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光合作用与能量转化
第4节
你参观或听说过植物工厂吗？植物在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
讨论
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
问题探讨
问题探讨
讨论
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
①用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产。
②人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
二氧化碳浓度、营养液成分和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量。在自然界，则是万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。光合作用是唯
无论是在植物工厂里，还是在自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。
一能够捕获和转化光能的生物学途径。因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。
色素
捕获光能的色素和结构
正常的绿色玉米植株可以生长
不含绿色色素的白化玉米苗，待种子中储存的养分耗尽就会死去。
以上现象说明，叶片中的色素与光能的捕获有关。
探究·实践《绿叶中色素的提取与分离》
绿叶中究竟有哪些色素呢？
实验原理
进行绿叶中色素的提取和分离
探究绿叶中含有几种色素
1
2
实验目的
提取色素的原理
分离色素的原理
1
2
色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可用无水乙醇提取色素。
不同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，反之则慢，这样绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分离开。
纸层析法
95%乙醇+无水碳酸钠
层析液(由20份60-90℃下分馏出来的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成)
溶解度决定扩散速度
分离色素
方法步骤
提取绿叶中的色素
1
称取、剪碎
研磨
过滤
5-10mL无水乙醇：溶解色素
少许SiO2：有助于研磨得充分
少许CaCO3：防止研磨中色素被破坏
方法步骤
2
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径、长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。
制备滤纸条
滤纸条为何要剪去两角？
防止色素带扩散不整齐。
3
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条细线(也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压出均匀的细线)。待滤液干后，再重画一到两次。
画滤液细线
方法步骤
4
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：不能让滤液细线触及层析液，否则滤液细线中的色素会被层析液溶解，而不能在滤纸上扩散。
也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。
方法步骤
5
观察与记录
观察试管内滤纸条上出现几条色素带，以及每条色素带的颜色和宽窄。将观察结果记录下来。
实验结果
色素带宽度代表色素含量
从上至下，胡黄ab
实验结论
绿叶中的色素
叶绿素（含量约占3/4）
类胡萝卜素（含量约占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）
色素分离的其他方法
从外至内
胡黄ab
下列叙述中正确的是（ ）
A.加入少许二氧化硅可防止在研磨时叶绿体中的色素受到破坏
B.用无水乙醇将叶绿体中的色素进行分离
C.滤纸条上的最上面色素带呈黄绿色
D.溶解度越高的色素随层析液在滤纸上扩散越快
D
实验过程中，甲同学忘记加入二氧化硅和碳酸钙，乙同学忘记加入无水乙醇，丙同学加的无水乙醇过多。请分析他们各自的实验结果。
甲：研磨不充分，部分色素被破坏，滤液颜色浅，色素带较窄
乙：提取不到色素，滤纸条上无色素带
丙：滤液颜色浅，色素带较窄
这4种色素对光的吸收有什么差别呢？
阳光在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
阳光
由图可知，色素主要吸收蓝紫光和红光。
阳光
阳光
叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光
叶绿素除了吸收红光和蓝紫光，其他可见光（如：500nm波长的光）吸收吗？
能，只是吸收量较少
植物工厂为什么不用发绿光的光源？
色素主要吸收蓝紫光和红光，较少吸收绿光。
类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）主要吸收蓝紫光，不吸收红光
这些色素存在于细胞中的什么部位呢？
叶绿体中的色素：与光合作用有关
