1、第第5章第章第4节光合作用与能量转化节光合作用与能量转化问题探讨植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、CO2浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依LED灯等工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。讨论：1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度等条件？一、捕获光能的色素和结构一、捕获光能的色素和结构对于高等植物来说，叶片是进行光合作用的主要器官，叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素。而对于不含绿色色素的白化苗来说，待种子中储存的养分耗尽就会死去。可见，叶片中的色素可能与光能的捕获有关。一、捕获光能的色素和结构一、捕获光能的色
2、素和结构实验：绿叶中色素的提取和分离实验：绿叶中色素的提取和分离1、提取的色素原理？、提取的色素原理？2、分离色素的原理？、分离色素的原理？色素能溶解在有机溶剂色素能溶解在有机溶剂无水乙醇无水乙醇各种色素在各种色素在层析液层析液中的溶解度不同，溶解中的溶解度不同，溶解度大的则在滤纸上扩散的快。反之，扩散度大的则在滤纸上扩散的快。反之，扩散慢，据此将各种色素分离开来。慢，据此将各种色素分离开来。3、方法步骤、方法步骤 纸层析法纸层析法1）、提取色素：）、提取色素： 称取称取 剪碎剪碎 研磨研磨（碳酸钙（碳酸钙 二氧化硅二氧化硅 无水乙醇）无水乙醇） 过滤过滤（单层尼龙布单层尼龙布）2）、制备滤纸
3、条：剪去）、制备滤纸条：剪去两角两角（防止两边滤液（防止两边滤液 扩散速度太快），扩散速度太快），画铅笔线画铅笔线3）、画滤液细线：细、直、齐，重复几次）、画滤液细线：细、直、齐，重复几次4）、分离：）、分离：用用层析液层析液，液面，液面不能淹没不能淹没滤液细线滤液细线4、捕获光能的色素种类和含量、捕获光能的色素种类和含量这说明了什么？这说明了什么？4条条从上往下依次是：胡萝卜素、从上往下依次是：胡萝卜素、叶黄素、叶绿素叶黄素、叶绿素a、叶绿素、叶绿素b滤纸条上有几条不同颜色的色带？滤纸条上有几条不同颜色的色带？其排序怎样？其排序怎样？宽窄如何？宽窄如何？叶绿素叶绿素a最宽，依次为叶绿素最宽，
4、依次为叶绿素b、叶黄素、胡萝卜素叶黄素、胡萝卜素溶解度不同，随层析液溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢不一样。在滤纸上扩散的快慢不一样。4、捕获光能的色素种类和含量、捕获光能的色素种类和含量捕捕获获光光能能的的色色素素类胡萝类胡萝卜素卜素叶绿素叶绿素胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶黄素叶绿素叶绿素a叶绿素叶绿素b(占占1/4)(占占3/4)（橙黄色）（橙黄色）（黄色）（黄色）（蓝绿色）（蓝绿色）（黄绿色）（黄绿色）这四种色素对光的吸收有什么差别呢？这四种色素对光的吸收有什么差别呢？思考思考叶绿体中的色素提取液叶绿体中的色素提取液5、四种色素对光的吸收、四种色素对光的吸收叶绿素主要吸收叶绿素主要吸收
5、_类胡萝卜素主要吸收类胡萝卜素主要吸收_蓝紫光、红光蓝紫光、红光蓝紫光蓝紫光这些捕获光能的色素存在于细胞中什么部位呢？这些捕获光能的色素存在于细胞中什么部位呢？思考思考6、叶绿体的结构适于进行光合作用、叶绿体的结构适于进行光合作用叶绿体除了吸收光能外，还有什么功能呢？叶绿体除了吸收光能外，还有什么功能呢？思考思考叶绿体结构：叶绿体结构：（1）双层膜双层膜：外膜、内：外膜、内膜膜（2）基粒基粒：由许多类囊：由许多类囊体堆叠而成，类囊体膜上体堆叠而成，类囊体膜上分布有色素和酶。分布有色素和酶。（3）基质基质：含有光合作：含有光合作用所需的酶、少量用所需的酶、少量DNA、RNA和核糖体。和核糖体。恩
6、格尔曼的实验恩格尔曼的实验水绵和好氧水绵和好氧细菌的装片细菌的装片（1）恩格尔曼第一实验的结论是什么？）恩格尔曼第一实验的结论是什么？黑暗黑暗 没有空气没有空气 极细光束极细光束没有空气没有空气 完全暴露在光下完全暴露在光下 氧氧是由叶绿体释放出来的，是由叶绿体释放出来的，叶绿体叶绿体是绿色植物进行是绿色植物进行光合作用的场所光合作用的场所，光合作用需要，光合作用需要光照光照。（2 2）恩格尔曼在选材、实验设计上有什么）恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？巧妙之处？水绵：水绵：叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。好氧细菌：好氧细菌： 确定释放氧气多的部位。确定释放
7、氧气多的部位。无空气黑暗环境：无空气黑暗环境： 排除氧气和光的干扰。排除氧气和光的干扰。极细光束：极细光束： 叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对照实验。相当于一组对照实验。暴露于光下：暴露于光下： 验证实验结果。验证实验结果。（3）在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？ 因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。（4 4）综合上述资料，你认为叶绿体具）综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？有什么功能？叶绿体是进行叶绿体是进行光合作用的场所，并且能光合作
8、用的场所，并且能够吸收特定波长的光。够吸收特定波长的光。光合作用的场所只能是叶绿体吗？光合作用的场所只能是叶绿体吗？ 蓝藻、光合细菌等没有叶绿体也能进行蓝藻、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用。光合作用。二、光合作用的原理和应用二、光合作用的原理和应用（一）光合作用：（一）光合作用：是指绿色植物通过是指绿色植物通过叶绿体叶绿体，利用，利用光能光能，把，把二氧化碳二氧化碳和和水水转化成储存着能量的转化成储存着能量的有机物有机物，并且释放出，并且释放出氧气氧气的过程。的过程。（二）总反应式：（二）总反应式：CO2+H2O （CH2O）+O2光能光能叶绿体叶绿体材料一19世纪末，科学界普遍认为，在
