生物：4.2《光合作用》学案（1）（苏教版必修1）

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第2节 光合作用
学习目标
1.说出对光合作用的认识过程。
2.举例说出主要的光合色素。
3.概述光合作用的过程。
4.举例说出影响光合作用的环境因素。
学习提示
光合作用的过程是这节课的重点和难点。
学习过程
一、回眸历史——解开光合作用之谜
早在两千多年前，人们受古希腊著名哲学家亚里士多德的影响，认为植物体是由“土壤汁”构成的，即植物生长发育所需的物质完全来自土壤。
早在1648年，比利时科学家范·海尔蒙特（Van Helmont）就进行了陶盆栽柳树的实验，以寻找营养植物的物质。他在一个大花盆中放入90千克干燥的土壤，栽上一株重2.5千克的柳树幼苗。用雨水或蒸馏水浇灌，并用一个穿孔的铁板盖在花盆上，只允许气体和水进入而尽量减少别的物质进入。5年后将树移出称重，增加了75千克，而将土壤干燥发现仅损失了60克。因此他认为柳树重量增加只是由水引起的，他没有考虑到空气中气体的影响。
1771年，英国化学家约瑟夫·普里斯特莱（Joseph Priestley）发现，把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不容易熄灭；把一盆植物和一只小鼠同时放到密闭玻璃罩里，小鼠也不易窒息死亡。因此他提出植物能更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。
1779年，荷兰科学家扬·英根豪斯（J.Ingenhousz）把带叶的枝条放到水里，进一步证实，绿色植物只有在日光下才能放出氧气，黑暗中植物也会使空气污浊。
1864年，德国科学家朱利叶斯·萨克斯还采用碘液鉴定淀粉的方法，又证明光合作用的产物除氧气外，叶片在光下还能产生有机物——淀粉。
1940年，加利福尼亚大学的寒缪尔·鲁宾（San Ruben）和他的同事制备了有特殊“标记”的水，其中0.85%的分子含18O原子，而空气、水和其他含氧天然物质中99.76%的氧是16O，只有0.20%是18O。用这种水提供给藻类进行光合作用时，产生的氧气中18O的比例和供给的水一样是0.85%，而不是天然氧气（及它的化合物如二氧化碳）的0.20%。他们还制备了含18O的二氧化碳，当藻类用这种二氧化碳和天然水进行光合作用时，放出的氧气中18O并不增多，而只含有和天然一样的0.20%的18O，这就有力地证明了光合作用释放的氧气来自水。
20世纪世纪40年代到50年代中期，美国科学家卡尔文（M.Calvin）和他的同事运用放射性同位素示踪及纸谱色层等方法，经过十多年的系统研究，于1948年提出了二氧化碳同化的循环途径，这就是我们常说的卡尔文循环，从而了解到光合作用中复杂的化学反应。
二、光合色素与光能的捕捉和转化
光合色素包括叶绿素和类胡萝卜素。一般来说，叶片中叶绿素与类胡萝卜素的比值约为3∶1，所以正常的叶子总呈现绿色。秋天或在不良的环境中，叶片中的叶绿素较易降解，数量减少，而类胡萝卜素比较稳定，所以叶片呈现黄色。类胡萝卜素总是和叶绿素一起存在于高等植物的叶绿体中，此外也存在于果实、花冠、花粉、柱头等器官的有色体中。
1.叶绿素
植物的叶绿素包括a、b、c、d四种。高等植物中含有a、b两种。叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色，它们的分子式可以写成C55H72O5N4Mg和C55H70O6H4Mg，叶绿素a和b的分子式很相似，不同之处是叶绿素a比b多两个氢少一个氧。叶绿素最强的吸收区有两处：波长640～660 nm的红光部分和430～450 nm的蓝紫光部分。叶绿素对橙光、黄光吸收较少，尤其对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似，但也稍有不同（见课本图4-11）；叶绿素a在红光区的吸收峰比叶绿素b的高，而蓝光区的吸收峰则比叶绿素b的低，就是说，叶绿素b吸收蓝紫光的能力比叶绿素a强。一般阳生植物叶片的叶绿素a/b比值约为3∶1，而阴生植物的叶绿素a/b比值约为2.3∶1。叶绿素b含量的相对提高就有可能更有效地利用漫射光中较多的蓝紫色，所以叶绿素b有阴生叶绿素之称。
