh mất nước:

- Nhóm thực vật C$_{4}$ thích nghi với điều kiện khí hậu nóng ẩm kéo dài (cường độ ánh sáng mạnh, nhiệt độ cao, nồng độ CO$_{2}$ thấp và nồng độ O$_{2}$ cao). Trong điều kiện này, khí khổng đóng lại để tránh mất nước dẫn đến nồng độ CO$_{2}$ trong tế bào thấp. Điều này có thể dẫn đến hiện tượng hô hấp sáng gây lãng phí sản phẩm của quá trình quang hợp. Tuy nhiên, ở thực vật C$_{4}$ nhờ có kho dự trữ CO$_{2}$ là malic acid được tạo ra do quá trình cố định tạm CO$_{2}$ ở tế bào nhu mô thịt lá mà thực vật C$_{4}$ vẫn có thể quang hợp bình thường trong điều kiện bất lợi này.

- Nhóm thực vật CAM thích nghi với khí hậu sa mạc hoặc các điều kiện khô hạn kéo dài (cường độ ánh sáng cao, thiếu nước). Trong điều kiện này, để tránh sự mất nước, các loài thực vật này đóng khí khổng vào ban ngày và mở khí khổng vào ban đêm để lấy CO$_{2}$. Tuy nhiên, quang hợp cần diễn ra khi có năng lượng ánh sáng (ban ngày). Do đó, con đường đồng hóa CO$_{2}$ ở thực vật CAM sẽ diễn ra theo cách riêng: cố định CO$_{2}$ vào ban đêm (dự trữ nguồn CO$_{2}$ cho chu trình Calvin), còn chu trình Calvin diễn ra vào ban ngày khi có ánh sáng. Nhờ đó, thực vật CAM vẫn có thể quang hợp bình thường trong điều kiện bất lợi này.

Ảnh hưởng của ánh sáng đến quá trình quang hợp ở cây ưa sáng và cây ưa bóng:

- Hiệu quả của quang hợp càng tăng khi tăng cường độ ánh sáng và đạt cực đại ở điểm bão hòa ánh sáng. Vượt qua điểm bão hõa ánh sáng, cường độ quang hợp không tăng mà có thể giảm.

- Thực vật ưa sáng có điểm bão hòa ánh sáng cao hơn thực vật ưa bóng, thực vật ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn thực vật ưa sáng.

Ảnh hưởng của nồng độ CO$_{2}$ đến quá trình quang hợp ở thực vật C$_{3}$ và C$_{4}$:

- Khi tăng nồng độ CO$_{2}$ thì cường độ quang hợp cũng tăng tỉ lệ thuận, sau đó tăng chậm cho tới khi đến giá trị bão hòa. Khi nồng độ CO$_{2}$ tăng quá cao có thể làm cây chết vì ngộ độc CO$_{2}$.

- Thực vật C$_{4}$ có điểm bù CO$_{2}$ thấp hơn thực vật C$_{3}$.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình quang hợp ở thực vật C$_{3}$ và C$_{4}$:

- Trong điều kiện thuận lợi, khi nhiệt độ tăng thì cường độ quang hợp ở thực vật C$_{3}$ tăng dần và đạt mức cực đại ở nhiệt độ tối ưu (khoảng 25 – 30$^{o}$C); nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, cường độ quang hợp giảm.

- Các loài thực vật C$_{4}$ sống ở sa mạc có cường độ quang hợp đạt cực đại ở nhiệt độ cao hơn 40$^{o}$C.

- Trong nông nghiệp, nếu trồng cây với mật độ quá dày sẽ ảnh hưởng xấu đến quá trình quang hợp.

- Giải thích: Khi trồng ở mật độ quá dày, cây sẽ thu nhận được ít ánh sáng, nước, chất dinh dưỡng, CO$_{2}$,… dẫn đến thiếu nguồn nguyên liệu và điều kiện thuận lợi cho quá trình quang hợp. Do đó, cường độ quang hợp của cây kém dẫn đến cây sẽ sinh trưởng, phát triển kém.

Một số biện pháp kĩ thuật để tăng năng suất cây trồng và cơ sở khoa học của các biện pháp:

“Canh tác theo chiều thẳng đứng” được xem là giải pháp tiềm năng trong tương lai để giải quyết các vấn đề về lương thực vì:

- Loại hình canh tác này điều chỉnh, kiểm soát được các yếu tố môi trường (ánh sáng, nước, nhiệt độ, độ ẩm,…) ở mức phù hợp nhất cho quá trình quang hợp ở cây trồng, nhờ đó, vừa giúp tăng cường độ quang hợp vừa giúp hạn chế dịch bệnh, thiên tai. Do đó, cây được trồng theo mô hình này sẽ có năng suất, chất lượng cao vượt trội.

- Đồng thời, loại hình canh tác này cũng tiết kiệm diện tích đất trồng, tăng năng suất cây trồng trên một đơn vị diện tích lên gấp nhiều lần. Khi đó, công việc sản xuất lương thực có thể thực hiện ngay cả ở nơi thành thị, giúp giảm áp lực lên những mảnh đất đứng trước nguy cơ bị chuyển đổi thành đất nông nghiệp.