必修一 第五章 第4节 能量之源――光与光合作用

一、捕获光能的色素和结构1.捕获光能的色素(1)绿叶中色素的提取和分离①可以利用提取绿叶中的色素，在研磨时还应加入少许和碳酸钙，其中前者有助于，后者可防止在研磨中被破坏。②分离的原理是利用色素在层析液中的不同，的在滤纸上扩散的快，反之则慢。无水乙醇二氧化硅研磨充分色素溶解度溶解度大(2)色素的种类和吸收光谱色素种类颜色吸收光谱滤纸条上位置叶绿素(约占3/4)叶绿素a主要吸收中下层叶绿素b类胡萝卜素(约占1/4)胡萝卜素主要吸收叶黄素中上层蓝绿色黄绿色红光和蓝紫光最下层最上层蓝紫光橙黄色黄色2.叶绿体的结构和功能(1)结构：一般呈扁平的椭球形或球形，外部有双层膜，内部的基粒是由堆叠而成的。(2)色素和酶的分布：吸收光能的色素分布于，与光合作用有关的酶分布在和。(3)功能：进行的场所。类囊体类囊体薄膜上类囊体薄膜基质光合作用二、光合作用的原理和应用1.光合作用的探索历程年代科学家观点(结论)1771英国，普利斯特莱植物可以1779荷兰，英根豪斯只有在，植物才能更新空气1785明确植物吸收CO2，放出O21845德国，梅耶光合作用把光能转换为化学能1864德国，萨克斯光合作用的产物除O2外，还有1939美国，鲁宾和卡门证明光合作用释放的O2来自于更新空气阳光照射下淀粉水2.光合作用的过程(1)光反应①场所：叶绿体的上。②条件：、色素、酶、水等。③物质变化：将水分解为和，将ADP和Pi合成。④能量变化：光能转变为活跃的。类囊体薄膜光能O2[H]ATP化学能(2)暗反应①场所：叶绿体的中。②条件：、[H]、ATP、CO2等。③物质变化CO2的固定：C5＋CO2。C3的还原：2C3＋[H]。④能量变化：ATP中活跃的化学能转变为。基质酶2C3(CH2O)＋C5有机物中稳定化学能3.光合作用原理的应用(1)光合作用强度是指植物在单位时间内通过光合作用制造的数量。(2)影响光合作用强度的因素包括空气中的浓度、土壤中和矿质元素的多少、光的以及温度的高低等。糖类CO2水分强弱4.化能合成作用(1)概念：某些细菌能够利用体外环境中的某些氧化时所释放的能量来制造的合成作用。(2)实例：硝化细菌能利用氧化成和时所释放的化学能，将和合成。无机物有机物氨亚硝酸硝酸CO2H2O糖类1.绿叶中色素种类及其吸收光谱色素种类吸收光吸收光谱图示叶绿素(含量约占3/4)叶绿素a(蓝绿色)吸收红光和蓝紫光叶绿素b(黄绿色)吸收红光和蓝紫光色素种类吸收光吸收光谱图示类胡萝卜素(含量约占1/4)胡萝卜素(橙黄色)吸收蓝紫光叶黄素(黄色)吸收蓝紫光2.色素的分布、功能及特性(1)分布：叶绿体类囊体的薄膜上。(2)功能：吸收光能、传递光能(四种色素)、转化光能(只有少数处于特殊状态的叶绿素a)。3.不同颜色温室大棚的光合效率(1)无色透明大棚日光中各色光均能透过，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以用无色透明的大棚光合效率最高。(2)叶绿素对绿光吸收最少，因此绿色塑料大棚光合效率最低。[例1](2010·西安调研)下图表示叶绿体色素吸收光能的情况，根据此图并结合所学知识，判断以下说法中正确的是()①少数特殊状态下的叶绿素a对420nm、670nm光的转换率较高②在晚间用大约550nm波长的绿光照射行道树，目的是通过植物光合作用以增加夜间空气中的氧气浓度③据图可知，用白光中450nm左右波长的光比白光更有利于提高光合作用强度④土壤中缺乏镁时，420nm～470nm左右波长的光的利用量显著减少⑤由550nm波长的光转为670nm波长的光后，叶绿体中C3的量减少A.①④⑤B.①③④⑤C.②③④⑤D.①②④⑤[课堂笔记]选由图可知，叶绿素a的吸收高峰为420nm和670nm，叶绿素b的吸收高峰为470nm和650nm左右，少数特殊状态的叶绿素a能转换光能，在420nm和670nm转换效率较高。叶绿体色素不吸收绿光；白光中各种波长的光都有，其光合作用效率高于某一单色光。叶绿素中含Mg，缺Mg导致叶绿素不能合成，相应波段的光的吸收值下降。