能量之源——光与光合作用

1、 大约40亿年前地球上产生 了最原始的生命。那时大气中并没 有氧气，随着时间的推移，一些光 能自养细菌和绿色植物的出现，空 气中才逐渐有了氧气。那么，氧气 到底是如何产生的？ 生命诞生前的地 球 通过上节课的学习我 们已经知道，繁衍进化至今， 大部分生物产生能量的主要方 式都是有氧呼吸。 每时每刻都有大量氧 气被消耗，并产生大量二氧化 碳。但是大气中的氧气和二氧 化碳却始终保持着一个稳定的 含量。这是为什么？ 地球上能量的最终来 源是太阳能，那么，看得见摸 不着的太阳能是怎么转化成能 被生物利用的化学能并储存在 有机物中的呢？ 第4节 能量之源 光与光合作用 一、捕获光能的色素和结构 二、光合

2、作用的探究历程 三、光合作用的原理和应用 四、化能合成作用 有些蔬菜大棚用红色或 蓝色的塑料薄膜代替普通塑料薄 膜，有的温室内悬挂发红色或蓝 色的灯管。 1、用这种方法有什么 好处？这样做对光合作用有影响 吗？ 2、为什么是用红色或 蓝色的呢？用绿色的可以吗？ 答案： 1、用这种方法可以提高光 合作用强度。因为叶绿素吸收 最多的是光谱中的蓝紫光和红 光。不同颜色的光照对植物的 光合作用会有影响。 2、因为叶绿素对绿光吸收 最少，所以不使用绿色的塑料 薄膜或补充绿色光源。 一、捕获光能的色素和结构 呈绿色是因为叶子中含 色素，到了秋天叶子变黄，说明 所含的色素很可能不止一种。 为什么春夏两季植物

3、的 叶子翠绿醉人，而深秋树叶则金 黄斑斓呢？ 绿叶中会有哪些种类的色素呢 ？ 它们分别是什么颜色的？ 各种色素在绿叶的含量相同吗 ？ 有些植物，如玉米 、紫茉莉有时会出现不含色素 的白化苗，种子中贮存的养分 耗尽后就会逐渐死亡。这说明 白化苗不能进行光合作用。光 合作用与细胞中的色素有关。 1、实验绿叶中色素的提取和分离 实验原理：提取(无水乙醇)、分离(层 析液)； 目的要求：绿叶中色素的提取和分离及 色素的种类； 材料用具：新鲜的绿叶、定性滤纸等、 无水乙醇等； 方法步骤： 提取绿叶中的色素 制备滤纸条 画滤液细线 分离绿叶中的色素 观察和记录 想一想 （1）下列试剂的作用是什么？ 无水乙

4、醇 二氧化硅 层析液 碳酸钙 提取色素 研磨得充分 分离色素 防止叶绿素被破坏 （2）过滤研磨液时，能否用滤纸过 滤？为什么？ 不能。因为滤纸会将部 分滤液吸收掉，得不到足够的滤 液。 （4）收集到试管中的滤 液，为什么要用棉塞塞严管口？ （3）为什么要将定性滤纸减 去两角？ 剪去两角，目的是防止 两边色素在滤纸条上扩散过快， 不均匀，便于观察实验结果。 防止溶解色素的无水乙醇挥发。 因为色素会溶解于层析 液中，而不会沿层析液向上扩散 、分离，这会使实验效果极差， 甚至不发生分离，导致实验无效 。 （5）分离色素时，为 什么不能让滤液细线触及层析液 ？ （6）滤纸条上的滤液 细线经层析后，形成

5、四条色素 带，在滤纸条上的相对位置如 下图，产生这种现象的原因是 什么？ 四种色 素在层析液中的 溶解度不同，溶 解度高的色素随 层析液在滤纸上 扩散快，反之则 慢。四种色素带 的宽窄不同，是 因为色素含量不 同的缘故。 实验结果分析： 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) 类胡萝卜素 （1/4 ） 叶绿素 （3/4） 叶绿素a和b在蓝光和红光 部分都有很高的吸收峰，叶绿体中 的胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫 光。因为叶绿素对绿光吸收最少， 绿光被反射，故叶片呈绿色 。 对色素进行色谱分析，可得出下图所示曲线： 根据上述科学原理，在需要人 工补充光照的

