河南省许昌市重点中学2011生物新课标复习课同步学案（必修一）：5-3 能量之源----光和光合作用

自主梳理
一、捕获光能的色素
1．绿叶中色素的提取和分离
(1)可以利用有机溶剂(无水乙醇)提取绿叶中的色素，在研磨时还应加入少许SiO2和CaCO3，其中前者有助于研磨充分，后者可防止研磨中色素被破坏。
(2)分离的原理是利用色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的在滤纸上扩散得快，反之则慢。
(3)层析中，在滤纸条上会呈现四条色素带，它们的颜色自上而下依次是橙黄色、黄色、蓝绿色、黄绿色，色素带最宽的颜色呈蓝绿色，最窄的颜色呈橙黄色。
2．色素的种类和吸收光谱
色素种类 颜色 吸收光谱 滤纸条上位置
叶绿素[来源:21世纪教育网]21世纪教育网21世纪教育网21世纪教育网(约占3/4) 叶绿素a21世纪教育网 蓝绿色[来源:21世纪教育网] 主要吸收蓝紫光和红光[来源:21世纪教育网]21世纪教育网21世纪教育网[来源:21世纪教育网] 中下层
叶绿素b 黄绿色 最下层
类胡萝卜素(约占1/4) 胡萝卜素 橙黄色 主要吸收蓝紫光 最上层
叶黄素 黄色 中上层
二、叶绿体的结构和功能
1．结构：一般呈扁平的椭球形或球形，外表具双层膜，内部有基粒和，基粒是由类囊体堆叠而成。吸收光能的色素分布于类囊体的薄膜，与光合作用有关的酶分布在类囊体的薄膜上和基质中。
2．功能：是进行光合作用的场所。
三、光合作用的探究历程
1．直到18世纪中期，人们一直以为只有土壤中的水分是植物建造自身的原料。
2．1771年，英国的普利斯特利的实验证实：植物可以更新因蜡烛或动物呼吸而变得污浊的空气。
3．1779年，荷兰的英格豪斯证明了光和 绿叶在更新空气中不可缺少。
4．1864年，德国的萨克斯的实验证实了光合作用的产物有淀粉 。
5．1939年，美国的鲁宾和卡门利用 同位素标记法证明了光合作用释放的氧气来自水。
6．20世纪40年代，美国的卡尔文，利用同位素示踪技术最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化为有机物中碳的途径。
[互动探究]　正常杨树的叶为什么呈绿色？秋季为什么变黄了？
[提示]　叶绿体中叶绿素的含量多，且对绿光吸收量最少，绿光被反射出来，所以呈绿色。秋季，叶片的叶绿素分子在低温下被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
要点归纳
一、“绿叶中色素的提取和分离”的实验分析
1．原理解读
(1)各种色素能溶解在有机溶剂(无水乙醇等)中形成溶液，使色素从生物组织中脱离出来。
(2)各种色素都能溶解在层析液中，但在层析液中的溶解度不同：溶解度大的色素分子随层析液在滤纸条上扩散得快，反之则慢，所以不同色素可以在滤纸条上因扩散而分开，各种色素分子在滤纸上可形成不同的色素带。
[提醒]　①本实验中使用的试剂有毒，不但实验后要洗手，实验前也要洗手。
②不但滤液细线不能触及层析液，滤纸条也不要触及试管。
③从色素带的宽度知色素含量的多少依次为：叶绿素a>叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素。
④从色素带的位置知在层析液中溶解度的大小依次为：胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b。
⑤.在滤纸上距离最近的两条色素带是叶绿素a与叶绿素b，距离最远的两条色素带是胡萝卜素与叶黄素。
3．实验要点提示
(1)实验中几种化学试剂的作用
①无水乙醇可溶解叶绿体中的色素。
②二氧化硅破坏细胞结构，使研磨充分。
③碳酸钙防止研磨过程中色素被破坏。
(2)实验成功的关键
①叶片要新鲜，颜色要深绿，含有较多色素。
②研磨要迅速、充分。叶绿素不稳定，易被活细胞内的叶绿素酶水解。充分研磨使叶绿体完全破裂，提取较多的色素。
③滤液细线不仅要求细、直，而且要求含有较多的色素，所以要求待滤液干后再画一两次。
④滤液细线不能触及层析液，否则色素溶解到层析液中，滤纸条上得不到色素带。
(3)注意事项
①剪取干燥的定性滤纸，双手尽量不要接触纸面，手要干净、干燥(可以套上塑料袋)，以免污染滤纸。
②加入的SiO2和CaCO3一定要少，否则滤液浑浊，杂质多，颜色浅，实验效果差。
③根据试管的长度制备滤纸条，让滤纸条长度高出试管约1 cm，高出部分做直角弯折。
④画滤液细线时，用力要均匀，速度要适中。
二、光合作用的探究历程
