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光 合 作 用.docx
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光合作用
光合作用
一、定义及总反应式
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。
△叶绿体是进行光合作用的完整单位。
(离体叶绿体也可以进行光合作用)
有叶绿体不一定正在进行光合作用。
无叶绿体不一定不能进行光合作用。
△能进行光合作用的生物:
绿色植物、蓝藻、光合细菌等。
(在生态系统中为生产者)
总反应式:
6CO2+12H2OC6H12O6+6H2O+6O2
二、叶绿体及其色素
1.色素的种类、作用及层析后的位置
色素种类
色素颜色
元素组成
吸收光谱
滤纸条上的位置
叶绿素
(3/4)
叶绿素a
蓝绿色
C、H、O、N、Mg
吸收红光和蓝紫光
叶绿素b
黄绿色
类胡萝卜素
(1/4)
胡萝卜素
橙黄色
C、H、O
吸收蓝紫光
叶黄素
黄色
△含量:
叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素
2.分布:
叶绿体中的类囊体薄膜上
3.功能:
吸收、传递和转化光能
吸收、传递:
4种色素均可
吸收、转化:
少数处于特殊状态的叶绿素a
4.特性:
不溶于水,能溶于酒精、丙酮和石油醚等有机溶剂。
△液泡中的色素:
水溶性。
(eg:
花青素)
5.影响叶绿素生物合成的因素(光照、温度、矿质元素等)
(1)光照:
光是影响叶绿素形成的主要条件,一般植物在黑暗中生长不能合成叶绿素,因而叶片发黄。
(2)温度:
叶绿素的生物合成过程,绝大多数都有酶的参与。
一般来说,叶绿素形成的最低温度是2~4℃,最适温度是30℃左右,最高温度是40℃。
秋天叶片变黄和早春寒潮过后水稻秧苗的变黄现象,都与低温抑制叶绿素形成有关。
(3)矿质元素:
植物缺N、Mg、Fe、Mn、Cu或Zn等元素时,就不能形成叶绿素,呈缺绿病。
N、Mg都是组成叶绿素的元素,不可缺少。
Fe、Mn、Cu、Zn等可能是叶绿素形成过程中某些酶的活化剂,在叶绿素形成过程中起间接作用。
6.植物的质体
质体是绿色植物细胞所特有的细胞器,分成叶绿体、有色体和白色体三类。
(1)叶绿体
叶绿体是含有叶绿素的质体,主要存在于植物体绿色部分的薄壁组织细胞中,是绿色植物进行光合作用的场所,因而是重要的质体。
(2)有色体
有色体是含有色素的质体。
叶绿体也是有色质体,但习惯上将叶绿体以外的有色质体叫做有色体或杂色体。
有色体内含有叶黄素和胡萝卜素,呈红色或橙黄色。
它存在于花瓣和果实中,在番茄和辣椒(红色)果肉细胞中可以看到。
有色体主要功能是积累淀粉和脂类。
(3)白色体
白色体不含可见色素,也叫无色体。
在贮藏组织细胞内的白色体上,常积累淀粉或蛋白质,形成比它原来体积大很多倍的淀粉和糊粉粒,成了细胞里的贮藏物质。
有些细胞的白色体含有无色的原叶绿素,见光后可转变成叶绿素,白色体变绿,所以有人认为白色体也能变成叶绿体。
三、光合作用过程
(一)C3植物的光合作用
1.光反应
(1)场所:
叶绿体基粒类囊体薄膜。
(2)条件:
光、色素、酶。
(3)物质变化:
H2O2[H]+O2(希尔反应)
ADP+Pi+能量ATP
(4)能量变化:
光能→电能→活跃的化学能
①光能→电能
能吸收和传递光能的色素(有哪些?
