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用心爱心专心第2节光合作用一、学习目标1、光合作用的定义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。2、光合色素主要包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素。叶绿素a和叶绿素b主要吸收和利用红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素要吸收和利用蓝紫光。3、光合作用的过程总反应式：CO2+H2O（CH2O）+O24、影响光合作用的因素（1）光照：光强度、光质都可以影响光合速率。光照强度：在一定光强度范围内，光合速率随光强度的增大而增大。光质：由于色素吸收可见太阳光中的红光和蓝紫光最多，吸收绿光最少，故不同颜色的光对光合作用的影响不一样。白光下光合效率最高，红光和蓝紫光下光合效率较高，绿光下光合效率最低。（2）CO2浓度：在一定范围内，光合速率随CO2浓度的增大而增大。（3）温度：温度是通过影响酶的活性来影响光合作用效率的。（4）矿质营养：绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。矿质元素能够直接或间接影响光合作用。二、教材分析1、重点难点与疑点重点难点是光合作用的定义、光合色素、光合作用的过程等。疑点是影响光合作用的因素等。2、教材解读课文解读一、回眸历史光合作用发现的历史1648年比利时的范•海尔蒙特（V.Helmont）第一次试图用定量的方法研究植物的营养素来源。通过该实验他认为，植物生长所需要的养料主要来自于水，而不是土壤。1771年英国的普利斯特莱（J.Priestley）通过植物和动物之间进行气体交换的实验，第一次成功地应用化学的方法研究植物的生长，得知植物生长需要吸收CO2，同时释放出O2。1779年荷兰的扬•英根豪斯（J.Ingenhousz）把带叶的枝条放到水里。这些叶在阳光下产生氧气，在暗处并不产生氧气。扬•英根豪斯认为植物需要阳光才能制造出氧气。1864年萨克斯（J.vonSachs）采用碘液检测淀粉的方法，确定叶片在光下能产生淀粉。1940年鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）运用放射①光能转换成活跃的化学能：ADP+Pi+能量ATP酶光反应H2O2[H]+O2光酶②活跃的化学能转换成稳定的化学能：CO2+C52C3酶2C3（CH2O）ATP、[H]酶暗反应光能叶绿体用心爱心专心性同位素标记法，通过小球藻的实验证明了光合作用释放的氧气来自水，糖类中的氢也来自水。1948年美国的梅尔文•卡尔文（M.Calvin）报告了历时10年的科研成果，他用14C标记的CO2追踪了光合作用过程中碳元素的行踪，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获和转化植物的叶绿素分子吸收光的能力很强，除了部分橙光、黄光和大部分绿光被反射为外，其他波长的光基本上都能被叶绿素分子所吸收，因而植物的叶片呈现绿色。根据精确的化学分析，绿色植物叶绿体中所含的光合色素主要包括叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素。叶绿体是进行光合作用的细胞器。叶绿体中的光合色素有叶绿素和类胡萝卜素两类。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b两种，均不溶于水，但易溶于酒精、丙酮、石油醚等有机溶剂中。叶绿素a的分子式为：C55H72O5N4Mg，呈蓝绿色；叶绿素b的分子式为：C55H70O6N4Mg，呈黄绿色。叶绿素吸收光的能力极强，如果把叶绿素的丙酮提取液放在光源与分光镜之间，可以看到光谱中有些波长的光被吸收了。因此在光谱上就出现了黑线或暗带，这种光谱叫吸收光谱。叶绿素吸收光谱的最强区域有两个：一个是在波长为640～660nm的红光部分，另一个在波长为430～450nm的蓝紫光部分。