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54能量之源光与光合作用

5.4能量之源——光与光合作用

一、捕获光能的色素

（一）捕获光能的色素

１、绿叶中色素的提取和分离

（１）原理：

①提取原理：

色素能溶解在有机溶剂（如无水乙醇或95%的乙醇加入适量的无水碳酸钠，除去水分或丙酮）中，使色素从生物组织中脱离出来。

②分离的原理：

各种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的则在滤纸上扩散的快。

反之则慢。

③分离方法：

纸上层析法

（２）实验过程

Ⅰ、提取色素：

①称取5克绿叶（叶片要新鲜、颜色要深绿以保证含有较多的色素）剪碎，放入研钵

②加SiO2、CaCO3和10mL无水乙醇迅速、充分研磨

分析：

①加SiO2是为了使研磨更充分　

②加CaCO3是为了防止研磨时叶绿素受到破坏。

CaCO3可中和液泡释放的有机酸，防止色素被破坏　

③叶绿体色素易溶于无水乙醇（丙酮）等有机溶剂　

④加无水乙醇（或丙酮）迅速研磨的目的是减少研磨过程中叶绿体色素的分解，减少无水乙醇（有毒性的丙酮）的挥发

Ⅱ、收集滤液：

①漏斗基部放一单层尼龙布

②研磨液倒入漏斗内挤压

③将滤液收集到小试管中，用棉花塞塞住试管口

分析：

①尼龙布起过滤作用

②试管口用棉花塞塞紧是为了防止无水乙醇（丙酮）挥发

Ⅲ、制备滤纸条：

①将干燥的滤纸，顺着纸纹剪成长10cm，宽1cm的纸条

②一端剪去两个角，并在距这一端1cm处划一铅笔线

分析：

①干燥可使滤纸吸收更多的滤液

②顺着纸纹剪成长条，一端剪去两个角，层析时，色素分离效果好，可使层析液同时到达

滤液细线，防边缘扩散速度太快。

Ⅳ、划滤液细线

①用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线划出细、齐、直的一条滤液细线

②干后重复三次

分析：

①滤液细线越细、越齐，越能防止色素带之间部分重叠

②重复三次，可增加色素在滤纸上的附着量，实验结果更明显

Ⅴ、分离色素

将3mL层析液倒入烧杯中，将滤纸条（画线一端朝下）插入层析液中，用培养皿盖盖上烧杯

分析：

①层析液不能没及滤液细线，防止色素溶解在层析液中

②烧杯要盖培养皿盖，因为层析液中的苯、丙酮、石油醚易挥发

（３）实验结果及分析

Ⅰ、结果示意图

Ⅱ、分析

①扩散最快的是胡萝卜素，扩散最慢的是叶绿素b，含量最多的是叶绿素a。

②从色素带的宽度可得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。

③从色素带的位置可得各色素在层析液中溶解度大小依次为：

胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a>叶绿素b。

④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。

（４）、注意：

①如果实验中使用圆形滤纸，中央滴色素，放入含层析液的培养皿中层析，会得到近似的同心圆的四个色素环，由内到外依次是黄绿色、蓝绿色、黄色、橙黄色

②影响叶绿素合成的因素：

光照、温度、矿质元素如N、Mg

Ａ、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。

Ｂ、温度：

温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成。

低温时，叶绿素分子易被破坏，因而叶子变黄。

Ｃ、矿质元素:

叶绿素中含N、Mg等矿质元素,若缺乏将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄。

２、四种色素的含量

（１）色素分布：

色素分布在内囊体的薄膜上，色素可以吸收、传递、转化光能

（２）色素种类：

叶绿素a（3/4）（蓝绿色）

叶绿素（3/4）

类囊体薄膜吸收红光、篮紫光叶绿素b（1/4）（黄绿色）

上的色素

 叶黄素（2/3）（黄色）

类胡萝卜素（1/4）

吸收蓝紫光　　　　胡萝卜素（1/3）（橙黄色）

（３）吸收光谱

（４）吸收光谱的应用

①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对光合作用而言最有效的光为白光，叶绿素对绿光吸收最少。