)叫做天线色素(右图中的B)。
在光的照射下,天线色素将吸收的光能传递给一个能够产生光化学反应的“反应中心”区域,区域中的反应中心色素分子(右图中的A)是一种处于特殊状态的叶绿素a分子,它能够吸收光能,并被激发而失去电子。
脱离叶绿素a的电子,经过一系列的传递,最后传递给一种带正电荷的有机物——NADP+(辅酶Ⅱ)。
失去电子的叶绿素a变成一种强氧化剂,能够从水分子中夺取电子,使水分子氧化生成O2和H+,叶绿素a由于获得电子而恢复原状。
这样,在光的照射下,反应中心的叶绿素a连续不断地丢失电子和获得电子,从而形成电子流,使光能转换为电能。
(图中的C和D代表传递电子的物质)
②电能→活跃的化学能
随着光能转换成电能,NADP+得到2个电子和1个H+,就形成了NADPH(还原型辅酶Ⅱ),即:
NADP++2e+H+NADPH
这样,一部分电能就转化成活跃的化学能储存在NADPH中。
与此同时,叶绿体利用光能转换成的另一部分电能,将ADP和Pi转化成ATP,这一部分电能则转换成活跃的化学能储存在ATP中。
这一步骤形成的NADPH和ATP,由于富含活跃的化学能,很容易分解并释放出能量,供暗反应阶段中合成有机物利用。
NADPH还是很强的还原剂,可以将CO2最终还原成糖类等有机物,自身则氧化成NADP+,继续接受脱离开叶绿素a的电子。
2.暗反应
(1)场所:
叶绿体基质
(2)条件:
CO2、酶、ATP、NADPH。
(3)物质变化(卡尔文循环):
CO2的固定:
CO2+C52C3
C3的还原和C5的再生:
2C3(CH2O)+C5
(4)能量变化:
活跃的化学能→稳定的化学能
(二)C4植物的光合作用
1.C4植物的发现
对于小麦、水稻等大多数绿色植物来说,在暗反应阶段中,一个CO2被一个C5固定后,形成的是两个C3,但是,科学家在研究玉米、甘蔗等原产在热带地区绿色植物的光合作用时发现,当向这些绿色植物提供14CO2时,光合作用开始后的1s内,竟有90%以上的14C出现在含有4个碳原子的有机酸(C4)中。
随着光合作用的进行,C4中的14C逐渐减少,而C3中的14C逐渐增多。
这说明在这类绿色植物的光合作用中,CO2中的C首先转移到C4中,然后才转移到C3中。
科学家将这类植物叫做C4植物,将仅含有C3的植物叫做C3植物。
2.C4植物的叶片结构
绿色植物的叶片中有由导管和筛管等构成的维管束,围绕着维管束的一圈薄壁细胞叫做维管束鞘细胞。
C3植物叶片:
维管束鞘细胞不含叶绿体,叶肉细胞排列疏松、含有叶绿体。
C4植物叶片:
围绕维管束的是呈“花环型”的两圈细胞:
内圈——维管束鞘细胞:
含无基粒的叶绿体
外圈——部分叶肉细胞:
含正常叶绿体
C3植物叶片结构C4植物叶片结构
3.C4途径
C3植物:
C3途径(叶肉细胞)
C4植物:
C3途径(维管束鞘细胞)和C4途径(叶肉细胞)。
在C4植物叶肉细胞的叶绿体中,在PEP羧化酶的催化作用下,一个CO2被一个磷酸烯醇式丙酮酸(PEP)所固定,形成一个C4:
CO2+PEPC4
C4进入维管束鞘细胞的叶绿体中,释放出一个CO2,并且形成一个丙酮酸。
释放的CO2即可被C5固定,进入卡尔文循环:
C4CO2+丙酮酸
4.C4途径的意义
PEP羧化酶对CO2有很强的亲和力,比C3途径中相关的酶约高60倍,可以促使PEP把大气中含量很低的CO2以C4的形式固定下来,并且使C4集中到维管束鞘细胞内的叶绿体中,供维管束鞘细胞内叶绿体中的C3途径利用。
