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?
Quá trình quang hợp có vai trò cực kỳ quan trọng đối với cả thực vật và các sinh vật khác trên Trái Đất. Đối với thực vật, quang hợp là quá trình chính để tạo ra nguồn năng lượng từ ánh sáng mặt trời, thông qua việc chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành hóa năng, tạo ra các hợp chất hữu cơ (như glucose) từ khí carbon dioxide (CO2) và nước (H2O). Quá trình này không chỉ giúp cây trồng phát triển mà còn tạo ra oxy (O2) – một khí quan trọng cho sự sống của các sinh vật hô hấp, bao gồm cả con người và động vật.
Đối với các sinh vật khác trên Trái Đất, quang hợp là nguồn cung cấp năng lượng cơ bản. Các sinh vật ăn thực vật (herbivores) hoặc ăn các sinh vật ăn thực vật (carnivores) đều dựa vào năng lượng từ thực vật. Oxy sinh ra trong quá trình quang hợp cũng là điều kiện thiết yếu cho sự sống của hầu hết các sinh vật, đặc biệt là động vật và con người.
Về cơ chế quang hợp, không phải tất cả các cây đều thực hiện quá trình này theo cơ chế giống nhau. Có ba nhóm cơ chế quang hợp chính là quang hợp C3, C4 và CAM, mỗi nhóm có cách thức sử dụng CO2 khác nhau trong điều kiện môi trường khác nhau. Cây thuộc nhóm C3 là nhóm phổ biến nhất và thực hiện quang hợp thông qua một chu trình đơn giản, trong khi đó các cây C4 và CAM có những thích nghi đặc biệt giúp chúng quang hợp hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao hoặc thiếu nước. Tuy vậy, tất cả các nhóm cây này đều thực hiện quá trình quang hợp với mục tiêu chung là tổng hợp chất hữu cơ và giải phóng oxy.
Giải Câu hỏi 1 trang 25 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Dựa vào phương trình tổng quát, hãy nêu bản chất của quá trình quang hợp ở thực vật.
Quá trình quang hợp ở thực vật có thể được mô tả qua phương trình tổng quát sau:
Bản chất của quá trình quang hợp là việc chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học dưới dạng glucose (C6H12O6), sử dụng CO2 và H2O làm nguyên liệu. Quá trình này diễn ra trong các tế bào thực vật, chủ yếu là ở lục lạp, nơi chứa sắc tố diệp lục (chlorophyll) – một sắc tố giúp hấp thụ ánh sáng mặt trời. Quá trình quang hợp gồm hai pha: pha sáng và pha tối. Trong pha sáng, ánh sáng được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng dưới dạng ATP và NADPH. Trong pha tối (hay còn gọi là chu trình Calvin), ATP và NADPH được sử dụng để tổng hợp glucose từ CO2.
Điều quan trọng trong quá trình quang hợp là nó không chỉ cung cấp năng lượng cho cây mà còn tạo ra oxy, một yếu tố sống còn cho các sinh vật hô hấp. Quá trình này giúp duy trì chu trình carbon trên hành tinh, đóng vai trò thiết yếu trong sự cân bằng sinh thái và khí hậu của Trái Đất.
Luyện tập 1 trang 26 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Nên chiếu ánh sáng có bước sóng nào để tăng cường hiệu quả quang hợp ở thực vật?
Để tăng cường hiệu quả quang hợp, ánh sáng có bước sóng chủ yếu từ 400 đến 700 nm, thuộc vùng ánh sáng nhìn thấy (còn được gọi là quang phổ ánh sáng khả kiến), là bước sóng hiệu quả nhất. Cây thực vật hấp thụ ánh sáng trong vùng này tốt nhất, đặc biệt là ánh sáng xanh (450-495 nm) và đỏ (620-750 nm), vì đây là các bước sóng mà diệp lục hấp thụ mạnh mẽ. Ánh sáng xanh giúp kích thích sự hình thành của chlorophyll, trong khi ánh sáng đỏ đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các phản ứng quang hợp. Việc cung cấp ánh sáng trong phạm vi này giúp tối ưu hóa quá trình quang hợp, thúc đẩy cây phát triển mạnh mẽ hơn.
