专题聚焦四     光与光合作用

一、叶绿体中色素的种类、提取与分离

1. 叶绿素和其他色素

（1）原理：

  提取：叶绿体中的色素易溶于有机溶剂而不溶于水，将叶片磨碎后可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

  分离：层析也是一种脂溶性很强的有机溶剂，不同色素在层析液中的溶解度不同：溶解度打的在滤纸上扩散得快，溶解度小的随层析液在滤纸上扩散得慢。因此，叶绿体中的色素就在扩散过程中被分离出来。

（2）实验中集中化学物质的作用

① 无水乙醇：作为提取液，可溶解绿叶中的色素。

② 层析液：用于分离色素。

③ 二氧化硅：破坏细胞结构，使研磨充分。

④ 碳酸钙：中和研磨过程中释放出的酸性物质，从而防止叶绿体中的色素被破坏。

（3）实验流程

① 收集到的滤液绿色过浅的原因分析：

  a  未加石英砂（SiO2），研磨不充分。

  b  使用放置数天的菠菜叶，色素太少。

  c  一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低（正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素）

  d  未加CaCO3或加入过少，色素分子被破坏。

②滤纸条色素带重叠：滤纸条上的滤液细线接触到层析液。

③滤纸条上不见色素带

  a  忘记画滤液细线

  b  滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。

  c  层析时间过长，导致色素随层析液蒸发。

二、光合作用的原理及应用

1.光合作用发现史中的经典实验分析

（1）1771年普里斯特利实验

植物更新空气

缺点：缺乏对照实验(记录时漏掉了实验在阳光下进行这一重要条件，后来英格豪斯为其纠正)

（2）18年萨克斯实验

提前暗处理——目的：消耗掉叶片中原有的淀粉，避免干扰

实验过程、现象（结果）

（3）1880年恩格尔曼实验

实验组：极细光束照射处的叶绿体

对照组：黑暗处的叶绿体和完全曝光的叶绿体

恩格尔曼的实验设计巧妙之处

①选材方面，选用水绵为实验材料。水绵不仅具有细长的带状叶绿体，而且叶绿体呈螺旋状地分布在细胞中，便于观察、分析研究。

②将临时装片放在黑暗并且没有空气的环境中，排除了光线和氧气的影响，从而确保实验正常进行。

③选用了极细光束照射，并且选用好氧细菌检测，从而能够准确判断出水绵细胞中释放氧的部位。

④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确实验结果完全是光照引起的。

（4）20世纪30年代鲁宾、卡门实验

实验方法：同位素标记法

特别提醒　

在光合作用的发现中，大多数科学家们利用了对照实验，使结果和结论更科学、准确。

(1)萨克斯：自身对照，自变量为光照(一半曝光与另一半遮光)，因变量为颜色变化。

(2)恩格尔曼：自身对照，自变量为光照(照光处与不照光处；黑暗与完全曝光)，因变量为好氧菌的分布。

(3)鲁宾和卡门：相互对照，自变量为标记物质(HO与C18O2)，因变量为O2的放射性。

(4)普里斯特利：缺少空白对照，实验结果说服力不强。

2.光合作用过程

（1）影响光合作用的内部因素

① 植物种类不同，光合速率不同。光合速率取决于叶肉细胞中叶绿体的数量、叶绿体中色素的含量以及光合酶的种类和数量。

② 同一植物在不同的生长发育阶段、不同部位的叶片、同一部位的叶片在不同的叶龄时，光合速率不同。

曲线分析：在外界条件相同的情况下，光合作用速率由弱到强依次是幼苗期、营养生长期、开花期。

应用：根据植物在不同生长发育阶段光合作用速率不同，适时、适量地提供水肥及其他环境条件，以使植物茁壮成长。

（2）影响光合作用的环境因素及曲线分析

空气中CO2浓度、土壤中水分的多少、光照的长短与强弱，光的成分以及温度的高低等，都是影响光合作用强度的外界因素。

① 光照——光合作用的动力

a  光照时间越长，产生的光合产物越多。

b  光质，由于色素吸收可见光中的红光和蓝紫光最多，吸收绿光最少，故不同波长的光对光合作用的影响不一样，建温室时，选用无色透明的的玻璃(或塑料薄膜)做顶棚，能提高光能利用率。

c  光照强度：在一定光照强度范围内，增加光照强度可提高光合作用速率。

曲线分析：A点光照强度为0，此时只进行细胞呼吸，释放CO2量表示此时的呼吸强度。

AB段表明光照强度加强，光合作用速率逐渐加强，CO2的释放量逐渐减少，有一部分用于光合作用；而到B点时，细胞呼吸释放的CO2全部用于光合作用，即光合作用强度＝细胞呼吸强度，B点对应的光照强度称为光补偿点。

