第五章

細胞的能量供應和利用

第4節光合作用與能量轉化捕獲光能的色素及結構情景視頻一

你參觀或聽說過植物工廠嗎？植物工廠在人工精密的控制光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養液成分條件下，生產蔬菜和其他植物。有的蔬菜工廠完全依賴LED燈等人工光源，其中常見的是紅色、藍色和白色光源。智慧植物工廠（視頻）生活中各種綠色植物能進行光合作用，必然與綠色植物的物質和結構有關。葉片是進行光合作用的主要器官。思考：白化苗為什么最終死亡？白化苗由于不含綠色色素，不能進行光合作用，待種子中貯存的養分耗盡就會死亡。葉片中的綠色可能與光能的捕獲有關。那么綠葉中究竟有哪些色素呢？一捕獲光能的色素綠葉中色素的提取和分離實驗1.實驗原理：提取原理：提取方法：分離原理：分離方法：綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水乙醇中。紙層析法不同色素在層析液中的溶解度不同。溶解度高的色素，在濾紙上隨層析液的擴散速度快；溶解度低的色素，在濾紙上隨層析液的擴散速度慢。溶解度大，擴散速度快；溶解度小，擴散速度慢實驗原理無水乙醇①研磨材料:5g鮮葉加入藥品SiO2——有助于研磨充分CaCO3——防止色素被破壞無水乙醇——溶解色素②過濾：獲取綠色濾液（試管口加棉花防揮發）一捕獲光能的色素綠葉中色素的提取和分離實驗2.實驗步驟：（1）提取色素1cm

將干燥的定性濾紙剪成寬度略小于試管直徑、長度略小于試管長度的濾紙條，再將濾紙條一端剪去兩角，并在距這一端底部1cm處用鉛筆畫一條細的橫線；剪去兩角的原因？防止層析液在濾紙條的邊緣擴散過快而使形成的色素帶不整齊一捕獲光能的色素2.實驗步驟：（2）制備濾紙條注意：（1）濾液細線要細、直、齊

（2）干燥后重復1—2次

用毛細吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條細線（也可將濾液倒入培養皿，再用蓋玻片蘸取濾液，在橫線處按壓出均勻的細線）。待濾液干后，再重畫一到兩次；防止色素帶重疊而影響分離效果

增加色素量，使分離出的色素帶清晰濾液細線畫濾液細線一捕獲光能的色素2.實驗步驟：（3）畫濾液細線一捕獲光能的色素分離綠葉中的色素效果(視頻)葉綠素類胡蘿卜素光合色素的功能：(占1/4)(占3/4)胡蘿卜素（橙黃色）葉黃素（黃色）葉綠素a（藍綠色）葉綠素b（黃綠色）綠葉中光合素色的種類一捕獲光能的色素3.實驗結果：濾液線溶解度擴散速度最少最多吸收、傳遞和轉化光能（1）收集的濾液綠色過淺的原因分析?未加石英砂二氧化硅)，研磨不充分。（2）濾紙條色素帶重疊

沒等干后再劃線、濾液線不能達到細、齊的要求，使色素擴散不一致造成的。?菠菜葉不新鮮，濾液色素(葉綠素)太少。?一次加入大量的無水乙醇提取濃度太低

?未加碳酸鈣或加入過少，色素分子被破壞。一捕獲光能的色素4.實驗異常結果分析:（3）濾紙條看不到色素帶?忘記畫濾液細線。?濾液細線接觸到層析液，色素溶解到層析液中。（4）濾紙條只呈現胡蘿卜素、葉黃素色素帶：?忘記加碳酸鈣導致葉綠素被破壞?所用葉片為“黃葉”。一捕獲光能的色素4.實驗異常結果分析:思考：如果將色素濾液點在圓形濾紙的中央，色素帶從外至內是？會出現四個同心圓的色素帶，從外往里依次為：胡蘿卜素(橙黃色)葉黃素(黃色)葉綠素a(藍綠色)葉綠素b(黃綠色)捕獲光能的色素Pigmentsthatcapturelightenergy實戰訓練

1.在“綠葉中色素的提取和分離”實驗中得到的色素帶顏色較淺，分析其原因可能是（）①加入的提取液太多②用體積分數為95%的乙醇加入無水碳酸鈉代替無水乙醇③研磨時沒有加入碳酸鈣④研磨時沒有加入二氧化硅⑤取的葉片葉脈過多，葉肉細胞過少⑥畫濾液細線的次數少⑦使用放置數天的菠菜葉A.①③⑦

