能量之源——光與光合作用.

一,、綠葉中色素的提取和分離.與水無關的實驗

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散得快,濾紙上跑得遠;溶解度低的,隨層析液在濾紙上擴散的慢,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,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,及時用棉塞將試管口封嚴,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與直徑的濾紙條,干燥處理使層析液擴散快.將一端減去兩角,防止兩側色素擴散快,色素帶不整齊,插入層板液時的方向.并在距這一端1厘米處用鉛筆畫一條細線,為畫濾液線提供參考.

（3）畫濾液細線:用毛細吸管(吸取量少,易畫線)吸取少量濾液.沿鉛筆線均勻劃出一條細線,細,、齊,、直,使分離出的色素帶不重疊.待濾液干后,重復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,有濾液細線的一端(尖端)朝下,濾液細線在層析液上方,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）構成:胡蘿卜素,橙黃色,含量最少.葉黃素,黃色,含量較少.

2）特點:相鄰色素帶之間距離最大.

3）吸收光譜:主要藍紫光.

② 葉綠素:總含量的3/4.

1）構成:葉綠素a,藍綠色,含量最多.葉綠素b,黃綠色,含量較多.

2）特點:相鄰色素帶之間距離最小.

3）吸收光譜:主要藍紫光、主要紅光.

③ 花紅葉綠:葉綠素對綠光吸收最少,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）轉換光能:少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a.

4．進一步探究:圓形濾紙層析法.

（1）方法:在圓心處,點樣;插牙簽,牙簽通入層析液中.

（2）現(xiàn)象:4個同心圓,最外層是胡蘿卜素;圓形的厚度類似條形紙層析法.

5．實驗失敗:

（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,葉子不新鮮、有大量葉脈,、有大量的溶漿.

（2）色素帶不整齊:畫濾液細線時,細線沒有做到細且直,使色素帶彼此重疊;濾紙條一端兩角剪的不對稱.

（3）濾紙條上看不見色素帶:濾液細線接觸到層析液,色素溶解到層析液中;忘記畫濾液細線.

二,、探究歷程.

1．17世紀,海爾蒙特:栽培柳樹實驗.結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,點燃的蠟燭,老鼠,植物實驗;結論植物可以更新空氣.

3．1779,英格豪斯:普利斯特利的實驗只有在陽光照射下才能成功;結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:能量轉化與守恒定律;結論植物在光合作用時把光能轉變成了化學能儲存起來.

5．1864年,薩克斯:饑餓處理(暗處放置,完全消耗營養(yǎng)物質),再曝光/遮光處理,無水乙醇脫色處理(光合作用一段時間后,去除色素對實驗的干擾),碘檢測,曝光呈深藍色,遮光呈碘色.結論綠葉在光下制造淀粉.

6．1880,恩格爾曼

（1）實驗(一):

① 隔絕空氣,黑暗環(huán)境,用極細光束照射;好氧細菌集中在葉綠體光照處.

② 隔絕空氣,完全暴露在光下;好氧細菌分布在所有光部位.

③ 實驗設計:

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,自身對照.

4）用好氧細菌可確定釋放氧多的部位.

5）相當于一組對照實驗,曝光,光束.

④ 結論:

1）氧是由葉綠體釋放出來的.

2）葉綠體是進行光合作用的場所.

3）光合作用需要光照.

（2）實驗(二): 用七色光譜照射,好氧細菌集中在紅光和藍紫光處.

① 結論:葉綠體是進行光合作用的場所,主要吸收紅光和藍紫光;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).其次是紅光或藍紫光.

7．1941,魯賓和卡門:

（1）同位素標記法:用同位素追蹤物質的運行和變化規(guī)律.

（2）特征:不改變標記物的化學性質.

（3）用途:弄清化學反應的詳細過程.

（4）操作:用氧18分別標記水和二氧化碳,檢測產(chǎn)生的氧氣是否含氧18.

（5）結論:光合作用產(chǎn)生的氧氣來自于水.

8．20世紀40年代,卡爾文:同位素標記法,用碳14標記二氧化碳,生成有機物.結論:有機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,轉化成儲存能量的有機物,并釋放氧氣的過程.

1．光反應:光合作用第一階段,必須有光才能進行.

（1）場所:葉綠體內(nèi)的類囊體薄膜上.

（2）條件:光,、色素,、酶、水.

（3）物質變化:

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;二是轉變?yōu)榛钴S的化學能儲存在ATP中.

2．暗反應:光合作用第二階段,有無光均可.

（1）場所:葉綠體基質中.

（2）條件:還原型氫,、ATP,、酶、二氧化碳.

（3）物質變化:卡爾文循環(huán),CO₂變成有機物的途徑,同位素標記.