此过程称为“CO2泵”。
同C3植物相比,C4植物大大提高了固定CO2的能力。
在高温、光照强烈和干旱的条件下,绿色植物的气孔关闭。
这时C4植物能够利用叶片内细胞间隙中含量很低的CO2进行光合作用,而C3植物则不能。
这就是C4植物比C3植物具有较强光合作用的原因之一。
5.C3植物与C4植物的比较
①在进化地位上来看,C4植物比C3植物高等。
②C3植物适于生长在温度较低的环境中,而C4植物适于生长在温度较高的环境中。
③鉴别方法:
叶片横切面中是否有“花环型”的两圈细胞围绕着维管束。
比较项目
C3植物
C4植物
常见植物
水稻、大麦、小麦、大豆、马铃薯、菜豆、菠菜、棉花等
甘蔗、玉米、高粱、苋菜等
叶片结构
没有花环型结构,维管束鞘细胞中不含叶绿体
维管束外有两圈“花环型”细胞,内层是维管束鞘细胞,外层是部分叶肉细胞
叶绿体类型
一种类型:
位于叶肉细胞中
两种类型:
①有基粒的叶绿体位于叶肉细胞
②无基粒的叶绿体位于维管束鞘细胞
CO2固定途径
C3途径
C3途径和C4途径
CO2最初受体
C5
PEP(C3)
CO2固定的最初产物
C3
C4
暗反应场所
叶肉细胞中叶绿体
维管束鞘细胞中的叶绿体
(三)景天酸代谢植物(CAM植物)的光合作用
1.过程:
C4植物将C3途径和C4途径在空间上分离,而景天酸代谢植物是将C3途径和C4途径在时间上分离:
晚上:
气孔开放,CO2进入叶片,在PEP羧化酶的催化下被PEP所固定,形成C4,C4储存于细胞的液泡中。
白天:
气孔关闭,液泡中储存的C4分解并释放CO2,CO2进入叶绿体被C5所固定,进入卡尔文循环。
2.意义:
减少白天的水分流失,更适应高温干旱的环境。
四、光合作用的影响因素
(一)单因子影响
1.光照强度(光→光反应→光合作用)
A——代表呼吸速率:
此时光合速率=0
B——光补偿点:
光合速率=呼吸速率
C——光饱和点:
再增大光照强度时,光合速率不再增加。
△从全天来看,植物所需的最低光照强度,必须高于光补偿点,才能使植物正常生长。
△与阳生植物相比较,阴生植物的光补偿点和光饱和点都低,如右图虚线所示。
△农业生产中的应用:
①在温室大棚中适当提高光强度可以增加光合作用强度。
②延长光合作用时间(适当补充光照、一年多季种植等)。
③增加光合作用面积(合理密植、间作套种等)。
④温室大棚采用无色透明玻璃。
⑤如要降低光合作用则提供单质光照射(如红光)。
2.CO2浓度(CO2→暗反应→光合作用)
A——代表呼吸速率:
此时光合速率=0
B——CO2补偿点:
光合速率=呼吸速率
C——CO2饱和点:
再提高CO2浓度时,光合速率不再增加。
△与C3植物相比较,C4植物的CO2补偿点和CO2饱和点都低,如右图虚线所示。
△农业生产中的应用:
CO2气肥:
温室——施放干冰;大田——有机肥。
3.温度(温度→酶→主要影响暗反应→光合作用)
一般植物在10~35℃下正常进行光合作用,其中AB段(10~35℃)随温度的升高而逐渐加强,B点(35℃)以上时,叶绿体和细胞质的结构会遭到破坏,叶绿体内的酶发生钝化,光合作用开始下降,50℃左右光合作用完全停止。
低温会影响到光合酶的活性,使植物的净光合作用速率降低;较高温度使呼吸作用的增长更为明显,净光合作用速率下降。
(如右图)
△农业生产中的应用:
①适时播种。
②温室大棚中:
白天调到光合作用最适温度,以提高光合作用;晚上适当降低温度,以减少细胞呼吸消耗,保证有机物的积累(适当增大昼夜温差)。
4.矿质元素(N、P、K、Mg等)
△矿质元素在光合作用中的作用:
①N是各种酶、蛋白质以及NADP+和ATP、核酸、叶绿素等物质的重要原料。
②P是NADP+和ATP、核酸、生物膜等的重要组成成分。
③K对光合作用产物的制造和转化起着重要作用。
④Mg是叶绿素的重要组成成分。
△矿质元素对光合作用的影响规律:
在一定范围内矿质元素供应越多,光合速率就越快(OA段);超过一定浓度,光合速率不再增强(AB段),甚至由于渗透失水反而使光合速率下降(BC段)。
△农业生产中的应用:
适时适量施肥,注意施肥不宜过量,否则会造成土壤溶液浓度大于细胞液浓度导致细胞失水而萎蔫(烧苗)。
5.水
水分缺乏时一般并不直接影响光合作用,因为光合作用所需的水分只是植物所吸收水分的极小一部分(1%以下)。
因此,水分缺乏主要是间接影响光合作用。
具体来说,缺水使气孔关闭,影响CO2进入叶片内。
此外,缺水使叶片淀粉水解加强,糖类堆积,光合产物输出缓慢。
因此,植物体水分减少会使光合效率下降。
△农业生产中的应用:
合理灌溉。
6.光合面积
OA段表明随叶面积的不断增大,光合作用实际量不断增大。
A点以后随叶面积的增大,光合作用不再增加,原因是有很多叶被遮挡,光照强度在光补偿点以下。
OB段表明干物质量随光合作用增加而增加,而由于后来光合作用不再增加,但叶片随叶面积的不断增加,呼吸量不断增加,所以干物质积累量不断降低。
7.叶龄
OA段为幼叶,随幼叶的不断生长,叶面积不断增大,叶内叶绿体不断增多,叶绿素含量不断增加,光合作用速率不断增加。
AB段为壮叶,叶片的面积、叶绿体中叶绿素都处于稳定状态,光合速率也基本稳定。
BE段为老叶,随着叶龄的增加,叶片内叶绿素被破坏,光合速率也随之下降。
8.光质
①叶绿素a和叶绿素b主要吸收红橙光和蓝紫光,其它的光也能吸收,所以同强度的光中,对光合作用最有效的光是白光,在同强度的单色光中,最有效的光是红光;
②叶绿素a和叶绿素b对绿光的吸收量最少,正因为如此,绿光被反射出来,叶绿体才呈现绿色,整个叶片也呈绿色,同时说明对光合作用效率最低的光是绿光。
(二)多因子影响
1.一天中的变化
C点(光合午休):
夏季晴朗天气中午,光照太强,温度过高,植物失水过多导致气孔关闭,CO2供应不足导致光合作用速率下降。
AB段:
光合作用速率升高,原因是温度升高和光照增强。
DE段:
光合作用速率下降,原因是温度下降和光照减弱。
△缓解“光合午休”的的方法:
在早晚增加水分供应。
(不能在中午浇水)
2.其它多因子的影响
P点之前,限制光合速率的因素为横坐标所表示的因子,随着此因子的不断加强,光合速率不断提高。
当到Q点时,横坐标所表示的因子,不再是限制光合速率的因子,此时的主要影响因素为坐标图中三条曲线所表示出的其它因素,要想提高光合速率,可采取适当提高图示中的其他因素的方法。
条件
C3
C5
ATP
NADPH
NADP+
ADP
CO2浓度不变
突然减弱光照
↑
↓
↓
↓
↑
↑
突然增强光照
↓
↑
↑
↑
↓
↓
光照不变
突然降低CO2浓度
↓
↑
↑
↑
↓
↓
突然升高CO2浓度
↑
↓
↓
↓
↑
↑
植物缺水萎蔫(eg:
光合午休)
↓
↑
↑
↑
↓
↓
五、与呼吸作用的联系