B．②④⑤

C．①③④⑤⑥⑦ D．②③④⑤⑥實戰訓練

2在做提取和分離葉綠體中的光合色素實驗時，甲、乙、丙、丁四位同學對相關試劑的使用情況如下表所示(“＋”表示使用，“－”表示未使用)，其余操作均正常，他們所得的實驗結果依次應為()試劑甲乙丙丁無水乙醇－＋＋＋CaCO3＋＋－＋SiO2＋＋＋－A.①②③④ B.②④①③ C.④②③① D.③②①④P99討論2.濾紙條上色素帶的分布情況說明了什么？說明了綠葉中的色素有4種，它們在層析液中的溶解度不同，隨層析液在濾紙上擴散的快慢也不同；同時由于4種色素的顏色不同，也說明不同色素吸收了不同波長的光。思考：這4種光合色素對光的吸收有什么差別呢？

太陽光是由不同波長的光組合成的復合光，不同波長的光，顏色不同，可見光的波長是400-760nm；波長小于400nm的光是紫外光；波長大于760nm的光是紅外光。太陽光太陽光是由多種波長的光混合而成結論：一般情況下，光合作用吸收的光是可見光。葉綠素主要吸收藍紫光和紅光；類胡蘿卜素主要吸收藍紫光。一捕獲光能的色素葉綠素b葉綠素a一捕獲光能的色素合作探究：植物工廠中為什么不用發綠光的光源？綠色光源發出綠色的光，這種波長的光線不能被光合色素吸收，因此無法用于光合作用中制造有機物。光葉綠體反射光透過光吸收光葉片為什么是綠色的呢？思考：這些色素存在于細胞中什么部位呢？

2.結構：由多個以上的類囊體堆疊而成，類囊體薄膜上含光合色素和酶外膜內膜基粒葉綠體基質含多種光合作用所必需的酶，少量DNA、RNA，核糖體極大的擴展了受光面積1.葉綠體：類囊體二葉綠體的結構適于進行光合作用水綿黑藻2.恩格爾曼的實驗（一）恩格爾曼的第一個實驗思考：（1）實驗材料為什么選擇水綿和好氧細菌？

水綿的葉綠體螺旋帶狀，便于觀察。需氧細菌可確定水綿釋放氧氣多的部位；選材的巧妙！恩格爾曼的第一個實驗（2）為何要除去小室中原有的空氣？

2.恩格爾曼的實驗（一）（3）在黑暗中用極細光束照射水綿有何巧妙之處？

排除了氧氣的干擾，保證好氧細菌的分布是葉綠體放氧導致的排除了光的干擾；用極細的光束照射，葉綠體上可分為光照多和光照少的部位，相當于一組對比（相互對照）實驗。（4）為何把載有水綿的臨時裝片又暴露于光下？臨時裝片暴露在光下與前面用極細光束形成完全和局部曝光的對照，再一次驗證實驗結果實驗設計的巧妙！（5）由恩格爾曼第一個實驗能得出什么結論？氧氣是葉綠體釋放出來的（或葉綠體能吸收光能用于光合作用釋放氧氣）光三棱鏡臨時裝片3.恩格爾曼的實驗（二）思考：（1）請你預測該實驗的結果并解釋原因？好氧細菌好氧細菌水綿水綿葉綠體上的光合色素主要吸收紅光和藍紫光，在此波長光的照射下，葉綠體會釋放氧氣，適于好氧細菌在此區域分布。（2）根據以上實驗結果，教材P99圖5-12中縱坐標還可以替換成什么指標？O2釋放量葉綠體的結構適于進行光合作用資料：又結合其他實驗證據，科學家們證明了：在葉綠體基質中，含有

多種進行光合作用所必需的酶。葉綠體是光合作用的場所，并且能夠吸收特定波長的光進行光合作用釋放氧氣。

葉綠體內部巨大的膜表面上，分布著許多吸收光能的色素分子，在類囊體膜上和葉綠體基質中，還有很多進行光合作用所必需的酶。

思考：葉綠體捕獲光能、進行光合作用的結構基礎是什么？指綠色植物通過葉綠體，利用光能，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并且釋放出氧氣的過程。CO2+H2O（CH2O)+O2

光能葉綠體（1）O2是來自H2O還是來自CO2？（2）如何得出氧氣的產生和糖類的合成不是同一個化學反應？二、光合作用的原理1.光合作用概念：2.化學反應式：請自主閱讀課本P102頁思考討論，思考以下問題：注：（CH2O）表示糖類19世紀末甲醛→糖1928年甲醛對植物有毒，甲醛不能通過光合作用轉化成糖。CO2O2C+H2O甲醛實驗1：1937年