2.类胡萝卜素：类胡萝卜素包括胡萝卜素（C40H56）和叶黄素（C40H56O2）。前者呈橙黄色，后者呈黄色。胡萝卜素有α、β、γ三种，其中以β胡萝卜素在植物体内含量最多。通常叶片中叶黄素与胡萝卜素的含量之比约为2∶1。类胡萝卜素除了有吸收传递光能的作用外，还可在强光下逸散能量，具有使叶绿素免遭伤害的光保护作用。类胡萝卜素的吸收带在400～500 nm的蓝紫光区，它们基本不吸收红、橙、黄光，从而呈现橙黄色或黄色。
植物体内不同光合色素对光波的选择吸收是植物在长期进化中形成的对生态环境的适应，这使植物可利用各种不同波长的光进行光合作用。
三、边做边学——提取和分离叶绿体中的色素
1.原理
叶绿体中的色素都能溶解于有机溶剂丙酮中，所以可以用丙酮提取叶绿体中的色素；叶绿体中的不同色素在层析液中的溶解度不同，所以扩散速度也不同，溶解度高的扩散速度也高，溶解度低的扩散速度也低，从而将不同色素分离开。
2.步骤
（1）研磨
称取2克菠菜叶片，剪碎后放入研钵中，加入少许石英砂和碳酸钙以及5毫升丙酮，迅速研磨。再用5毫升丙酮淋洗。丙酮易挥发，并且有一定毒性，所以要迅速研磨。
（2）过滤
将研磨液过滤到试管中，并及时用棉塞塞紧试管口。滤液中含有光和色素。
（3）准备滤纸条
滤纸条要剪去一端两角，在距离该端大约1 cm处用铅笔画一细线。
（4）画滤液细线
滤液细线画得越细越直越齐效果越好，并且要重复画若干次。
（5）用层析液分离色素
将画好滤液细线的滤纸条轻轻插入盛有3毫升层析液的烧杯中，并覆盖烧杯。滤液细线不能触及层析液。如果滤液细线被层析液淹没，色素会溶解在层析液中，影响实验结果。
3.结果
滤纸条上会出现4条色素带，从上到下依次是胡萝卜素（橙黄色）、
叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素（黄绿色）。
4.讨论
（1）丙酮可以提取色素，层析液将色素分离。
（2）叶绿体中的色素主要有4种，在滤纸条上从上到下依次是胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色）。
四、积极思维——恩吉尔曼的实验巧妙在哪里
恩吉尔曼将白光通过三棱镜分成红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种单色光，从而研究单色光对光合作用的影响，发现红光和蓝光照射的区域放出氧气最多，光合作用最强。这一巧妙实验就说明了光合色素吸收最多的光是红光和蓝光。
五、光合作用的过程
光合作用可以分为两个步骤，一个是必须在光下才能进行的、由光所引起的光反应；另一个则是不需要光的一般化学反应（也可以在光下进行），它是把二氧化碳固定和还原成为有机物的反应，即暗反应。
1.光反应
它在类囊体膜上进行，所吸收的光能用来合成ATP和将水分解成氧气和还原氢。
当光线照射到植物的叶片上面以后，叶绿体中类囊体膜上的大部分叶绿素a和全部叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素，能够接受光能。这些色素所接受的光能可以极其迅速而又高效率地传送到少数特殊状态的叶绿素a分子，少数特殊状态的叶绿素a分子在接受光能以后，首先被激发，变成激发态而失去电子，这些电子最终传递给一种带正电荷的有机物——NADP，失去电子的叶绿素a变成一种强氧化剂，能够从水分子中夺取电子，这样就促使了水的光解，水被氧化成分子态氧，并且放出了氢离子（H+）。电子被叶绿素a夺回以后，就又恢复到原来的状态。这样在光的照射下，少数特殊状态的叶绿素a分子不断地失去电子和获得电子，从而形成电子流，使光能转换成电能。随着光能转换成电能，NADP得到电子和H就形成了NADPH2（还原氧），一部分电能转换成活跃的化学能储存在NADPH2中，与此同时，叶绿体中利用光能转换成的另一部分电能将ADP和Pi合成ATP，并将这部分电能转换成活跃的化学能储存在ATP中。
2.暗反应
光合作用的最终结果，是把CO2这样一个简单的分子还原为有机物，主要是糖类。这个过程也要经过一系列复杂的变化，不过它是在叶绿体的基质中进行的。CO2还原为糖的这条途径是由美国的卡尔文（M.Calvin）等人在20世纪40年代到50年代中期用了10年时间发现的，所以也叫做卡尔文循环。