故农业上一般用无色薄膜覆盖大棚而不使用绿色的塑料薄膜或补充绿色光源。

实验室中黑暗处理有机物时需要有光条件下操作时最好选用绿光灯

（二）、叶绿体的结构

１、叶绿体的结构

（１）组成结构

外膜

叶绿体内膜

基粒：

由两个以上的类囊体组成，含色素和酶

叶绿体基质：

含酶

（２）叶绿体结构图

（３）基粒：

扩大了受光面积；光线弱时基粒正对着光而光照过强时基粒和光照平行。

２、叶绿体的功能

（１）1880年恩格尔曼实验（德国）

（２）实验结论

①叶绿体是进行光合作用的场所。

②O2是由叶绿体释放的。

（3）实验分析

本实验设计的巧妙之处在于：

①选择水绵作实验材料，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用

好氧细菌确定O2释放的部位，便于观察。

②没有空气的黑暗环境排除了空气中的O2和光的干扰。

③设置了对照实验

　自变量：

光照（照光处与不照光处；黑暗与完全曝光，明确实验结果完全由光照引起的）

　因变量：

光合作用的发生部位，用好氧细菌的分布作为观察指标。

④选用极细的光束照射，并且用好氧细菌进行检测，从而能够准确地判断出水绵细胞中释放氧的部位。

二、光合作用的原理和应用

（一）、光合作用的探究历程

１、定义：

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能量的有机物并释放出氧气的过程。

２、探究历程

（１）1771年普利斯特利（英）

实验过程及现象：

点燃的蜡烛与绿色植物，密闭——蜡烛不易熄灭小鼠与绿色植物，密闭——小鼠不易窒息

实验结论：

植物能更新空气（提醒：

更新何种气体当时不知道）

实验分析：

密闭的玻璃罩是否加植物为自变量，蜡烛燃烧时间或小鼠存活时间为因变量。

（２）1779年英格豪斯（荷兰）

实验结论：

只有在阳光照射下和有绿叶时植物才可以更新

（３）1845年梅耶（德国）

实验结论：

植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来

（４）、1864年萨克斯（德国）

实验过程及现象：

实验结论：

绿色叶片光合作用产生淀粉

实验分析：

自变量为曝光和遮光，因变量是颜色的变化（有无淀粉生成）。

萨克斯实验中黑暗处理的目的:

