第4节能量之源-光与光合作用

新课导入大约40亿年前地球上产生了最原始的生命。那时大气中并没有氧气，随着时间的推移，一些光能自养细菌和绿色植物的出现，空气中才逐渐有了氧气。那么，氧气到底是如何产生的？生命诞生前的地球通过上节课的学习我们已经知道，繁衍进化至今，大部分生物产生能量的主要方式都是有氧呼吸。每时每刻都有大量氧气被消耗，并产生大量二氧化碳。但是大气中的氧气和二氧化碳却始终保持着一个稳定的含量。这是为什么？地球上能量的最终来源是太阳能，那么，看得见摸不着的太阳能是怎么转化成能被生物利用的化学能并储存在有机物中的呢？第4节能量之源——

光与光合作用一、捕获光能的色素和结构二、光合作用的探究历程三、光合作用的原理和应用四、化能合成作用一、捕获光能的色素和结构呈绿色是因为叶子中含色素，到了秋天叶子变黄，说明所含的色素很可能不止一种。为什么春夏两季植物的叶子翠绿醉人，而深秋树叶则金黄斑斓呢？绿叶中会有哪些种类的色素呢？它们分别是什么颜色的？各种色素在绿叶的含量相同吗？有些植物，如玉米、紫茉莉有时会出现不含色素的白化苗，种子中贮存的养分耗尽后就会逐渐死亡。这说明白化苗不能进行光合作用。光合作用与细胞中的色素有关。1、实验——绿叶中色素的提取和分离实验原理：提取(无水乙醇)、分离(层析液)；目的要求：绿叶中色素的提取和分离及色素的种类；材料用具：新鲜的绿叶、定性滤纸等、无水乙醇等；方法步骤：提取绿叶中的色素制备滤纸条画滤液细线分离绿叶中的色素观察和记录想一想（1）下列试剂的作用是什么？无水乙醇二氧化硅层析液碳酸钙提取色素研磨得充分分离色素防止叶绿素被破坏（2）过滤研磨液时，能否用滤纸过滤？为什么？不能。因为滤纸会将部分滤液吸收掉，得不到足够的滤液。（4）收集到试管中的滤液，为什么要用棉塞塞严管口？（3）为什么要将定性滤纸减去两角？剪去两角，目的是防止两边色素在滤纸条上扩散过快，不均匀，便于观察实验结果。防止溶解色素的无水乙醇挥发。因为色素会溶解于层析液中，而不会沿层析液向上扩散、分离，这会使实验效果极差，甚至不发生分离，导致实验无效。

（5）分离色素时，为什么不能让滤液细线触及层析液？（6）滤纸条上的滤液细线经层析后，形成四条色素带，在滤纸条上的相对位置如下图，产生这种现象的原因是什么？四种色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的色素随层析液在滤纸上扩散快，反之则慢。四种色素带的宽窄不同，是因为色素含量不同的缘故。实验结果分析：胡萝卜素（橙黄色）叶黄素（黄色）叶绿素a（蓝绿色）叶绿素b（黄绿色)类胡萝卜素（1/4）叶绿素（3/4）叶绿素a和b在蓝光和红光部分都有很高的吸收峰，叶绿体中的胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。因为叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射，故叶片呈绿色。对色素进行色谱分析，可得出下图所示曲线：根据上述科学原理，在需要人工补充光照的温室和塑料大棚中栽培农作物时，就可以根据所需要的光合作用产物类型，来选择适合的光源以及玻璃或塑料薄膜。科学家通过实验发现，蓝色塑料薄膜育秧时有壮秧的效果，这一结果现已在不少地区的水稻育秧生产中得到应用。由于叶绿素含量约占总量的四分之三，而类胡萝卜素仅占四分之一，所以通常植物的叶子总是翠绿醉人的。这是由于叶绿素掩盖了类胡萝卜素颜色的缘故。但是，叶绿素很容易被破坏。秋天叶绿素会因为“忍受”不了气温下降等因素的影响而分解消失；胡萝卜素和叶黄素则比较稳定，终于在没有叶绿素干扰时“重见天日”。小知识

1865年，德国科学家萨克斯发现叶绿素仅存在于细胞中更小的结构里。后来人们称之为叶绿体。 2、叶绿体的结构和功能（1）叶绿体的结构：外膜内膜基质基粒由两个以上的类囊体组成，捕获光能的色素分布在类囊体的薄膜上。基粒类囊体基粒和类囊体大大扩大了受光面积，在巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子。叶绿体主要分布在绿色植物的叶肉细胞，一般呈扁平的椭球形或球形。在基粒和基质中还有许多进行光合作用所必需的酶。特点（2）实验：探究叶绿体的功能

