第3节 能量之源——光与光合作用
【高考新动向】
1、光合作用的基本过程
2、影响光合作用速率的环境因素
【考纲全景透析】
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
①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。
②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。
③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
（约占3/4）
叶绿素a[ ]
蓝绿色
主要吸收 [ ][高考资源网]
蓝紫光和红光 [
中下层
叶绿素b
黄绿色
最下层
类胡萝卜素
（约占1/4）
胡萝卜素
橙黄色
主要吸收
蓝紫光
最上层
叶黄色
黄色
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及原理的应用
光合作用过程包括光反应和暗反应两个连续的过程。
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
3、原理的应用
(1)光合作用强度：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光照强度以及光的成分；
②空气中CO2的浓度；
③温度的高低等；
④土壤中H2O的多少。
五、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。
【热点难点全析】
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。
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：CO2＋H218O （CH2O）＋18O2。
（1）O元素：H218O→18O2
（2）C元素：14CO2→14C3→（14CH2O）。
（3）H元素：H218O→[H] →（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
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。
【例】(2012·南京市高三质检)如图曲线Ⅰ表示黄豆在适宜温度、CO2浓度为0.03%的环境中光合作用速率与光照强度的关系。在y点时改变某条件，结果发生了如曲线Ⅱ的变化。下列分析合理的是( )
A．与y点相比较，x点时叶绿体中C3化合物含量低
B．在y点时，适当升高温度可导致曲线由Ⅰ变为Ⅱ
C．制约x点时光合作用的因素主要是叶绿体中色素的含量
D．制约z点时光合作用的因素可能是二氧化碳浓度
【解】选D。x点时，光照强度较弱，光反应提供的[H]和ATP较少，C3化合物的浓度较y点时高，A项不正确；题目中提到已是在适宜温度下，如果再提高温度，会降低光合作用速率，B项不正确；制约x点的光合作用因素是光照强度，C项不正确；
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。
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