关于光照强度相同时,绿色植物光合作用强度与光的关系

高中生物，生物教学|生物清风岭 生命科学，高中生物，生物教学，学案研究，教育理论 胡四新：值得商榷的一道光合作用试题（红光、 蓝紫光） 2013-04-11 09:33:41| 分类： 1 呼吸与光合| 举报|字号 订阅 湖北省远安县职业教育中心学校 胡四新 湖北省武汉市江夏区金口中学 陈长云 摘要 本文针对一道与光合作用有关的试题,从光的物理性质、不同光照条件下 的光合作用效率和光合色素利用光子的特性等方面进行了分析讨论。 关鍵词光合作用；光照强度；光子；光合作用效率 文章编号 1005-2259(2009)04-0036-02 题目:在光照强度相同的情况下，为绿色植物提供哪种光，对其光合作用最有利， 光合作用产物较多 A.红光 B.蓝紫光 C.白光 D.绿光 该题的解答在不同的生物资料上竟有几种不同的观点一大多数认为此题答案 应选 B，但有的认为应该选 C。选 B 的理由是，蓝紫光光子所持的能量比红光 光子能量多，因此在蓝紫光下光合作用效率高；选 C 的理由是，白光是复合光， 它包括了光合色素可以吸收利用的红光和蓝紫光。另外，在与同事的交流中， 我也发现各人的观点也不尽相同。那么，这道题的正确答案究竟是什么呢？上 述理由充分吗？要搞淸楚这个问题，首先应该从光的物理性质说起。 1光的物理性质 光具有波粒二象性，既具有波的性质，也具有粒子的性质。光的粒子性质是 指光是由一粒一粒的以光速运动的粒子流构成的特殊形式的物质。光的粒子称 为光子。每个光子的能量可以表示为：=hv=hc/(v、c、 和 h 分别表示光的 频率、速度、波长和普朗克常数）。1 摩尔光子称为 1 爱因斯坦，1 爱因斯坦 的能量 E=Nhc/（N 是阿伏伽德罗常数）。 可见，光子的能量与光的频率成正比，与光的波长成反比。在可见光中，红 光是长波光，而蓝紫光是短波光，因此，红光光子的能量比蓝紫光光子的能量 要低。 2相同光照强度下光子数量的多少 光照强度指的是单位面积上所接受的可见光的能量，光照强度的大小反映了 光照能量的 多少。在光照强度相同时，各种可见光具有相同的能量。由于每个 红光光子的能量比蓝紫光光子要少，因此,同样光照强度下红光光子的数量要多 于蓝紫光。白光是复合光，这样，在白光中光合作用可以利用的有效光照（红 光和蓝紫光）的能量之和要少于同能量 下单纯的红光和蓝紫光。同能量下的红 光、蓝紫光和白光比较,显然红光中光子的数量最 多，而在白光中红光和蓝紫 光的光子数都要分别少于同能量下的红光光子数和蓝紫光光 子数。 3红光和蓝紫光下的光合作用效率 每爱因斯坦蓝紫光的能量约为 60kcal，比红光(约 40kcal/爱因斯坦)大得多， 那么，这 是不是意味着在蓝紫光下植物光合作用效率要比红光大呢？当叶绿素 吸收皿较大的蓝紫光光子后，色素分子中的电子受到激发，处于较高皿水平的 第二激发态(见图 1）。 第二激发态的寿命极短，只有 10-11s。在这么短的时间内，还不能发生光合 作用的光反应。结果是多余的能量以热能的形式散失，而分子则从第二激发态 降至第一激发态(第一激发态的寿命较长，约 10-9s，这个时间足以引发光合作 用的光反应），后者也就是叶绿素分子吸收红光光子后所处的激发态。这就表 明，不管叶绿素分子所吸收的是蓝紫 光还是红光,其最后的激发态是一样的。 因此，叶绿素实际上是以第一激发态参与光合作用的。 根据上面的分析可知，虽然红光和蓝紫光含有相同的能量，但蓝紫光参与光 合作用会有 部分能量的浪费（约浪费 1/3）。因此，在蓝紫光中可被光合作用 利用的能量只有蓝紫光总能量的 2/3，而在红光条件下红光光子的能量几乎全 部都可以被利用。显然，在红光和蓝紫光能量相同的情况下，红光更有利于光 合作用，红光下光合作用效率会更高。 4光合色素利用光子的特性 光合作用也和一般的光化学反应一样，遵循爱因斯坦的光化学定律。爱因 坦光化学第二定律指出：每一由光活化的分子，只吸收 1 个引起它活化的光子， 即 1 个光子只能活化 1 个分子，1 个分子也只需要 1 个适当能量的光子来活化。 对光合色素分子来说，它在吸收红光或蓝紫光光子后，色素分子中的电子受到 激发，处于激发态;当电子最终脱离核的吸引，被各个电子受体接受和传递，于 是就形成了电流，实现了光能到电能的转换。光合色素吸收的光子是 1 个光子 只能激发 1 个电子，1 个电子的激发也只需要 1 个适当能量的光子。这说明被 激发的电子多少，取决于被吸收的光子数量,是与光子的数量成正相关的一一吸 收的光子越多，被激发的电子越多，电能也就越多，光合作用的效率相应就会 越大。由于在相同的光照强度下，红光光子的数量比蓝紫光光子和白光中可被 色素分子利用的光子数量都多,所以在红光下光合作用效率更高。 综合上面对不同光照条件下植物光合作用效率和光合色素利用光子的特性的 分析，可以看出，在相同的光照强度下，红光的光合作用效率比蓝紫光和白光 都要高，因此，本题 应该选 A。 5相关的几道试题 例 1 为提高大棚蔬菜的产量，应采取的正确措施是（） A.安装红色透光玻璃 B.安装蓝紫色透光玻璃。 C.安装绿色透光玻璃 D.安装无色透光玻璃 解析这道题和上面的试题惟一不同的是：本题题设中 3 种光合色素可以利用光 照（红光、蓝紫光和白光)的能量不同。在给定的白光条件下，其中的红光和蓝 紫光能量都是确定的，也就是说红光光子数和蓝紫光光子数是一定的。在无色 透光玻璃下,透过的是白光，其中的红光和蓝紫光都能照射到植物体上，因此， 在无色透光玻璃下，光合色素可利用的光子数量最多。根据前面的分析，可知 光合色素可利用的光子数量越多，光合作用效率就越髙。因此，该题应该选 D。 例 2 绿色植物在哪组光照下放出的氧气最多 A.白光 B.蓝紫光 C.绿光 D.红光 解析给出的答案是 A。但笔者认为，这道题信息不明确，没有说明 4 种光照能 量之间的关系，故无法做答。应增加题设，如“在光照强度相同的情况下“ ，这 样这道题实际上是文中开头讨论试题的一种变式，答案应该选 D。 參考文献 1王镜岩,朱圣庚,徐长