能量之源——光與光合作用.
一、綠葉中色素的提取和分離.與水無關(guān)的實(shí)驗(yàn)
1．目的:捕獲光能的色素,色素的提取;色素的分離,色素的種類和含量.
2．原理:
（1）提取:綠葉中的色素能夠溶解在有機(jī)溶劑無水乙醇中.
（2）分離:紙層析法,各色素在層板液中的溶解度不同;溶解度高的,隨層析液在濾紙上擴(kuò)散得快,濾紙上跑得遠(yuǎn);溶解度低的,隨層析液在濾紙上擴(kuò)散的慢,濾紙上跑得近.
（3）取材:新鮮的綠葉,色素含量高.
（4）試劑:
① 無水乙醇:溶解色素,分次少量添加.替代試劑,95%乙醇+適量的無水碳酸鈉,除去乙醇中的水分.
② 層析液:使色素分層離析.20份在60-90℃下分餾出來的石油醚、2份丙酮和1份苯混合而成.替代試劑,93號(hào)汽油.
③ 二氧化硅:助于研磨充分,使色素充分釋放.
④ 碳酸鈣:中和酸性物質(zhì),防止研磨中色素被破壞.
3．步驟:
（1）提取綠葉中的色素:稱取綠葉五克,剪碎,放在研缽中;加入少許二氧化硅、碳酸鈣,再加入10毫升無水乙醇;進(jìn)行快速、充分的研磨,防止乙醇揮發(fā)、充分溶解色素;將研磨液迅速倒入玻璃漏斗(基部放置單層尼龍布),過濾雜物;獲取綠色濾液,及時(shí)用棉塞將試管口封嚴(yán),防止乙醇揮發(fā)和色素氧化.
（2）制備濾紙條:將干燥的定性濾紙剪成稍小于試管長(zhǎng)與直徑的濾紙條,干燥處理使層析液擴(kuò)散快.將一端減去兩角,防止兩側(cè)色素?cái)U(kuò)散快,色素帶不整齊,插入層板液時(shí)的方向.并在距這一端1厘米處用鉛筆畫一條細(xì)線,為畫濾液線提供參考.
（3）畫濾液細(xì)線:用毛細(xì)吸管(吸取量少,易畫線)吸取少量濾液.沿鉛筆線均勻劃出一條細(xì)線,細(xì)、齊、直,使分離出的色素帶不重疊.待濾液干后,重復(fù)1-2次,積累更多色素,使分離出的色素帶清晰分明.
（4）分離綠葉中的色素:取適量層析液倒入燒杯中;將濾紙條輕插入層析液中,有濾液細(xì)線的一端(尖端)朝下,濾液細(xì)線在層析液上方,不觸及,以防止色素溶解于層析液中而無法分離;用培養(yǎng)皿蓋住,防止層析液揮發(fā).
（5）觀察與記錄:
① 類胡蘿卜素:總含量的1/4.
1）構(gòu)成:胡蘿卜素,橙黃色,含量最少.葉黃素,黃色,含量較少.
2）特點(diǎn):相鄰色素帶之間距離最大.
3）吸收光譜:主要藍(lán)紫光.
② 葉綠素:總含量的3/4.
1）構(gòu)成:葉綠素a,藍(lán)綠色,含量最多.葉綠素b,黃綠色,含量較多.
2）特點(diǎn):相鄰色素帶之間距離最小.
3）吸收光譜:主要藍(lán)紫光、主要紅光.
③ 花紅葉綠:葉綠素對(duì)綠光吸收最少,綠光被反射出來;液泡中的色素.
④ 功能:
1）吸收、傳遞光能:絕大多數(shù)的葉綠素a; 以及全部的葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素;
2）轉(zhuǎn)換光能:少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a.
4．進(jìn)一步探究:圓形濾紙層析法.
（1）方法:在圓心處,點(diǎn)樣;插牙簽,牙簽通入層析液中.
（2）現(xiàn)象:4個(gè)同心圓,最外層是胡蘿卜素;圓形的厚度類似條形紙層析法.
