第4節光合作用與能量轉化

1.綠葉中色素的提取和分離(1)實驗原理①提取色素的原理:色素能溶解在無水乙醇中,所以,可用無水乙醇提取綠葉中的

色素。②分離色素的原理:綠葉中的色素都能溶解在層析液中,但不同的色素溶解度不

同,溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快,離層析液液面遠;反之則慢,離層析液

液面近。1|捕獲光能的色素(2)實驗過程①提取色素

②分離色素(紙層析法)①在層析液中色素的溶解度大小:胡蘿卜素>葉黃素>葉綠素a>葉綠素b。②四種色素含量大小:葉綠素a>葉綠素b>葉黃素>胡蘿卜素。(3)實驗結果及其分析收集到的濾液綠色過淺未加二氧化硅或研磨不充分,色素未充分提取出來;使用放置數天的綠葉或綠葉用量少,濾液中的色素(葉綠素)含量太少;加入大量的無水乙醇,導致提取液濃度太低;未加碳酸鈣或加入過少,葉綠素被破壞濾紙條色素帶重疊可能是濾液細線畫得過粗濾紙條看不見色素帶濾液細線接觸到層析液,且時間較長,色素全部溶解到層析液中(4)綠葉中色素提取和分離實驗的異常現象分析2.綠葉中色素的吸收光譜一般情況下,光合作用所利用的光都是可見光。葉綠素a和葉綠素b主要吸收

藍紫光和紅光,胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光。1.葉綠體的形態:一般呈扁平的橢球形或球形。2.葉綠體的結構3.功能:葉綠體能吸收光能用于光合作用放氧,是綠色植物進行光合作用的場所。2|葉綠體的結構適于進行光合作用4.恩格爾曼的實驗(1)葉綠體功能的驗證實驗①實驗過程及現象②實驗結論:氧氣是葉綠體釋放的,葉綠體是光合作用的場所。③實驗設計巧妙之處a.實驗材料選擇水綿和需氧細菌:水綿的葉綠體呈螺旋帶狀分布,便于觀察;用需

氧細菌可確定釋放氧氣的部位。b.沒有空氣的黑暗環境:排除了氧氣和光的干擾。c.用極細的光束照射:葉綠體上可分為獲得光照和未獲得光照的部位,相當于一組

對照實驗。d.進行黑暗(局部光照)和完全暴露在光下的對照實驗:明確實驗結果完全是由光

照引起的。(2)恩格爾曼的第二個實驗結論:葉綠體主要吸收紅光和藍紫光用于光合作用。1.光合作用的概念:綠色植物通過葉綠體,利用光能,將二氧化碳和水轉化成儲存

著能量的有機物,并且釋放出氧氣的過程。3|光合作用的原理科學家實驗過程發現或實驗結論實驗特點希爾離體葉綠體的懸浮液+鐵鹽或其他氧化劑

O2離體葉綠體在適當條件下發生水的光解,產生氧氣懸浮液中有H2O,無CO2魯賓、卡門

O、CO2

釋放18O2H2O、C18O2

釋放O2光合作用釋放的O2來

自H2Oa.利用同位素標記法;b.相互對照,自變量為

標記物,因變量為釋放

的O2是否含18O阿爾農—光照下,葉綠體可合成

ATP,這一過程總與水

的光解相伴隨—卡爾文用14CO2供小球藻進行光合作用,追蹤放射性14C的去向探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑利用同位素標記法2.探索光合作用原理的部分實驗3.光合作用根據是否需要光能可分為光反應和暗反應兩個階段

光反應暗反應(碳反應)場所類囊體薄膜葉綠體基質條件光、色素、酶、水、ADP、

Pi、NADP+等CO2、ATP、多種酶、NADPH

等物質變化a.H2O

H++O2;b.NADP++H++2e-

NADPH;c.ADP+Pi+能量

ATPa.CO2的固定:CO2+C5

2C3;b.C3的還原:2C3

C5+(CH2O)能量變化光能→ATP和NADPH中的化學能ATP和NADPH中的化學能→

(CH2O)中的化學能聯系a.物質聯系:光反應生成的ATP和NADPH供暗反應中C3的還原,而

暗反應為光反應提供ADP、Pi和NADP+;b.能量聯系:光反應為暗反應提供了活躍的化學能,暗反應將活躍

的化學能轉化為有機物中穩定的化學能光合總反應式CO2+H2O

(CH2O)+O21.光合作用強度(1)概念:植物在單位時間內通過光合作用制造糖類的數量。(2)表示方法①單位時間內光合作用產生有機物的量。②單位時間內光合作用固定CO2的量。③單位時間內光合作用產生O2的量。2.探究光照強度對光合作用強度的影響(1)實驗原理葉片含有空氣,上浮