Giải Câu hỏi 2 trang 27 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Cho biết nguyên liệu và sản phẩm của pha sáng.
Nguyên liệu của pha sáng trong quá trình quang hợp là ánh sáng mặt trời, nước (H2O), và một số sắc tố như diệp lục (chlorophyll) có trong lục lạp của tế bào thực vật. Ánh sáng sẽ kích hoạt các phản ứng hóa học trong các tế bào này, giúp phân ly nước thành oxy (O2), proton (H+), và electron (e-).
Sản phẩm của pha sáng bao gồm ATP (adenosine triphosphate), NADPH (nicotinamide adenine dinucleotide phosphate), và O2. ATP và NADPH được tạo ra từ sự chuyển hóa ánh sáng và sẽ được sử dụng trong pha tối của quang hợp để tổng hợp glucose từ CO2.
Giải Câu hỏi 3 trang 27 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Việc phân chia thực vật thành các nhóm C3, C4 và CAM dựa trên cơ sở khoa học nào?
Việc phân chia thực vật thành các nhóm C3, C4 và CAM dựa trên cơ sở khoa học về cách thức cây sử dụng CO2 trong quá trình quang hợp, đặc biệt là sự khác biệt trong cách thức cố định carbon.
Cây C3 sử dụng một enzyme gọi là RuBisCO để cố định CO2 trực tiếp vào chu trình Calvin, tạo ra hợp chất 3-carbon (3-PGA). Tuy nhiên, quá trình này không hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao vì RuBisCO có thể kết hợp với oxy thay vì CO2, làm giảm hiệu quả quang hợp.
Cây C4 có một cơ chế đặc biệt giúp cố định CO2 ở dạng hợp chất 4-carbon (oxaloacetate) trong tế bào mô mềm, sau đó CO2 được chuyển đến tế bào nơi chu trình Calvin diễn ra. Điều này giúp cây C4 quang hợp hiệu quả hơn trong điều kiện nhiệt độ cao và ánh sáng mạnh.
Cây CAM (Crassulacean Acid Metabolism) có khả năng hấp thu CO2 vào ban đêm và lưu trữ dưới dạng acid malic trong tế bào. Ban ngày, CO2 được giải phóng từ acid malic và tham gia vào chu trình Calvin. Cây CAM thích nghi tốt với môi trường khô hạn vì giảm thiểu sự mất nước trong quá trình quang hợp.
Giải Câu hỏi 4 trang 28 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Giải thích vì sao quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng?
Quang hợp có vai trò quyết định đến năng suất cây trồng vì nó tạo ra năng lượng hóa học cần thiết để thực vật phát triển. Năng suất cây trồng phụ thuộc trực tiếp vào lượng chất hữu cơ (chủ yếu là carbohydrate) mà cây có thể sản xuất thông qua quang hợp. Khi quang hợp diễn ra hiệu quả, cây có thể tạo ra lượng lớn glucose, cung cấp năng lượng cho sự phát triển của cây, từ đó giúp cây trồng sinh trưởng, ra hoa, kết quả tốt hơn.
Ngoài ra, quang hợp còn ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ sinh thái nói chung. Cây trồng không chỉ cung cấp nguồn thức ăn cho động vật mà còn tạo ra oxy, duy trì sự sống trên hành tinh. Vì vậy, quang hợp đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao năng suất cây trồng và duy trì sự sống của các sinh vật.
Giải Câu hỏi 5 trang 29 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Phân tích ảnh hưởng của ánh sáng tới hiệu quả quang hợp.