5．實(shí)驗(yàn)失敗:
（1）色素提取呈淡綠色:研磨不充分/未加入二氧化硅,色素未能充分提取出來;稱取綠葉過少或加入無水乙醇過多,色素溶液濃度小;未加入碳酸鈣或加入過少,色素分子部分被破壞;取材不當(dāng),葉子不新鮮、有大量葉脈、有大量的溶漿.
（2）色素帶不整齊:畫濾液細(xì)線時(shí),細(xì)線沒有做到細(xì)且直,使色素帶彼此重疊;濾紙條一端兩角剪的不對(duì)稱.
（3）濾紙條上看不見色素帶:濾液細(xì)線接觸到層析液,色素溶解到層析液中;忘記畫濾液細(xì)線.
二、探究歷程.
1．17世紀(jì),海爾蒙特:栽培柳樹實(shí)驗(yàn).結(jié)論水分是植物建造自身的原料.
2．1771,普利斯特利:密閉玻璃罩,點(diǎn)燃的蠟燭,老鼠,植物實(shí)驗(yàn);結(jié)論植物可以更新空氣.
3．1779,英格豪斯:普利斯特利的實(shí)驗(yàn)只有在陽光照射下才能成功;結(jié)論植物體只有在光照下,只有綠葉才能更新空氣.
4．1845,R.梅耶:能量轉(zhuǎn)化與守恒定律;結(jié)論植物在光合作用時(shí)把光能轉(zhuǎn)變成了化學(xué)能儲(chǔ)存起來.
5．1864年,薩克斯:饑餓處理(暗處放置,完全消耗營養(yǎng)物質(zhì)),再曝光/遮光處理,無水乙醇脫色處理(光合作用一段時(shí)間后,去除色素對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾),碘檢測(cè),曝光呈深藍(lán)色,遮光呈碘色.結(jié)論綠葉在光下制造淀粉.
6．1880,恩格爾曼
（1）實(shí)驗(yàn)(一):
① 隔絕空氣,黑暗環(huán)境,用極細(xì)光束照射;好氧細(xì)菌集中在葉綠體光照處.
② 隔絕空氣,完全暴露在光下;好氧細(xì)菌分布在所有光部位.
③ 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì):
1）沒有空氣的黑暗環(huán)境,排除了氧氣和光的干擾.
2）水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀,便于觀察.
3）用極細(xì)的光束照射,葉綠體上可分為光照多和光照少的部位,自身對(duì)照.
4）用好氧細(xì)菌可確定釋放氧多的部位.
5）相當(dāng)于一組對(duì)照實(shí)驗(yàn),曝光,光束.
④ 結(jié)論:
1）氧是由葉綠體釋放出來的.
2）葉綠體是進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所.
3）光合作用需要光照.
（2）實(shí)驗(yàn)(二): 用七色光譜照射,好氧細(xì)菌集中在紅光和藍(lán)紫光處.
① 結(jié)論:葉綠體是進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所,主要吸收紅光和藍(lán)紫光;它內(nèi)部的巨大膜表面上,不僅分布著許多吸收光能的色素分子,還有許多進(jìn)行光合作用所必需的酶.
② 與生活的聯(lián)系:溫室或大棚,無色最好,白色把光全反射,黑色把光全吸收(制造無光環(huán)境).其次是紅光或藍(lán)紫光.
7．1941,魯賓和卡門:
（1）同位素標(biāo)記法:用同位素追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律.
（2）特征:不改變標(biāo)記物的化學(xué)性質(zhì).
（3）用途:弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程.
（4）操作:用氧18分別標(biāo)記水和二氧化碳,檢測(cè)產(chǎn)生的氧氣是否含氧18.
（5）結(jié)論:光合作用產(chǎn)生的氧氣來自于水.
8．20世紀(jì)40年代,卡爾文:同位素標(biāo)記法,用碳14標(biāo)記二氧化碳,生成有機(jī)物.結(jié)論:有機(jī)物中的碳來自二氧化碳.
三、光合過程:綠色植物通過葉綠體,利用光能,把二氧化碳和水,轉(zhuǎn)化成儲(chǔ)存能量的有機(jī)物,并釋放氧氣的過程.
1．光反應(yīng):光合作用第一階段,必須有光才能進(jìn)行.