葉片下沉

O2充滿細胞間隙,葉片上浮。4|光合作用原理的應用(2)變量分析(3)實驗結論:在一定范圍內,隨著光照強度不斷增強,光合作用強度也不斷增強(圓

形小葉片中產生的O2多,浮起的圓形小葉片數量也多)。自變量光照的強弱設置方法通過調節光源與實驗裝置間的距離來設置因變量光合作用強度觀察指標單位時間內被抽去空氣的圓形小葉片上浮的數量1.概念:自然界中的某些生物能利用體外環境中的某些無機物氧化時所釋放的能

量來制造有機物。2.舉例:硝化細菌。5|化能合成作用知識辨析1.色素分離結束后,濾紙條上的顏色自上而下依次是黃綠色、藍綠色、黃色和橙

黃色,這種說法正確嗎?不正確。色素分離結束后,濾紙條上的顏色自上而下依次是橙黃色、黃色、藍綠

色和黃綠色。2.光合作用的暗反應階段可以在黑暗條件下持續進行,這種說法正確嗎?不正確。暗反應雖然不直接依賴于光,但依賴于光反應產生的ATP和NADPH,黑

暗環境中缺乏光反應產物,暗反應無法持續進行。3.光合作用需要的CO2既可以從外界大氣中吸收,也可以來自細胞內部的呼吸作

用,這種說法正確嗎?正確。光合作用利用的CO2部分來自外界,部分來自呼吸作用。4.有些植物在夏季中午光合速率會降低,這是因為部分氣孔關閉,CO2吸收減少,這種說法正確嗎?正確。夏季中午溫度過高,有些植物部分氣孔關閉,CO2吸收減少,導致光合作用

減弱。5.干旱條件下植物光合速率降低,主要是因為光反應原料水不足,這種說法正確

嗎?正確。干旱缺水時最易受影響的是植物的蒸騰作用,植物為避免失水過多,葉片

部分氣孔關閉,CO2吸收減少,導致光合速率降低。

1.影響葉綠素合成的三大因素

1色素合成的影響因素及其與葉片顏色的關系?

2.色素與葉片的顏色1.光照強度變化(其他條件適宜且穩定)

光照由強變弱,光反應受到限制,形成的NADPH和ATP減少,C3的還原速率減

慢,而CO2的固定正常進行,造成C3積累,同時,生成的(CH2O)減少。光照由弱變強,

光反應加快,形成的NADPH和ATP增多,C3的還原速率加快,而CO2的固定正常進

行,造成C3減少,同時,生成的(CH2O)增多。

2環境變化時各物質含量變化?2.CO2濃度變化(其他條件適宜且穩定)CO2由少變多,暗反應加快,形成的C3增多,消耗C5、NADPH和ATP加快,C5、

NADPH和ATP減少,同時,生成的(CH2O)增多;CO2由多變少,暗反應受到限制,形成

的C3減少,消耗C5、NADPH和ATP減慢,C5、NADPH和ATP增多,同時,生成的(CH

2O)減少。3.總結規律:C5、ATP、NADPH變化一致,與C3變化相反。

典例如圖表示在夏季的某一個晴天,某植物細胞光合作用過程中C3、C5的含量變化,若第二天中午天氣由艷陽高照轉為陰天,此時細胞中C5、C3含量的變化分

別相當于曲線中的哪一段

(

)A.c→d段(X),b→c段(Y)B.b→c段(Y),b→c段(X)C.d→e段(Y),c→d段(X)D.d→e段(Y),d→e段(X)

D解析

光照加強時(a→b),光反應加強,則ATP、NADPH生成量增加,C3的還原增

強,此時由于CO2供應不變,CO2的固定正常進行,結果是C3減少、C5增加,光照減弱

時(d→e)則相反,由此判斷X曲線表示的是C3的含量變化,Y曲線表示的是C5含量

變化。陰天與晴天相比光照減弱,所以C5含量的變化如Y曲線的d→e段,C3含量的

變化如X曲線的d→e段,D正確。1.光照強度(1)曲線解讀①A點:光照強度為0,植物只進行細胞呼吸,釋放的CO2量可表示細胞呼吸強度。3影響光合作用的因素及相關曲線分析?②AB段:隨光照強度↑,光合作用強度↑,CO2釋放量逐漸↓,但呼吸作用強度>光合作用強度。③B點:光合作用強度=細胞呼吸強度,B點所示光照強度稱為光補償點。④BC段:隨著光照強度↑,光合作用強度↑,C點以后不再↑,C點所示光照強度稱