在550nm的波长，光吸收值少，而在670nm光吸收值高，叶绿素a转换的光能多，生成的ATP多，还原的C3增多，故叶绿体中C3含量减少。A1.下列关于叶绿体和光合作用的描述中，正确的是()A.叶片反射绿光故呈绿色，因此日光中绿光透过叶绿体的比例最小B.叶绿体的类囊体薄膜上含有自身光合作用所需的各种色素C.光照下叶绿体中的ATP主要是由光合作用合成的糖经有氧呼吸产生的D.在日光下，叶片中的叶绿素等量吸收不同波长的光解析：叶绿素对绿光的吸收量最少，因此日光中透过叶绿体的光中绿光比例最大，选项A错误；光照下叶绿体中的ATP是利用光合色素吸收的光能，在有关酶的催化作用下由叶绿体自身合成的，选项C错误；叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，而不是等量吸收各种光，选项D错误；与光合作用有关的色素都分布于叶绿体的类囊体薄膜上，选项B正确。答案：B1.过程图解2.反应式及元素去向CO2＋H2O(CH2O)＋O2(1)氧元素H2O―→O2CO2―→(CH2O)(2)碳元素：CO2―→C3―→(CH2O)。(3)氢元素：H2O―→[H]―→(CH2O)。3.光照和CO2浓度变化对光合作用的影响(1)光照强→弱CO2供应不变[H]减少ATP减少O2产生量减少C3还原减弱CO2固定仍正常进行C3含量上升C5含量下降→(CH2O)合成量减少(2)光照不变减少CO2供应CO2固定减弱C3还原仍正常进行―→C3含量下降C5含量上升―→[H]相对增加ATP相对增加上述两种物质转化速度变慢，O2产生量减少→(CH2O)合成量相对减少[例2](2009·海南高考)在其他条件适宜的情况下，在供试植物正常进行光合作用时突然停止光照，并在黑暗中立即开始连续取样分析，在短时间内叶绿体中C3和C5化合物含量的变化是()A.C3和C5都迅速减少B.C3和C5都迅速增加C.C3迅速增加，C5迅速减少D.C3迅速减少，C5迅速增加[课堂笔记]选在植物进行光合作用的过程中突然停止光照，使光反应产生的ATP、[H]减少，C3不能被还原，因而C3化合物的量增加，同时CO2与C5化合物的结合不受影响，导致C5量迅速减少。C类型比较项目光合作用细胞呼吸范围绿色植物的绿色细胞一切生物的活细胞与光的关系在光照下才能进行与光无关，每时每刻都在进行场所叶绿体细胞质基质和线粒体1.区别类型比较项目光合作用细胞呼吸物质变化将无机物合成有机物分解有机物能量变化光能→化学能实质合成有机物储存能量分解有机物释放能量2.联系(1)过程图解(2)物质和能量转化关系①物质方面②能量方面3.光合速率与呼吸速率的关系(1)光合作用速率表示方法：通常以一定时间内CO2等原料的消耗或O2、(CH2O)等产物的生成数量来表示。但由于测量时的实际情况，光合作用速率又分为表观光合速率和真正光合速率。(2)在有光条件下，植物同时进行光合作用和细胞呼吸，实验容器中O2增加量、CO2减少量或有机物的增加量，称为表观光合速率，而植物真正光合速率＝表观光合速率＋呼吸速率。如下图所示：(3)呼吸速率：将植物置于黑暗中，实验容器中CO2增加量、O2减少量或有机物减少量都可表示呼吸速率。(4)一昼夜有机物的积累量(用CO2量表示)可用下式表示：积累量＝白天从外界吸收的CO2量－晚上呼吸释放的CO2量。(1)表观光合速率常用有机物的积累量、O2释放量或CO2吸收量表示。(2)真正光合速率常用有机物的产生量、O2的产生量或CO2的固定量表示。[例3](2009·广东高考)在充满N2与CO2的密闭容器中，用水培法栽培几株番茄，CO2充足。测得系统的呼吸速率和光合速率变化曲线如下图，请回答问题。(1)6～8h间，光合速率(大于、小于)呼吸速率，容器内的O2含量，CO2含量，植株干重。(2)9～10h间，光合速率迅速下降，推测最可能发生变化的环境因素是；10h时不再产生ATP的细胞器是；若此环境因素维持不变，容器内的O2含量将逐渐下降并完全耗尽，此时另一细胞器即停止ATP的合成，成为ATP合成的唯一场所。(3)若在8h时，将容器置于冰浴中，请推测呼吸速率会出现的变化及其原因。