消耗掉叶片中原有的淀粉。

曝光与遮光形成对照，检验试剂为碘蒸气，检验前用酒精水浴加热处理，目的是溶解色素。

本实验还证明了光是光合作用的必要条件

（５）、1941年鲁宾和卡门（美国）

实验过程及现象：

实验结论：

光合作用释放的氧全部来自水

实验分析：

鲁宾、卡门用的实验方法为示踪原子法（同位素标记法）。

相互对照，自变量为标记物质（H218O与C18O2），因变量为O2的放射性。

（５）、20世纪40年代卡尔文（美国）

实验过程及现象：

用14C标记的14CO2供小球藻光合作用，追踪检测其放射性

实验结论：

CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中的碳

（二）、光合作用的过程

１、反应式及元素去向：

２、过程图解：

３、光反应和暗反应

光反应阶段

暗反应阶段

部位

类囊体的薄膜上

叶绿体的基质中

条件

光、色素、水、酶

[H]、ATP、CO2、酶

物质变化

①水的光解：

2H2O→4[H]＋O2色素吸收光能不需酶

②ATP的形成：

ADP＋Pi＋能量

ATP

①CO2的固定：

CO2＋C5

2C3

②2C3

（CH2O）＋C5＋H2O

能量变化

光能转变成活跃的化学能储存在ATP中

ATP中活跃的化学能转变成稳定的化学能储存在各类有机物中。

联系

①光反应为暗反应提供[H]、ATP，暗反应为光反应提供ADP和Pi。

②光反应与暗反应是光合作用全过程的两个阶段。

既有区别又有联系，是缺一不可的整体。

４、Ｃ3、Ｃ5的变化

C3

C5

[H]和ATP

（CH2O）

CO2供应不变

停止光照

增加

减少

减少或没有

减少或没有

突然光照

减少

增加

增加

增加

光照不变

停止CO2供应

减少

增加

增加

减少或没有

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

（三）光合作用的影响因素及其作用

１、光照强度对光合作用强度的影响

（１）曲线图

（２）曲线分析

①A点：

光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示细胞呼吸的强度

②AB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

③B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

④BC段：

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

⑤总光合速率＝净光合速率＋呼吸速率

⑥阴生植物和阳生植物的比较

Ａ：

一般阳生植物光合作用补偿比阴生植物大

Ｂ：

阳生植物光合作用饱和点比阴生植物高

Ｃ：

首先达到光合作用饱和点的一般为阴生植物

Ｄ：

阴生植物呼吸强度比阳生植物低

（３）应用

①阴生植物的A点上移，B点较小，C点较低

②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；增加光合作用面积，如合理密植

③适当提高光照强度可增加大棚作物产量

２、CO2浓度对光合作用强度的影响

（１）曲线图

（２）曲线分析

①图1和图2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

②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（离体条件下没有线粒体提供CO2）

③图1和图2中的B和B′点都表示CO2饱和点；限制因子是酶的数量和活性。

（３）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、温度对光合作用速率的影响

（１）曲线图

（２）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。

（３）应用

①温室栽培时，白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用

②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、必需元素供应对光合速率的影响

（１）曲线图

（２）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。

（３）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、水分的供应对光合作用速率的影响

（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。

６、叶龄对光合速率的影响

（１）曲线图

（２）曲线分析

①随幼叶不断生长，叶面积不断增大，叶内叶绿体不断增多,叶绿素含量不断增加，光合速率不断增加（OA段）；

②壮叶时，叶面积、叶绿体、叶绿素都处于稳定状态，光合速率基本稳定（AB段）；

③老叶时，随叶龄增加，叶内叶绿素被破坏，光合速率下降（BC段）。

（３）应用：

摘除老叶、残叶。

７、叶面积指数

（１）曲线图

（２）曲线分析

①OA段：

随叶面积的不断增大，光合作用实际量不断增大。

②A点：

为光合作用叶面积的饱和点。

超过此点，随叶面积的增大，光合作用不再增加，原因是叶片相互遮挡，影响对光的吸收。

③OB段：

表明干物质量（有机物净生产量，即光合作用的生产量－呼吸消耗量）随叶面积增加而增加。

④BC段：

由于A点以后光合作用不再增加，但叶片的呼吸量（OC段）随叶面积的增大而增加，所以干物质积累量降低

