第4節(jié)能量之源-光與光合作用

新課導(dǎo)入大約40億年前地球上產(chǎn)生了最原始的生命。那時(shí)大氣中并沒(méi)有氧氣，隨著時(shí)間的推移，一些光能自養(yǎng)細(xì)菌和綠色植物的出現(xiàn)，空氣中才逐漸有了氧氣。那么，氧氣到底是如何產(chǎn)生的？生命誕生前的地球通過(guò)上節(jié)課的學(xué)習(xí)我們已經(jīng)知道，繁衍進(jìn)化至今，大部分生物產(chǎn)生能量的主要方式都是有氧呼吸。每時(shí)每刻都有大量氧氣被消耗，并產(chǎn)生大量二氧化碳。但是大氣中的氧氣和二氧化碳卻始終保持著一個(gè)穩(wěn)定的含量。這是為什么？地球上能量的最終來(lái)源是太陽(yáng)能，那么，看得見(jiàn)摸不著的太陽(yáng)能是怎么轉(zhuǎn)化成能被生物利用的化學(xué)能并儲(chǔ)存在有機(jī)物中的呢？第4節(jié)能量之源——

光與光合作用一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)二、光合作用的探究歷程三、光合作用的原理和應(yīng)用四、化能合成作用一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)呈綠色是因?yàn)槿~子中含色素，到了秋天葉子變黃，說(shuō)明所含的色素很可能不止一種。為什么春夏兩季植物的葉子翠綠醉人，而深秋樹(shù)葉則金黃斑斕呢？綠葉中會(huì)有哪些種類的色素呢？它們分別是什么顏色的？各種色素在綠葉的含量相同嗎？有些植物，如玉米、紫茉莉有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不含色素的白化苗，種子中貯存的養(yǎng)分耗盡后就會(huì)逐漸死亡。這說(shuō)明白化苗不能進(jìn)行光合作用。光合作用與細(xì)胞中的色素有關(guān)。1、實(shí)驗(yàn)——綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)原理：提取(無(wú)水乙醇)、分離(層析液)；目的要求：綠葉中色素的提取和分離及色素的種類；材料用具：新鮮的綠葉、定性濾紙等、無(wú)水乙醇等；方法步驟：提取綠葉中的色素制備濾紙條畫濾液細(xì)線分離綠葉中的色素觀察和記錄想一想（1）下列試劑的作用是什么？無(wú)水乙醇二氧化硅層析液碳酸鈣提取色素研磨得充分分離色素防止葉綠素被破壞（2）過(guò)濾研磨液時(shí)，能否用濾紙過(guò)濾？為什么？不能。因?yàn)闉V紙會(huì)將部分濾液吸收掉，得不到足夠的濾液。（4）收集到試管中的濾液，為什么要用棉塞塞嚴(yán)管口？（3）為什么要將定性濾紙減去兩角？剪去兩角，目的是防止兩邊色素在濾紙條上擴(kuò)散過(guò)快，不均勻，便于觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。防止溶解色素的無(wú)水乙醇揮發(fā)。因?yàn)樯貢?huì)溶解于層析液中，而不會(huì)沿層析液向上擴(kuò)散、分離，這會(huì)使實(shí)驗(yàn)效果極差，甚至不發(fā)生分離，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)無(wú)效。