对其它光吸收较少，其中对绿光吸收最少，由于叶绿素吸收绿光最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。我们在做叶绿素的提取和分离实验时，还会看到一种现象：试管中的叶绿素的丙酮酮提取液在透射光下是翠绿色的，而在反射光下是综红色的，这是叶绿素的荧光现象。叶绿体中的类胡萝卜素包括胡萝卜素和叶黄素两种，颜色分别是橙黄色和黄色，功能是吸收蓝紫光。除此之外还具有保护叶绿素，防止强烈光照伤害叶绿素的功能。植物叶子呈现的颜色是叶子中各种色素的综合表现。其中主要是绿色的叶绿素和黄色的类胡萝卜素之间的比例。一般来说，正常叶子的叶绿素和类胡萝卜素的分子比例约为4∶1，叶绿素a与叶绿素b的比约为3∶1，叶黄素与胡萝卜素之比约2∶1，由于叶绿素比黄色的类胡萝卜素多，所以正常的叶子总是呈绿色。秋天，因低温、紫外线强烈等外界因素和叶片衰老等内部因素，叶绿素的合成速度低于分解的速度，叶绿素含量相对减少，而类胡萝卜素分子比较稳定，不易破坏。所以叶片逐渐呈现类胡萝卜素的颜色——黄色。至于红叶，是因为秋天降温，体内积累较多的糖分以适应寒冷，体内可溶性糖多了，就形成了较多的花色素，同时秋天叶子内的pH值改变，叶内呈现酸性，使花色素表现出红色。三、光合作用的过程经过科学家的不懈努力，人们对光合作用的认识日益深入。在光合作用的过程中，并不是全部过程都需要光，根据反应过程是否需要光能，可以将光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。P56页书本图4-12光反应阶段是利用色素吸收的光能完成两个基本的反应：一是将水分解成[H]和O。这是一个非常复杂的过程，可简单描述为：叶绿素吸收光能后激发出一个高能电子，然后高能电子沿着一条电子传递链传递下去，叶绿素分子中失去一个电子后通过酶的作用就从水中获得一个电子，水分子失去一个电子而被分解，其过程可表示为：2H2O─→2OH+2H++2e2OH─→H2O+1/2O2所以光合作用过程中水是它的一种原料，也称为光合作用的电子供体。二是在高能电子沿着电子传递链传递的过程中释放出能量，这部分能量就用于合成ATP，最后电子传递给电用心爱心专心子受体NADP+，生成NADPH2，这就是所谓的还原态的氢（[H]）。所以光反应必须在光下才能进行，如果停止光照，光反应也就立即停止。光反应阶段：a、H2O──────→2[H]+O2b、ADP+Pi───────→ATP+H2O光反应过程把光能转变成活跃的化学能贮存在ATP和[H]中。光反应的产物有三种，O2是释放到大气中去的，ATP和[H]是暗反应的原料。暗反应是光合作用过程中一个不需要光的阶段，是在叶绿体的基质中进行的。其过程一般分为三个阶段：第一阶段是CO2的固定，即五碳化合物（C5）和CO2在酶的作用下结合形成两分子三碳化合物（C3）的过程；第二阶段是C3被还原的过程，这个过程需要消耗[H]和ATP；第三阶段是C5的再生，这个过程也要消耗ATP。在暗反应过程中，可以认为C5是被循环使用的。进行暗反应过程必需具有四个基本条件：[H]、ATP、CO2和相关的一系列酶。只要满足这四项基本条件，暗反应是可以离体进行的。暗反应阶段：CO2的固定：CO2+C5──────→2C3C3的还原：2C3+ATP+[H]────→CH2O+C5+H2O+ADP+Pi暗反应阶段将活跃的化学能转变稳定的化学贮存在有机物中。在光合作用过程中，可以认为先进行光反应，后进行暗反应，因为当一棵植物在暗处放置了很久以后，突然移到光下，必须先进行光反应，在叶绿体中积累了一定的[H]和ATP后才开始进行暗反应。当植物从光下突然移到暗处时，光反应会立即停止，但暗反应不会立即停止，暗反应的停止要到将[H]和ATP消耗完后。在叶绿体处于不同的条件下，其中的C5、C3、[H]和ATP及葡萄糖的合成量的变化情况可用下表来表示。条件停止光照CO2供应不变过量光照CO2供应不变光照不变停止CO2供应光照不变CO2过量供应C3增加减少减少增加C5下降增加增加减少[H]和ATP减少或没有增加增加减少糖合成量减少或没有增加减少或没有增加四、影响光合作用的环境因素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光合作用是在植物有机体的内部和外部的综合条件的适当配合下进行的。