Mở đầu trang 29 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Trong nông nghiệp, để tiết kiệm diện tích đất trồng, thời gian thu hoạch, đồng thời tăng năng suất cây trồng và đem lại hiệu quả kinh tế cao, người ta đã áp dụng mô hình trồng xen cạnh các loài cây khác nhau (ví dụ: xen canh giữa ngô với các cây bí đỏ, rau dền). Mô hình trồng xen canh được thực hiện dựa trên cơ sở nào?
Mô hình trồng xen canh được thực hiện dựa trên cơ sở khoa học của quá trình quang hợp và mối quan hệ sinh thái giữa các loài cây. Mỗi loài cây có nhu cầu ánh sáng, chất dinh dưỡng và nước khác nhau, dẫn đến khả năng sử dụng tài nguyên môi trường hiệu quả hơn khi được trồng xen canh. Ví dụ, cây ngô cao và lá hẹp tận dụng ánh sáng trực tiếp, trong khi cây bí đỏ có lá to che phủ đất, giúp hạn chế cỏ dại và giữ ẩm cho đất. Các cây rau dền, với màu sắc lá độc đáo, có thể hấp thụ ánh sáng ở bước sóng khác, giúp giảm sự cạnh tranh quang năng. Ngoài ra, một số cây trồng có khả năng cố định đạm (như cây họ đậu), cung cấp chất dinh dưỡng tự nhiên cho đất, hỗ trợ sự phát triển của cây trồng khác. Vì vậy, mô hình trồng xen canh tận dụng tốt nhất nguồn tài nguyên thiên nhiên, cải thiện năng suất và giảm chi phí đầu vào.
Giải Câu hỏi 1 trang 29 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.2, hãy cho biết nguyên liệu và sản phẩm của quá trình quang hợp ở thực vật. Các nguyên liệu đó được thực vật lấy ở đâu?
Quá trình quang hợp ở thực vật có nguyên liệu chính là nước (H₂O), khí CO₂ và ánh sáng. Nước được hấp thụ từ đất thông qua hệ rễ và dẫn đến lá qua mạch gỗ. Khí CO₂ được lấy từ không khí thông qua các khí khổng trên lá. Ánh sáng là nguồn năng lượng chính được sắc tố diệp lục hấp thụ. Sản phẩm của quá trình quang hợp bao gồm oxy (O₂), được thải ra môi trường qua khí khổng, và các chất hữu cơ (chủ yếu là glucose) được sử dụng làm nguồn năng lượng hoặc tích lũy dưới dạng tinh bột.
Giải Câu hỏi 2 trang 30 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Tại sao sự sống của con người và các loài sinh vật trên Trái Đất đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp?
Quá trình quang hợp là nguồn cung cấp oxy và năng lượng chủ yếu cho sinh quyển. Oxy, sản phẩm phụ của quang hợp, cần thiết cho quá trình hô hấp của hầu hết các sinh vật, bao gồm cả con người. Đồng thời, quang hợp tạo ra glucose và các chất hữu cơ khác, là nguồn dinh dưỡng trực tiếp hoặc gián tiếp của các chuỗi thức ăn trên Trái Đất. Ngoài ra, quá trình quang hợp giúp điều hòa nồng độ CO₂ trong khí quyển, giảm hiệu ứng nhà kính và duy trì sự cân bằng khí hậu.
Giải Câu hỏi 3 trang 30 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.3 và 4.4, hãy cho biết hệ sắc tố ở thực vật gồm những nhóm nào? Vai trò của mỗi nhóm sắc tố đó là gì?
Hệ sắc tố ở thực vật gồm hai nhóm chính: sắc tố chính và sắc tố phụ.
Sắc tố chính: Diệp lục (chlorophyll) bao gồm diệp lục a và diệp lục b. Chúng hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học trong quá trình quang hợp.
Sắc tố phụ: Các carotenoid (caroten và xanthophyll) có vai trò hấp thụ ánh sáng ở các bước sóng mà diệp lục không hấp thụ tốt, bảo vệ diệp lục khỏi bị hư hại bởi ánh sáng cường độ cao và oxy hóa.