1880年，美国科学家恩格尔曼设计了一个巧妙的实验。实验材料：水绵、好氧细菌，置于隔绝空气的环境中；暗中极细光束照射光下①恩格尔曼实验的结论是什么？②恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；用好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果。想一想（1）叶绿体具有双层膜，可以控制物质进出。（2）叶绿体基质中分布有几个到几十个由类囊体垛叠而成的基粒，增大了叶绿体内的膜面积，利于化学反应的进行。（3）叶绿体基粒分布有进行光合作用必需的色素和酶，为光合作用的进行做好了物质上的准备。为什么说叶绿体的结构是与它进行光合作用这一功能相适应的？二、光合作用的探究历程我们现在已经知道，光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。这一个看似简单的光合反应过程，却是科学家经过几个世纪的不懈研究才得到的。一株幼苗长成大树，体内要积累很多营养物质。古希腊著名哲学家亚里士多德认为“植物生活在土壤中，植物生长发育所需的物质完全来自土壤”。来源？只浇水5年后---柳树2.3kg土90.8kg

1、最早研究光合作用的比利时科学家范·海尔蒙特，于1648年首次探究植物生长所需要的营养来源。探究历程栽培柳树实验柳树76.7kg土90.7kg通过实验，他认为植物生长所需要的养料主要来自水，而不是土壤。2、1771年，英国普利斯特利的气体交换实验。

结论：植物可以更新空气。但当时普利斯特莱的实验有时成功，有时却失败，普利斯特莱当时也不知道是为什么。

3、1779年，荷兰植物生理学家扬·英格豪斯找到了普利斯特莱实验有时失败的原因。他发现密封大玻璃罩中的植物需要在有光照射并且叶片绿色时才可以更新空气，如果普利斯特莱进行上述实验时没有给密封大玻璃罩中的植物提供足够的光照，实验就不可能成功。直到1785年，人们才确定植物更新的空气成分是氧气。

1845年德国科学家梅耶指出，光合作用中，光能转换成了化学能并储存在植物体内，但不知道是储存在哪种物质中。酒精脱色4、1864年，德国植物学家萨克斯的实验。结论：绿色叶片中光合作用中产生了淀粉。置于暗处一昼夜光照碘液染色思考：置于暗处一昼夜的目的是什么？

5、为了探究光合作用释放的氧气来自于水还是二氧化碳，20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门设计了同位素标记实验：结论：光合作用产生的氧气全部来自H2O，而不是来自CO2。C18O2O2H2OH218OCO218O2光照下的小球藻悬液

6、为探究光合作用中有机物的合成过程，美国科学家卡尔文用14C标记的14CO2探明了CO2中的C元素在光合作用中的转化途径。称卡尔文循环。光合作用---能量进入生物圈的枢纽三、光合作用的原理和应用1、光合作用总反应式：CO2+H2O(CH2O)+O2光能叶绿体（1）光反应阶段：是光合作用第一阶段，在类囊体膜上并且有光的条件下才能进行。光反应H2O→2[H]+1/2O2水的光解光合磷酸化（ATP形成）形成的ATP和[H]参与第二阶段的反应。在叶绿体中进行的光合作用，可以分为两个阶段：2、光合作用的反应阶段：ADP+Pi+光能

ATP酶（2）暗反应阶段：光合作用中第二个阶段的化学反应，有没有光都可以进行，称暗反应阶段，在叶绿体基质中进行。暗反应CO2的还原

CO2的固定酶CO2+C5→2C32C3+[H](CH2O)+C5酶ATP光合作用的全过程：供氢酶ADP+Pi酶ATP供能还原多种酶参加催化（CH2O）2C3C5固定CO2H2OO2水在光下分解[H]光反应过程暗反应过程叶绿体中的色素光能四、化能合成作用1、自养生物以光为能源，以CO2和H2O（无机物）为原料合成糖类（有机物），糖类中储存着由光能转换来的能量。例如绿色植物。（1）光能自养生物能以简单的无机物作为营养物质进行生活、繁殖的生物，称为自养型生物。（2）化能自养生物利用环境中某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物。这种合成作用称化能合成作用，如硝化细菌。2、异养生物只能利用环境中现成的有机物来维