高中生物分子與細(xì)胞教案4.2《光合作用》

1、用心 愛(ài)心 專心第 2 節(jié) 光合作用學(xué)習(xí)目標(biāo) 學(xué)習(xí)目標(biāo)1.說(shuō)出對(duì)光合作用的認(rèn)識(shí)過(guò)程。 2.舉例說(shuō)出主要的光合色素。 3.概述光合作用的過(guò)程。 4.舉例說(shuō)出影響光合作用的環(huán)境因素。學(xué)習(xí)提示 學(xué)習(xí)提示光合作用的過(guò)程是這節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)。學(xué)習(xí)過(guò)程 學(xué)習(xí)過(guò)程 一、回眸歷史——解開(kāi)光合作用之謎早在兩千多年前，人們受古希臘著名哲學(xué)家亞里士多德的影響，認(rèn)為植物體是由“土壤汁”構(gòu)成 的，即植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的物質(zhì)完全來(lái)自土壤

2、。早在 1648 年，比利時(shí)科學(xué)家范·海爾蒙特（Van Helmont）就進(jìn)行了陶盆栽柳樹(shù)的實(shí)驗(yàn)，以尋找營(yíng)養(yǎng) 植物的物質(zhì)。他在一個(gè)大花盆中放入 90 千克干燥的土壤，栽上一株重 2.5 千克的柳樹(shù)幼苗。用雨水或蒸 餾水澆灌，并用一個(gè)穿孔的鐵板蓋在花盆上，只允許氣體和水進(jìn)入而盡量減少別的物質(zhì)進(jìn)入。5 年后將樹(shù) 移出稱重，增加了 75 千克，而將土壤干燥發(fā)現(xiàn)僅損失了 60 克。因此他認(rèn)為柳樹(shù)重量增加只是由水引起 的，他沒(méi)有考慮到空

3、氣中氣體的影響。1771 年，英國(guó)化學(xué)家約瑟夫·普里斯特萊（Joseph Priestley）發(fā)現(xiàn)，把一盆植物和一支點(diǎn)燃的蠟 燭一同放到密閉的玻璃罩里，蠟燭不容易熄滅；把一盆植物和一只小鼠同時(shí)放到密閉玻璃罩里，小鼠也 不易窒息死亡。因此他提出植物能更新由于蠟燭燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁了的空氣。1779 年，荷蘭科學(xué)家揚(yáng)·英根豪斯（J.Ingenhousz）把帶葉的枝條放到水里，進(jìn)一步證實(shí)，綠色植 物只有在日光下才能放

4、出氧氣，黑暗中植物也會(huì)使空氣污濁。1864 年，德國(guó)科學(xué)家朱利葉斯·薩克斯還采用碘液鑒定淀粉的方法，又證明光合作用的產(chǎn)物除氧氣 外，葉片在光下還能產(chǎn)生有機(jī)物——淀粉。1940 年，加利福尼亞大學(xué)的寒繆爾·魯賓（San Ruben）和他的同事制備了有特殊“標(biāo)記”的水，其 中 0.85%的分子含 18O 原子，而空氣、水和其他含氧天然物質(zhì)中 99.76%的氧是 16O，只有 0.20%是 18O。用 這種水提供給藻類(lèi)進(jìn)行

5、光合作用時(shí)，產(chǎn)生的氧氣中 18O 的比例和供給的水一樣是 0.85%，而不是天然氧氣 （及它的化合物如二氧化碳）的 0.20%。他們還制備了含 18O 的二氧化碳，當(dāng)藻類(lèi)用這種二氧化碳和天然 水進(jìn)行光合作用時(shí)，放出的氧氣中 18O 并不增多，而只含有和天然一樣的 0.20%的 18O，這就有力地證明了 光合作用釋放的氧氣來(lái)自水。20 世紀(jì)世紀(jì) 40 年代到 50 年代中期，美國(guó)科學(xué)家卡爾文（M.Calvin）和他的同事運(yùn)用放射性同位素