Luyện tập trang 31 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Một số loài thực vật có lá màu đỏ hoặc tím (rau dền, tía tô,...) có thể thực hiện quang hợp không? Giải thích.
Các loài thực vật có lá màu đỏ hoặc tím vẫn có thể thực hiện quang hợp. Màu sắc này là do sự hiện diện của các sắc tố phụ (như anthocyanin), trong khi diệp lục vẫn tồn tại trong lá, nhưng bị che khuất bởi sắc tố khác. Diệp lục vẫn đảm bảo thực hiện quá trình hấp thụ ánh sáng và chuyển hóa năng lượng để quang hợp.
Giải Câu hỏi 4 trang 31 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Pha sáng của quang hợp gồm những phản ứng nào? Khi kết thúc pha sáng, những sản phẩm nào được hình thành?
Pha sáng của quang hợp gồm các phản ứng sau:
Quang phân ly nước: Nước bị phân giải thành O₂, H⁺, và electron dưới tác dụng của ánh sáng.
Hệ thống truyền electron: Electron di chuyển qua chuỗi truyền electron, tạo ra ATP và NADPH.
Sản phẩm của pha sáng là ATP, NADPH (dạng năng lượng và chất khử), và khí oxy.
Giải Câu hỏi 5 trang 32 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.5, hãy mô tả diễn biến con đường đồng hóa CO2 ở thực vật C3.
Con đường đồng hóa CO₂ ở thực vật C3 diễn ra qua chu trình Calvin:
Giai đoạn cố định CO₂: CO₂ kết hợp với ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) nhờ enzyme Rubisco, tạo thành hợp chất 3-phosphoglycerate (PGA).
Giai đoạn khử: PGA được khử thành glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) nhờ ATP và NADPH từ pha sáng.
Giai đoạn tái sinh: Một phần G3P tái tạo RuBP, phần còn lại tổng hợp chất hữu cơ.
Giải Câu hỏi 6 trang 33 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.6, hãy mô tả con đường đồng hóa \(C{O_2}\) ở thực vật C4.
Ở thực vật C4, CO₂ được cố định trong tế bào mô giậu nhờ enzyme PEP carboxylase, tạo thành oxaloacetate, sau đó chuyển hóa thành malate. Malate di chuyển đến tế bào bó mạch, tại đây CO₂ được giải phóng và đưa vào chu trình Calvin.
Giải Câu hỏi 7 trang 33 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Thực vật C4 và CAM có con đường đồng hóa \(C{O_2}\) như thế nào để đảm bảo chúng có thể tổng hợp được chất hữu cơ trong điều kiện môi trường bất lợi?
Thực vật C4 cố định CO₂ trong tế bào mô giậu, sau đó chuyển CO₂ vào chu trình Calvin ở tế bào bó mạch. Thực vật CAM cố định CO₂ vào ban đêm, lưu trữ dưới dạng acid hữu cơ, sau đó giải phóng vào ban ngày để quang hợp. Cả hai chiến lược này giảm mất nước và tăng hiệu quả quang hợp.
Giải Câu hỏi 8 trang 34 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.8, hãy cho biết ánh sáng ảnh hưởng như thế nào đến quá trình quang hợp ở cây ưa sáng và cây ưa bóng.
Cây ưa sáng quang hợp tốt ở cường độ ánh sáng cao, trong khi cây ưa bóng đạt hiệu suất cao ở cường độ ánh sáng thấp. Cây ưa sáng có khả năng chống chịu ánh sáng mạnh, còn cây ưa bóng dễ bị tổn thương khi ánh sáng quá cao.
Giải Câu hỏi 9 trang 35 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.9, hãy phân tích sự ảnh hưởng của nồng độ \(C{O_2}\) đến quá trình quang hợp ở thực vật C3 và C4.
Nồng độ \(C{O_2}\) ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ quang hợp của thực vật.
Thực vật C3: Tốc độ quang hợp tăng nhanh khi nồng độ \(C{O_2}\) trong không khí tăng lên. Tuy nhiên, khi đạt đến một giới hạn nhất định, tốc độ quang hợp không tăng thêm nữa vì các enzyme và cơ chế vận chuyển đã đạt tới trạng thái bão hòa. Thực vật C3 thường nhạy cảm hơn với nồng độ \(C{O_2}\) thấp và dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng hô hấp sáng.