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中活躍的化學能轉變?yōu)?/span>糖類等有機物中穩(wěn)定的化學能.

3．聯(lián)系:

（1）光反應為暗反應提供[H]和ATP,暗反應為光反應提供ADP,、Pi,、氧化型輔酶1.

（2）沒有光反應,暗反應無法進行,沒有暗反應,有機物無法合成.

（3）光反應是準備階段,暗反應是延續(xù),、完成階段,光反應結束后,暗反應持續(xù)2~3秒,至ATP、還原型氫耗盡.

4．反應式:

CO₂＋H₂O→(光能,、葉綠體)(CH₂O)＋O₂葉綠體提供反應場所和酶;

6CO₂＋12H₂O→(光能,、葉綠體)C₆H₁₂O₆＋6H₂O+6O₂

四、光合作用的強度:植物在單位時間內(nèi)通過光合作用制造糖類的數(shù)量.

（1）表示方法:單位時間內(nèi)光合作用,產(chǎn)生有機物的量;利用二氧化碳的量;產(chǎn)生氧氣的量.

（2）測定方法:

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,一導管上有開關,控制氣體;另一導管上用紅墨水液封,以觀測氣體量變化.

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)境因素對光合作用強度的影響.

1．實驗原理:葉片含有空氣,上浮;抽氣后,下沉;光合作用產(chǎn)生氧氣,氧氣充滿細胞間隙,上浮.

2．變量:

（1）自變理:通過臺燈距離的遠近來控制光照的強弱.

（2）因變量:觀測單位時間內(nèi)上浮的葉片數(shù)量來測定光合作用強度(產(chǎn)氧量).

3．操作:

（1）打孔制小圓形葉片:取生長旺盛的綠葉,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,重復幾次.

（3）清水:放入黑暗處的清水中,避免光合作用.下沉,對照下步.

（4）光合作用:各10片放入充滿二氧化碳氣體的清水中(用口通過玻璃管吹氣);強,中,弱三種光照條件下

（5）結論:在一定范圍內(nèi),隨著光照強度不斷增強,光合作用也不斷增強,產(chǎn)生氧氣多,浮起葉片多.

六,、光補償點:呼吸作用與光合作用強度相等.

七、影響因素:

1．光照強度:影響ATP,、[H]的產(chǎn)生.

2．光質:白光最強(大棚和溫室用無色材料),紅光較強,藍紫光次之,綠光最弱.

3．光照時長.

4．光照面積.

5．二氧化碳濃度:增施有機肥;溫室投干冰或與動物棚相連;大田生產(chǎn)“正其行,通其風”.

6．溫度:主要影響酶的活性.適時播種,溫室和大棚,白天適當提溫提高光合速率,夜間降溫降低呼吸消耗.

7．礦質元素:影響酶,、葉綠素、[H],、ATP等合成.合理施肥,促進葉片面積增大,葉綠素合成,促進光合產(chǎn)物的運輸和轉化.

8．水分:光合作用的原料.及時,、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.當葉面積、葉綠體,、葉綠素處于穩(wěn)定狀態(tài)時,光合速率基本穩(wěn)定.隨葉齡增長,葉綠素被破壞,光合速率下降農(nóng)作物生長后期,適當摘除發(fā)黃等老葉,降低細胞呼吸對有機物的消耗.

10．光合作用面積:適當修剪,合理密植.

八,、化能合成:某些細菌(硝化細菌、硫細菌,、鐵細菌),可以利用體外環(huán)境中的某些無機物氧化時所釋放的能量(能源),將二氧化碳(碳源)等無機物轉變成有機物.

1．硝化細菌的化能合成:

2NH₃+3O₂→(亞硝化細菌)2HNO₂+2H₂O+能量

2HNO₂+O₂→(硝化細菌)2HNO₃+能量

CO₂+H₂O→(能量,、硝化細菌)(CH₂O)+O₂

九、營養(yǎng)方式:

1．自養(yǎng)       :

（1）特點:以光能或無機物氧化釋放的化學能為能源,以環(huán)境中的二氧化碳為碳源;合成自身的組成物質,并且儲存能量.

（2）分類:

① 光能自養(yǎng):藍藻(葉綠素);光合細菌;綠色植物.

② 化能自養(yǎng):硝化細菌.

2．異養(yǎng):

（1）特點:以環(huán)境中現(xiàn)成的有機物作為能源和碳源;將這些有要物轉變成自身的組成物質,并且釋放能量.

（2）關系:共生,捕食,寄生,腐生.

（3）代表生物:人,動物,真菌,大多數(shù)細菌.

十,、與呼吸聯(lián)系.