【原】【必修Ⅰ】§5.4 能量之源——光与光合作用

叶绿体中色素的提取与分离

1)实验原理

Ⅰ、绿叶中的色素溶于无水乙醇，可用无水乙醇提取绿叶中的色素

Ⅱ、绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的在滤纸上扩散得快，溶解度小的在滤纸上扩散得慢

Ⅲ、叶绿素提取后易被破坏，可加入CaCO₃保护叶绿体中的色素

2)材料、仪器与用具

Ⅰ、新鲜的绿叶

Ⅱ、干燥的定性滤纸，试管，试管架，棉塞，研钵，玻璃漏斗，尼龙布（或纱布），毛细吸管，剪刀，药勺，量筒，天平。

Ⅲ、无水乙醇，层析液，二氧化硅（研磨充分）和碳酸钙。

3)实验结果

捕获光能的色素位于类囊体的薄膜上

捕获光能的色素包括叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色）、叶黄素（黄色）和胡萝卜素（橙黄色），转化光能的色素为少数叶绿素a

叶绿素（叶绿素a和叶绿素b）主要吸收蓝紫光和红橙光，类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素）主要吸收蓝紫光

捕获光能的色素位于类囊体的薄膜上

光合作用的探究历程

1)普里斯特利：植物能更新空气

2)英格豪斯：植物在有光条件下才更新空气

3)梅耶：光合作用的实质是光能转变成化学能并储存起来

4)萨克斯的实验——研究光合作用的产物

Ⅰ、材料及预处理：天竺葵的绿叶在暗处放置一段时间（饥饿处理消耗掉其中的淀粉）

Ⅱ、实验处理及结果：

遮光处理→不产生淀粉

曝光处理→产生淀粉

Ⅲ、实验结论：光合作用的产物是淀粉。

5)恩格尔曼的实验

Ⅰ、实验一：

黑暗条件下用极细光束照射水绵（具有带状叶绿体），好氧细菌分布在叶绿体被光照射的部分。完全曝光后，好氧细菌在叶绿体周围均匀分布。这个实验说了叶绿体是光合作用的部位。

实验二：

好氧细胞主要分布在蓝紫光和红光照射部位，说明光合作用主要吸收红光和蓝紫光。

6)鲁宾和卡门的实验——研究光合作用产物氧气的来源

Ⅰ、实验方法：同位素标记法

Ⅱ、实验处理及结果

第一组H₂¹⁸O＋CO₂→产物氧气全部被¹⁸O标记

第二组H₂O＋C¹⁸O₂→开始阶段的产物氧气中不含¹⁸O标记

Ⅲ、实验结论：光合作用的产物氧气来自于原料水的分解

7)卡尔文——研究有机物是怎样合成的

二氧化碳转变为有机物的过程（暗反应或碳反应）称为卡尔文循环

光合作用可分为光反应和碳反应两个阶段

光合作用分为两个阶段：光反应阶段和暗反应（碳反应）阶段

光反应阶段发生在类囊体薄膜上，其主要变化是叶绿体中的色素吸收光能，然后将吸收的能量用于推动水的光解和ATP的合成

Ⅰ、物质变化：

①水的光解

H2O—光解→O2＋[H]（或NADPH）

②ATP的合成

ADP＋Pi＋能量—酶→ATP

Ⅱ、能量变化：光能转变为ATP和[H]（NADPH还原型辅酶II）中不稳定的化学能暂时储存起来

注意：色素和相关酶类在类囊体薄膜上的有序排布是光反应进行的必要条件。

暗反应阶段发生在叶绿体基质，其主要变化是固定CO2，并利用光反应产生的ATP和[H]制造糖类

Ⅰ、物质变化：

①CO2的固定

CO2＋C5—酶→2C3

②C3的还原

C3＋ATP＋[H]—酶→C5＋（CH₂O）

Ⅱ、能量变化：不稳定的化学能转变成（CH₂O）中稳定的化学能储存起来

注意：糖类要写成（CH₂O），不能写成CH₂O；还原氢要写成[H]，而不能写成H。

光合作用的总反应方程式

H2O＋CO2—→O2＋（CH₂O）

探究——光照强度对光合作用的影响

1)实验原理

Ⅰ、光合作用强度可用单位时间内通过光合作用制造的氧气的量来表示

Ⅱ、氧气在水中的溶解度小（本实验中可忽略），二氧化碳在水中的溶解度较大。绿色植物叶肉细胞间隙含有空气，故其能漂浮在水面上；当把叶肉细胞间隙的气体抽去后，叶片下沉；植物光合作用释放氧气充满叶肉细胞间隙后，叶片又上浮

Ⅲ、光照强度可以用不同功率的光源或相同功率的光源在不同的距离来控制

2)材料、仪器与用具

Ⅰ、绿色的嫩叶

Ⅱ、打孔器，注射器，台灯，40W灯泡，100W灯泡，烧杯

光照、[CO₂]和温度等环境因素会影响光合作用

光照（包括光照强度和光质等）通过影响光反应来影响光合作用

例如：有光照条件下才能进行光合作用，黑暗时只进行细胞呼吸。光照强度、光的颜色（波长）等都对光合作用强度有影响。

二氧化碳做为暗反应的原料，通过影响暗反应来影响光合作用

例如：夏季晴朗的中午，一些植物会由于光照强、温度高而关闭气孔，从而导致二氧化碳的供应减少，光合作用速率下降。这种情况被称为“光合午休”。

温度通过影响光合作用（主要是暗反应中，也影响光反应中）相关酶活性来影响光合作用

衡量光合作用强度的指标

真正光合作用速率（总光合作用速率）

真正光合作用速率（总光合作用速率）可以用叶绿体在单位时间内制造的糖类的量来表示，也可用叶绿体单位时间内产生的氧气的量或消耗的二氧化碳的量来表示。

表观光合作用速率（净光合作用速率）

植物细胞通过叶绿体制造的糖类，一部分被线粒体通过细胞呼吸被消耗，剩余部分才能积累在细胞中。植物细胞在单位时间内积累的糖类的量叫做表观光合作用强度（净光合作用速率）。表观光合作用强度也可用植物细胞在单位时间内氧气的释放量或二氧化碳的吸收量来表示。

特别提示：区分总光合速率和净光合速率是高中阶段解决很多光合作用相关计算题的基础。

下图为净光合速率随光照强度变化的曲线图，请认真观察和体会。

化能合成作用

利用无机物氧化释放的能量推动有机物的合成，这种合成作用叫做化能合成作用

例如：硝化细菌利用NH₃转化成HNO₂和HNO₃释放的能量推动有机物的合成。