光合作用（一）高中生物

植物生理学第三章光合作用知识总结，包括光合作用的重要性、叶绿体及色素、植物对光能的利用、影响光合作用的因素等。

光合作用（一）

• 绿叶中色素
  • 绿叶中色素的提取和分离
    • 基本原理
      • 色素的提取
        • 绿叶中的色素能溶于有机溶剂,而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取。
      • 色素的分离
        • 绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之慢。这样，绿叶中色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
    • 提取过程
      • 取材，研磨，过滤，收集
      • 叶片要绿、要新鲜：色素含量多
      • 研磨迅速充分:提取色素多，防治溶剂挥发
      • 单层尼龙布：过滤不能用滤纸，滤纸会吸附色素
      • 及时将试管口用棉塞塞紧：防止溶剂挥发
      • 无水乙醇：防治研磨中色素被破坏
    • 色素的分离
      • 制备滤纸条，画滤液细线，纸层析法，观察结果
      • 制备滤纸条
        • 剪滤纸条：将滤纸剪成略小于试管长与直径的滤纸条并在一端剪去两角
          • 防治层析液在滤纸条的边缘扩散过快
        • 画滤液细线：在距去角的一端1 cm处用铅笔,一条细的横线。
      • 画滤液细线
        • 取滤液：用毛细吸管吸取少量滤液
        • 画线：沿铅笔线均匀地画出一条细线
          • 细 直 齐
        • 重复画线：待滤液干后，再重画一到两次
          • 使分离的色素带清晰
      • 纸层析法
        • 分离绿叶中的色素，将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条(有滤液细线的一端朝下)轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口，注意不能让滤纸条上的滤液细线触及层析液
          • 防治色素溶解到层析液中
      • 观察结果
        • 滤纸条上有四条色素带
    • 结果分析
      • ①色素在层析液中溶解度的高低为：胡萝卜素>叶黄素>叶绿素a>叶绿素b。 ②各种色素的含量一般情况下为：叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素。
    • 实验异常现象分析
      • ①未加二氧化硅(石英砂)或研磨不充分，色素未充分提取出来。 ②使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中的色素(叶绿素)含量太少。 ③一次加入大量的无水乙醇，导致提取液中的色素浓度太低。 ④没经过干燥处理。 ⑤未加碳酸钙或加入的量过少，叶绿素分子被破坏。 ⑥忘记画滤液细线。⑦忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏。⑧滤液细线不能达到细、直、齐的要求，使色素扩散不一致。 ⑨滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。 ⑩所用叶片为“黄叶”
      • 收集到的滤液绿色过浅：①②③⑤
      • 滤纸条上色素带重叠：④⑧
      • 滤纸条上看不到色素带：⑥⑨
      • 滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素的色素带：⑦⑩
  • 绿叶中色素的吸收光谱及功能
    • 吸收光谱
      • 一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光。
      • 叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。它们对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
      • 叶绿素a与叶绿素b的吸收光谱很相似，但也略有不同
    • 色素的功能：捕获光能（四种色素），即吸收、传递、转化光能（叶绿素a）
    • 应用
      • 遮光的条件下叶片(比如同一植物底层叶片)中叶绿素a/b降低，弱光下的吸收能力增强，有利于提高植物的捕光能力，是对弱光环境的一种适应。（在遮光条件下，以蓝紫光为主的散光占比增加）
      • 温室或大棚种植蔬菜应该选无色透明的玻璃、塑料薄膜，目的为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能；在大棚内补充光源时，照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光
      • 海洋中的藻类分为绿藻、褐藻、红藻，在海水中的垂直分布依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的？ 水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多,即到达深水层的光线是短波长的光。
  • 影响叶绿素合成的因素
    • 光照
      • 光照是影响叶绿素合成的主要因素，植物在黑暗中一般不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
    • 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；另外，低温时叶绿素分子易被破坏，因而秋天叶片变黄。
    • 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；Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也会导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。
  • 秋天，一些叶子为什么会变黄？