6、示蹤及紙譜色層等方法，經(jīng)過(guò)十多年的系統(tǒng)研究，于 1948 年提出了二氧化碳同化的循環(huán)途徑，這就是我 們常說(shuō)的卡爾文循環(huán)，從而了解到光合作用中復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。二、光合色素與光能的捕捉和轉(zhuǎn)化 二、光合色素與光能的捕捉和轉(zhuǎn)化光合色素包括葉綠素和類(lèi)胡蘿卜素。一般來(lái)說(shuō)，葉片中葉綠素與類(lèi)胡蘿卜素的比值約為 3∶1，所以 正常的葉子總呈現(xiàn)綠色。秋天或在不良的環(huán)境中，葉片中的葉綠素較易降解，數(shù)量減少，而類(lèi)胡蘿卜素 比較穩(wěn)定，所以葉片呈現(xiàn)黃色。類(lèi)胡蘿卜素

7、總是和葉綠素一起存在于高等植物的葉綠體中，此外也存在 于果實(shí)、花冠、花粉、柱頭等器官的有色體中。1.葉綠素 植物的葉綠素包括 a、b、c、d 四種。高等植物中含有 a、b 兩種。葉綠素 a 呈藍(lán)綠色，葉綠素 b 呈 黃綠色，它們的分子式可以寫(xiě)成 C55H72O5N4Mg 和 C55H70O6H4Mg，葉綠素 a 和 b 的分子式很相似，不同之處是 葉綠素 a 比 b 多兩個(gè)氫少一個(gè)氧。葉綠素最強(qiáng)的吸收區(qū)有兩處：波長(zhǎng) 640～660 n

8、m 的紅光部分和 430～ 450 nm 的藍(lán)紫光部分。葉綠素對(duì)橙光、黃光吸收較少，尤其對(duì)綠光的吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠 色。葉綠素 a 和葉綠素 b 的吸收光譜很相似，但也稍有不同（見(jiàn)課本圖 4-11） ；葉綠素 a 在紅光區(qū)的吸收 峰比葉綠素 b 的高，而藍(lán)光區(qū)的吸收峰則比葉綠素 b 的低，就是說(shuō)，葉綠素 b 吸收藍(lán)紫光的能力比葉綠 素 a 強(qiáng)。一般陽(yáng)生植物葉片的葉綠素 a/b 比值約為 3∶1，而陰生植物的葉綠素 a/b 比

9、值約為 2.3∶1。葉 綠素 b 含量的相對(duì)提高就有可能更有效地利用漫射光中較多的藍(lán)紫色，所以葉綠素 b 有陰生葉綠素之 稱。用心 愛(ài)心 專心2.暗反應(yīng) 光合作用的最終結(jié)果，是把 CO2 這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的分子還原為有機(jī)物，主要是糖類(lèi)。這個(gè)過(guò)程也要經(jīng)過(guò) 一系列復(fù)雜的變化，不過(guò)它是在葉綠體的基質(zhì)中進(jìn)行的。CO2 還原為糖的這條途徑是由美國(guó)的卡爾文 （M.Calvin）等人在 20 世紀(jì) 40 年代到 50 年代中

10、期用了 10 年時(shí)間發(fā)現(xiàn)的，所以也叫做卡爾文循環(huán)。接受 CO2 分子的受體是一種五碳化合物，在有關(guān)酶的作用下，這種五碳化合物與 CO2 發(fā)生反應(yīng)，形成 兩分子三碳化合物，CO2 就被固定下來(lái)。一些三碳化合物進(jìn)一步依靠光反應(yīng)所產(chǎn)生的還原氫和 ATP，把這 種含能量很低的三碳化合物還原成一種三碳糖，這樣，NADPH2 和 ATP 的能量也就轉(zhuǎn)移到這個(gè)三碳糖中去 了，這時(shí)候光能就轉(zhuǎn)變成了穩(wěn)定的化學(xué)能。在這以后，這個(gè)三碳糖又經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，形

11、成蔗糖和淀 粉。更多的三碳化合物再經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的變化又生成接受 CO2 分子的五碳化合物，繼續(xù)和 CO2 結(jié)合，循 環(huán)往復(fù)地參與暗反應(yīng)。因?yàn)檫@種光合途徑的最初產(chǎn)物是三碳化合物，所以這個(gè)途徑叫做三碳途徑。六、影響光合作用的環(huán)境因素 1.光照強(qiáng)度對(duì)光合速率的影響 光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而加快。在一定范圍內(nèi)幾乎是呈正相關(guān)。但超過(guò)一定范圍之后，光合 速率的增加轉(zhuǎn)慢；當(dāng)達(dá)到某一光照強(qiáng)度時(shí)，光合速率就不再增加，這種現(xiàn)象稱為光飽和現(xiàn)象。剛出現(xiàn)光