6、温室和塑料大棚中栽 培农作物时，就可以根据所需要的 光合作用产物类型，来选择适合的 光源以及玻璃或塑料薄膜。例如， 冷光镝灯的光谱成分接近于太阳光 ，且辐射出的热能比较少，是一种 比较好的人工光源；氙灯的可见光 部分也近似于太阳光，但其紫外线 和红外线则比太阳光的多，使用时 应隔以玻璃或水层。相比之下，日 光灯的蓝紫光和绿光比太阳光的多 而红光比太阳光的少；普通的白炽 灯则蓝紫光比太阳光的少而红外光 比太阳光多。科学家通过实验还发 现，蓝色塑料薄膜育秧时有壮秧的 效果，这一结果现已在不少地区的 水稻育秧生产中得到应用。 由于叶绿素含量约占总量的 四分之三，而类胡萝卜素仅占四 分之一，所以通常植

7、物的叶子总 是翠绿醉人的。这是由于叶绿素 掩盖了类胡萝卜素颜色的缘故。 但是，叶绿素很容易被破坏。秋 天叶绿素会因为“忍受”不了气 温下降等因素的影响而分解消失 ；胡萝卜素和叶黄素则比较稳定 ，终于在没有叶绿素干扰时“重 见天日”。 小知识 叶绿素是否均匀分布于整个植物 细胞呢 1865年，德国科学 家萨克斯发现叶绿素仅存在 于细胞中更小的结构里。后 来人们称之为叶绿体。 2、叶绿体的结构和功能 （1）叶绿体的结构 ： 外膜 内膜 基质 基粒 由两个以 上的类囊 体组成， 捕获光能 的色素分 布在类囊 体的薄膜 上。 基粒 类囊体 基粒和类囊体大 大扩大了受光面积，在巨大 的膜表面上，分布着许

8、多吸 收光能的色素分子。 叶绿体主要分布在绿色 植物的叶肉细胞，一般呈扁 平的椭球形或球形。 在基粒和基质中还 有许多进行光合作用所必需 的酶。 （2）实验：探究叶绿体的功 能 1880年，美国科学家恩 格尔曼设计了一个巧妙的实验。 实验材料：水绵、好氧 细菌，置于隔绝空气的环境中； 暗中 极细光束照 射 光下 恩格尔曼实验的结论是什么 ？ 恩格尔曼的实验方法有什么巧妙 之处？ 氧气是叶绿体释放出来的 ，叶绿体是绿色植物进行光合作用 的场所。 实验材料选择水绵和好氧 细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状 ，便于观察；用好氧细菌可确定释 放氧气多的部位；没有空气的黑暗 环境排除了氧气和光的干扰；用极

9、细的光束照射，叶绿体上可分为光 照多和光照少的部位，相当于一组 对比实验；临时装片暴露在光下的 实验再一次验证实验结果。 想一想 （1）叶绿体具有双层膜，可 以控制物质进出。 （2）叶绿体基质中分布有几 个到几十个由类囊体垛叠而成的 基粒，增大了叶绿体内的膜面积 ，利于化学反应的进行。 （3）叶绿体基粒分布有进行 光合作用必需的色素和酶，为光 合作用的进行做好了物质上的准 备。 为什么说叶绿体的结构 是与它进行光合作用这一功能相 适应的？ 恩格尔曼的第二个实验 透过三棱镜照射水绵临时装 片，发现好氧细菌聚集在红光和 蓝光区域。 这说明了叶绿体主要吸收红 光和蓝光用于光合作用，放出氧 气。 拓展

