第4节 能量之源——光与光合作用
本节聚焦
1.捕获光能的色素有哪些
2.叶绿体的结构是怎样的
3.叶绿体的结构有哪些适于进行光合作用的特点
有些大棚蔬菜内悬挂发红色或蓝色的灯管，并在白天也开灯
1、用这种方法有什么好处？不同颜色的光照对植物的光合作用会有影响吗？
问题探讨
用这种方法可以提高光作用强度。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。
有些大棚蔬菜内悬挂发红色或蓝色的灯管，并在白天也开灯
2、为什么不使用发绿色光的灯管作补充光源
问题探讨
因为叶绿素对绿光吸收最少，所以不使用绿光作补充光源。
一.捕获光能的色素和结构
一、捕获光能的色素：

绿叶中有哪些色素呢？

实验—绿叶中色素的提取和分离
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：
1.提取绿叶中的色素 2.制备滤纸条
3.画滤液细线 4.分离绿叶中的色素
5.观察和记录
讨论：
1.滤纸条上色带的数目、排序、宽窄？
2.滤纸条上的滤液细线，为什么不能触及层析液？
(三)方法与步骤
称取5g左右的鲜叶，剪碎，放入研钵中。加少许的石英砂（充分研磨）和碳酸钙 (中和细胞中的酸，防止镁从叶绿素分子中移出)与10ml无水乙醇。在研钵中快速研磨。将研磨液进行过滤。
叶 绿 素
类胡萝卜素
(占1/4)
叶绿素a (蓝绿色)
叶绿素b (黄绿色)
胡萝卜素 (橙黄色)
叶 黄 素 (黄色)
三、叶绿体中的色素
色素的种类：
主要吸收 蓝紫光 红橙光
主要吸收蓝紫光
(占3/4)
红橙光和蓝紫光是光合作用最有效的光。
光是一种电滋波.小于390nm的是紫外光.大于760nm是红外光.390-760nm的是可见光
讨论
1.滤纸条上有几条不同颜色的色带，其排列顺序怎样？宽窄如何？这说明了什么？
提示：滤纸条上有4条不同颜色的色带.从上往下依次为:胡萝卜素(橙黄色).叶黄素(黄色)叶绿素a(蓝绿色).叶绿素b(黄绿素).这说明绿叶中色素有4种.它们在层析液中的溶解度不同.随层析液在滤纸上扩散的快慢也不一样.
讨论
2、滤纸上的滤液细线，为什么不能触及层析液？
提示：滤纸上的滤液细线如果触到层析液，细线上的色素就会溶解到层析液中，就不会在滤纸上扩散开来，实验就会失败。
这些捕捉光能的色素存在于细胞中什么部位呢

1817年法国科学家分离叶绿素

1865年德国植物学家萨克斯发现叶绿素集中
在一个个小结构里.后来人们称叶绿体
色素——基粒类囊体的薄膜上
酶——基粒类囊体的薄膜上和基质中
2.叶绿体的结构
资料分析：P100
叶绿体的功能

资料1:1880年，美国科学家恩格尔曼实验
讨论：1、恩格尔曼实验的结论是什么？

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。
2、恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？
提示：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，等等
3、从资料2可以得出什么推论？
资料2：在类囊体上和基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶
叶绿体是进行光合作用的场所。

内部的巨大膜表面上，不仅分布着许许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必需的酶
拓展题：
1.植物体吸收光能的色素，除存在于叶片的一些细胞中外，还存在于哪些部位的细胞之中？

提示：还存在于植物幼嫩的茎和果实等器官的一些含有光合色素的细胞中。
拓展题
2、海洋中的藻类植物，习惯上依其颜色分为绿藻，褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布依次是浅、中、深，这与光能的捕获有关吗？
提示：有关：不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光，水层对光波中红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收、即到达深水层的光线是相对富含短波长的光，所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方
二、光合作用的原理和应用：

1.什么叫光合作用

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能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
五年后
1642年，海尔蒙特(J.B. van Helmont)
柳树增重 74.47 kg
土壤减少 0.06 kg
水分是建造植物体的唯一原料
光合作用的探究历程
2.5 Kg
绿色植物在光照下产生了氧气
1、蜡烛燃烧和小白鼠呼吸需要的是什
么气体？
2、这个实验说明什么问题？
植物可以更新空气
1771年、普里斯特利：
当时有人与普里斯特利的实验相反的结论空气变污浊了
旁栏思考题：
为什么有人认为植物也能使空气变污浊？
提示：持这种观点的人，很可能是在无光条件下做的这个实验。无光时，植物不进行光合作用，只进行细胞呼吸，所以没有释放氧气，而是释放二氧化碳，也就是使空气变污浊了
1779年、英格豪斯：