（３）应用：

合理密植，适当修剪，避免徒长

８、多因子对光合速率的影响

曲线分析：

P点时，限制光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。

当到Q点时，横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可适当提高图示中的其他因子。

（可讨论ＰＱ点时的Ｃ3、Ｃ5及纵向两点的Ｃ3、Ｃ5变化）

（四）植物一天的光合作用中C3含量的变化分析

１、AB段、IJ段的C3含量较高

原因：

夜间没光，[H]和ATP缺乏，C3不能被还原。

２、BC段的C3含量下降，GI段的C3含量上升

原因：

BC段的光照强度增强，产生[H]和ATP增多，C3被还原，C3减少；GI段的光照强度减弱，产生[H]和ATP减少，C3被还原的量减少，C3增多。

３、CD段的C3含量升高

原因：

可能是白天该地区天气暂时由晴转阴，光反应不足。

４、G点的C3含量最低

原因：

G点气孔关闭，二氧化碳不足，生成C3的量减少，而C3的还原还正常进行，所以C3含量低；相反C5的消耗减少，而还原过程又产生C5，因此G点C5含量较高。

（五）不同条件下光照强度对光合作用曲线的影响

１、当原温度是光合作用的最适温度时，降低温度，其他条件不变，a点上移，b点左移，d下移。

２、当缺镁时，其他条件不变，a点不变，b点右移，d下移。

３、当上图表示阳生植物的光合作用强度时，则阴生植物的a点上移，b点左移，d下移。

４、当CO2浓度较低时，其他条件不变，a点不变，b点右移，d下移。

５、干旱初期，对呼吸作用影响不大，a点不变，但植物气孔关闭，CO2吸收量少，则b点右移，d下移。

６、当上图表示蓝紫光时的光合作用强度，则改用红光后，a点不变，b点左移，d上移。

７、不同条件下CO2（光）补偿点的移动规律

（1）若呼吸速率增加，CO2（光）补偿点应右移，反之应左移。

（2）若呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降时

（3）阴生植物与阳生植物相比，CO2（光）补偿点和饱和点都相应向左移动。

（六）一天内植物对CO2的吸收和释放量的变化分析（以夏季晴天的一昼夜变化为例）

①植物在无光时进行呼吸作用，有光时进行光合作用和呼吸作用。

②0～6时、18～24时为夜晚，植物只进行呼吸作用释放CO2，环境中CO2浓度增加；6～18时为白天，植物进行光合作用消耗CO2，环境中CO2浓度降低。

③横坐标下方代表植物消耗有机物的总量，上方代表净积累量。

④AG段植物进行光合作用，B、F点时光合作用速率等于呼吸作用速率，C点时的光合速率最强。

⑤D点的形成是因为温度太高，气孔关闭，CO2的吸收量减少，光合作用速率下降。

⑥AC段之间的变化是因为光照强度上升，光合作用速率上升；EG段之间的变化是因为光照强度下降，光合作用速率下降。

（七）光合作用和呼吸作用

１、光合作用和呼吸作用的综合计算

①光合作用实际产O2量＝实测的O2释放量＋呼吸作用耗O2量

②光合作用实际CO2消耗量＝实测的CO2消耗量＋呼吸作用CO2释放量

③光合作用C6H12O6净生成量＝光合作用实际C6H12O6生成量－呼吸作用C6H12O6消耗量

２、光合作用速率和呼吸作用速率

（１）呼吸速率的表示方法：

植物置于黑暗环境中，测定实验容器内CO2增加量、O2减少量或有机物减少量。

（２）净光合速率和真光合速率

①净光合速率：

常用一定时间内O2的释放量、CO2吸收量或有机物积累量表示。

②真光合速率：

常用一定时间内O2的产生量、CO2固定量或有机物产生量表示

（３）净光合作用量＝总光合作用量－呼吸作用量。

（４）净光合速率的测定方法（如下图）

①条件：

整个装置必须在光下。

②NaHCO3溶液作用：

玻璃瓶中的

NaHCO3溶液保证了容器内CO2浓

度的恒定，满足了绿色植物光合作

用的需求。

③植物光合速率指标：

植物光合作

用释放氧气，使容器内气体压强增

大，毛细管内的水滴右移。

单位时

间内水滴右移的体积即是光合速率。

（八）几种提高光合作用的手段

１、延长光合作用的时间。

如：

套作

２、增加光合作用的面积。

如：

间作、合理密植。

３、套作、间作、轮作定义

（１）套作：

是指在同一块地上一年种植和收获两种或两种以上作物可延长光合作用的时间

（２）间作：

是指在同一块地上将不同的作物相间种植。

（３）轮作：

是指在同一块地上按预定计划轮换种植不同植物，轮作可提高土壤的肥力，防止虫害的发生。

三、探究光照强度对光合作用强度的影响及相关分析

（1）实验流程

打出小圆形叶片（30片）：

用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出（直径=1cm）

抽出叶片内气体：

用注射器（内有清水、小圆形叶片）抽出叶片内气体（O2等）

小圆形叶片沉到水底：

将内部气体逸出的小圆形叶片放入黑暗处盛有清水的烧杯中，小圆形叶片全部沉到水底

对照实验及结果：

项目

烧杯

小圆形

叶片

加富含CO2的清水

光照强度

叶片浮起数量

甲

10片

20mL

强

多

乙

10片

20mL

中

中

丙

10片

20mL

弱

少

（2）实验结论：

在一定范围内,随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强（小圆

形叶片中产生的O2越多，浮起的越多）。

四、问题部分

１、某实验小组以CO2吸收量与释放量为指标，在光照等条件适宜的情况下，研究温度对某绿色植物光合作用与呼吸作用的影响，他们将某植株放在特殊的装置内，实际测得的数据如下图所示。

