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高中生物分子與細胞教案4.2《光合作用》

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1、第2節 光合作用學習目標1.說出對光合作用的認識過程。2.舉例說出主要的光合色素。3.概述光合作用的過程。4.舉例說出影響光合作用的環境因素。學習提示光合作用的過程是這節課的重點和難點。學習過程一、回眸歷史解開光合作用之謎早在兩千多年前,人們受古希臘著名哲學家亞里士多德的影響,認為植物體是由“土壤汁”構成的,即植物生長發育所需的物質完全來自土壤。早在1648年,比利時科學家范海爾蒙特(Van Helmont)就進行了陶盆栽柳樹的實驗,以尋找營養植物的物質。他在一個大花盆中放入90千克干燥的土壤,栽上一株重2.5千克的柳樹幼苗。用雨水或蒸餾水澆灌,并用一個穿孔的鐵板蓋在花盆上,只允許氣體和水進入。

2、而盡量減少別的物質進入。5年后將樹移出稱重,增加了75千克,而將土壤干燥發現僅損失了60克。因此他認為柳樹重量增加只是由水引起的,他沒有考慮到空氣中氣體的影響。1771年,英國化學家約瑟夫普里斯特萊(Joseph Priestley)發現,把一盆植物和一支點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物呼吸而變得污濁了的空氣。1779年,荷蘭科學家揚英根豪斯(J.Ingenhousz)把帶葉的枝條放到水里,進一步證實,綠色植物只有在日光下才能放出氧氣,黑暗中植物也會使空氣污濁。1864年,德國。

3、科學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物除氧氣外,葉片在光下還能產生有機物淀粉。1940年,加利福尼亞大學的寒繆爾魯賓(San Ruben)和他的同事制備了有特殊“標記”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中99.76%的氧是16O,只有0.20%是18O。用這種水提供給藻類進行光合作用時,產生的氧氣中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,當藻類用這種二氧化碳和天然水進行光合作用時,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,。

4、這就有力地證明了光合作用釋放的氧氣來自水。20世紀世紀40年代到50年代中期,美國科學家卡爾文(M.Calvin)和他的同事運用放射性同位素示蹤及紙譜色層等方法,經過十多年的系統研究,于1948年提出了二氧化碳同化的循環途徑,這就是我們常說的卡爾文循環,從而了解到光合作用中復雜的化學反應。二、光合色素與光能的捕捉和轉化光合色素包括葉綠素和類胡蘿卜素。一般來說,葉片中葉綠素與類胡蘿卜素的比值約為31,所以正常的葉子總呈現綠色。秋天或在不良的環境中,葉片中的葉綠素較易降解,數量減少,而類胡蘿卜素比較穩定,所以葉片呈現黃色。類胡蘿卜素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、花冠、。

5、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呈藍綠色,葉綠素b呈黃綠色,它們的分子式可以寫成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多兩個氫少一個氧。葉綠素最強的吸收區有兩處:波長640660 nm的紅光部分和430450 nm的藍紫光部分。葉綠素對橙光、黃光吸收較少,尤其對綠光的吸收最少,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(見課本圖4-11);葉綠素a在紅光區的吸收峰比葉綠素b的高,而藍光區的吸收峰則比葉綠素b的低,就是說,葉綠素。

6、b吸收藍紫光的能力比葉綠素a強。一般陽生植物葉片的葉綠素a/b比值約為31,而陰生植物的葉綠素a/b比值約為2.31。葉綠素b含量的相對提高就有可能更有效地利用漫射光中較多的藍紫色,所以葉綠素b有陰生葉綠素之稱。2.類胡蘿卜素:類胡蘿卜素包括胡蘿卜素(C40H56)和葉黃素(C40H56O2)。前者呈橙黃色,后者呈黃色。胡蘿卜素有、三種,其中以胡蘿卜素在植物體內含量最多。通常葉片中葉黃素與胡蘿卜素的含量之比約為21。類胡蘿卜素除了有吸收傳遞光能的作用外,還可在強光下逸散能量,具有使葉綠素免遭傷害的光保護作用。類胡蘿卜素的吸收帶在400500 nm的藍紫光區,它們基本不吸收紅、橙、黃光,從而呈現。