為光飽和點。⑤陰生植物的B點前移,C點降低,光補償點和光飽和點均小于陽生植物。(2)應用①間作套種農作物的種類搭配,林帶樹種的配置,可合理利用光能。②適當提高光照強度可增加大棚作物產量。

圖1圖22.CO2濃度(1)曲線解讀①圖1和圖2表示在一定范圍內,光合作用速率隨CO2濃度的增大而增大,但當CO2

濃度增加到一定范圍后,光合作用速率不再增加。②圖1中A點的CO2濃度表示植物光合作用速率等于呼吸作用速率時的CO2濃度,

即CO2補償點;圖2中A'點的CO2濃度表示植物進行光合作用所需CO2的最低濃

度。③圖1和圖2中的B和B'點都表示CO2飽和點。(2)應用:在農業生產上可以通過“正其行、通其風”、增施農家肥等增大CO2濃

度,提高光合作用速率。溫度主要通過影響與光合作用有關酶的活性而影響光合作用速率。通過增

加晝夜溫差,可保證植物有機物的積累。4.水和必需元素供應(1)水是光合作用的原料之一,又可影響葉片氣孔的開閉,進而影響CO2進入葉片進

行暗反應;水還可影響光合產物的運輸,從而影響光合速率。(2)在一定濃度范圍內,增大必需元素的供應,可提高光合作用速率,但當超過一定

濃度后,植物會因土壤溶液濃度過高發生滲透失水而萎蔫。3.溫度5.葉面積指數(1)OA段表明隨葉面積指數的不斷↑,光合作用實際量不斷↑,A點為飽和點。A

點以后,隨葉面積指數的↑,光合作用實際量不再↑,原因是有很多葉被遮擋,光照

不足。(2)OB段表明干物質量隨葉面積指數↑而↑,BC段由于A點以后光合作用實際量

不再↑,但隨葉面積指數的不斷↑,葉片呼吸量不斷↑,所以干物質量不斷↓。

6.多因素(外界因素)(1)曲線解讀①P點及P點之前,限制光合速率的因素主要是橫坐標所表示的因素,隨該因素的

不斷加強,光合速率不斷提高。②Q點時,橫坐標所表示的因素不再是影響光合速率的主要因素,要想提高光合速

率,可采取適當提高圖示其他因素的方法。(2)應用①溫室栽培時,在一定光照強度下,白天適當提高溫度,增加光合作用酶的活性,提

高光合速率,也可同時充入適量的CO2,進一步提高光合速率。②當溫度適宜時,適當提高光照強度和CO2濃度可提高光合速率。

典例在如下一株植物的凈光合速率的曲線圖中,有M、N、O、P、Q五個點,對它們的含義敘述不正確的是

(

)A.P點前,影響光合速率的主要因素是光照強度B.Q點時,光照強度不再是影響光合作用速率的主要因素C.O點時,植物體葉肉細胞的光合作用強度等于呼吸作用強度D.N點時,植物既進行光合作用,也進行呼吸作用,且光合作用強度弱于呼吸作用