下列对这一结果的叙述，正确的是

A．光照相同时间，35℃时光合作用有机物的积累量与30℃时相等

B．光照相同时间，在25℃条件下植物积累有机物的量最多

C．温度高于25℃时，光合作用合成的有机物的量开始减少

D．若昼夜均为12小时，则在二曲线交点的温度条件下，植物每天有机物的积累量为0

答案：

ＢＤ

２、将某绿色植物放在特定的实验装置中，研究温度对光合作用与呼吸作用的影响（其他实验条件均适宜），实验以CO2的吸收量与释放量为指标，实验结果如下表所示。

下列对该表数

温度（℃）

10

15

20

25

30

35

40

光照下吸收CO2（mg/h）

1.75

2.50

3.25

3.75

3.50

3.00

2.50

黑暗下释放CO2（mg/h）

0.75

1.00

1.50

2.25

3.00

3.50

3.75

A.光照条件下，当温度为25℃时该植物合成有机物的速率最快

B．光照条件下，当温度为20℃时该植物积累有机物的速率最快

C．光照条件下，30℃比35℃的温度条件更有利于植物的光合作用

D．该植物光合作用的最适温度低于呼吸作用的最适温度

答案：

Ｄ

３、将某植物的大小相似的绿色叶片分组进行如下实验：

实验前先称出叶片的重量（各组均相等），在不同温度下分别暗处理1小时，测其重量变化；立刻再光照1小时（光照强度等条件相同），再测其重量变化。

得到如下结果：

组别

1

2

3

4

温度（℃）

27

28

29

30

暗处理后的重量变化（mg）﹡

－2

－2.5

－3

－3.5

光照后的重量变化（mg）﹡

＋3.5

＋3

＋2.5

＋2

﹡指与实验前的重量进行比较，则在哪一温度条件下，每小时叶片光合作用产生氧气量最多

答案：

Ｄ

４、请利用下图装置完成对某植物光合作用强度和呼吸作用强度的测定，并分析回答有关问题（注：

A为开关；B为玻璃罩；C为转基因植物；D为烧杯，内装NaOH或NaHCO3溶液；E为红墨水滴；F为直尺）。

Ⅰ.实验步骤

（1）测定植物的净光合作用强度，方法步骤是：

①在甲、乙两装置的D中都放入等量________溶液，装置乙作为_________。

②将甲、乙两装置放在适宜的光照强度和温度等条件相同的环境中。

③30分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和刻度。

（2）测定植物的呼吸作用强度，方法步骤是：

①________________________________________________

②________________________________________________

③30分钟后分别记录甲、乙两装置红墨水滴移动的方向和

Ⅱ.实验结果和分析

（1）实验结果如下表，填写表中的两个空格：

实验目的

实验30分钟后红墨水滴移动情况

测定植物净光合作用强度

甲装置

____（填“左移”或“右移”）4.5厘米

乙装置

右移0.5厘米

测定植物呼吸作用强度

甲装置

____1.5厘米（填“左移”或“右移”）

乙装置

右移0.5厘米

（2）假设红墨水滴每移动1厘米植物体内的葡萄糖增加或减少1克，植物的实际光合速率是___克/小时。

假设每天光照15个小时，一昼夜积累葡萄糖_____克（不考虑昼夜温差的影响）。

答案：

（１）①NaHCO3，对照（组）（２）①在甲、乙两装置的D中都放入等量的NaOH溶液，

装置乙作为对照②将甲、乙两装置遮光处理，放在温度等条件相同的环境中

Ⅱ.

（1）右移　　左移

（2）12　　84　（实际光合速率＝净光合速率＋呼吸速率＝4.5＋1.5＝6；积累葡萄糖＝实际光合速率－呼吸速率＝（12×15）－（4×24）＝84。

）

５、在光照等适宜条件下，将培养在CO2浓度为1%环境中的某植物迅速转移到CO2浓度为0.003%环境中，其叶片暗反应中C3和C5化合物微摩尔浓度的变化趋势如下图。

回答下列问题：

（1）图中物质A是__________（填“C3化合物”或“C5化合物”）。

（2）在CO2浓度为1%的环境中，物质B的浓度比A的低，原因是________________________________________________________________；

将CO2浓度从1%迅速降低到0.003%后，物质B浓度升高的原因是_______________________。

（3）若使该植物继续处于CO2浓度为0.003%的环境中，暗反应中C3和C5化合物浓度达到稳定时，物质A的浓度比B的__________（填“低”或“高”）。

（4）CO2浓度为0.003%时，该植物光合速率最大时所需要的光照强度比CO2浓度为1%时的__________（填“高”或“低”），其原因是______________。

【答案】　

（1）C3化合物

（2）暗反应速率在该环境中已达到稳定，即C3和C5化合物的含量稳定，根据暗反应的特点，此时C3化合物的分子数是C5化合物的2倍　当CO2浓度突然降低时，C5化合物的合成速率不变，消耗速率却减慢，导致C5化合物积累

（3）高

（4）低　CO2浓度低时，暗反应的强度低，所需ATP和[H]少

６、某种铁线莲的根茎可作中药，有重要经济价值。

下表为不同遮光处理对其光合作用影响的结果，相关叙述正确的是（多选）（　　）

A.适当的遮