10、 二、光合作用的探究历程 我们现在已经知道，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 出氧气的过程。 这一个看似简单的光合反应 过程，却是科学家经过几个世纪 的不懈研究才得到的。 一株幼苗长成大树，体 内要积累很多营养物质。 古希腊著名哲学家亚里士 多德认为“植物生活在土壤中 ，植物生长发育所需的物质完 全来自土壤” 。 只浇水 5年后- 柳树2.3kg 土90.8kg 1、最早研究光合作用的 比利时科学家范海尔蒙特，于 1648年首次探究植物生长所需要 的营养来源。 栽培柳树实验 柳树76.7kg 土90.7kg 通过实验，他认为植物生

11、长所 需要的养料主要来自水，而不是土 壤。 2、1771年，英国普利斯特利的气 体交换实验。 结论：植物可以更新空气 。 但当时普利斯特莱的实验 有时成功，有时却失败，普利斯特 莱当时也不知道是为什么。 3、1779年，荷兰植物生 理学家扬英格豪斯找到了普利斯 特莱实验有时失败的原因。他发现 密封大玻璃罩中的植物需要在有光 照射并且叶片绿色时才可以更新空 气，如果普利斯特莱进行上述实验 时没有给密封大玻璃罩中的植物提 供足够的光照，实验就不可能成功 。 直到1785年，人们才确定 植物更新的空气成分是氧气。 1845年德国科学家梅耶指 出，光合作用中，光能转换成了化 学能并储存在植物体内，但不

12、知道 是储存在哪种物质中。 酒精脱色 4、1864年，德国植物学家萨克斯 的实验。 结论：绿色叶片中光合作用中产生 了淀粉。 置于暗处一昼夜 光照 碘液染色 思考：置于暗处一昼夜的目的是 什么？ 5、为了探究光合作用 释放的氧气来自于水还是二氧化 碳，20世纪30年代，美国科学家 鲁宾和卡门设计了同位素标记实 验： 结论：光合作用产生的 氧气全部来自H2O，而不是来自 CO2。 C18O2O2 H2OH218O CO2 18O2 光照下的 小球藻悬 液 6、为探 究光合作用中有机 物的合成过程，美 国科学家卡尔文用 14C标记的14CO2探明 了CO2中的C元素在 光合作用中的转化 途径。称卡

13、尔文循 环。 从人类对光合作 用探究历程来看，生物学的发 展与物理化学有什么联系？与 技术进步有什么联系？ 对光合作用的探究历程来 看，生物学的发展与物理学和化学 的研究进展关系很密切。例如，直 到1785年，由于发现了空气的组成 ，人们才明确绿叶在光下放出的气 体是氧气，吸收的是二氧化碳，这 个事例说明生物学的发展与化学领 域的研究进展密切相关。又如，鲁 宾和卡门利用同位素标记法证明光 合作用释放的氧气来自水，而不是 来自二氧化碳；卡尔文用同位素示 踪技术探明了二氧化碳中的碳在光 合作用中转化成有机物中碳的途径 ，都说明在科学发展的进程中，相 关学科的互相促进，以及技术手段 的进步对科学发展

14、的推动作用。 光合作用-能量进入生物圈的枢纽 三、光合作用的原理和应用 1、光合作用总反应式： CO2+H2O (CH2O)+O2 光能 叶绿体 （1）光反应阶段：是光 合作用第一阶段，在类囊体膜上 并且有光的条件下才能进行。 光反应 H2O 2H + 1/2O2 水的光解 光合磷酸化 （ATP形成 ） 形成的ATP和H参与第二阶段的 反应。 在叶绿体中进行的光合作 用，可以分为两个阶段： 2、光合作用的反应阶段： ADP+Pi+光能 ATP 酶 （2）暗反应阶段：光合作 用中第二个阶段的化学反应，有 没有光都可以进行，称暗反应阶 段，在叶绿体基质中进行。 暗反应 CO2的还原 CO2的固定