液泡中的色素：与花、果的颜色有关
叶绿素和类胡萝卜素
花青素
显微结构（光学显微镜）
亚显微结构（电子显微镜）
亚显微结构（电子显微镜）
叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢？
恩格尔曼实验1
黑暗、极细光束照射
装置放在光下
1、实验材料选择a 和b 。
a的优点是 ；
b的优点是 。
2、没有空气的黑暗环境排除了 和 干扰。
水绵
需氧细菌
叶绿体呈螺旋式带状，便于观察
可确定释放氧气的部位
氧气
光
实验结论：
氧气是叶绿体在光下释放出来的。
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
实验结论：
叶绿体主要吸收红光和蓝紫光释放氧气
恩格尔曼实验2
叶绿体的功能
恩格尔曼实验：
之后研究发现：
结论：叶绿体是光合作用的场所。
直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
类囊体膜上和叶绿体基质中含有多种光合作用所必需的酶
原核生物没有叶绿体，能进行光合作用吗？
有些原核生物含有光合色素和光合作用所需的酶，也可以进行光合作用。
如：蓝细菌含有藻蓝素、叶绿素及相关酶。
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。
这一过程可以用下面的化学反应式来概括，其中(CH2O)表示糖类。
光合作用的原理
叶绿体如何将光能转化为化学能 又是如何将化学能储存在糖类等有机物中的 光合作用释放的氧气，是来自原料中的水还是二氧化碳呢 我们先来分析科学家做过的一些实验。
探索光合作用原理的部分实验
① 19世纪末
② 1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖类。
③ 1937年，英国植物学家希尔(R.Hill)发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂(悬浮液中有H2O，没有CO2)，在光照下可以释放出氧气。
希尔的实验是否说明水的光解与糖类的合成不是同一个化学反应？
离体叶绿体
铁盐(或其他氧化剂)
2H2O
4H+
+ O2
光照
希尔反应
能，因为悬浮液中没有CO2，糖类合成时需要CO2中的碳元素。
水的光解
探索光合作用原理的部分实验
希尔的实验是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
不能，反应体系中还可能存在其他氧元素供体。
④ 1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。
鲁宾和卡门的实验说明植物光合作用产生的氧气全部都来自水。
探索光合作用原理的部分实验
同位素标记
⑤ 1954年，美国科学阿尔农(D.Arnom)发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，又发现这一过程总是与水的光解相伴随。
探索光合作用原理的部分实验
上述实验表明，光合作用释放的氧气中的氧元素来自水，氧气的产生和糖类的合成不是同一个化学反应，而是分阶段进行的。实际上，光合作用的过程十分复杂，它包括一系列化学反应。根据是否需要光能，这些化学反应可以概括地分为光反应(light reaction)和暗反应(darkreaction,现在也称为碳反应，carbon reaction)两个阶段。
光反应场所
光合色素：叶绿素和类胡萝卜素
暗反应
光反应
光能
NADPH和ATP中的化学能
光照、光合色素、酶
类囊体薄膜
水的光解：
H2O H+ + O2
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi ＋光能 ATP
酶
场所：
条件：
物质变化：
能量转化：
NADPH的合成：
NADP+＋H+ NADPH
作为还原剂、储存部分能量用于暗反应
只用于暗反应
暗反应（碳反应）
暗反应阶段 光合作用第二个阶段中的化学反应，有没有光都能进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体的基质中进行的。在这一阶段，绿叶通过气孔从外界吸收的CO ,在特定酶的作用下，与C (一种五碳化合物)结合，这个过程称作CO 的固定。一分子的CO 被固定后，很快形成两个C 分子。在有关酶的催化作用下，C 接受ATP和NADPH释放的能量，并且被NADPH还原。随后，一些接受能量并被还原的C ,在酶的作用下经过一系列的反应转化为糖类；另一些接受能量并被还原的C ,经过一系列变化，又形成C 。这些C 又可以参与CO 的固定。这样，暗反应阶段就形成从C 到C 再到C 的循环，可以源源不断地进行下去，因此暗反应过程也称作卡尔文循环。
暗反应（碳反应）
场所：
条件：
叶绿体的基质中
NADPH、ATP、酶
物质变化：
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
NADPH
2C3 (CH2O)+C5
、ATP
能量转化：
NADPH和ATP中的化学能
有机物中的化学能
酶
光反应产生的ATP只用于暗反应中C3的还原
暗反应（碳反应）
光合作用的产物：
葡萄糖、蔗糖、淀粉
(CH2O) 糖类
NADPH和ATP中的化学能
①光反应为暗反应提供ATP和NADPH
②暗反应为光反应提供ADP、Pi和NADP+
光反应与暗反应之间紧密联系，相互制约
光反应与暗反应区别与联系
长期黑暗条件下能否进行暗反应？
长期黑暗条件下，光反应无法为暗反应提供ATP和NADPH，故不能进行
