光合作用探究歷程

1、回眸歷史回眸歷史 解開光合作用之謎解開光合作用之謎非洲饑餓的孩子們等待著非洲饑餓的孩子們等待著聯(lián)合國的救濟(jì)糧聯(lián)合國的救濟(jì)糧 關(guān)注并拯救饑餓的孩子關(guān)注并拯救饑餓的孩子圖圖A A圖圖B B圖圖D D1717世紀(jì)海爾蒙特世紀(jì)海爾蒙特( (比利時(shí)比利時(shí)) ) 柳樹實(shí)驗(yàn)柳樹實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)前實(shí)驗(yàn)后實(shí)驗(yàn)后變化變化土壤干重土壤干重90.800kg90.743kg-0.057kg柳柳 樹樹2.25kg76.70kg+74.75kg圖圖C C結(jié)論：結(jié)論： 植物生長所需的養(yǎng)料主要來自于水，植物生長所需的養(yǎng)料主要來自于水，而不是土壤。而不是土壤。3/10普利斯特利實(shí)驗(yàn)普利斯特利實(shí)驗(yàn)結(jié)論：只有在陽光照射下才能成功，結(jié)論

2、：只有在陽光照射下才能成功，1779年英格豪斯的實(shí)驗(yàn)（荷蘭）年英格豪斯的實(shí)驗(yàn)（荷蘭）17851785年，由于發(fā)現(xiàn)了空氣的組成年，由于發(fā)現(xiàn)了空氣的組成, ,人們才明確人們才明確綠葉在光下綠葉在光下放出放出的氣體是的氣體是氧氣氧氣，吸收吸收的是的是二氧二氧化碳化碳。18451845年，德國科學(xué)家梅耶（年，德國科學(xué)家梅耶（R.MayerR.Mayer）根據(jù)能）根據(jù)能量轉(zhuǎn)換和守恒定律明確指出，植物在進(jìn)行光量轉(zhuǎn)換和守恒定律明確指出，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，把合作用時(shí)，把光能光能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成化學(xué)能化學(xué)能儲存起來儲存起來一半曝光，一半遮光一半曝光，一半遮光在暗處放置幾小的葉片在暗處放置幾小的葉片1864186

3、4年薩克斯的實(shí)驗(yàn)?zāi)晁_克斯的實(shí)驗(yàn)暗處理暗處理光照光照酒精酒精脫色脫色碘蒸汽處理碘蒸汽處理思考：思考：（1 1）為什么用碘蒸氣）為什么用碘蒸氣處理之后會變藍(lán)？處理之后會變藍(lán)？（2 2）為什么要先進(jìn)行）為什么要先進(jìn)行暗處理？暗處理？（3 3）為什么一半遮光，一半曝光？）為什么一半遮光，一半曝光？（4 4）從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，你可以得到什么結(jié)論？）從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，你可以得到什么結(jié)論？證明：綠葉的光合作用產(chǎn)物除氧氣以外證明：綠葉的光合作用產(chǎn)物除氧氣以外,還有還有淀粉淀粉。(1)(1)為什么選用水綿？為什么選用水綿？ 氧氣是葉綠體釋放出來的，氧氣是葉綠體釋放出來的，葉綠體是光葉綠體是光合作用的場所合作用的場所。(

4、2)(2)好氧菌的作用？好氧菌的作用？(3)(3)為什么臨時(shí)裝片要放為什么臨時(shí)裝片要放在沒有空氣的黑暗環(huán)境在沒有空氣的黑暗環(huán)境里？里？水綿，細(xì)胞中水綿，細(xì)胞中有細(xì)長、帶狀且螺旋狀分布有細(xì)長、帶狀且螺旋狀分布的葉綠體，的葉綠體，利于觀察利于觀察黑暗、無空氣；排除環(huán)境中的光線、氧氣對實(shí)驗(yàn)的影響黑暗、無空氣；排除環(huán)境中的光線、氧氣對實(shí)驗(yàn)的影響(4)(4)為什么臨時(shí)裝片要放在沒有空氣的曝為什么臨時(shí)裝片要放在沒有空氣的曝光環(huán)境里？光環(huán)境里？1939年（美國）年（美國） 魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)提出問題提出問題作出假設(shè)作出假設(shè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析結(jié)果分析得出結(jié)論得出結(jié)論光合作用產(chǎn)生的氧是來自于水光