Thực vật C4: Nhờ có enzyme PEP carboxylase, thực vật C4 có thể cố định \(C{O_2}\) hiệu quả ngay cả khi nồng độ \(C{O_2}\) trong môi trường thấp. Do đó, tốc độ quang hợp của thực vật C4 không tăng mạnh như thực vật C3 khi nồng độ \(C{O_2}\) tăng cao, nhưng chúng duy trì hiệu quả quang hợp tốt hơn ở nồng độ \(C{O_2}\) thấp.
Kết luận, thực vật C3 phụ thuộc nhiều hơn vào nồng độ \(C{O_2}\) trong không khí so với thực vật C4. Đây là lý do thực vật C4 thường ưu thế hơn ở điều kiện môi trường khắc nghiệt, nơi nồng độ \(C{O_2}\) thấp hoặc nhiệt độ cao.
Giải Câu hỏi 10 trang 35 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Quan sát Hình 4.10, hãy phân tích sự ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến quá trình quang hợp ở thực vật C3 và C4.
Nhiệt độ môi trường có tác động mạnh đến tốc độ quang hợp vì nó ảnh hưởng đến hoạt động của các enzyme liên quan trong chu trình Calvin và các pha khác của quang hợp.
Thực vật C3: Tốc độ quang hợp của thực vật C3 tăng khi nhiệt độ tăng, đạt đỉnh ở khoảng 20–30°C, sau đó giảm nhanh ở nhiệt độ cao hơn. Điều này là do enzyme Rubisco bị bất hoạt ở nhiệt độ cao, đồng thời quá trình hô hấp sáng tăng mạnh, làm giảm hiệu suất quang hợp.
Thực vật C4: Thực vật C4 có khả năng duy trì tốc độ quang hợp ổn định ở nhiệt độ cao hơn, khoảng 30–40°C, nhờ enzyme PEP carboxylase không bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ cao. Điều này giúp thực vật C4 thích nghi tốt hơn ở môi trường nhiệt đới hoặc nơi có nhiệt độ cao.
Kết luận, thực vật C4 có lợi thế hơn trong điều kiện nhiệt độ cao, trong khi thực vật C3 phù hợp hơn với môi trường ôn đới mát mẻ.
Luyện tập trang 35 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Trong nông nghiệp, nếu trồng cây với mật độ quá dày sẽ ảnh hưởng như thế nào đến quá trình quang hợp ở cây trồng? Giải thích.
Trồng cây với mật độ quá dày sẽ ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình quang hợp của cây trồng. Khi mật độ cây trồng tăng cao:
Hạn chế ánh sáng: Các cây ở tầng dưới bị che khuất, không nhận đủ ánh sáng để thực hiện quang hợp hiệu quả. Điều này làm giảm tổng sản lượng quang hợp của cả ruộng cây.
Cạnh tranh khí \(C{O_2}\): Cây trồng sẽ cạnh tranh khí \(C{O_2}\) trong không khí, khiến nồng độ \(C{O_2}\) trong các khu vực dày đặc bị giảm xuống dưới mức tối ưu.
Hạn chế chất dinh dưỡng và nước: Rễ cây cạnh tranh mạnh mẽ về nước và chất dinh dưỡng, làm giảm khả năng quang hợp của các cây trong điều kiện dinh dưỡng thiếu hụt.
Vì vậy, việc quản lý mật độ cây trồng hợp lý là cần thiết để đảm bảo ánh sáng, khí \(C{O_2}\), và các yếu tố khác được phân bố đồng đều, giúp tối ưu hóa năng suất cây trồng.
Giải Câu hỏi 11 trang 36 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Tại sao quang hợp quyết định năng suất của cây trồng?
Quang hợp là quá trình cơ bản để cây trồng tổng hợp chất hữu cơ từ khí \(C{O_2}\) và nước, sử dụng năng lượng ánh sáng. Các chất hữu cơ này là nguồn năng lượng và nguyên liệu chính cho sự phát triển, sinh trưởng, và tích lũy sản phẩm kinh tế (như hạt, quả, củ).