年代科学家 过程(依据) 结论或结果
1771年普利斯特利(英) 植物可以更新空气
1779年英格豪斯(荷兰) 同普利斯特利的实验过程 只有在阳光照射下和有绿叶时植物才可以更新空气
1845年梅耶(德国) 能量转换和守恒定律 植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来
1864年萨克斯(德国) 黑暗中饥饿处理的绿叶曝光然后碘处理变蓝遮光处理后碘处理不变色 绿色叶片在光合作用中产生淀粉
1939年鲁宾和卡门(美国) H218O＋CO2→植物→18O2 C18O2＋H2O→植物→O2 光合作用释放的氧气来自水
三、叶绿体的结构和功能及色素的种类和作用的理解
1．叶绿体的结构和功能
(1)结构(如右图所示)
①双层膜：分内、外膜，包围着几个到几十个绿色基粒等细微结构。
②基粒：每个基粒由许多圆饼状的囊状结构堆叠而成，这些囊状结构称为类囊体，色素就分布在类囊体的薄膜上。
③基质：在基粒和基粒之间充满基质，含有与光合作用有关的酶。
(2)功能：叶绿体内的基粒和类囊体扩展了其受光面积，含有许多吸收光能的色素分子和光合作用所必需的酶，因此叶绿体是高等植物进行光合作用的场所。
2．叶绿体中的色素种类及作用
(1)色素的种类和作用
感悟拓展
1．色素与吸收光谱
2．不同颜色温室大棚的光合效率
(1)无色透明大棚日光中各色光均能透过，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以用无色透明的大棚光合效率最高。
(2)叶绿素对绿光吸收最少，因此绿色塑料大棚光合效率最低。
3．影响叶绿素合成的因素
(1)光照：光是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
(2)温度：温度可影响与叶绿素合成有关酶的活性，进而影响叶绿素的合成，低温时，叶绿素分子易被破坏，而使叶子变黄。
(3)矿质元素：叶绿素中含N、Mg等矿质元素，若缺乏将影响叶绿素的合成，老叶先变黄。另外，Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也将导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。
4．萨克斯实验中黑暗处理的目的：消耗掉叶片中的淀粉，曝光与遮光形成对照，检验试剂为碘蒸气，检验前用酒精浴加热处理，目的是溶解色素；恩格尔曼选用水绵做实验材料的好处：叶绿体呈带状，便于观察，所用细菌异化作用代谢类型为好氧型；鲁宾、卡门用的实验方法为示踪元素法(同位素标记)。
典例导悟
1下图表示叶绿体中色素的吸收光谱。甲、乙两图分别是 (　　)
A．胡萝卜素、叶绿素的吸收光谱
B．叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱
C．叶黄素、叶绿素的吸收光谱
D．叶黄素、胡萝卜素的吸收光谱
解析　叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，在光谱上有两个吸收区域；胡萝卜素主要吸收蓝紫光，在光谱上有一个吸收区域，据此可做出正确判断。
答案　B
如图做色素层析分离的正确装置是 (　　)
答案　D
解析　色素分离的方法：划好滤液细线的滤纸条下端要插入层析液中，一是不要让滤液细线没入层析液中，因为色素易溶于层析液中，导致色素带不清晰，影响实验效果；二是要盖上培养皿盖，防止层析液挥发，因为层析液中的石油醚、苯等化学药剂都有剧毒，会伤害操作者，而且也会影响色素分离效果，所以A、B、C都不符合实验要求。
自主梳理
一、光合作用过程
1．光反应
(1)场所：叶绿体的类囊体的薄膜上。(2)条件：光、色素、酶等。
(3)物质变化：将水分解为O2和[H]，将ADP和Pi合成ATP。
(4)能量变化：光能转变为活跃的化学能。
2．暗反应
(1)场所：叶绿体的基质中。(2)条件：酶、[H]、ATP。
(3)物质变化：①CO2的固定：C5＋CO22C3。 ②C3的还原：C3＋[H]酶（ATP）(CH2O)。
(4)能量变化：ATP中活跃的化学能转变为稳定的化学能。
3．应用
(1)光合作用强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。
(2)影响光合作用强度的因素包括空气中CO2的浓度、土壤中水分的多少、光照的长短和光的强弱以及温度的高低等。
二、化能合成作用