（1）場(chǎng)所:葉綠體內(nèi)的類囊體薄膜上.
（2）條件:光、色素、酶、水.
（3）物質(zhì)變化:
① 水的光解:2H2O→(光,色素,酶)4[H]+O2 .
② ATP的合成:ADP＋Pi→(光,色素,酶)ATP.
（4）能量變化:
光能:一是用來光解水;二是轉(zhuǎn)變?yōu)榛钴S的化學(xué)能儲(chǔ)存在ATP中.
2．暗反應(yīng):光合作用第二階段,有無光均可.
（1）場(chǎng)所:葉綠體基質(zhì)中.
（2）條件:還原型氫、ATP、酶、二氧化碳.
（3）物質(zhì)變化:卡爾文循環(huán),CO2變成有機(jī)物的途徑,同位素標(biāo)記.
① 二氧化碳的固定:CO2＋C5→(酶)2C3.
② 碳三化合物的還原:2C3+[H]→(ATP,酶)(CH2O)+C5
（4）能量變化:ATP中活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)樘穷惖扔袡C(jī)物中穩(wěn)定的化學(xué)能.
3．聯(lián)系:
（1）光反應(yīng)為暗反應(yīng)提供[H]和ATP,暗反應(yīng)為光反應(yīng)提供ADP、Pi、氧化型輔酶1.
（2）沒有光反應(yīng),暗反應(yīng)無法進(jìn)行,沒有暗反應(yīng),有機(jī)物無法合成.
（3）光反應(yīng)是準(zhǔn)備階段,暗反應(yīng)是延續(xù)、完成階段,光反應(yīng)結(jié)束后,暗反應(yīng)持續(xù)2~3秒,至ATP、還原型氫耗盡.
4．反應(yīng)式:
CO2＋H2O→(光能、葉綠體)(CH2O)＋O2葉綠體提供反應(yīng)場(chǎng)所和酶;
6CO2＋12H2O→(光能、葉綠體)C6H12O6＋6H2O+6O2
四、光合作用的強(qiáng)度:植物在單位時(shí)間內(nèi)通過光合作用制造糖類的數(shù)量.
（1）表示方法:單位時(shí)間內(nèi)光合作用,產(chǎn)生有機(jī)物的量;利用二氧化碳的量;產(chǎn)生氧氣的量.
（2）測(cè)定方法:
① 裝置:大廣口瓶中,放置植物,碳酸氫鈉溶液(保持二氧化碳的穩(wěn)定).瓶塞,一導(dǎo)管上有開關(guān),控制氣體;另一導(dǎo)管上用紅墨水液封,以觀測(cè)氣體量變化.
② 條件:
1）光照下,凈光合速率,液體右移.
2）黑暗下,呼吸速率,液體左移.
3）總光合速率=凈光合速率+呼吸速率.
五、環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響.
1．實(shí)驗(yàn)原理:葉片含有空氣,上浮;抽氣后,下沉;光合作用產(chǎn)生氧氣,氧氣充滿細(xì)胞間隙,上浮.
2．變量:
（1）自變理:通過臺(tái)燈距離的遠(yuǎn)近來控制光照的強(qiáng)弱.
（2）因變量:觀測(cè)單位時(shí)間內(nèi)上浮的葉片數(shù)量來測(cè)定光合作用強(qiáng)度(產(chǎn)氧量).
3．操作:
（1）打孔制小圓形葉片:取生長(zhǎng)旺盛的綠葉,用打孔器打出直徑為1cm的小圓形葉片30片,避開大的葉脈.
（2）抽氣:注射器內(nèi)有清水,葉片,重復(fù)幾次.
（3）清水:放入黑暗處的清水中,避免光合作用.下沉,對(duì)照下步.
（4）光合作用:各10片放入充滿二氧化碳?xì)怏w的清水中(用口通過玻璃管吹氣);強(qiáng),中,弱三種光照條件下
（5）結(jié)論:在一定范圍內(nèi),隨著光照強(qiáng)度不斷增強(qiáng),光合作用也不斷增強(qiáng),產(chǎn)生氧氣多,浮起葉片多.