15、酶 CO2 + C5 2C3 2C3 + H (CH2O) + C5 酶 ATP 第二阶段不需要光的直 接参与，是二氧化碳转变为糖的 过程。在以前这一过程称为暗反 应，但现代研究表明这种说法并 不正确，应该称为碳反应。因为 在黑暗环境中，碳反应只能进行 极短暂的时间，只有在有光的条 件下碳反应才能持续不断地进行 ，并且光反应中的许多反应也不 需要光的参与。 课外拓展 光合作用的全过程： 供氢 酶 ADP +Pi 酶 ATP 供 能 还原 多种 酶参 加催 化 （CH2O ） 2C3 C5 固定 CO2 H2OO2 水在 光下 分解 H 光反应过程暗反应过 程 叶绿 体中 的色 素 光能 烧烧

16、杯杯 光照光照 （日光灯）（日光灯） 距离距离光光 照照 强强 度度 叶子圆片上浮所需时间叶子圆片上浮所需时间 第一第一 片片 第二第二 片片 第三第三 片片 第四第四 片片 140W5CM强强 240W30CM 中中 340W50CM 弱弱 结论：在一定光照强度 范围内，光合作用随着光照强度 的增强而增强。 结果记录： 四、化能合成作用 1、自养生物 以光为能源，以CO2 和H2O（无机物）为原料合成 糖类（有机物），糖类中储存 着由光能转换来的能量。例如 绿色植物。 （1）光能自养生物 能以简单的无机物作为营 养物质进行生活、繁殖的生物 ，称为自养型生物。 （2）化能自养生物 利用环境中某

17、些无 机物氧化时所释放的能量来 制造有机物。这种合成作用 称化能合成作用，如硝化细 菌。 2、异养生物 只能利用环境中现 成的有机物来维持自身的生 命活动。例如人、动物、真 菌及大多数的细菌。 种类种类作用作用 叶绿叶绿 素素 叶绿素叶绿素a 吸收红光、蓝吸收红光、蓝 紫光紫光 用于用于 光合光合 作用作用 叶绿素叶绿素b 类胡萝卜类胡萝卜 素素 胡萝卜胡萝卜 素素 吸收蓝紫光吸收蓝紫光 叶黄素叶黄素 1、光合色素 叶绿体结构 外膜 内膜 基粒：类囊体堆叠而成，光反 应场所， 含色素，酶； 基质：暗反应进程的场所 ，含各种光 合作用所需 的酶。 年代年代科学家科学家结论结论 1771普利斯特利

18、普利斯特利植物可以更新空气植物可以更新空气 1779英格豪斯英格豪斯只有在光照下植物可以更新空气只有在光照下植物可以更新空气 1845R.梅耶梅耶植物在光合作用时把光能转变成植物在光合作用时把光能转变成 了化学能储存起来了化学能储存起来 1864萨克斯萨克斯绿色叶片光合作用产生淀粉绿色叶片光合作用产生淀粉 1880恩格尔曼恩格尔曼氧由叶绿体释放出来。叶绿体是氧由叶绿体释放出来。叶绿体是 光合作用的场所光合作用的场所 1939鲁宾鲁宾 卡门卡门光合作用释放的氧来自水。光合作用释放的氧来自水。 20世纪世纪40年代年代卡尔文卡尔文光合产物中有机物的碳来自光合产物中有机物的碳来自CO2 2、光合作用

19、探索历程 光合作用 光反应阶段 暗反应阶段 CO2+H2O (CH2O)+O2 光能 叶绿体 营养方式 自养 异养 光能自养型：光 合作用 化能自养型：化能合 成作用 (2008 广东)关于叶肉细 胞在光照条件下产生ATP的描述 ，正确的是( ) A. 无氧条件下，光合 作用是细胞ATP的唯一来源 B. 有氧条件下，线粒 体、叶绿体和细胞质基质都能产 生ATP C. 线粒体和叶绿体合 成ATP都依赖氧 D. 细胞质中消耗的ATP 均来源于线粒体和叶绿体 B 解析：无氧条件下，光合作 用不是细胞ATP的唯一来源，还 有无氧呼吸；线粒体和叶绿体合 成ATP依赖氧、叶绿体合成ATP 不依赖氧；细胞质