5、合作用產(chǎn)生的氧是來自于水還還是二氧化碳是二氧化碳？光合作用產(chǎn)生的氧是來自于水（或者是二氧化碳）。光合作用產(chǎn)生的氧是來自于水（或者是二氧化碳）。A A中氣體無放射性，中氣體無放射性，B B中氣體具有放射性中氣體具有放射性光合作用產(chǎn)生的氧氣來自于水，而不光合作用產(chǎn)生的氧氣來自于水，而不是來自于二氧化碳。是來自于二氧化碳。A B 同位素標(biāo)記法同位素標(biāo)記法CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中的碳的途徑，化成有機(jī)物中的碳的途徑，這一途徑稱為這一途徑稱為卡爾文循環(huán)卡爾文循環(huán)。光合作用的總反應(yīng)式光合作用的總反應(yīng)式: : CO2 + H2O (CH2O) + O2光能光能葉綠體葉綠體條件

6、條件: :光照光照原料原料:CO:CO2 2、H H2 2O O產(chǎn)物產(chǎn)物:(CH:(CH2 2O)O)糖類、糖類、O O2 2場所場所: :葉綠體葉綠體光合作用的探究歷程：光合作用的探究歷程：（1 1）17711771年普利斯特利：植物可年普利斯特利：植物可 空氣空氣19791979年英格豪斯：普利斯特利實(shí)年英格豪斯：普利斯特利實(shí)驗(yàn)只有在驗(yàn)只有在 下才能成功，植物下才能成功，植物體只有體只有 才能更新污濁的空才能更新污濁的空氣氣18451845年梅耶：植物在進(jìn)行光合作用年梅耶：植物在進(jìn)行光合作用時(shí)把時(shí)把 能轉(zhuǎn)換成能轉(zhuǎn)換成 能儲存起來能儲存起來18641864薩克斯：光合作用產(chǎn)薩克斯：光合作用產(chǎn)

7、物除氧氣外還有物除氧氣外還有 18801880年恩年恩格爾曼：光合作用場所是葉綠體格爾曼：光合作用場所是葉綠體19391939年魯賓、卡門：光合作用釋放的氧氣來年魯賓、卡門：光合作用釋放的氧氣來自自 。更新更新陽光照射陽光照射綠葉綠葉光光化學(xué)能化學(xué)能淀粉淀粉水水實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)： 證明綠色植物在光下能產(chǎn)生氧氣。證明綠色植物在光下能產(chǎn)生氧氣。小資料：小資料： 二次世界大戰(zhàn)之后二次世界大戰(zhàn)之后, ,美國加州大學(xué)貝克利分校的梅爾美國加州大學(xué)貝克利分校的梅爾文文卡爾文和他的同事們用卡爾文和他的同事們用1414C C標(biāo)記的標(biāo)記的COCO2 2供小球藻進(jìn)行光供小球藻進(jìn)行光合作用合作用, ,來研究小球藻在

8、光合作用中怎樣固定來研究小球藻在光合作用中怎樣固定COCO2 2的。的。 在卡爾文的實(shí)驗(yàn)中在卡爾文的實(shí)驗(yàn)中, ,發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的發(fā)現(xiàn)標(biāo)記的COCO2 2轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的速轉(zhuǎn)變成有機(jī)物的速度很快度很快, ,幾秒鐘之內(nèi)幾秒鐘之內(nèi), ,在第一個(gè)中間產(chǎn)物在第一個(gè)中間產(chǎn)物( (三碳化合物三碳化合物) )中發(fā)現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)了放射性了放射性, , 所以將所以將COCO2 2的這種固定途徑稱為的這種固定途徑稱為C C3 3途徑途徑, ,將通過將通過這種途徑固定這種途徑固定COCO2 2的植物稱為的植物稱為C C3 3植物。植物。 最終的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)最終的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn), CO, CO2 2固定的固定的C C3 3途徑是一個(gè)循

