第 3 节 能量之源光与光合作用 【高考目标导航】 1、光合作用的基本过程 2、影响光合作用速率的环境因素 【基础知识梳理】 一、捕获光能的色素和结构 1、捕获光能的色素 （1）绿叶中色素的提取和分离 可以利用无水乙醇提取绿叶中的色素，在研磨时还应加入少许二氧化硅和碳酸钙，其中 前者有助于研磨充分，后者可防止研磨中色素别破坏。 分离的原理是利用色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的再滤纸上扩散的快，反之 则慢。 层析的结果：四条色素带从上往下依次为： 橙黄色（胡萝卜素）黄色（叶黄素）蓝绿色（叶绿素 a）黄绿色（叶绿素 b） （2）色素的种类和吸收光谱 色素种类颜色吸收光谱滤纸条位置 叶绿素 a蓝绿色中下层叶绿素 （约占 3/4）叶绿素 b黄绿色 主要吸收 蓝紫光和红光最下层 胡萝卜素橙黄色最上层类胡萝卜素 （约占 1/4）叶黄色黄色 主要吸收 蓝紫光中上层 二、叶绿体的结构和功能 1、叶绿体的结构 外表：双层膜 内部：基质，含有与暗反应有关的酶 基粒，由类囊体堆叠而成，分布有色素和与光反应有关的酶 2、叶绿体的功能 进行光合作用的场所。 3、恩格尔曼的实验：好氧细菌只分布于叶绿体被光束照射的部位 三、光合作用的探究历程 1、直到 18 世纪中期，人们一起以为只有土壤中的水分是植物建造自身的原料。 2、1771 年，英国的普利斯特利的实验证实：植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得 污浊的空气。 3、1779 年，荷兰的英格豪斯证明了植物体的绿叶在更新空气中不可缺少。 4、1785 年，随着空气组成成分的发现，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的 是二氧化碳。 5、1864 年，德国的萨克斯的实验证实了光合作用的产物除氧气外还有淀粉。 6、1939 年，美国的鲁宾和卡门利用同位素标记法证明了光合作用释放的氧气来自水。 7、20 世纪 40 年代，美国的卡尔文，利用同位素标记技术最终探明了 CO2 中的碳在光合作用 中转化成有机物中碳的途径。 四、光合作用的基本过程 光合作用过程包括光反应和暗反应两个连续的过程。 五、光合作用原理的应用 1、光合作用强度：是指植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量。可通过测定一定 时间内原料消耗的数量或产物生成的数量来定量表示。 2、影响光合作用强度的环境因素 （1）空气中二氧化碳的浓度 （2）土壤中水分的多少 （3）光照长短与强弱以及光的成分 （4）温度的高低等 六、化能合成作用 1、概念：某些细菌利用体外环境中的某些无机物氧化时所释放的能量来制造有机物的合成 作用。 2、实例：硝化细菌能利用 NH3 氧化成 HNO2 和 HNO3 时所释放的化学能，将二氧化碳和水 合成为糖类。 3、自养生物和异养生物 （1）自养生物：绿色植物和硝化细菌都能将无机物转化为自身组成物质，因此属于自养生 物。 （2）异养生物：人、动物、真菌以及大多数细菌只能利用环境中现成的有机物来维持自身 的生命活动，属于异养生物。 【要点名师透析】 一、 “绿叶中色素的提取和分离”的实验分析 1、原理解读： （1）色素的提取：可以用无水乙醇（或丙酮）作溶剂提取绿叶中的色素，而不能用水，因 为叶绿体中的色素不能溶于水。 （2）色素的分离：利用色素在层析液中的溶解度不同进行分离，溶解度大的在滤纸上扩散 得快，反之则慢。 2、实验流程图示： （1）提取色素： 加入少许 SiO2、CaCO3 和 10mL 无水乙醇迅速研磨并用单层尼龙布过滤 （2）制备滤纸条： 长与宽略小于试管，在一端剪去两角；在距剪去两角的一端 1cm 处画铅笔线。 （3）画滤液细线： 用毛细吸管吸取色素绿叶沿铅笔线画一条直且均匀的滤液细线； （4）色素分离： 将滤液条插入有 3mL 层析液的试管中，有滤液细线的一端朝下。 （5）观察结果： 滤纸条上有四条颜色宽度不同的色素带，如图。 3、实验中几种化学试剂的作用： （1）无水乙醇用于提取绿叶中的色素。 （2）层析液用于分离绿叶中的色素。 （3）二氧化硅可增加杵棒与研钵间的摩擦力，破坏细胞结构，使研磨充分。 （4）碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。 4、实验中的注意事项： （1）选材：应选取鲜嫩、颜色深绿的叶片，以保证含有较多的色素。 （2）提取色素：研磨要迅速、充分，且加入各物质的量要成比例，以保证提取较多的色素 和色素浓度适宜。 （3）画滤液细线：用力要均匀，快慢要适中。滤液细线要细、直，且干燥后重复画一两次， 使滤液细线既有较多的色素，又使各色素扩散的起点相同。 （4）色素分离：滤液细线不要触及层析液，否则滤液细线中的色素分子将溶解到层析液中， 滤纸条上得不到色素带。 【典例】在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使 用情况如下表所示(“”表示使用， “”表示未使用)，其余操作均正常，他们所得的实验结果 依次应为( ) 甲乙丙丁 丙酮 水 CaCO3 SiO2 A B C D 【解析】由于甲在提取过程中用的是水，而色素不溶于水，因此得到的提取液中不含色素， 得到的结果对应；乙的操作正常，得到的结果对应；丙在研磨过程中没有加入 CaCO3，部分色素分子被破坏，得到的结果对应；丁在研磨过程中没有加入 SiO2，使研磨 不充分，提取的色素含量较少，得到的结果对应。 【答案】B 二、光合作用的过程分析 1、过程图解 2、反应式及元素去向 方程式： CO2H218O （CH2O）18O2。 （1）O 元素：H218O18O2 （2）C 元素：14CO214C3（14CH2O） 。 （3）H 元素：H218OH （CH2O） 。 3、光反应与暗反应的比较 光反应暗反应 条件必须在光下有光无光都可以 场所叶绿体类囊体薄膜叶绿体基质 物质 转化 能量 转化 光能转导 ATP 中活跃的化学能再到有机物中稳定的化学能 联系 光反应为暗反应提供H、ATP，暗反应为光反应提供 ADP 和 Pi，如图 4、光照和 CO2 浓度变化对植物细胞内 C3、C5、H、ATP 和 O2 用（CH2O）合成量的影响 【典例】下图表示光合作用光反应和暗反应的关系，据图判断下列有关叙述不正确的是( ) A光反应为暗反应提供 ATP 和 NADPH(H) B光反应和暗反应某些物质可循环利用 C光反应产生的 O2 释放到大气中，至少要穿过 4 层膜 D三碳化合物和酶在暗反应中没有被消耗利用 【解析】由图可知，ATP、NADPH 等在光反应和暗反应中循环利用；光反应产生的 O2 释放到 大气中，要穿过类囊体膜、叶绿体两层膜和细胞膜，共 4 层膜，C3 化合物在暗反应中用于合 C6H12O6 合 成量减少 仍正常进 行 暗反 应 C3 还原减 弱 光反应减弱 CO2 供应不变 光照强弱 1、 O2 产生减 少 ATP 减少 H减少 CO2 固定 仍正常进 行 C3 含量上 升 C5 含量下 降 C6H12O6 合 成量增加 仍正常进 行 暗反 应 C3 还原增 强 光反应增强 CO2 供应不变 光照弱强 2、 O2 产生增 多 ATP 增多 H增多 CO2 固定 仍正常进 行 C3 含量下 降 C5 含量上 升 C6H12O6 合 成量减少 仍正常进 行 H相对增加 ATP 相对增加 上述两种物质 转化速度变慢， O2 产生减少 暗反 应减少 CO2 供 应 光照不变 3、 CO2 固定减弱 C3 还原 仍正常进 行 C3 含量下 降 C5 含量 C6H12O6 合 成量增加 仍正常进 行 H相对减少 ATP 相对减少 上述两种物质 转化速度变快， O2 产生增加 暗反 应增加 CO2 供 应 光照不变 4、 CO2 固定增强 C3 还原 仍正常进 行 C3 含量上 升 C5 含量下 降 成有机物。 