7、橙黃色或黃色。植物體內不同光合色素對光波的選擇吸收是植物在長期進化中形成的對生態環境的適應,這使植物可利用各種不同波長的光進行光合作用。三、邊做邊學提取和分離葉綠體中的色素1.原理葉綠體中的色素都能溶解于有機溶劑丙酮中,所以可以用丙酮提取葉綠體中的色素;葉綠體中的不同色素在層析液中的溶解度不同,所以擴散速度也不同,溶解度高的擴散速度也高,溶解度低的擴散速度也低,從而將不同色素分離開。2.步驟(1)研磨稱取2克菠菜葉片,剪碎后放入研缽中,加入少許石英砂和碳酸鈣以及5毫升丙酮,迅速研磨。再用5毫升丙酮淋洗。丙酮易揮發,并且有一定毒性,所以要迅速研磨。(2)過濾將研磨液過濾到試管中,并及時用棉塞塞緊。

8、試管口。濾液中含有光和色素。(3)準備濾紙條濾紙條要剪去一端兩角,在距離該端大約1 cm處用鉛筆畫一細線。(4)畫濾液細線濾液細線畫得越細越直越齊效果越好,并且要重復畫若干次。(5)用層析液分離色素將畫好濾液細線的濾紙條輕輕插入盛有3毫升層析液的燒杯中,并覆蓋燒杯。濾液細線不能觸及層析液。如果濾液細線被層析液淹沒,色素會溶解在層析液中,影響實驗結果。3.結果濾紙條上會出現4條色素帶,從上到下依次是胡蘿卜素(橙黃色)、葉黃素(黃色)、葉綠素a(藍綠色)、葉綠素(黃綠色)。4.討論(1)丙酮可以提取色素,層析液將色素分離。(2)葉綠體中的色素主要有4種,在濾紙條上從上到下依次是胡蘿卜素(橙黃色)、。

9、葉黃素(黃色)、葉綠素a(藍綠色)、葉綠素b(黃綠色)。四、積極思維恩吉爾曼的實驗巧妙在哪里恩吉爾曼將白光通過三棱鏡分成紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種單色光,從而研究單色光對光合作用的影響,發現紅光和藍光照射的區域放出氧氣最多,光合作用最強。這一巧妙實驗就說明了光合色素吸收最多的光是紅光和藍光。五、光合作用的過程光合作用可以分為兩個步驟,一個是必須在光下才能進行的、由光所引起的光反應;另一個則是不需要光的一般化學反應(也可以在光下進行),它是把二氧化碳固定和還原成為有機物的反應,即暗反應。1.光反應它在類囊體膜上進行,所吸收的光能用來合成ATP和將水分解成氧氣和還原氫。當光線照射到植物的葉片上。

10、面以后,葉綠體中類囊體膜上的大部分葉綠素a和全部葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素,能夠接受光能。這些色素所接受的光能可以極其迅速而又高效率地傳送到少數特殊狀態的葉綠素a分子,少數特殊狀態的葉綠素a分子在接受光能以后,首先被激發,變成激發態而失去電子,這些電子最終傳遞給一種帶正電荷的有機物NADP,失去電子的葉綠素a變成一種強氧化劑,能夠從水分子中奪取電子,這樣就促使了水的光解,水被氧化成分子態氧,并且放出了氫離子(H+)。電子被葉綠素a奪回以后,就又恢復到原來的狀態。這樣在光的照射下,少數特殊狀態的葉綠素a分子不斷地失去電子和獲得電子,從而形成電子流,使光能轉換成電能。隨著光能轉換成電能,NADP得。

11、到電子和H就形成了NADPH2(還原氧),一部分電能轉換成活躍的化學能儲存在NADPH2中,與此同時,葉綠體中利用光能轉換成的另一部分電能將ADP和Pi合成ATP,并將這部分電能轉換成活躍的化學能儲存在ATP中。2.暗反應光合作用的最終結果,是把CO2這樣一個簡單的分子還原為有機物,主要是糖類。這個過程也要經過一系列復雜的變化,不過它是在葉綠體的基質中進行的。CO2還原為糖的這條途徑是由美國的卡爾文(M.Calvin)等人在20世紀40年代到50年代中期用了10年時間發現的,所以也叫做卡爾文循環。接受CO2分子的受體是一種五碳化合物,在有關酶的作用下,這種五碳化合物與CO2發生反應,形成兩分子。