9、環(huán)過途徑是一個(gè)循環(huán)過程程, ,稱為稱為C C3 3循環(huán)循環(huán), ,由于這一循環(huán)是卡爾文發(fā)現(xiàn)的由于這一循環(huán)是卡爾文發(fā)現(xiàn)的, ,故又稱卡爾故又稱卡爾文循環(huán)。文循環(huán)。光合作用的場所：光合作用的場所：葉綠體葉綠體光合作用的原料：光合作用的原料：二氧化碳和水二氧化碳和水光合作用的條件：光合作用的條件：有光照有光照光合作用的產(chǎn)物：光合作用的產(chǎn)物：淀粉、氧氣淀粉、氧氣（1 1）設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)設(shè)置對照實(shí)驗(yàn)（如薩克斯的曝光和遮光實(shí)驗(yàn)、（如薩克斯的曝光和遮光實(shí)驗(yàn)、揚(yáng)揚(yáng)英根豪斯將枝條放在光下和放在暗處）；英根豪斯將枝條放在光下和放在暗處）；（2 2）控制單一變量控制單一變量（魯賓和卡門分別標(biāo)記水和二氧（魯賓和卡門分別標(biāo)

10、記水和二氧化碳中的氧）；化碳中的氧）；（3 3）顯性化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯性化的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（普利斯特萊實(shí)驗(yàn)利用蠟燭創(chuàng)（普利斯特萊實(shí)驗(yàn)利用蠟燭創(chuàng)造條件，使無法觀察到的空氣成分變化表現(xiàn)出來）造條件，使無法觀察到的空氣成分變化表現(xiàn)出來）. .v實(shí)驗(yàn)常考易錯(cuò)點(diǎn)v薩克斯實(shí)驗(yàn)中黑暗處理的目的：消耗掉葉片中原有的淀粉。曝光與遮光形成對照，檢驗(yàn)試劑為碘蒸氣，檢驗(yàn)前用酒精處理，目的是溶解色素；v恩格爾曼選用水綿做實(shí)驗(yàn)材料的好處：葉綠體大呈帶狀，便于觀察，所用細(xì)菌異化作用類型為需氧型；v魯賓、卡門用的實(shí)驗(yàn)方法為示蹤原子法(同位素標(biāo)記法)。v(1)薩克斯：自身對照，自變量為是否照光(一半曝光與另一半遮光)，因變量為葉片是否制

11、造出淀粉。v(2)魯賓和卡門：相互對照，自變量為標(biāo)記物質(zhì)(HO與C18O2)，因變量為O2的放射性。v(3)普里斯特利：密閉的玻璃罩是否加植物為自變量，蠟燭燃燒時(shí)間或小鼠存活時(shí)間為因變量。結(jié)論結(jié)論1：只有在：只有在光下光下植物才能更新空氣。植物才能更新空氣。 黑 暗 光 下 結(jié)論結(jié)論2：植物體的綠葉：植物體的綠葉在光下才能更新空氣。在光下才能更新空氣。普利斯特利的實(shí)驗(yàn)只有在普利斯特利的實(shí)驗(yàn)只有在陽光照射陽光照射下才能成功下才能成功英根豪斯實(shí)驗(yàn)英根豪斯實(shí)驗(yàn)淀粉遇碘會變藍(lán)淀粉遇碘會變藍(lán)德國科學(xué)家薩克斯的實(shí)驗(yàn)及結(jié)論德國科學(xué)家薩克斯的實(shí)驗(yàn)及結(jié)論 實(shí)驗(yàn)：把綠色葉片放在暗處幾小時(shí)，然后把實(shí)驗(yàn)：把綠色葉片放