強度C解析

圖中M點,光照強度為0,植物只能進行呼吸作用;N點時(存在光照),植物的

凈光合速率小于0,說明植物同時進行光合作用和呼吸作用,且光合作用強度弱于

呼吸作用強度;O點為光補償點,植物的凈光合速率為0,植物光合作用強度等于呼

吸作用強度,因為不是所有細胞都能夠進行光合作用(比如根細胞),但是所有細胞

都能進行呼吸作用,所以葉肉細胞的光合作用強度大于呼吸作用強度;在P點之前,

三條曲線重合,說明限制因素主要是光照強度;PQ段三條曲線有所區別,其限制因

素有光照強度、二氧化碳濃度;Q點之后,光合速率均不再增加,光照強度不再是

影響光合作用速率的主要因素。1.總光合速率與凈光合速率關系的模型圖分析

圖1圖24綠色植物總光合速率與凈光合速率的測定與判斷?(1)三種速率的表示方法和測定方法項目表示方法測定方法凈光合速率單位時間O2的釋放量、CO2的

吸收量、有機物的積累量光照下測定植物CO2吸收量或O

2釋放量真正光合速率(又稱總光合速

率)單位時間O2的產生量、CO2的

固定量、有機物的制造量—呼吸速率單位時間CO2的釋放量、O2的

吸收量、有機物的消耗量黑暗下測定植物CO2釋放量或O

2吸收量(2)植物真(總)光合速率=植物凈光合速率+植物呼吸速率①植物光合作用消耗的CO2總量=從外界吸收的CO2量+呼吸作用產生的CO2量。②光合作用產生的O2量=釋放到外界的O2量+呼吸作用消耗的O2量。(3)圖2中面積與合成、消耗有機物的關系①S1+S3:呼吸作用消耗的有機物量。②S2+S3:光合作用產生的有機物總量。③S2-S1:光合作用有機物的凈積累量。2.液滴移動法——測定呼吸速率和凈光合速率

甲乙

(1)裝置甲測定呼吸速率:甲裝置在黑暗條件下植物只進行細胞呼吸,由于NaOH溶

液吸收了細胞呼吸產生的CO2,所以單位時間內紅色液滴左移的距離表示植物的

O2吸收速率,可代表呼吸速率。(2)裝置乙測定凈光合速率:乙裝置在光照條件下植物進行光合作用和細胞呼吸,

由于CO2緩沖液保證了容器內CO2濃度的恒定,單位時間內紅色液滴右移的距離

表示植物的O2釋放速率,可代表凈光合速率。(3)為防止氣壓、溫度等物理因素引起實驗誤差,應設置對照實驗,即用死亡的相

同大小的同種綠色植物分別進行上述實驗,根據紅色液滴的移動距離對原實驗結

果進行校正。

3.半葉法——測定光合作用有機物的產生量

4.黑白瓶法——測溶氧量的變化(1)從某一水層取樣,裝入若干個等體積黑瓶和白瓶中,并分別測得初始溶氧量。(2)把黑、白瓶懸掛于原水深處。(3)一段時間后,分別測出黑、白瓶的溶氧量并算出平均值。(4)①黑瓶不透光,只進行呼吸作用,白瓶透光,可以進行光合作用和呼吸作用。②凈光合作用量=白瓶溶氧量-初始溶氧量。③呼吸作用量=初始溶氧量-黑瓶溶氧量。④總光合作用量=凈光合作用量+呼吸作用量=白瓶溶氧量-黑瓶溶氧量。1.自然環境中一晝夜植物光合作用曲線(1)開始進行光合作用:b時。(2)光合作用強度與呼吸作用強度相等:c時、e時。(3)開始積累有機物:c時。(4)有機物積累量最大:e時。

5自然環境及密閉容器中植物光合作用曲線及分析?2.密閉容器中一晝夜植物光合作用曲線(C點開始有光照)(1)開始進行光合作用:C點。(2)光合作用強度與呼吸作用強度相等的點:D點、H點。(3)有機物積累量最大:H點。(4)該植物一晝夜表現為生長,其原因是I點時玻璃罩內CO2濃度低于A點時玻璃罩

內CO2濃度,說明經過一晝夜,密閉容器中CO2濃度減小,即植物光合作用制造的有

機物總量>呼吸作用消耗的有機物量,植物有有機物的積累。

典例毛白楊、垂柳、白蠟是某市公園綠地上的主要樹種。研究人員在夏季晴朗的某一天測量了某公園這三種林木冠層葉片的凈光合速率(單位面積的葉片

在單位時間內吸收CO2的量),結果如圖:

(1)如圖所示,不同種類植物的凈光合速率曲線不同。①9:00~11:00隨著光照強度增加,分布在葉綠體

上的光合色素所吸收的

光能增多,從而產生更多的

,推動整個光合作用過程更快進行,三

種植物凈光合速率均上升。②據圖分析,13:00

的凈光合速率出現低谷,推測其原因是夏季中午溫度

較高,

,致使光合作用的

反應階段受到限制。

約18:00其凈光合速率為零,原因是此時

。(2)綠地林木通過光合作用可吸收大氣CO2、釋放O2,此外還有增加空氣濕度等作

用,有助于優化公園的小氣候環境。研究人員測定了上述三種植物一天中相關生

理指標的平均值,結果如表。樹種毛白楊垂柳白蠟凈光合速率(μmolCO2·m-2·s-1)12.810.012.3蒸騰速率(mmolH2O·m-2·s-1)1.461.311.43胞間CO2濃度(μmolCO2·mol-