六、光補(bǔ)償點(diǎn):呼吸作用與光合作用強(qiáng)度相等.
七、影響因素:
1．光照強(qiáng)度:影響ATP、[H]的產(chǎn)生.
2．光質(zhì):白光最強(qiáng)(大棚和溫室用無色材料),紅光較強(qiáng),藍(lán)紫光次之,綠光最弱.
3．光照時(shí)長(zhǎng).
4．光照面積.
5．二氧化碳濃度:增施有機(jī)肥;溫室投干冰或與動(dòng)物棚相連;大田生產(chǎn)“正其行,通其風(fēng)”.
6．溫度:主要影響酶的活性.適時(shí)播種,溫室和大棚,白天適當(dāng)提溫提高光合速率,夜間降溫降低呼吸消耗.
7．礦質(zhì)元素:影響酶、葉綠素、[H]、ATP等合成.合理施肥,促進(jìn)葉片面積增大,葉綠素合成,促進(jìn)光合產(chǎn)物的運(yùn)輸和轉(zhuǎn)化.
8．水分:光合作用的原料.及時(shí)、合理灌溉.
9．葉齡:在一定范圍內(nèi),隨葉齡增加,葉面積增大,葉綠體增多,光合速率增強(qiáng).當(dāng)葉面積、葉綠體、葉綠素處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),光合速率基本穩(wěn)定.隨葉齡增長(zhǎng),葉綠素被破壞,光合速率下降農(nóng)作物生長(zhǎng)后期,適當(dāng)摘除發(fā)黃等老葉,降低細(xì)胞呼吸對(duì)有機(jī)物的消耗.
10．光合作用面積:適當(dāng)修剪,合理密植.
八、化能合成:某些細(xì)菌(硝化細(xì)菌、硫細(xì)菌、鐵細(xì)菌),可以利用體外環(huán)境中的某些無機(jī)物氧化時(shí)所釋放的能量(能源),將二氧化碳(碳源)等無機(jī)物轉(zhuǎn)變成有機(jī)物.
1．硝化細(xì)菌的化能合成:
2NH3+3O2→(亞硝化細(xì)菌)2HNO2+2H2O+能量
2HNO2+O2→(硝化細(xì)菌)2HNO3+能量
CO2+H2O→(能量、硝化細(xì)菌)(CH2O)+O2
九、營養(yǎng)方式:
1．自養(yǎng) :
（1）特點(diǎn):以光能或無機(jī)物氧化釋放的化學(xué)能為能源,以環(huán)境中的二氧化碳為碳源;合成自身的組成物質(zhì),并且儲(chǔ)存能量.
（2）分類:
① 光能自養(yǎng):藍(lán)藻(葉綠素);光合細(xì)菌;綠色植物.
② 化能自養(yǎng):硝化細(xì)菌.
2．異養(yǎng):
（1）特點(diǎn):以環(huán)境中現(xiàn)成的有機(jī)物作為能源和碳源;將這些有要物轉(zhuǎn)變成自身的組成物質(zhì),并且釋放能量.
（2）關(guān)系:共生,捕食,寄生,腐生.
（3）代表生物:人,動(dòng)物,真菌,大多數(shù)細(xì)菌.
十、與呼吸聯(lián)系.
溫度
光合作用和呼吸作用最適溫度不一樣,一般呼吸的最適溫度高
光照下,植物吸收二氧化碳/容器二氧化碳量減少
光合作用減呼吸作用=積累的有機(jī)物,即凈光合作用
>0,光合作用>呼吸作用,生長(zhǎng)
=0,光合作用=呼吸作用,不生長(zhǎng)
光合呼吸,營養(yǎng)不良
存在一個(gè)交點(diǎn);此時(shí),光合-呼吸=呼吸,即光合=2倍呼吸
先升后降,存在峰值(最適溫度)和等值點(diǎn)
黑暗中,植物釋放二氧化碳/容器二氧化碳量增加
呼吸作用=消耗的有機(jī)物
>0,生長(zhǎng)
小于等于0,植物死亡
總光合作用
二氧化碳釋放量和吸收量的絕對(duì)值相加=產(chǎn)生的有機(jī)物