（5）分離色素時(shí)，為什么不能讓濾液細(xì)線觸及層析液？（6）濾紙條上的濾液細(xì)線經(jīng)層析后，形成四條色素帶，在濾紙條上的相對(duì)位置如下圖，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是什么？四種色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的色素隨層析液在濾紙上擴(kuò)散快，反之則慢。四種色素帶的寬窄不同，是因?yàn)樯睾坎煌木壒省?shí)驗(yàn)結(jié)果分析：胡蘿卜素（橙黃色）葉黃素（黃色）葉綠素a（藍(lán)綠色）葉綠素b（黃綠色)類胡蘿卜素（1/4）葉綠素（3/4）葉綠素a和b在藍(lán)光和紅光部分都有很高的吸收峰，葉綠體中的胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍(lán)紫光。因?yàn)槿~綠素對(duì)綠光吸收最少，綠光被反射，故葉片呈綠色。對(duì)色素進(jìn)行色譜分析，可得出下圖所示曲線：根據(jù)上述科學(xué)原理，在需要人工補(bǔ)充光照的溫室和塑料大棚中栽培農(nóng)作物時(shí)，就可以根據(jù)所需要的光合作用產(chǎn)物類型，來(lái)選擇適合的光源以及玻璃或塑料薄膜?？茖W(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，藍(lán)色塑料薄膜育秧時(shí)有壯秧的效果，這一結(jié)果現(xiàn)已在不少地區(qū)的水稻育秧生產(chǎn)中得到應(yīng)用。由于葉綠素含量約占總量的四分之三，而類胡蘿卜素僅占四分之一，所以通常植物的葉子總是翠綠醉人的。這是由于葉綠素掩蓋了類胡蘿卜素顏色的緣故。但是，葉綠素很容易被破壞。秋天葉綠素會(huì)因?yàn)椤叭淌堋辈涣藲鉁叵陆档纫蛩氐挠绊懚纸庀?；胡蘿卜素和葉黃素則比較穩(wěn)定，終于在沒(méi)有葉綠素干擾時(shí)“重見(jiàn)天日”。小知識(shí)

1865年，德國(guó)科學(xué)家薩克斯發(fā)現(xiàn)葉綠素僅存在于細(xì)胞中更小的結(jié)構(gòu)里。后來(lái)人們稱之為葉綠體。 2、葉綠體的結(jié)構(gòu)和功能（1）葉綠體的結(jié)構(gòu)：外膜內(nèi)膜基質(zhì)基粒由兩個(gè)以上的類囊體組成，捕獲光能的色素分布在類囊體的薄膜上?；ｎ惸殷w基粒和類囊體大大擴(kuò)大了受光面積，在巨大的膜表面上，分布著許多吸收光能的色素分子。葉綠體主要分布在綠色植物的葉肉細(xì)胞，一般呈扁平的橢球形或球形。在基粒和基質(zhì)中還有許多進(jìn)行光合作用所必需的酶。特點(diǎn)（2）實(shí)驗(yàn)：探究葉綠體的功能

1880年，美國(guó)科學(xué)家恩格爾曼設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料：水綿、好氧細(xì)菌，置于隔絕空氣的環(huán)境中；暗中極細(xì)光束照射光下①恩格爾曼實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？②恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)方法有什么巧妙之處？氧氣是葉綠體釋放出來(lái)的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)材料選擇水綿和好氧細(xì)菌，水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察；用好氧細(xì)菌可確定釋放氧氣多的部位；沒(méi)有空氣的黑暗環(huán)境排除了氧氣和光的干擾；用極細(xì)的光束照射，葉綠體上可分為光照多和光照少的部位，相當(dāng)于一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)；臨時(shí)裝片暴露在光下的實(shí)驗(yàn)再一次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。想一想（1）葉綠體具有雙層膜，可以控制物質(zhì)進(jìn)出。（2）葉綠體基質(zhì)中分布有幾個(gè)到幾十個(gè)由類囊體垛疊而成的基粒，增大了葉綠體內(nèi)的膜面積，利于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。（3）葉綠體基粒分布有進(jìn)行光合作用必需的色素和酶，為光合作用的進(jìn)行做好了物質(zhì)上的準(zhǔn)備。為什么說(shuō)葉綠體的結(jié)構(gòu)是與它進(jìn)行光合作用這一功能相適應(yīng)的？二、光合作用的探究歷程我們現(xiàn)在已經(jīng)知道，光合作用是指綠色植物通過(guò)葉綠體，利用光能，把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存著能量的有機(jī)物，并且釋放出氧氣的過(guò)程。這一個(gè)看似簡(jiǎn)單的光合反應(yīng)過(guò)程，卻是科學(xué)家經(jīng)過(guò)幾個(gè)世紀(jì)的不懈研究才得到的。一株幼苗長(zhǎng)成大樹(shù)，體內(nèi)要積累很多營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。古希臘著名哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為“植物生活在土壤中，植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的物質(zhì)完全來(lái)自土壤”。來(lái)源？只澆水5年后---柳樹(shù)2.3kg土90.8kg

1、最早研究光合作用的比利時(shí)科學(xué)家范·海爾蒙特，于1648年首次探究植物生長(zhǎng)所需要的營(yíng)養(yǎng)來(lái)源。探究歷程栽培柳樹(shù)實(shí)驗(yàn)柳樹(shù)76.7kg土90.7kg通過(guò)實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為植物生長(zhǎng)所需要的養(yǎng)料主要來(lái)自水，而不是土壤。2、1771年，英國(guó)普利斯特利的氣體交換實(shí)驗(yàn)。