绿色植物每时每刻都在进行呼吸作用,当在光下测定植物光合速率时,由于植物的呼吸作用在同时进行,因而测得的数值应为实际光合速率(总光合速率)与呼吸速率的差值,即净光合速率(表观光合速率)。
①净光合作用=实际光合作用(总光合作用)-呼吸作用
②光合作用实际产氧量=实测的氧气释放量+呼吸作用消耗量
③光合作用实际CO2消耗量=实测CO2消耗量+呼吸作用CO2释放量
④光合作用葡萄糖净生产量(积累量)=实际葡萄糖生产量-呼吸作用葡萄糖消耗量
⑤一昼夜有机物积累量=白天的净光合作用-晚上的呼吸作用消耗
=白天的总光合作用-一昼夜的呼吸作用消耗
△通常情况下,以下几种说法应分别代表不同的光合量:
(1)表示净光合量(表观光合量)
①植物(叶片)“吸收”CO2量或实验容器内CO2的减少量
②植物(叶片)“释放”O2量或实验容器内O2的增加量
③植物(叶片)“积累”葡萄糖量或植物重量(有机物)增加量
(2)表示总光合量(实际光合量)
①叶绿体“吸收”CO2量
②叶绿体“释放”O2量
③植物或叶绿体“产生”葡萄糖量
(3)相关图形分析:
甲图:
表示光合作用强度=细胞呼吸强度,此时植物在外观上表现为既不吸收CO2也不释放CO2,既不释放O2也不吸收O2,该图应对应于戊图中曲线的B点。
乙图:
该图表示叶绿体中吸收的CO2除来自线粒体外还来自外界,此时应为光合作用>呼吸作用,植物在外观上将表现为吸收CO2,同时向外界释放O2,该图应对应于戊图中的B点之后。
丙图:
该图显示叶绿体不吸收CO2,即植物不进行光合作用,只有细胞呼吸(处于暗处),此时,植物释放的CO2=线粒体释放的CO2,植物外观上表现为从外界吸收O2向外界释放CO2,该图应对应于戊图中的A点。
丁图:
该图表示植物的细胞呼吸作用>光合作用,即线粒体所释放的CO2,除一部分被叶绿体捕获用于光合作用外,还有一些CO2将释放到外界,此时植物的外观表现为从外界吸收O2向外界释放CO2,该图应对应于戊图的AB段。
△光合作用和呼吸作用中相关溶液的作用
如图,图中X溶液可为以下三种情况:
(1)蒸馏水(清水):
不需考虑气体的溶解。
①若没有光照,此时只进行呼吸作用:
如果只进行有氧呼吸,则液滴不移动;
如果进行无氧呼吸,则液滴向右移动。
②若有光照,此时同时进行光合作用和呼吸作用:
如果不进行无氧呼吸,则液滴不移动;
如果进行无氧呼吸,则液滴向右移动。
(2)NaOH溶液:
完全吸收CO2,体系中没有CO2,所以无论是否有光照,均不能进行光合作用,只考虑呼吸作用:
如果只进行有氧呼吸,则液滴向左移动;
如果进行无氧呼吸,则液滴不移动。
(3)NaHCO3溶液(CO2缓冲液):
可维持CO2浓度平衡不变,也只需考虑O2量的变化。
①若没有光照,此时只进行呼吸作用:
如果只进行有氧呼吸,则液滴向左移动;
如果进行无氧呼吸,则液滴不移动。
②若有光照,此时同时进行光合作用和呼吸作用:
如果光合作用产生O2>呼吸作用消耗O2,则液滴向右移动;
如果光合作用产生O2=呼吸作用消耗O2,则液滴不移动;
如果光合作用产生O2<呼吸作用消耗O2,则液滴向左移动;
若要测定呼吸作用速率,常用条件为:
无光照,NaOH溶液;
若要测定净光合作用速率,条件为:
有光照,NaHCO3溶液(CO2缓冲液);
若要测定总光合作用速率,则先分别测定以上两个,再相加即可。
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