9、光合作用中，CO2分子的C和O被分开，O2被释放，C和H2O结合甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且甲醛不能通过光合作用转化成糖。材料二1937年，英国植物学家希尔（R.Hill）发现，在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有H2O ，没有CO2 ），在光照下可以释放出氧气。像这样，离体绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。（三）探索光合作用原理的部分实验1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的元素全部来自水？2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？不能说明，希尔反应
10、仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其它物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。能够说明。希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有CO2 ，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。材料三 1941年，美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.Kamen)用同位素示踪的方法，研究了光合作用中氧气的来源。他们用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别变成H218O和C18O2。然后，进行了两组实验：第一组给植物提供H2O和C18O2，第二组实验给同种植物提供H218
11、O和CO2。在其它条件相同的情况下，第一组释放的氧气都是O2，第二组释放的都是18O2。 1954年 ，美国科学家阿尔农（D.Arnon）发现，在光照下，叶绿体可合成ATP。1957年，他发现这一过程总是与水的光解相伴随。3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于H2O ，而并不来源于CO24.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。H2O光照叶绿体O2+NADPH+能量ADP+Pi+能量酶ATP（四）光合作用的原理能量变化：能量变化：把把光能光能转化成活跃的转化成活跃的化学能化学能，并储存在，并储存在ATP和和NADPH中。中。H+NADP+
12、NADPH2、暗反应、暗反应(碳反应碳反应)阶段：阶段：CO2的固定：的固定：CO2C5 2C3酶酶条件：条件：场所：场所：能量变化：能量变化：叶绿体的基质中叶绿体的基质中多种酶、多种酶、 ATP和和NADPH中中活跃的化学能活跃的化学能转变为转变为糖糖类类等等 有机物中有机物中稳定的化学能稳定的化学能CO2、NADPH、ATPC3被还原：被还原：2C3 (CH2O)+C5 酶酶、ATPNADP+H+物质变化：物质变化：ATPADP+Pi+能量能量光反应和暗反应的比较光反应和暗反应的比较对比项目对比项目光反应光反应暗反应暗反应条件条件必须有必须有光光有光无光有光无光即可即可场所场所类囊体的薄膜
13、类囊体的薄膜叶绿体基质叶绿体基质物质变化物质变化H H2 2O O分解成分解成O O2 2和和H+H+；ADPADP和和PiPi形成形成ATPATPDNAP+DNAP+和和H+H+形成形成NADPHNADPHCOCO2 2被固定；被固定；C C3 3被被NADPHNADPH还原，最终还原，最终形成糖类；形成糖类；ATPATP转化成转化成ADPADP和和PiPi；NADPHNADPH分解为分解为DNAP+DNAP+和和H+H+能量转换能量转换光能光能转化为转化为ATPATP和和NADPHNADPH中的中的化学能化学能ATPATP和和NADPHNADPH中的中的化学能化学能转化为糖转化为糖类中类中
14、稳定的化学能稳定的化学能。联系联系物质联系物质联系：光反应阶段产生：光反应阶段产生ATPATP和和NADPHNADPH用于暗反应用于暗反应阶段阶段C C3 3的还原。暗反应为光反应提供的还原。暗反应为光反应提供ADPADP、PiPi和和NADP+NADP+能量联系能量联系：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，：光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为糖类中稳定的化学能暗反应将活跃的化学能转化为糖类中稳定的化学能。（6分）为缓解能源危机这一全球性问题，开发和利用新能源受到广泛关注。研究发现，小球藻在高氮条件下光合作用强，油脂积累少；在低氮条件下生长较慢，但能积累更多油脂。为获得
15、油脂生产能力强的小球藻，制造生物质燃料，科研人员进行了实验。请回答问题：（1）小球藻通过光反应将_能转变成不稳定的化学能，经过在叶绿体基质中进行的_反应，将这些能量储存在有机物中。（2）科研人员进行了图1所示的实验，发现培养基上的藻落（由一个小球藻增殖而成的群体）中，只有一个为黄色（其中的小球藻为X），其余均为绿色（其中的小球藻为Y）。小球藻X的出现可能是EMS（一种化学诱变剂）导致小球藻发生了基因突变，不能合成_，因而呈黄色。为初步检验上述推测，可使用_观察并比较小球藻X和Y的叶绿体颜色。 光暗（碳）叶绿素显微镜据图可知，高氮条件下_，说明小球藻X更适合用于制造生物质燃料。 （3）为检测油脂生产能力，研究者进一步实验，结果如图2所示。小球藻X油脂生产能力高于小球藻Y