【答案】D 三、影响光合速率的环境因素及应用 1、光照强度对光合作用强度的影响 A 点：光照强度为 0，此时只进行细胞呼吸，释放的 CO2 量可表示此时细胞呼吸的强度。 AB 段：随光照强度增强，光合作用强度也逐渐增强， CO2 释放量逐渐减少，这是因为细胞呼吸释放的 CO2 有一部分用于光合作用，此时细胞呼吸 强度大于光合作用强度。 B 点：细胞呼吸释放的 CO2 全部用于光合作用，即光合作用强度等于细胞呼吸强度（光照强 度只有在 B 点以上时，植物才能正常生长） ，B 点所示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 所示光照强度称为光饱和点。 2、CO2 浓度对光合作用强度的影响 图 1 和图 2 都表示在一定范围 内，光合作用速率随CO2 浓度 的增大而增大，但当CO2 浓度 增加到一定范围后，光合作用速率不再增加。 图 1 中 A 点表示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。 图 1 和图 2 中的 B 和 B点都表示 CO2 饱和点。 3、温度对光合作用速率的影响 温度主要是通过影响与光合作用有关酶的活性 而影响光合作用速率。 4、必需元素供应对光合速率的影响 在一定浓度范围内，增大必需元素的供应，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渗透失水而萎蔫。 5、水分的供应对光合作用速率的影响 水是光合作用的原料，缺水既可直接影响光合作用，又会导致叶片气孔关闭，限制 CO2 进入 叶片，从而间接影响光合作用。 四、光合作用与细胞呼吸 1、光合作用与有氧呼吸的比较 光合作用有氧呼吸 代谢类型合成作用（或同化作用）分解作用（或异化作用） 物质变化无机物 有机物有机物 无机物 能量变化光能化学能（储能）化学能ATP、热能（放能） 实质合成有机物，储存能量分解有机物、释放能量，供细胞利用 场所叶绿体活细胞（主要在线粒体） 条件只在光下进行有光、无光都能进行 联系 3、光合作用与细胞呼吸的计算： （1）光合作用速率表示方法： 通常以一定时间内 CO2 等原料的消耗或 O2、 （CH2O）等产物的生成数量来表示。但由于测量 时的实际情况，光合作用速率又分为表观光合速率和真正光合速率。 （2）在有光条件下，植物同时进行光合作用和细胞呼吸，实验容器中 O2 增加量、CO2 减少 量或有机物的增加量，称为表观光合速率，而植物真正光合速率表观光合速率呼吸速率。 如图所示： （3）呼吸速率：将植物置于黑暗中， 实验容器中 CO2 增加量、O2 减少量或有机物减少量，即表示呼吸速率。 （4）一昼夜有机物的积累（用 CO2 量表示）可用下式表示： 积累量白天从外界吸收的 CO2 量晚上呼吸释放的 CO2 量。 【感悟高考真题】 1、(2011福建高考)如图是夏季晴朗的白天，玉米和花生净光合速率（单位时间、单位叶面 积吸收 CO2 的量）的变化曲线，下列叙述错误的是（） A.在 9：3011：00 之间，花生净光合速率下降的原因是暗反应过程减缓 B.在 11：0012：30 之间，花生的单位叶面积有机物积累量比玉米的多 C.在 17：00 时，玉米和花生的单位叶面积释放 O2 速率相同 D.在 18：30 时，玉米既能进行光反应，也能进行暗反应 【解析】A 项，9:3011:00 光照强度增强，光反应提供的 ATP 和H增多，但净光合速率降 低说明暗反应跟不上光反应，反应缓慢；B 项，有机物的积累量可代表净光合速率，从图知 花生的净光合速率即有机物的积累量比玉米少；C 项，从图知，17:00 时净光合速率相同，氧 气释放量代表净光合速率，即氧气释放量相同；D 项，18:30 时，玉米净光合速率为零，说明 光合作用速率等于呼吸作用速率，仍进行光合作用，即有光反应和暗反应。 【答案】B 2、(2011海南高考)红枫是一种木本观赏植物