12、三碳化合物,CO2就被固定下來。一些三碳化合物進一步依靠光反應所產生的還原氫和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的能量也就轉移到這個三碳糖中去了,這時候光能就轉變成了穩定的化學能。在這以后,這個三碳糖又經過一系列的反應,形成蔗糖和淀粉。更多的三碳化合物再經過一系列復雜的變化又生成接受CO2分子的五碳化合物,繼續和CO2結合,循環往復地參與暗反應。因為這種光合途徑的最初產物是三碳化合物,所以這個途徑叫做三碳途徑。六、影響光合作用的環境因素1.光照強度對光合速率的影響光合速率隨著光照強度的增加而加快。在一定范圍內幾乎是呈正相關。但超過一定范圍之后,光合。

13、速率的增加轉慢;當達到某一光照強度時,光合速率就不再增加,這種現象稱為光飽和現象。剛出現光飽和現象時的光照強度稱為光飽和點。當光照強度較強時,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,最后達到一點,即光合速率等于呼吸速率。光合過程中吸收的CO2和呼吸過程中放出的CO2等量時的光照強度,就稱為光補償點。如下圖:2.二氧化碳對光合速率的影響二氧化碳是光合作用的原料,對光合速率影響很大??諝庵械亩趸己恳话阏俭w積的0.033%,對植物的光合作用來說是比較低的。如果二氧化碳濃度更低,光合速率急劇減慢。當光合吸收的二氧化碳量等于呼吸放出的二氧化碳量,這個時候外界的二氧化碳數。

14、量就叫做二氧化碳補償點??諝庵械亩趸紳舛鹊陀诙趸佳a償點時,植物就沒有光合產物的積累;高于二氧化碳補償點時,光合速度隨二氧化碳濃度增加而直線上升,但到達一定濃度后,光合速度不再增加,這時的濃度稱為二氧化碳的飽和點。3.溫度對光合速率的影響光合作用中的暗反應是一系列的酶促反應,溫度對光合作用的影響,有其最高、最適和最低三個基點。一般作物在02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,到2530為最適溫度,在35以上時光合作用開始下降,4045即完全停止。增加農作物產量的關鍵是提高光合作用效率,適當增加光照強度、提高二氧化碳濃度和溫度可以提高光合作用效率,農業生產中可以通過。

15、提高光合作用效率,增加光合作用面積和延長光照時間來提高光能的利用率,從而增加農作物產量。七、積極思維哪些環境因素影響光合作用1.光合速率隨著光照強度的增加而加快。在一定范圍內幾乎是呈正相關。但超過一定范圍之后,光合速率的增加轉慢;當達到某一光照強度時,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,到達某一點后又隨溫度升高而降低。也就是說溫度對光合作用的影響,有其最高、最適和最低三個基點。知識閱讀海洋微生物可進行光合作用陸地植物利用葉綠素進行光合作用,并將光能轉化成推動自身新陳代謝的能量。但美國科學家最近發現,除了。

16、植物能夠利用光合作用產生能量之外,還有一些海洋微生物也能依靠光合作用而生存。美國微生物學家 艾得德隆說,這是一種轉換太陽能量的新方式,過去人們從未想到海洋微生物會存在光合作用,而現在的研究發現有10%左右的海洋微生物都用這種能量轉化方式來制造養分,這是另一種生物適應環境的生存方式。美國蒙特拉灣水族研究所有一個專門用于曬鹽的池塘,池塘的水呈紅色。研究人員解釋說,這些水之所以呈紅色是因為里面有一些專門生存在極端環境中的無害海洋微生物一種喜鹽細菌。根據基因研究的結果,科學家們在菌體中第一次發現了細菌視紫質。視紫質通常存在于人體的視覺細胞中,是一種感光體,其作用是接收外界光線并通過復雜的生理生化反應將光能轉化成為神經信號,而海洋微生物中的這種細菌視紫質則能夠將光線轉化成移動電子,成為推動菌體新陳代謝的能量,這也就形成了海洋微生物體內特有的光合作用機制。研究人員說,這一發現同時也解答了過去海洋生態系統研究中一直存在的一個疑問,為什么海洋中的眾多微生物似乎在沒有什么食物來源的情況下能夠長期生存繁衍下去,并提示人們將來利用海洋微生物視紫質光合作用產生能量的原理,人類可以制造出生物太陽能電池。

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