BC段表明随着光照强度不断加强，光合作用强度不断加强，到C点以上不再加强了。C点对应的光照强度称为光饱和点。

应用：阴生植物的光补偿点和光饱和点比较低，如上图虚线所示。间作套种时农作物的种类搭配，林带树种的配置，冬季温室栽培避免高温等都与光补偿点有关。

外界条件变化时，CO2(光)补偿点移动规律：

呼吸速率增加，CO2(光)补偿点右移

呼吸速率减小，CO2(光)补偿点左移

呼吸速率基本不变，条件的改变使光合速率下降，CO2(光)补偿点右移；

条件的改变使光合速率上升时，CO2(光)补偿点左移。

②．光照面积

曲线分析：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点为光合作用面积的饱和点。随叶面积的增大，光合作用强度不再增加，原因是有很多叶被遮挡，光照不足。

OB段表明干物质量随光合作用增加而增加，而由于A点以后光合作用强度不再增加，但叶片随叶面积的不断增加，呼吸量(OC段)不断增加，所以干物质积累量不断降低(BC段)。

应用：适当间苗、修剪，合理施肥、浇水，避免徒长。封行过早，使中下层叶子所受的光照往往在光补偿点以下，白白消耗有机物，造成不必要的浪费。

③ CO2浓度

光合作用速率等于细胞呼吸速率时的CO2浓度，即CO2补偿点；图2中的A′点表示进行光合作用所需CO2的最低浓度。两图中的B和B′点都表示CO2饱和点，两图都表示在一定范围内，光合作用速率随CO2浓度增加而增大。

应用：大田要“正其行，通其风”，多施有机肥；温室内可适当补充CO2，即适当提高CO2浓度可提高农作物产量。

④ 必需矿质元素

曲线分析：在一定浓度范围内，增大必需矿质元素的供应，可提高光合作用速率，但当超过一定浓度后，会因土壤溶液浓度过高而导致植物光合作用速率下降。

应用：在农业生产上，根据植物的需肥规律，适时、适量地增施肥料，可以提高作物的光能利用率。

⑤ 温度

曲线分析：温度主要是通过影响酶的活性而影响光合作用速率。

应用：冬天，温室栽培可适当提高温度；夏天，温室栽培可适当降低温度。白天调到光合作用最适温度，以提高光合作用速率；晚上适当降低温室温度，以降低细胞呼吸速率，保证植物有机物的积累。

⑥ 多因子变量对光合作用速率影响的分析(外界因素)

　曲线分析：P点时，光合速率的因素应为横坐标所表示的因子，随其因子的不断加强，光合速率不断提高。当到Q点时，横坐标所表示的因素，不再是影响光合速率的因子，要想提高光合速率，可采取适当提高图示中的其他因子的方法。

　应用：温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当提高温度，增加光合作用酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO2，进一步提高光合速率，当温度适宜时，要适当提高光照强度和CO2浓度以提高光合速率。总之，可根据具体情况，通过提高光照强度、调节温度或增加CO2浓度等来充分提高光合速率，以达到增产的目的。

典型例题分析：

甲、乙两图分别表示光照强度和空气中CO2含量对某绿色植物光合作用的影响，丙图表示一天内某时间段蔬菜大棚内CO2浓度随时间的变化曲线。请据图回答下列问题。

(1)甲图中的B点与乙、丙图中的________点叶肉细胞所处的生理状态相同，此时细胞中能产生ATP的部位有________________；如果在缺镁的条件下，G点将向________方移动。

(2)C点与B点相比较，叶绿体基质中C3的含量________(填“较多”、“较少”或“不变)。

(3)甲图中A点所进行的生理反应表达式为________________________________________________________________________。

(4)光合作用在遇到一定因素时，其速率将不再增加，图中E点的外界因素是________________________________________________________________________。

(5)据研究发现，当土壤干旱时，植物根细胞会迅速合成某种化学物质X。有人推测根部合成的X运输到叶片，能调节气孔的开闭。他们做了如下实验：从该植株上剪取大小和生理状态一致的3片叶，分别将叶柄下部浸在不同浓度X的培养液中，以分析叶片中X物质浓度与气孔开放程度之间的关系。一段时间后，可以测得有关数据。以上方案有不完善的地方，请指出来并加以改正。

①________________________________________________________________________；

②________________________________________________________________________。

答案　(1)D、G　线粒体、叶绿体、细胞质基质　右上

(2)较少　(3)C6H12O6＋6O2＋6H2O→6CO2＋12H2O＋能量　(4)温度、光照强度等　(5)①样本量太小。应“取大小和生理状态一致的叶片若干，平均分为三组”

②缺乏空白对照。应增加1组，将叶片的叶柄下部浸在不含X的培养液中下载本文