希爾有H2O沒有CO2離體的葉綠體懸浮液思考：（1）該實驗的結論是什么？O2離體葉綠體在適當條件下可以發生水的光解、產生氧氣。（3）是否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？能。希爾反應是將離體葉綠體置于懸浮液中完成的，懸浮液中有H2O，沒有合成糖的另一種必需原料——CO2，因此，該實驗說明水的光解并非必須與糖的合成相關聯，暗示著希爾反應是相對獨立的反應階段。（2）是否說明O2中的氧元素全部來自于H2O？不能。該實驗沒有排除葉綠體中其他物質的干擾，也并沒有直接觀察到氧元素的轉移。18O2O2CO2第一組H218O光照下的小球藻懸浮液C18O2H2O第二組光照下的小球藻懸浮液思考：（1）該實驗用了什么科學方法？此方法有什么好處？實驗中自變量是什么？如何對照？可以得出什么結論？實驗2：1941年美國魯賓和卡門同位素標記法；相互對照（即對比實驗）；光合作用釋放的氧氣全部來自H2O，而不來源于CO2。（2）結合物理化學知識，水的光解產生氧氣的同時還產生了哪些物質？2H+和2e-可追蹤物質的運行和變化規律，弄清化學反應的詳細過程；NADP++2H++2e-NADPH+H+結合H2O分解產生的2H+和2e-問題2：葉綠體內參與光合作用的氧化劑是什么？能量轉化如何？酶問題1：希爾實驗中的氧化劑起到什么作用？實驗3：阿爾農實驗1部分光能轉化為儲存在NADPH中的化學能思考：葉綠體類囊體薄膜上的色素吸收的光能是否全部轉化為NADPH中的化學能呢？材料：離體葉綠體處理：加入ADP、Pi，給予光照結果：葉綠體生成ATP，且同時水光解產生氧氣；結論：光照下，水光解同時ADP和Pi合成ATP。活動：根據能量轉化，用化學反應式來表示ATP的合成與希爾反應的關系。解釋氧化型輔酶Ⅱ和還原型輔酶Ⅱ總結：葉綠體類囊體薄膜結構與功能的統一猜猜:糖類是如何生成的呢？實驗4：阿爾農實驗2材料：離體葉綠體處理：供給ATP、NADPH和CO2，黑暗條件結果：離體葉綠體中有糖類生成結論：黑暗條件下，CO2合成糖類需要ATP和NADPH。思考：（1）光合作用的反應是否整個過程都需要光照呢？不是；分為光反應和暗（碳）反應兩個階段（2）在自然狀態下，綠色植物能長時間不需要光照就能合成糖類嗎？為什么？不能。光反應為暗反應提供ATP和NADPH思考:CO2如何轉化為糖類？實驗5：卡爾文實驗1實驗思路：同位素標記14CO2，研究物質轉化過程材料：小球藻處理：光照、提供14CO2；不同時間殺死小球藻，再紙層析分離，最后鑒定放射性物質。結果：先出現14C3，最后出現14C5、14C6結論：CO2C3

C6C5其他中間產物60秒后三碳化合物5秒后C52C3還原的C3卡爾文實驗2：實驗現象：如果光照下突然中斷CO2供應，C3急劇減少而C5量增加；突然停止光照，C3濃度急速升高而C5的濃度急速降低。CO2（CH2O）結論：C3與C5之間是相互循環的。多種酶ATPNADPHADP+PiNADP+2C3C5O2所需條件必須有光、色素、酶有/無光均可、多種酶、ATP和NADPH、CO2場所類囊體薄膜葉綠體基質物質變化水光解為O2、H+和e-，ATP和NADPH的合成CO2的固定，C3的還原，ATP和NADPH的分解能量變化光能轉化為ATP和NADPH中活躍的化學能ATP和NADPH中活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能光反應生成的ATP和NADPH供暗反應C3的還原，而暗反應為光反應提供了ADP、Pi和NADP+；光反應為暗反應提供了活躍的化學能，暗反應將活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能。聯系光反應階段暗反應階段CO2+H2O（CH2O)+O2

光能葉綠體（1）H的轉移：（2）C的轉移：（3）O的轉移：H2O→NADPH→(CH2O)CO2→C3→（CH2O）CO2→C3→（CH2O）H2O→O2

思考：1.正常進行光合作用的植物，突然停止光照（CO2供應不變）后，短時間內NADPH、ATP、C3、C5含量如何變化？若突然增強光照呢？CO2供應不變，停止光照：NADPH和ATP減少、C3增加、C5減少CO2供應不變，增強光照：NADPH和ATP增加、C3減少、C5增加2.正常進行光合作用的植物，突然停止CO2供應（光照不變）后，短時間內C3、C5、NADPH、ATP含量如何變化？若突然增加CO2供應呢？光照不變，停止CO2供應：光照不變，增加CO2供應：NADPH和ATP減少、C3增加、C5減少NADPH和ATP增加、C3減少、C5增加