因此内外条件的改变也就一定会影响到光合作用的进程或光合作用强度的改变。影响光合作用强度的因素主要有光照强度、CO2浓度、温度和矿质营养。色素吸收的光能酶色素吸收的光能酶多种酶还原用心爱心专心高光能利用率。例如，采用轮作、套种和间作等，能使一年四季的阳光都得到充分利用；合理密植可以充分利用阳光达到增产目的。此外，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，也能提高光合作用效率。光照强度：光照是植物进行光合作用的最重要的外部条件，没有光照就不能进行光合作用。一般而言，植物的光合作用强度是随着光照强度的增加，同化CO2的速度也相应增加。植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用，当植物在某一光照强度条件下进行光合作用所吸收的CO2与该温度条件下植物进行呼吸作用所释放的CO2量达到平衡时，这一光照强度就称为光补偿点。当光照强度增加到一定强度后，植物的光合作用强度不再增加或增加很少时，这一光照强度就称为植物光合作用的光饱和点。如下图。光补偿点在不同的植物是不一样的，主要与该植物的呼吸作用强度有关，与温度也有关系。一般来说，由于阳生植物生活于温度较高的环境中，呼吸作用强度也较高，光补偿点也就较高；而阴生植物由于生长在阴湿而温度较低的环境中，呼吸作用强度也较低，所以光补偿点也较低。光饱和点阳生植物高于阴生植物。所以在栽培农作物时，阳生植物必须种植在阳光充足的条件下才能生长发育良好，才能提高光合作用效率，增加产量；而阴生植物应当种植在阴湿的条件下，才有利于生长发育，有光照太强反而不利于其生长发育，如人生、三七、胡椒等的栽培，就必须栽培于阴湿的条件下，才能获得较高的产量。植物在进行光合作用的同时也在进行着呼吸作用，总光合作用是指植物在光下制造的有机物的总量（吸收的CO2总量）。净光合作用是指在光下制造的有机物总量（或吸收的CO2总量）中扣除掉在这一段时间中植物进行呼吸作用所消耗的有机物（或释放的CO2）后净增的有机物的量。温度：植物所有的生活过程都受温度的影，因为在一定的温度范围内，提高温度可以提高酶的活性，加快反应速度。光合作用也不例外，在一定的温度范围内，在正常的光照强度下，提高温度会促进光合作用的进行。但提高温度也会促进呼吸作用。如下图。所以植物净光合作用的最适温度不一定就是植物体内酶的最适温度。CO2浓度：CO2是植物进行光合作用的原料，只有当环境中CO2吸收量CO2释放量总光合作用净光合作用光饱和点光补偿点光照强度在黑暗中呼吸所放出的CO2量温度CO2吸收或释放量光合作用呼吸作用0用心爱心专心的CO2浓度达到一定浓度时，植物才能进行光合作用。植物能够进行光合作用的最低CO2浓度称为CO2的补偿点，环境中的CO2低于这一浓度，就不能进行光合作用。一般来说，在一定的范围内，植物光合作用的强度随CO2浓度的增加而增加，但达到一定浓度后，光合作用强度就不再增加或增加很少，这时的CO2浓度称为CO2的饱和点。如CO2浓度继续升高，光合作用不但不会增加，反而要下降，甚至引起植物CO2中毒，而影响植物正常的生长发育。如下图。必需矿质元素的供应：绿色植物进行光合作用时，需要多种必需的矿质元素。如氮是催化光合作用过程各种酶以及NADP+和ATP的重要组成成分，磷也是NADP+和ATP的重要组成成分。科学家发现，用磷脂酶将离体叶绿体膜结构上的磷脂水解掉后，在原料和条件都具备的情况下，这些叶绿体的光合作用过程明显受到阻碍，可见磷在维持叶绿体膜的结构和功能上起着重要的作用。又如绿色植物通过光合作用合成糖类，以及将糖类运输到块根、块茎和种子等器官中，都需要钾。再如镁是叶绿体的重要组成成分，没有镁就不能合成叶绿素。等等。拓展阅读植物光合作用的“午睡”现象光合作用是植物特有的功能，植物的光合作用不仅将光能转化成化学能从而构成了生物圈的能量基础，而且光合作用吸收了原始大气层中过多的CO2，并释放出氧气，这对人类赖以生存的生物圈的良性循环是具有决定意义的。光是植物光合作用的能量源泉。光对整个光合作用的影响主要表现在三个方面：提供同化力形成所需要的能量；活化参与光合作用的各种酶，促使气孔开放等；调节光合机构的发育。由此可见，光是影响光合作用速率的最重要因子。在晴天中，照