12、在暗處幾小時(shí)，然后把這個(gè)葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時(shí)間后，這個(gè)葉片一半曝光，另一半遮光。過一段時(shí)間后，放入酒精中隔水加熱放入酒精中隔水加熱, ,再用碘蒸氣處理葉片。再用碘蒸氣處理葉片。 目的？目的？何作用？何作用？何作用？何作用？結(jié)論：綠色葉片在光合作用下產(chǎn)生了結(jié)論：綠色葉片在光合作用下產(chǎn)生了淀粉。淀粉。18801880年年 恩吉爾曼恩吉爾曼( (德國德國) )現(xiàn)象：現(xiàn)象：分析分析 ：好氧細(xì)菌只集中在被光線好氧細(xì)菌只集中在被光線照射的照射的葉綠體葉綠體附近。附近。光線照射部位進(jìn)行光合作光線照射部位進(jìn)行光合作用產(chǎn)生了氧氣。用產(chǎn)生了氧氣。 結(jié)論結(jié)論:葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所葉綠體是

13、綠色植物進(jìn)行光合作用的場所黑暗，無空氣黑暗，無空氣極細(xì)光束極細(xì)光束完全曝光完全曝光實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：探究光合作用產(chǎn)生的探究光合作用產(chǎn)生的OO2 2是來自水還是來自是來自水還是來自COCO2 2? ?實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)方法： 實(shí)驗(yàn)步驟：實(shí)驗(yàn)步驟：放射性同位素標(biāo)記法（標(biāo)記哪個(gè)元素放射性同位素標(biāo)記法（標(biāo)記哪個(gè)元素? ?）5 5、美國科學(xué)家魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)及結(jié)論、美國科學(xué)家魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)及結(jié)論實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)：（1 1）用）用1818OO分別標(biāo)記分別標(biāo)記HH2 2OO和和COCO2 2。（2 2）、向綠色植物提供、向綠色植物提供HH2 21818OO和和COCO2 2 、向綠色植物提供、向綠色植物提供HH2 2

14、OO和和C C1818O O2 2結(jié)論：結(jié)論：光合作用釋放的氧全部來自水。光合作用釋放的氧全部來自水。釋放釋放1818OO2 2釋放釋放OO2 21938，魯賓和卡門(美國)H2O C18O2H218O CO2 O2 O2 O2O2 O2 O2O2 O2 O2O2 O2 O2O2 O2 O2O2 O2 O2 O2O2 O2 O2 O218O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 18O2 想一想：恩格爾曼想一想：恩格爾曼(1880年年)的實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)在設(shè)計(jì)上有何巧妙之處？在

15、設(shè)計(jì)上有何巧妙之處？v1 1、實(shí)驗(yàn)材料的選擇：水綿，細(xì)胞中、實(shí)驗(yàn)材料的選擇：水綿，細(xì)胞中有細(xì)長、有細(xì)長、帶狀且螺旋狀分布的葉綠體，帶狀且螺旋狀分布的葉綠體，利于觀察；利于觀察；v2 2、環(huán)境選擇：黑暗、無空氣；排除環(huán)境中的、環(huán)境選擇：黑暗、無空氣；排除環(huán)境中的光線、氧氣對實(shí)驗(yàn)的影響；光線、氧氣對實(shí)驗(yàn)的影響；v3 3、光束：極細(xì)的光束照射水綿，且利用、光束：極細(xì)的光束照射水綿，且利用好氧好氧細(xì)菌細(xì)菌檢測，可以準(zhǔn)確判斷水綿細(xì)胞中釋放檢測，可以準(zhǔn)確判斷水綿細(xì)胞中釋放O O2 2的部位；的部位；v4 4、對照實(shí)驗(yàn)：黑暗與曝光對比，證明結(jié)果完、對照實(shí)驗(yàn)：黑暗與曝光對比，證明結(jié)果完全由光照引起。全由光照引