能夠利用體外環境中的某些無機物氧化時所釋放的能量來制造有機物的合成作用。例如：硝化細菌。2NH3+3O22HNO2+2H2O+能量硝化細菌2HNO2+O22HNO3+能量硝化細菌CO2+H2O(CH2O)+O2能量化能合成作用：總結：可以把無機物合成有機物的生物包括：綠色植物、光合細菌、化能合成細菌光合作用和呼吸作用的關系C6H12O6

+6O2+12H2O+能量+6H2O6CO2酶有氧呼吸光合作用CO2+H2O（CH2O)+O2

光能葉綠體影響光合作用強度的因素合理補充光照合理補充CO2合理灌溉合理施肥（1）光照強度逐漸增大；（2）此時溫度很高，導致氣孔大量關閉，CO2無法進入葉片組織，致使光合作用暗反應受到限制；（3）光照強度不斷減弱；（4）光照強度、溫度；（5）根據本題信息，可以利用溫室大棚控制光照強度、溫度的方式，如補光、遮陰、生爐子、噴淋降溫等，提高綠色植物光合作用強度。影響光合作用強度的因素多因子（光照強度、CO2濃度、溫度）與光合作用強度之間的關系曲線分析：P點時，限制光合速率的因素應為橫坐標所表示的因子，隨其因子的不斷加強，光合速率不斷提高。當到Q點時，橫坐標所表示的因素，不再是影響光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取適當提高圖示的其他因子。光合作用原理的應用

你參觀或聽說過植物工廠嗎？植物工廠在人工精密的控制光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養液成分條件下，生產蔬菜和其他植物。有的蔬菜工廠完全依賴LED燈等人工光源，其中常見的是紅色、藍色和白色光源。1、靠人工光源生產蔬菜有什么好處？可以避免由于自然環境中光照強度不足導致光合作用強度低而造成的減產。同時，人工光源的強度和不同色光是可以調控的，可以根據植物生長的情況進行調節，以使蔬菜產量達到最大。2、為什么要控制二氧化碳濃度、營養液成分和溫度等條件?影響光合作用的因素既有植物自身條件，也有外界環境條件。二氧化碳濃度，營養液和溫度是影響植物光合作用的重要外部條件，因此要進行控制，以便讓植物達到最佳的生長狀態01打孔取生長旺盛的綠葉，用直徑為0.6cm的打孔器打出圓形小葉片30片。02排氣將圓形小葉片置于吸入清水的注射器內，用手指堵住注射器前端小孔拉動活塞，使葉片內氣體逸出。03沉水將處理過的圓形小葉片放入黑暗處盛有清水的燒杯中待用。04實驗分別將10片葉圓片投入3只20mlNaHCO3的小燒杯中并調整5W臺燈距離（10、20、30CM）實驗步驟：教材P105探究光照強度對光合作用強度的影響自變量：因變量：不同光照強度（可用相同功率光源在不同距離照射調節）光合作用強度檢測方法：同一時間段內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量（或上浮相同數量圓葉片所需時間）光合作用產生的O2量大于有氧呼吸消耗的O2量思考：1.葉片上浮的原因是_________________________________________測量并記錄實驗結果：實驗結論：在一定范圍內，隨光照強度的增強光合作用強度增加2.植物在進行光合作用的同時，還會進行呼吸作用。我們觀測到的光合作用指標，如O2的產生量，是植物光合作用實際產生的總O2量嗎？補例.圖甲為研究光合作用的實驗裝置，用打孔器在某植物的葉片上打出多個圓片，再用氣泵抽出氣體直至葉片沉底，然后將等量的葉圓片轉至不同溫度的NaHCO3(等濃度)溶液中，給予一定的光照，測量每個培養皿葉片上浮至液面所用的平均時間(圖乙)。下列相關分析正確的是A.在ab段，隨著水溫的增加，凈光合速率逐漸減小B.上浮至液面的時間可反映凈光合速率的相對大小C.通過圖乙分析可以找到真正光合作用的最適溫度D.因為抽氣后不含氧氣，實驗過程中葉片不能進行有氧呼吸B大練習冊P107光合速率與呼吸速率的測定裝置1.黑暗條件下，甲測定吸收O2的速率，代表呼吸速率2.光照條件下，乙測定釋放O2的速率，代表凈光合速率例：某同學將一株生長正常的小麥置于密閉容器中，在適宜且恒定的溫度和光照條件下培養，發現容器內CO2含量初期逐漸降低，之后保持相對穩定。關于這一實驗現象，下列解釋合理的