    • 寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，叶片显示出类胡萝卜素的颜色而变黄
  • 秋天，另一些叶子为什么会变红？
    • 秋天降温时，植物体为适应寒冷环境，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷而逐渐降解，叶片呈现红色。
• 叶绿体的结构适于进行光合作用
  • 叶绿体
    • 形态
      • 一般呈扁平的椭球形或球形。
    • 结构
      • 外膜；内膜；基粒（由两个以上类囊体堆叠而成）；基质。
    • 功能
      • 进行光合作用的场所。
    • 吸收光能的4种色素就分布在类囊体的薄膜上。
    • 与光合作用有关的酶分布在类囊体的薄膜上和叶绿体基质中。
    • 叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，极大地扩展了受光面积。
    • 并不是所有的植物细胞都含有叶绿体，只有进行光合作用的植物细胞才含有叶绿体。
    • 光合作用的色素只分布于叶绿体的类囊体薄膜上，而液泡中的色素是不能进行光合作用的。
    • 叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所，如蓝细菌没有叶绿体，它进行光合作用的场所是细胞质。
  • 恩格尔曼实验
    • 实验材料的选择：选择水绵——具有细而长的螺旋带状叶绿体便于观察。
    • 排除干扰的方法：没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
    • 观察指标的设计：通过检测需氧细菌的分布，准确地判断出释放氧气的部位。
    • 实验对照的设计：用极细的光束照射，获得光照部位和无光照部位的对照实验；进行黑暗条件下局部光照和完全暴露在光下的对照实验，明确实验结果是由光照引起的。
• 光合作用的过程及探索
  • 探索
    • 1937年希尔(英国)，离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂，在光照无CO2条件下可释放出氧气，说明离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应
      • 注意：反应体系中可以还存在其他氧元素供体，不能说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水；因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素，说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应
    • 1941年鲁宾和卡门(美国)，H218O＋CO2→18O2 ,H2O＋C18O2→O2 ,光合作用释放的氧气来自水
    • 20世纪40年代卡尔文(美国),用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性,说明CO2中的碳在光合作用中转化为有机物中的碳。
    • 1954年、1957年阿尔农(美国)，在光照下，叶绿体可合成ATP，这一过程总是与水的光解相伴随。
  • 光合作用的原理
    • 概念
      • 光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将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。
    • 反应式
    • 光合作用的过程
      • ①光反应为暗反应提供NADPH、ATP；暗反应为光反应提供NADP+、ADP和Pi；②没有光反应，暗反应无法进行；没有暗反应，有机物无法合成。
    • 注意
      • 色素吸收光能不需要酶的催化
      • 光反应中由光能转化的化学能并非只储存于ATP中，其部分能量储存于NADPH中。NADPH的作用：可作为暗反应的还原剂；储备部分能量供暗反应利用
      • 光反应产生的ATP只用于叶绿体中C3的还原等叶绿体内的生命活动，不用于叶绿体外的其他生命活动。
    • 光反应与暗反应的区别
    • • 一些质子(H＋)逆浓度从类囊体的基质侧泵入到囊腔侧；另一些质子(H＋)在类囊体的基质侧和NADP＋形成NADPH。
      • 光系统Ⅱ在类囊体的囊腔侧进行的水的光解产生质子(H＋)。4、类囊体内的高浓度质子通过ATP合成酶顺浓度梯度流出，而ATP合成酶利用质子顺浓度流出的能量来合成ATP。
• 条件变化时光合作用各物质含量的变化及关键点的移动
• 探究光照强度对光合作用强度的影响
  • 实验原理
    • 叶片中含有空气，放入水中会上浮，抽调氧气后叶片下沉。光合作用过程中会产生氧气，O2充满细胞间隙，叶片上浮。
  • 实验流程
    • 取生长旺盛的绿叶，用直径0.6cm的打孔器打出圆形小叶片30片，打孔时避开大叶脉。
      • 大叶脉部分含有的叶绿体少。该实验中所取的叶片大小和生理状态应该是相同的，打孔时要取叶片的相同部位。
    • 将圆形小叶置于注射器内。注射器内吸入清水，待排出注射器内残留的空气后，用手指堵住注射器前端的小孔并缓慢地拉动活塞，使圆形小叶片内的空气逸出。重复2—3次。处理后的叶片因为细胞间隙充满了水，所以全部沉到水底。
    • 将处理过的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。
      • 防止光照干扰实验结果
    • 取3只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水（可采用吹气法补充CO2，也可以用质量分数为1%-2%的NaHCO3溶液）
      • 光合作用的原料
    • 分别向3只烧杯中各放入10片圆形小叶片，然后置于强中弱三种光照下。利用小烧杯与光源的距离来调节光照强度。
    • 观察并记录同一时间段内各实验装置中圆形小叶片浮起的数量
  • 本实验中的数值并不代表真正的光合速率，而是光合作用的净积累值，即光合作用与细胞呼吸的差值。
  • 变量分析
  • 实验结果分析
    • 光照越强，烧杯内圆形小叶片浮起的数量越多，说明一定范围内，随着光照强度的不断增强，光合作用强度不断增强。
• LCC黎澈20220723