結(jié)論：植物可以更新空氣。但當(dāng)時(shí)普利斯特萊的實(shí)驗(yàn)有時(shí)成功，有時(shí)卻失敗，普利斯特萊當(dāng)時(shí)也不知道是為什么。

3、1779年，荷蘭植物生理學(xué)家揚(yáng)·英格豪斯找到了普利斯特萊實(shí)驗(yàn)有時(shí)失敗的原因。他發(fā)現(xiàn)密封大玻璃罩中的植物需要在有光照射并且葉片綠色時(shí)才可以更新空氣，如果普利斯特萊進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)時(shí)沒(méi)有給密封大玻璃罩中的植物提供足夠的光照，實(shí)驗(yàn)就不可能成功。直到1785年，人們才確定植物更新的空氣成分是氧氣。

1845年德國(guó)科學(xué)家梅耶指出，光合作用中，光能轉(zhuǎn)換成了化學(xué)能并儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，但不知道是儲(chǔ)存在哪種物質(zhì)中。酒精脫色4、1864年，德國(guó)植物學(xué)家薩克斯的實(shí)驗(yàn)。結(jié)論：綠色葉片中光合作用中產(chǎn)生了淀粉。置于暗處一晝夜光照碘液染色思考：置于暗處一晝夜的目的是什么？

5、為了探究光合作用釋放的氧氣來(lái)自于水還是二氧化碳，20世紀(jì)30年代，美國(guó)科學(xué)家魯賓和卡門設(shè)計(jì)了同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)：結(jié)論：光合作用產(chǎn)生的氧氣全部來(lái)自H2O，而不是來(lái)自CO2。C18O2O2H2OH218OCO218O2光照下的小球藻懸液

6、為探究光合作用中有機(jī)物的合成過(guò)程，美國(guó)科學(xué)家卡爾文用14C標(biāo)記的14CO2探明了CO2中的C元素在光合作用中的轉(zhuǎn)化途徑。稱卡爾文循環(huán)。光合作用---能量進(jìn)入生物圈的樞紐三、光合作用的原理和應(yīng)用1、光合作用總反應(yīng)式：CO2+H2O(CH2O)+O2光能葉綠體（1）光反應(yīng)階段：是光合作用第一階段，在類囊體膜上并且有光的條件下才能進(jìn)行。光反應(yīng)H2O→2[H]+1/2O2水的光解光合磷酸化（ATP形成）形成的ATP和[H]參與第二階段的反應(yīng)。在葉綠體中進(jìn)行的光合作用，可以分為兩個(gè)階段：2、光合作用的反應(yīng)階段：ADP+Pi+光能

ATP酶（2）暗反應(yīng)階段：光合作用中第二個(gè)階段的化學(xué)反應(yīng)，有沒(méi)有光都可以進(jìn)行，稱暗反應(yīng)階段，在葉綠體基質(zhì)中進(jìn)行。暗反應(yīng)CO2的還原

CO2的固定酶CO2+C5→2C32C3+[H](CH2O)+C5酶ATP光合作用的全過(guò)程：供氫酶ADP+Pi酶ATP供能還原多種酶參加催化（CH2O）2C3C5固定CO2H2OO2水在光下分解[H]光反應(yīng)過(guò)程暗反應(yīng)過(guò)程葉綠體中的色素光能四、化能合成作用1、自養(yǎng)生物以光為能源，以CO2和H2O（無(wú)機(jī)物）為原料合成糖類（有機(jī)物），糖類中儲(chǔ)存著由光能轉(zhuǎn)換來(lái)的能量。例如綠色植物。（1）光能自養(yǎng)生物能以簡(jiǎn)單的無(wú)機(jī)物作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生活、繁殖的生物，稱為自養(yǎng)型生物。（2）化能自養(yǎng)生物利用環(huán)境中某些無(wú)機(jī)物氧化時(shí)所釋放的能量來(lái)制造有機(jī)物。這種合成作用稱化能合成作用，如硝化細(xì)菌。2、異養(yǎng)生物只能利用環(huán)境中現(xiàn)成的有機(jī)物來(lái)維