Quang hợp quyết định trực tiếp lượng chất hữu cơ tích lũy: Tốc độ quang hợp càng cao, lượng chất hữu cơ tích lũy càng lớn, dẫn đến năng suất cây trồng cao hơn.
Cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống khác: Năng lượng từ quang hợp được sử dụng trong hô hấp, phát triển mô, và hình thành các cơ quan sinh sản.
Điều kiện ảnh hưởng đến quang hợp cũng ảnh hưởng đến năng suất: Các yếu tố như ánh sáng, nhiệt độ, \(C{O_2}\), nước, và chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến hiệu suất quang hợp, từ đó tác động đến năng suất cây trồng.
Do đó, quang hợp là yếu tố quyết định năng suất sinh học và năng suất kinh tế của cây trồng.
Giải Câu hỏi 12 trang 36 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Dựa vào hiểu biết về quang hợp, hãy đề xuất một số biện pháp kĩ thuật để tăng năng suất cây trồng. Giải thích cơ sở khoa học của các biện pháp đó.
Một số biện pháp kĩ thuật tăng năng suất cây trồng dựa trên cơ sở khoa học của quá trình quang hợp:
Tăng cường ánh sáng: Sử dụng hệ thống chiếu sáng nhân tạo hoặc quản lý khoảng cách trồng cây hợp lý để cây nhận đủ ánh sáng, tối ưu hóa pha sáng của quang hợp.
Bổ sung khí \(C{O_2}\): Áp dụng các phương pháp cung cấp khí \(C{O_2}\)(như phun khí trong nhà kính) để tăng tốc độ quang hợp, đặc biệt hiệu quả với thực vật C3.
Cung cấp đủ nước và chất dinh dưỡng: Đảm bảo hệ thống tưới tiêu hiệu quả và bón phân hợp lý để cây hấp thụ đủ nguyên liệu cần thiết cho quang hợp.
Chọn giống cây trồng chịu nhiệt hoặc cải thiện gen quang hợp: Sử dụng giống cây C4 hoặc cây CAM trong điều kiện nhiệt độ cao để đảm bảo hiệu suất quang hợp cao.
Điều chỉnh mật độ cây trồng: Giảm cạnh tranh ánh sáng, nước, và dinh dưỡng giữa các cây.
Cơ sở khoa học của các biện pháp này là tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình quang hợp, từ đó tăng lượng chất hữu cơ tích lũy và nâng cao năng suất cây trồng.
Vận dụng trang 37 SGK Sinh học 11 Chân trời sáng tạo – CTST
Dựa vào sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến quang hợp, hãy giải thích tại sao "canh tác theo chiều thẳng đứng" (Hình 4.12) được xem là giải pháp tiềm năng trong tương lai để giải quyết các vấn đề về lương thực.
Canh tác theo chiều thẳng đứng là một mô hình trồng cây hiện đại, trong đó cây trồng được bố trí trên các tầng hoặc giá thể dựng đứng. Đây là giải pháp tiềm năng để giải quyết các vấn đề lương thực trong tương lai vì:
Tối ưu hóa ánh sáng: Hệ thống chiếu sáng LED trong canh tác thẳng đứng cung cấp ánh sáng liên tục và đồng đều cho cây trồng, tối ưu hóa quá trình quang hợp.
Tiết kiệm không gian: Mô hình này tăng diện tích canh tác trên cùng một đơn vị đất, đáp ứng nhu cầu sản xuất lương thực trong điều kiện đất nông nghiệp bị thu hẹp.
Điều chỉnh môi trường dễ dàng: Các yếu tố như khí \(C{O_2}\), nước, và nhiệt độ được kiểm soát tốt hơn, đảm bảo hiệu suất quang hợp cao nhất.
Giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu: Hệ thống khép kín hạn chế sự phụ thuộc vào điều kiện khí hậu bên ngoài, giúp cây trồng phát triển ổn định.
Nhờ tận dụng hiệu quả các yếu tố môi trường cần thiết cho quang hợp, canh tác thẳng đứng hứa hẹn tăng năng suất và đảm bảo an ninh lương thực bền vững.