1．概念：某些细菌能够利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成作用。
2．实例：硝化细菌能利用氨氧化时所释放的化学能，将CO2和H2O合成糖类。
3．绿色植物和硝化细菌都能合成有机物，因此属于自养生物，而人、动物、真菌及大多数细菌只能利用环境中现成的有机物，属于异养生物。
[互动探究]　1.为什么瓜果大棚用无色顶棚，而蔬菜类用蓝色的？
[提示]　无色顶棚透光好，光照强，光合作用强度大，糖分积累多。而蓝紫光有利于蛋白质和脂肪的积累，所以使用浅蓝色顶棚有利于改善蔬菜品质，提高蔬菜质量。
2．绿色植物和硝化细菌在代谢方面有什么异同点？
[提示]　相同点：都能将无机物合成有机物，即都是自养生物。不同点：在合成有机物时利用的能量不同，绿色植物利用光能，硝化细菌利用无机物氧化时释放的化学能。
要点归纳
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。用反应式概括为：CO2＋H2O光能(CH2O)＋O2。其实光合作用的过程十分复杂，人们根据是否需要光能，把它分为光反应和暗反应两个阶段。具体过程用图解来表示：
一、光反应和暗反应的区别和联系
1．光反应和暗反应的区别
项目 光反应 暗反应
实质 光能转换为化学能，并放出O2 同化CO2形成有机物
时间 短促，以微秒计 较缓慢
条件 需色素和光 不需色素和光，需要多种酶
场所 在叶绿体内的基粒片层结构的薄膜上进行 在叶绿体内的基质中进行
物质转化(一)
物质转化(二)
能量转换 光能→活跃的化学能，并储存在ATP中 ATP中活跃的化学能→(CH2O)中稳定的化学能
2.光反应和暗反应联系
[提醒]　①暗反应有光无光都能进行。若光反应停止，暗反应可持续进行一段时间，但时间不长， 故晚上一般认为只进行呼吸作用，光合作用不进行。
②相同时间内，若光照和黑暗间隔处理比一直光照有机物积累多，因为[H]、ATP基本不积累，利用充分；但一直光照会造成 [H]、 ATP的积累，利用不充分。
感悟拓展
叶绿体处于不同条件下，C3、C5、[H]、ATP以及(CH2O)合成量的动态变化
条件项目 C3 C5 [H]和ATP (CH2O)合成量
光照不变停止CO2供应 减少 增加 增加 减少或没有
光照不变CO2供应增加 增加 减少 减少 增加
光照不变，CO2供应不变，(CH2O)运输受阻 增加 减少 增加 减少
停止光照CO2供应不变 增加 下降 减少或没有 减少或没有
突然光照CO2供应不变 减少 增加 增加 增加
典例导悟
2光合作用的过程可分为光反应和暗反应两个阶段，下列说法正确的是 (　　)
A．叶绿体的类囊体膜上进行光反应和暗反应
B．叶绿体的类囊体膜上进行暗反应，不进行光反应
C．叶绿体基质中可进行光反应和暗反应
D．叶绿体基质中进行暗反应，不进行光反应
解析　光反应是在叶绿体内囊状结构的薄膜上进行的，该过程必须在有光的条件下才能进行；暗反应是在叶绿体内的基质中进行的，该过程有光无光均可。
答案　D
如图是一晴朗夏日某植物光合作用强度随时间变化的曲线图，C点和B点相比较，叶肉细胞内的C3、C5、ATP和[H]的含量发生的变化依次是(　　)
A．升、 升、升、升　 B．降、降、降、降
C．降、升、升、升 D．升、升、降、降
答案　C
解析　光反应和暗反应中 C3、C5、ATP、ADP四种物质与光反应条件中的光和暗反应条件中的CO2之间的关系。
C点与B点相比由于气温升高， 气孔关闭，CO2的吸收量减少，导致叶肉细胞内C3的含量减少(短时间内C3的生成量减少，而被还原消耗的C3的量不变)，C5的含量增多(短时间内 C5的生成量不变，而与CO2结合消耗的C5的量减少)，ATP和[H]的含量增多(短时间内ATP和[H]的生成量不变，而还原过程中消耗掉的ATP和[H]减少)。
二、影响光合作用的环境因素分析及其应用
1．光合作用强度的表示方法
(1)单位时间内光合作用产生糖的数量；
(2)单位时间内光合作用吸收CO2的量；
(3)单位时间内光合作用放出O2的量
[注意]　最容易检测的是③。
2．环境因素对光合作用强度的影响及应用
(1)光照强度
①曲线分析
A点：光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示此时细胞呼吸的强度。
AB段：随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强，CO2释放量逐渐减少，这是因为细胞呼吸释放的CO2有一部分用于光合作用，此时细胞呼吸强度大于光合作用强度。