Ánh sáng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả quang hợp. Cường độ ánh sáng càng cao, càng nhiều photon sẽ kích thích quá trình quang hợp. Tuy nhiên, quá trình này chỉ hiệu quả đến một mức độ nhất định, gọi là điểm bão hòa ánh sáng. Khi cây tiếp xúc với ánh sáng quá mạnh, các phản ứng quang hợp có thể bị giảm sút do hiện tượng "chuyển hoá ánh sáng", khi đó các enzyme và cơ chế quang hợp không còn hoạt động hiệu quả nữa.
Ngoài cường độ, chất lượng của ánh sáng cũng ảnh hưởng đến hiệu quả quang hợp. Cây thực vật chủ yếu hấp thụ ánh sáng ở vùng đỏ và xanh của quang phổ ánh sáng, vì vậy ánh sáng chứa nhiều bước\(C{O_2}\) sóng này sẽ tối ưu hóa quá trình quang hợp.
Giải Câu hỏi 6 trang 30 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Phân tích mối quan hệ giữa nồng độ \(C{O_2}\) và cường độ quang hợp. Điểm bù \(C{O_2}\) được xác định như thế nào?
Mối quan hệ giữa nồng độ CO2 và cường độ quang hợp là mối quan hệ tỷ lệ thuận. Khi nồng độ CO2 trong môi trường tăng, cường độ quang hợp cũng sẽ tăng do CO2 là một nguyên liệu quan trọng trong quá trình này. Tuy nhiên, sự tăng trưởng của cường độ quang hợp chỉ xảy ra đến một mức độ nhất định trước khi bị bão hòa, khi đó việc tăng CO2 sẽ không làm tăng thêm quá trình quang hợp.
Điểm bù CO2 được xác định khi tốc độ hô hấp của cây bằng với tốc độ quang hợp. Khi CO2 đạt đến điểm này, cây không còn tạo ra oxy thêm nữa, vì lượng oxy tiêu thụ trong hô hấp ngang bằng với lượng oxy sinh ra từ quang hợp.
Luyện tập 2 trang 30 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Quan sát hình 4.9, so sánh nhu cầu \(C{O_2}\) giữa thực vật C3 và C4.
Cây C3 cần một lượng CO2 cao hơn so với cây C4 để thực hiện quang hợp hiệu quả. Cây C4 có khả năng cố định CO2 mạnh mẽ hơn nhờ vào cơ chế riêng biệt của chúng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng CO2 ngay cả trong môi trường có ít CO2 hoặc nhiệt độ cao.
Giải Câu hỏi 7 trang 31 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình quang hợp.
Nhiệt độ có ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình quang hợp, đặc biệt là đến hoạt động của enzyme. Mỗi enzyme có một dải nhiệt độ hoạt động tối ưu, nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp, quá trình quang hợp sẽ bị ức chế do enzyme không thể hoạt động hiệu quả.
Giải Câu hỏi 8 trang 31 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
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.
Các biện pháp như điều chỉnh độ pH đất, sử dụng phân bón hợp lý, tưới nước đầy đủ và đảm bảo cây có đủ ánh sáng đều có tác động tích cực đến năng suất cây trồng vì chúng tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang hợp.
Luyện tập 3 trang 31 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
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.
Các biện pháp kỹ thuật như sử dụng ánh sáng nhân tạo, điều chỉnh độ pH đất, và sử dụng các giống cây trồng có khả năng quang hợp mạnh mẽ giúp tăng cường năng suất cây trồng.
Vận dụng 1 trang 35 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Ở những vùng có khí hậu nóng và khô nên trồng nhóm thực vật nào? Giải thích.
Ở vùng khí hậu nóng và khô, nhóm thực vật C4 và CAM là sự lựa chọn phù hợp, vì chúng có cơ chế quang hợp hiệu quả trong điều kiện nhiệt độ cao và hạn hán.
Vận dụng 2 trang 35 SGK Sinh học 11 Cánh diều - CD
Ý nghĩa của việc xác định điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng đối với cây trồng.
Điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng giúp điều chỉnh lượng ánh sáng mà cây cần để tối ưu hóa quá trình quang hợp, từ đó nâng cao năng suất cây trồng.