接受CO2分子的受体是一种五碳化合物，在有关酶的作用下，这种五碳化合物与CO2发生反应，形成两分子三碳化合物，CO2就被固定下来。一些三碳化合物进一步依靠光反应所产生的还原氢和ATP，把这种含能量很低的三碳化合物还原成一种三碳糖，这样，NADPH2和ATP的能量也就转移到这个三碳糖中去了，这时候光能就转变成了稳定的化学能。在这以后，这个三碳糖又经过一系列的反应，形成蔗糖和淀粉。更多的三碳化合物再经过一系列复杂的变化又生成接受CO2分子的五碳化合物，继续和CO2结合，循环往复地参与暗反应。因为这种光合途径的最初产物是三碳化合物，所以这个途径叫做三碳途径。
六、影响光合作用的环境因素
1.光照强度对光合速率的影响
光合速率随着光照强度的增加而加快。在一定范围内几乎是呈正相关。但超过一定范围之后，光合速率的增加转慢；当达到某一光照强度时，光合速率就不再增加，这种现象称为光饱和现象。刚出现光饱和现象时的光照强度称为光饱和点。当光照强度较强时，光合速率比呼吸速率大几倍，但随着光照减弱，光合速率逐渐接近呼吸速率，最后达到一点，即光合速率等于呼吸速率。光合过程中吸收的CO2和呼吸过程中放出的CO2等量时的光照强度，就称为光补偿点。如下图：
2.二氧化碳对光合速率的影响
二氧化碳是光合作用的原料，对光合速率影响很大。空气中的二氧化碳含量一般占体积的0.033%，对植物的光合作用来说是比较低的。如果二氧化碳浓度更低，光合速率急剧减慢。当光合吸收的二氧化碳量等于呼吸放出的二氧化碳量，这个时候外界的二氧化碳数量就叫做二氧化碳补偿点。空气中的二氧化碳浓度低于二氧化碳补偿点时，植物就没有光合产物的积累；高于二氧化碳补偿点时，光合速度随二氧化碳浓度增加而直线上升，但到达一定浓度后，光合速度不再增加，这时的浓度称为二氧化碳的饱和点。
3.温度对光合速率的影响
光合作用中的暗反应是一系列的酶促反应，温度对光合作用的影响，有其最高、最适和最低三个基点。一般作物在0～2℃的低温下，光合作用即停止，随着温度的升高，光合作用逐渐加强，到25～30℃为最适温度，在35℃以上时光合作用开始下降，40～45℃即完全停止。
增加农作物产量的关键是提高光合作用效率，适当增加光照强度、提高二氧化碳浓度和温度可以提高光合作用效率，农业生产中可以通过提高光合作用效率，增加光合作用面积和延长光照时间来提高光能的利用率，从而增加农作物产量。
七、积极思维——哪些环境因素影响光合作用
1.光合速率随着光照强度的增加而加快。在一定范围内几乎是呈正相关。但超过一定范围之后，光合速率的增加转慢；当达到某一光照强度时，光合速率就不再增加。
2.光合速率随二氧化碳浓度增加而直线上升，但到达一定浓度后，光合速率不再增加。
3.光合速率随温度升高而上升，到达某一点后又随温度升高而降低。也就是说温度对光合作用的影响，有其最高、最适和最低三个基点。
知识阅读——海洋微生物可进行光合作用
陆地植物利用叶绿素进行光合作用，并将光能转化成推动自身新陈代谢的能量。但美国科学家最近发现，除了植物能够利用光合作用产生能量之外，还有一些海洋微生物也能依靠光合作用而生存。美国微生物学家 艾得·德隆说，这是一种转换太阳能量的新方式，过去人们从未想到海洋微生物会存在光合作用，而现在的研究发现有10%左右的海洋微生物都用这种能量转化方式来制造养分，这是另一种生物适应环境的生存方式。
美国蒙特拉湾水族研究所有一个专门用于晒盐的池塘，池塘的水呈红色。研究人员解释说，这些水之所以呈红色是因为里面有一些专门生存在极端环境中的无害海洋微生物——一种喜盐细菌。根据基因研究的结果，科学家们在菌体中第一次发现了细菌视紫质。视紫质通常存在于人体的视觉细胞中，是一种感光体，其作用是接收外界光线并通过复杂的生理生化反应将光能转化成为神经信号，而海洋微生物中的这种细菌视紫质则能够将光线转化成移动电子，成为推动菌体新陈代谢的能量，这也就形成了海洋微生物体内特有的光合作用机制。研究人员说，这一发现同时也解答了过去海洋生态系统研究中一直存在的一个疑问，为什么海洋中的众多微生物似乎在没有什么食物来源的情况下能够长期生存繁衍下去，并提示人们将来利用海洋微生物视紫质光合作用产生能量的原理，人类可以制造出生物太阳能电池。
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