B点：细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度(光照强度只有在B点以上时，植物才能正常生长)，B点所示光照强度称为光补偿点。
BC段：表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了，C点所示光照强度称为光饱和点。
②应用：阴生植物的B点前移，C点较低，如图中虚线所示，间作套种农作物的种类搭配，林带树种的配置，可合理利用光能；适当提高光照强度可增加大棚作物产量。
(2)CO2浓度
①曲线分析：图1和图2都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度的增加而增大，但当CO2浓度增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。
图1中A点表示光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。
图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点。
②应用：在农业生产上可以通过“正其行，通其风”，增施农家肥等增大CO2浓度，提高光能利用率。
(3)温度
①曲线分析：温度主要是通过影响与光合作用有关酶的活性而影响光合作用速率。
②应用：冬天，温室栽培可适当提高温度，温室栽培也可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸，保证植物有机物的积累。
(4)必需元素供应
①曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物渗透失水而萎蔫。
②应用：根据作物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可提高农作物产量。
(5)水分
①影响：水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制CO2进入叶片，从而间接影响光合作用。
②应用：根据作物的需水规律合理灌溉。
三、光合作用与细胞呼吸的区别和联系
1．光合作用与细胞呼吸的区别
比较项目 光合作用 细胞呼吸
代谢类型 合成作用(或同化作用) 分解作用(或异化作用)
物质变化 无机物有机物 有机物无机物
能量变化 光能―→化学能(储能) 化学能―→ATP、热能(放能)
场所 叶绿体(真核) 活细胞(主要在线粒体)
条件 只在光下进行 有光、无光都能进行
感悟拓展
1．叶龄与光合效率之间的关系：如图随幼叶的生长，叶面积不断增大，叶内叶绿体不断增加，光合作用速率不断增加；壮叶的叶面积、叶绿体和叶绿素都处于稳定状态，光合速率也基本稳定；随着叶龄的增加，叶内的叶绿素被破坏，光合速率随之下降。
农业生产中主要通过延长光照时间，增加光照面积和增强光合作用效率等途径提高光能利用率，如轮作、套种和间作等，合理密植。设法满足光合作用的各种环境因素，如利用大棚适当增加光照强度，提高CO2浓度和温度，来提高光合作用效率。
2．绿色植物体内H2O和CO2中的元素在光合作用和细胞呼吸过程中转化：
①H2O中H和O的转化
a．H的转移途径
b．O的转移途径
②CO2中C和O的转化
a．C的转移途径
b．O的转移途径
典例导悟
3将川芎植株的一叶片置于恒温的密闭小室，调节小室CO2浓度，在适宜光照强度下测定叶片光合作用的强度(以CO2吸收速率表示)，测定结果如图。下列相关叙述，正确的是(　　)
A．如果光照强度适当降低，a点左移，b点左移
B．如果光照强度适当降低，a点左移，b点右移
C．如果光照强度适当增加，a点右移，b点右移
D．如果光照强度适当增加，a点左移，b点右移
解析　假定光照强度降低，要达到点a，则需要浓度更高的二氧化碳，a点应右移；假定光照强度升高，二氧化碳利用率升高，要达到点a，在二氧化碳浓度低一些的时候即可达到，a点应左移。另外，光照强度升高，则需要更高浓度的CO2才能达到最大光合作用强度，b点应右移。
答案　D
在正常条件下进行光合作用的某植物，当突然改变某条件后，即可发现其叶肉细胞内五碳化合物含量突然上升，则改变的条件是 (　　)
A．停止光照 B．停止光照并降低CO2浓度
C．升高CO2浓度 D．降低CO2浓度
答案　D
解析　细胞中的C5突然上升，说明是CO2的固定减少，C3的还原仍在继续，即光反应正常，故最可能的原因是CO2浓度降低。