长期黑暗：暗反应无法进行
先光照后短暂黑暗：
可以进行暗反应
物质变化联系：
能量转化联系：
有机物中的化学能
光能
比较项目 光反应 暗反应（也称 反应、卡尔文循环）
反应场所
条件
物质变化
能量转化
联系 光反应和暗反应紧密联系、相互制约
类囊体薄膜
叶绿体基质
光照、色素、酶
NADPH、ATP、酶
H2O H+ + O2
光能
NADP+＋H+ NADPH
ADP＋Pi＋光能 ATP
酶
酶
CO2＋C5 2C3
NADPH
2C3 (CH2O)+C5
、ATP
酶
水的光解：
归纳比较光反应和暗反应
NADPH的合成：
ATP的合成：
CO2的固定：
C3的还原：
NADPH和ATP中的化学能
有机物中的化学能
光能
NADPH和ATP中的化学能
碳
条件 NADPH、ATP C3 C5 (CH2O)
光照不变，CO2减少
光照不变，CO2增加
光照增强，CO2不变
光照减弱，CO2不变
外界条件变化时，NADPH、ATP 、C3、C5、(CH2O)的变化：（填“增加”或“减少”）
水的光解：
H2O H+ + O2
光能
ATP的合成：
ADP＋Pi＋光能 ATP
酶
NADPH的合成：
NADP+＋H+ NADPH
CO2的固定：
CO2＋C5 2C3
酶
C3的还原：
NADPH
2C3 (CH2O)+C5
、ATP
增加
减少
增加
减少
减少
增加
减少
增加
增加
减少
增加
增加
减少
增加
减少
减少
酶
影响光合作用强度的因素
光合作用的强度(简单地说，就是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量),直接关系农作物的产量，研究影响光合作用强度的环境因素很有现实意义。
根据光合作用的反应式可以知道，光合作用的原料——水、CO ,动力——光能，都是影响光合作用强度的因素。因此，只要影响到原料、能量的供应，都可能是影响光合作用强度的因素。例如，环境中CO 浓度，叶片气孔开闭情况，都会因影响CO 的供应量而影响光合作用的进行。叶绿体是光合作用的场所，影响叶绿体的形成和结构的因素，如无机营养、病虫害，也会影响光合作用强度。此外，光合作用需要众多的酶参与，因此影响酶活性的因素(如温度),也是影响因子。
影响光合作用强度的因素
CO2＋ H2O　　　 　（CH2O）＋O2
光能
叶绿体
CO2浓度
水分含量
（反应物、反应介质）
(色素、酶)
无机营养（矿质元素）光照、温度
温度
水分影响气孔关闭
光照强度、光照时间、光质(如红光、蓝光属不同光质)
光合作用强度：是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量
也可用单位时间内原料消耗或产物生成的数量来表示，如CO2的固定量、O2的产生量）
植物夏季午间为了减少蒸腾作用，气孔关闭，从外界吸收的CO2减少
①P点时，图1、2、3中限制光合速率的因素分别为____________________；
②Q点时，图1、2、3中限制光合速率的因素分别为_____________________。
光照强度、温度、光照强度
温度、光照强度、CO2浓度
规律总结：光合速率未达到最大值时，限制光合速率的因素为横坐标所代表因素；达到最大值之后，限制光合速率的因素为横坐标之外其它因素。
①提高光照强度
农业生产应用
具体措施有：阴雨天适当补充光照；植物工厂中适当提高光照强度。
②提高CO2浓度
具体措施有：温室中投入干冰；大田中“正其行，通其风”；多施有机肥
干冰机
原因：有机肥中微生物的呼吸作用强，产生大量CO2
增产的手段本质上为：增强光合作用（制造有机物），减弱呼吸作用（消耗有机物）
③温度
农业生产应用
影响光合作用相关酶的活性
具体措施有：白天适当提高温度，夜间适当降低温度。
④水
防止干旱、合理灌溉
⑤无机营养（矿质元素）
叶绿素
合理施肥
N、Mg
间作套种
合理密植
⑥提高光能利用率
农业生产应用
1、该实验的自变量、因变量？
2、只提供了5W LED台灯，如何设置自变量？
3、注射器的作用？观察指标是？
4、为何提供富含CO2的清水？NaHCO3溶液的作用？
上浮原因：
植物吸收CO2，释放O2，由于O2在水中溶解度小，而在叶肉细胞间隙积累，使叶片上浮。
探究光照强度对光合作用强度的影响
因变量：光合作用强度
观察指标：单位时间内小圆形叶片上浮的数量或浮起相同数量的叶片所用的时间长短
自变量：光照强度
探究实验标题一般为：探究自变量对因变量的影响
调节小烧杯与台灯的距离来调节光照强度
注射器：抽出圆形小叶片内的气体
为圆形小叶片光合作用提供充足的CO2
实验结果：
实验结论：
在一定范围内，光合作用强度随光照强度的增强和增强。
化能合成作用
利用环境中的某些 氧化分解时所释放的 来制造 。
2NH3 + 3O2
硝化细菌
2HNO2 + 2H2O + 能量
2HNO2 + O2
硝化细菌
2HNO3 + 能量
CO2 + H2O
硝化细菌
（CH2O）+ O2
无机物
能量
有机物
这种合成作用称化能合成作用。
光合作用 化能合成作用
相同点 不同点
光合作用和化能合成作用的异同
将CO2和H2O合成有机物
利用光能
利用无机物氧化释放的化学能
(利用的能量
不同)
利用CO2制造有机物。
①光能自养型
（绿色植物、光合细菌）
②化能自养型
（硝化细菌、铁细菌、硫细菌）
只能利用现成的有机物来维持自身的生命活动。
动物和人类；营腐生、寄生生活的细菌和真菌等。
自养型生物
异养型生物
根据生物能否自己合成有机物可以分为几类？

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