植物体只有绿叶才能更新空气
1845年、梅耶：

植物把光能转换成化学能储存起来，
1864年、萨克斯：
绿色叶片在光合作用中合成了淀粉
1880年、恩吉尔曼
氧气是由叶绿休释放出来的，叶绿体是植物进行光合作用的场所。
叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
光合作用放出O2
20世纪30年代、鲁宾和卡门：
光合作用释放的氧气全部来自水
同位素标记法：
20世纪40年代、卡尔文：
把CO2中的C用同位素 C标记，在光合作用中转化成有机物中碳的途径—卡尔文途径。
14
14
14
CO2 +
H2O
( CH2O) +
O2
光能
叶绿体
思考与讨论：
1、光合作用的原料、产物、场所和条件是什么？你能用一个化学反应式表示出来吗？
提示：光合作用的原料是二氧化碳和水，产物是糖类和氧气，场所是叶绿体，条件是要有光，还需要多种酶等，光合作用的反应式是：
CO2 ＋12 H2O
光能
叶绿体
C6H12O6 + 6H2O + 6O2
思考与讨论：
从人类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有什么联系？与技术手段的进步有什么关系？试举例说明。
提示：从人类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黑心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的推动作用。
色素分子
可见光
C5
2C3
ADP+Pi
ATP
2H2O
O2
4[H]
多种酶
酶
(CH2O)
CO2
吸收
光解
能
固定
还原
酶
光反应
暗反应
2.光合作用的过程：
水的光解
光合磷酸化
CO2的固定
CO2的还原
ATP的形成
光反应
H2O →2 [H] + 1/2O2
水的光解：
光合磷酸化：ATP的形成
暗反应
原料和产物的对应关系：
（CH2O）
C
H
O
CO2
CO2
H2O
O2
H2O
能量的转移途径：
碳的转移途径：
光能
ATP中活跃的化学能
(CH2O)中稳定的化学能
CO2
C3
（CH2O）
CO2 ＋12 H2O
光能
叶绿体
CH2O ＋6O2 + 6H2O
有氧呼吸的过程
C6H12O6
酶
细胞质基质
2丙酮酸+ 4[H]+2ATP
第一阶段
第二阶段
2丙酮酸+6H2O
酶
线粒体
6CO2+20[H]+2ATP
6O2+24[H]
酶
线粒体
12H2O+34ATP
2C3H4O3
2C3H4O3
第三阶段
比较
光、色素、酶等
ATP、［H］、多种酶等
类囊体的薄膜上
基质中
①水光解成［H］和O2
②ADP+Pi+光能→ATP
① CO2的固定② CO2的还原
光能→活跃化学能
活跃化学能→稳定化学能
光反应
暗反应
条件
场所
物质变化
能量变化
联 系
3)光反应和暗反应的比较 (P104思考1)
物质联系：光反应阶段产生的［H］，在暗反应阶段用于还原C3；
能量联系：光反应阶段生成的ATP，在暗反应阶段中将其储存的化学能释放出来，帮助C3形成糖类，ATP中的化学能则转化为储存在糖类中的化学能。
光反应为暗反映提供ATP和NADH，暗反应为光反应补充ADP和NADP+
光合作用与呼吸作用的区别：
3.影响光合作用的因素：

外界因素
1）光照
2）CO2
3）温度
4）矿质营养
5）水分
6）光合速率=
内部因素
1）不同部位
2）不同生育期
光合作用原理的应用
1、延长光合作用的时间
轮作
增加种植次数
如：一年两收，一年三收

2、增加光合作用的面积
合理密植
间作套种

3、适当增加农作物环境中CO2的浓度
4、控制光照的强弱和温度的高低
( 1）施用固体二氧化碳（干冰）。
(2）使用农家肥，可使土壤中微生物的数量增多，活动增强，分解有机物，释放出CO2 。
( 3）使用NH4HCO3肥料，既可为植物提供铵盐，又可提供CO2。
( 4）温室可与养殖场的鸡舍和猪圈相连，动物产生CO2为植物光合作用提供原料，植物产生O2可用于动物的呼吸作用。
( 5）使用CO2发生器（硫酸和碳酸盐反应）。
水（ 合理灌溉）
矿质元素（ 合理施肥）
探究：环境因素对光合作用强度的影响
看P104
化能合成作用
硝化细菌
硝化细菌合成有机物的反应式
2NH3+3O2
硝化细菌
2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2
硝化细菌
2HNO3+能量
6CO2+6H2O
能量
C6H12O6+6O2
硝化细菌是指能够氧化无机氮化物，从中获取能量，从而把CO2和水合成为有机物。
例1：硝化细菌：
硝化细菌
例2：硫细菌
这类细菌能够氧化H2S，并且把S累积在体内。如果环境中缺少H2S时，这类细菌就把体内的S氧化成硫酸时放出来的能量将环境中的CO2和水合成有机物和氧气。 这一过程的化学反应式如下：
2H2S+O2
2H2O+2S+能量
2S+3O2+2H2O
2H2SO4+能量
6CO2+H2O
能量
C6H12O6+6O2
硫细菌
硫细菌
硫细菌
例3：铁细菌：
铁细菌是能够氧化硫酸亚铁(FeSO4)
的一类细菌，这一过程的化学反应如下：
4FeSO4+2H2SO4
铁细菌
2Fe2(SO4)3+H2O
+能量
铁细菌是利用上述反应中产生的能量来合成有机物的
6CO2+6H2O
能量
C6H12O6+6O2
铁细菌
拓展题P106.1
1. 根据图中的曲线表明，7－10时光合作用强度不断增强，这是因为在一定温度和二氧化碳供应充足的情况下，光合作用的强度是随着光照而增加的
2. 在12时左右光合作用强度明显减弱，是因为此时蒸腾作用很强，气孔大量关闭，二氧化碳供应减少，导致光合用用强度明显减弱
3.14－17时光合作用强度不断下降的原因，是因为此时光照强度不断减弱。