16、起。 小資料：小資料： 放射性同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和放射性同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。用放射性同位素標(biāo)記的化合物，變化規(guī)律。用放射性同位素標(biāo)記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不會改變。科學(xué)家通過追蹤放射化學(xué)性質(zhì)不會改變。科學(xué)家通過追蹤放射性同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清化學(xué)反性同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程。這種方法叫做同位素標(biāo)記應(yīng)的詳細(xì)過程。這種方法叫做同位素標(biāo)記法。法。光合作用原理的應(yīng)用光合作用原理的應(yīng)用影響影響光合作用強(qiáng)度光合作用強(qiáng)度的因素？的因素？COCO2 2的濃度，光照的長短與強(qiáng)弱；光的成分；溫的濃度，光照的長短與強(qiáng)弱；光的成分；溫度的高低、必需礦物質(zhì)元素、水分等。

17、度的高低、必需礦物質(zhì)元素、水分等。例：適當(dāng)提高例：適當(dāng)提高CO2的濃度（溫室大棚），增加光照時(shí)間的濃度（溫室大棚），增加光照時(shí)間和光照強(qiáng)度，農(nóng)作物間距合理，選擇適當(dāng)?shù)墓庠吹取：凸庹諒?qiáng)度，農(nóng)作物間距合理，選擇適當(dāng)?shù)墓庠吹?。影響光合作用的主要外界因素影響光合作用的主要外界因素v光照光照 光是光合作用的能量來源，是葉綠體發(fā)育和葉光是光合作用的能量來源，是葉綠體發(fā)育和葉綠素合成的必要條件綠素合成的必要條件v二氧化碳二氧化碳 二氧化碳是光合作用的原料之一二氧化碳是光合作用的原料之一v溫度溫度 由于溫度可以影響酶的活性，因而對光合速率由于溫度可以影響酶的活性，因而對光合速率有明顯影響有明顯影響v水分水分

18、葉片接近水分飽和時(shí)，才能進(jìn)行正常的光合作葉片接近水分飽和時(shí)，才能進(jìn)行正常的光合作用用v礦質(zhì)營養(yǎng)礦質(zhì)營養(yǎng) 礦質(zhì)元素直接或間接影響光合作用礦質(zhì)元素直接或間接影響光合作用v光合速率的日變化光合速率的日變化 一天中，光強(qiáng)日變化對光和速率一天中，光強(qiáng)日變化對光和速率日變化的影響最大日變化的影響最大延長光合作用時(shí)間延長光合作用時(shí)間增加光合作用面積增加光合作用面積增加光能利用率增加光能利用率提高光合作用效率提高光合作用效率控制光照強(qiáng)弱控制光照強(qiáng)弱控制光質(zhì)控制光質(zhì)控制溫度控制溫度控制控制COCO2 2供應(yīng)供應(yīng)控制必需礦質(zhì)元素供應(yīng)控制必需礦質(zhì)元素供應(yīng)控制控制H H2 2O O供應(yīng)供應(yīng)提高復(fù)種指數(shù)（輪作）提高復(fù)種

19、指數(shù)（輪作）溫室中人工光照溫室中人工光照合理密植合理密植間作套種間作套種通風(fēng)透光通風(fēng)透光在溫室中施有機(jī)肥，在溫室中施有機(jī)肥，使用使用COCO2 2發(fā)生器發(fā)生器陰生植物陰生植物陽生植物陽生植物應(yīng)用應(yīng)用提高農(nóng)作物產(chǎn)量的措施提高農(nóng)作物產(chǎn)量的措施紅光和藍(lán)紫光紅光和藍(lán)紫光適時(shí)適量施肥適時(shí)適量施肥合理灌溉合理灌溉保持晝夜溫差保持晝夜溫差 H2O水的光解水的光解O2H ADP+Pi 酶酶ATPco2C5光反應(yīng)光反應(yīng)2c3固固定定供氫供氫酶酶供能供能還還原原(CH2O) 糖類、脂肪、糖類、脂肪、蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 多種酶多種酶參加催化參加催化暗反應(yīng)暗反應(yīng)能量轉(zhuǎn)化能量轉(zhuǎn)化: 光能光能ATP活躍化學(xué)能活躍化學(xué)能穩(wěn)定化學(xué)