[课堂笔记]分析曲线图可知，6～8h间，光合速率大于呼吸速率，则容器内的O2含量增加，CO2含量下降，植株干重增加。9～10h间，光合速率迅速下降，因CO2充足，只能是光照突然减弱，如晴转阴。10h时光合速率为零，叶绿体不再产生ATP和O2，呼吸继续消耗O2，导致容器内的O2耗尽，有氧呼吸无法进行，只能在细胞质基质中进行无氧呼吸，此时线粒体无法产生ATP，只有细胞质基质可合成ATP。若8h时，将容器置于冰浴中，由于温度降低，导致酶活性下降，而致使呼吸速率下降。[答案](1)大于上升下降增加(2)光照强度叶绿体线粒体细胞质基质(3)呼吸速率下降，相关酶的活性因降温而下降。2.以测定的CO2吸收量与释放量为指标，研究温度对某绿色植物光合作用与细胞呼吸的影响，结果如图所示。下列分析正确的是()A.光照相同时间，35℃时光合作用制造的有机物的量与30℃时相等B.光照相同时间，在20℃条件下植物积累的有机物的量最多C.温度高于25℃时，光合作用制造的有机物的量开始减少D.两曲线的交点表示光合作用制造的与细胞呼吸消耗的有机物的量相等解析：A项正确：光下CO2的消耗量应为CO2吸收量与呼吸CO2释放量之和，35℃时消耗量为3.00＋3.50＝6.50，30℃时为3.50＋3.00＝6.50。B项错误：图中可见光下25℃时CO2吸收量最大，故25℃时植物积累的有机物的量最多。C项错误：25℃时，光合作用CO2的消耗量应为3.75＋2.25＝6.00，而30℃、35℃时都为6.50。D项错误：图中两曲线的交点应表示光合作用积累的与呼吸作用消耗的有机物的量相等。答案：A1.光照强度(1)光照强度影响光合作用强度的实验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)小圆形叶片沉水底：将抽出内部气体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多，浮起的多)。(2)光照强度与光合作用速率的关系曲线分析应用①曲线分析(如图)：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放的CO2量可表示此时细胞呼吸的强度。AB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。B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。BC段：表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上就不再加强了，C点所示的光照强度称为光饱和点。②应用：阴生植物的光补偿点前移，光饱和点较低，如图中虚线所示，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；适当提高光照强度可增加大棚作物产量。2.CO2浓度(1)曲线分析：图1中A点表示CO2补偿点，即光合作用速率等于呼吸作用速率时的CO2浓度，图2中A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。B和B′点都表示CO2饱和点。(2)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，提高光合作用速率。3.矿质元素(1)曲线的含义：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，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使植物吸水困难从而导致光合作用速率下降。(2)应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时地、适量地增施肥料，可以提高作物的光合作用。4.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，缺水既可影