20、中消耗的ATP 来源于细胞质基质、线粒体和叶 绿体。 （2008 江苏）下列关于叶绿体 和光合作用的描述中，正确的是 （ ） A.叶片反射绿光故呈绿色，因 此日光中绿光透过叶绿体的比例 最小 B.叶绿体的类囊体膜上含有自 身光合作用所需的各种色素 C.光照下叶绿体中的ATP主要 是由光合作用合成的糖经有氧呼 吸产生的 D.光合作用强烈时，暗反应过 程直接将3个CO2分子合成一个三 碳化合物 B 解析：叶绿体中的色 素不能吸收绿光，其他颜色的 光吸收率都比绿光高，因此绿 色叶片反射和透射的绿光都最 多，A错；叶绿体中的ATP主要 是光反应中伴随光能的转化形 成的，C错；无论光合作用强度 如何，三

21、碳化合物都是由一分 子二氧化碳和一分子五碳化合 物结合形成的，D错。 (2008 海南)关于叶绿 体色素在光合作用过程作用的描 述，错误的是（ ） A.叶绿体色素与ATP的 合成有关 B.叶绿体色素参与ATP 的分解 C.叶绿体色素与O2和 H的形成有关 D.叶绿体色素能吸收和 传递光能 B 解析：叶绿体中色素分 为两类：一类具有吸收和传递光 能的作用，包括大多数叶绿素a ，以及全部的叶绿素b，胡萝卜 素和叶黄素；另一类是少数处于 特殊状态的叶绿素a，这种叶绿 素不仅能够吸收光能，还能使光 能转化为电能；转化为电能后通 过电子传递体传递给ADP、 NADP+,从而形成了储存了活跃化 学能的AT

22、P和NADPH(H)，并且水 失去电子，氧被氧化成氧分子； 光合作用中只有暗反应才使ATP 分解，不需要光反应中色素的参 与。 1. 在做植物实验的暗室中，为了 尽可地降低植物光合作用的强度，最 好安装（ ） A. 红光灯 B. 紫光灯 C. 白炽 灯 D. 绿光灯 2. 把新鲜叶绿素溶液放在光源 与分光镜之间，可以看到光谱中最 强的吸收区（ ） A. 绿光部分 B. 红光和蓝紫 光部分 C. 蓝紫光部分 D. 黄橙光部分 D B 3. 叶绿体的色素能够在滤纸上分离的 原因是（ ） A.色素提取液中的不同色素已经分层 B. 阳光的照射使各种色素彼此分开 C. 滤纸对各种色素的吸附力不同 D.

23、层析液使色素溶解并彼此分离的扩 散速度不同 4. 叶绿素不溶于（ ） A. 水 B. 石油醚 C. 无水乙醇 D. 苯 D A 5. 纸层析法分离叶绿体色素时 ，滤纸条下端第二条的色素名称和 颜色分别是（ ） A. 叶绿素a、蓝绿色 B. 叶绿素b、黄绿色 C. 胡萝卜素、橙黄色 D. 叶黄素、黄色 A 6. 叶绿体是植物进行光合作用 的细胞器，下面有关叶绿体的叙述 正确的是（ ） A. 叶绿体中的色素都分布在囊 状结构的膜上 B. 叶绿体中的色素分布在外膜 和内膜上 C. 光合作用的酶只分布在叶绿 体基质中 D. 光合作用的酶只分布在外膜 、内膜和基粒上 A 7. 在正常条件下进行光合作用 的植物，当突然改变某条件后，发 现叶肉细胞内三碳化合物的含量突 然上升，则改变的条件是（ ） A. 停止光照 B. 停止光照并降低CO2的浓度 C. 升高CO2的浓度 D. 降低CO2的浓度 A 8. 绿色植物和硝化细菌细 胞的分解代谢和合成类型分别 是（ ） 有氧呼吸 无氧呼吸 光合作用 化能合成作 用 A. ， B. ， C. ， D. ， B 9. 在圆形滤纸的中央滴上叶绿 体的色素滤液进行