20、能穩(wěn)定化學(xué)能元素轉(zhuǎn)移元素轉(zhuǎn)移O元素元素:H2O O2C元素元素:C O2C3 （CH2O）光能光能條件條件 ：光、光、 色素、色素、酶酶場所：場所：反應(yīng)反應(yīng)水的光解：水的光解：ATP的合成：的合成：基粒類囊體薄膜上基粒類囊體薄膜上H2O H+O2光、光、葉綠體中的色素葉綠體中的色素ADPPi 光能光能 ATP酶酶光能光能1.光反應(yīng)階段光反應(yīng)階段吸收、傳遞吸收、傳遞和轉(zhuǎn)換光能和轉(zhuǎn)換光能能量轉(zhuǎn)變：能量轉(zhuǎn)變：ATP中活躍的化學(xué)能中活躍的化學(xué)能產(chǎn)物：產(chǎn)物： H、O2、ATP條件：條件： 不需光，需多種酶不需光，需多種酶場所：場所：葉綠體基質(zhì)中葉綠體基質(zhì)中過程過程CO2的固定：的固定： CO2C5 2C

21、3酶酶三碳化合物三碳化合物的還原：的還原：ATP中活躍中活躍的化學(xué)能的化學(xué)能2.暗反應(yīng)階段暗反應(yīng)階段C3+H (CH2O)+C5酶酶ATPADP+Pi能量轉(zhuǎn)變：能量轉(zhuǎn)變：有機(jī)物中穩(wěn)有機(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能定的化學(xué)能產(chǎn)物：產(chǎn)物： （CH2O ）、）、 ADP 、 PiH2OO2HADP+PiATPCO22C3C5(CH2O)糖類蛋白質(zhì)脂肪光合作用的過程光合作用的過程 整個(gè)光合作用過程中的物質(zhì)整個(gè)光合作用過程中的物質(zhì) 變化和能量變化分別是什么？變化和能量變化分別是什么？物質(zhì)變化：物質(zhì)變化：無機(jī)物無機(jī)物能量變化：能量變化： 光能光能轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變2、光合作用的實(shí)質(zhì)：、光合作用的實(shí)質(zhì)：有機(jī)物有機(jī)物糖類等

22、有機(jī)物中的糖類等有機(jī)物中的化學(xué)能化學(xué)能 請分析光下的植物突然停止光照后，請分析光下的植物突然停止光照后，其體內(nèi)的其體內(nèi)的C5化合物和化合物和C3化合物的含量化合物的含量如何變化？如何變化？停止停止光照光照光反應(yīng)光反應(yīng)停止停止請分析光下的植物突然停止請分析光下的植物突然停止CO2的供的供應(yīng)后，其體內(nèi)的應(yīng)后，其體內(nèi)的C5化合物和化合物和C3化合物化合物的含量如何變化？的含量如何變化？H ATP還原還原受阻受阻C3 C5 CO2 固定固定停止停止C3 C5 項(xiàng)目項(xiàng)目光反應(yīng)光反應(yīng)暗反應(yīng)暗反應(yīng)反應(yīng)場所反應(yīng)場所反應(yīng)條件反應(yīng)條件物質(zhì)變化物質(zhì)變化能量變化能量變化聯(lián)系聯(lián)系葉綠體的類囊體膜上葉綠體的類囊體膜上葉綠體的基質(zhì)上葉綠體的基質(zhì)上 光、色素、酶光、色素、酶ATP、 H、 酶、酶、CO2光能光能