12、 飽和現(xiàn)象時(shí)的光照強(qiáng)度稱為光飽和點(diǎn)。當(dāng)光照強(qiáng)度較強(qiáng)時(shí)，光合速率比呼吸速率大幾倍，但隨著光照減 弱，光合速率逐漸接近呼吸速率，最后達(dá)到一點(diǎn)，即光合速率等于呼吸速率。光合過(guò)程中吸收的 CO2 和呼 吸過(guò)程中放出的 CO2 等量時(shí)的光照強(qiáng)度，就稱為光補(bǔ)償點(diǎn)。如下圖：光飽和點(diǎn)凈 光 合 作 用總 光 合 作 用光補(bǔ)償點(diǎn)CO 釋 放 量CO 吸 收 量光照強(qiáng)度 在黑暗中呼吸所放出的CO 量2222.二氧化碳對(duì)光合速率的影響 二氧化碳是光合作用的原

13、料，對(duì)光合速率影響很大?？諝庵械亩趸己恳话阏俭w積的 0.033%， 對(duì)植物的光合作用來(lái)說(shuō)是比較低的。如果二氧化碳濃度更低，光合速率急劇減慢。當(dāng)光合吸收的二氧化 碳量等于呼吸放出的二氧化碳量，這個(gè)時(shí)候外界的二氧化碳數(shù)量就叫做二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)?？諝庵械亩?化碳濃度低于二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，植物就沒(méi)有光合產(chǎn)物的積累；高于二氧化碳補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，光合速度隨二 氧化碳濃度增加而直線上升，但到達(dá)一定濃度后，光合速度不再增加，這時(shí)的濃度稱為二氧化碳的飽和

14、 點(diǎn)。3.溫度對(duì)光合速率的影響 光合作用中的暗反應(yīng)是一系列的酶促反應(yīng)，溫度對(duì)光合作用的影響，有其最高、最適和最低三個(gè)基 點(diǎn)。一般作物在 0～2℃的低溫下，光合作用即停止，隨著溫度的升高，光合作用逐漸加強(qiáng)，到 25～30℃ 為最適溫度，在 35℃以上時(shí)光合作用開(kāi)始下降，40～45℃即完全停止。增加農(nóng)作物產(chǎn)量的關(guān)鍵是提高光合作用效率，適當(dāng)增加光照強(qiáng)度、提高二氧化碳濃度和溫度可以提 高光合作用效率，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可以通過(guò)提高光合作用效率，增加光合

15、作用面積和延長(zhǎng)光照時(shí)間來(lái)提高光 能的利用率，從而增加農(nóng)作物產(chǎn)量。七、積極思維——哪些環(huán)境因素影響光合作用 1.光合速率隨著光照強(qiáng)度的增加而加快。在一定范圍內(nèi)幾乎是呈正相關(guān)。但超過(guò)一定范圍之后，光 合速率的增加轉(zhuǎn)慢；當(dāng)達(dá)到某一光照強(qiáng)度時(shí)，光合速率就不再增加。2.光合速率隨二氧化碳濃度增加而直線上升，但到達(dá)一定濃度后，光合速率不再增加。 3.光合速率隨溫度升高而上升，到達(dá)某一點(diǎn)后又隨溫度升高而降低。也就是說(shuō)溫度對(duì)光合作用的影 響，有其最高、

16、最適和最低三個(gè)基點(diǎn)。知識(shí)閱讀 知識(shí)閱讀——海洋微生物可進(jìn)行光合作用 海洋微生物可進(jìn)行光合作用陸地植物利用葉綠素進(jìn)行光合作用，并將光能轉(zhuǎn)化成推動(dòng)自身新陳代謝的能量。但美國(guó)科學(xué)家最近 發(fā)現(xiàn)，除了植物能夠利用光合作用產(chǎn)生能量之外，還有一些海洋微生物也能依靠光合作用而生存。美國(guó) 微生物學(xué)家 艾得·德隆說(shuō)，這是一種轉(zhuǎn)換太陽(yáng)能量的新方式，過(guò)去人們從未想到海洋微生物會(huì)存 在光合作用，而現(xiàn)在的研究發(fā)現(xiàn)有 10%左右的海洋微生物都用