第5章第4節(jié)能量之源-光和 光合作用

Welcometostudybiology!第4節(jié)、光和光合作用第5章、細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用糧食危機(jī)嚴(yán)重地影響人類的生存和發(fā)展，是當(dāng)今世界面臨的重大問(wèn)題之一。而我國(guó)可耕地面積只有世界總量的7%，卻要養(yǎng)活世界人口的22%。如何解決十多億人口的吃飯問(wèn)題，是我國(guó)面臨各種問(wèn)題的重中之重！耕地面積不可能增加，如何解決13億多人口的吃飯問(wèn)題？

答案只有一個(gè)，那就是提高單位面積的糧食產(chǎn)量！也就是說(shuō)，提高作物光合作用的效率是解決我國(guó)13億人口吃飯問(wèn)題的唯一出路！光合作用是葉綠體內(nèi)進(jìn)行的一個(gè)復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換與物質(zhì)變化過(guò)程。從能量方面看，光合作用將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能；從物質(zhì)方面看，光合作用將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化成糖類等貯存了能量的有機(jī)物并釋放出氧氣。要提高農(nóng)作物的光合作用效率，提高產(chǎn)量就必須對(duì)光合作用中能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)變化進(jìn)行深入的分析研究。一、光能在葉綠體中的轉(zhuǎn)換光能在葉綠體中的轉(zhuǎn)換分為三個(gè)步驟：

㈠光能轉(zhuǎn)化為電能

㈡電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能

㈢活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能。光能轉(zhuǎn)化為電能及電能轉(zhuǎn)化為躍的化學(xué)能屬于光合作用的光反應(yīng)階段，活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能屬于光合作用的暗反應(yīng)階段。㈠光能轉(zhuǎn)化為電能葉綠體內(nèi)類囊體薄膜上的四種色素可分類兩類：絕大多數(shù)的葉綠素a和全部葉綠素b、葉黃素、胡蘿卜素是吸收光能的色素；(B色素)少數(shù)處于特殊狀態(tài)的葉綠素a(A色素)是將光能轉(zhuǎn)化為電能的色素。當(dāng)光能被色素吸收并傳遞給特殊的葉綠素ａ后，這種轉(zhuǎn)化就開(kāi)始了。H2OＣ物質(zhì)處于特殊狀態(tài)下的葉綠素аＤ物質(zhì)2eNADP+2e光能H++O2NADPHADP+PiATP2e2e光能H++O2NADPHADP+PiATP㈡光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能光能被色素吸收并傳遞給特殊的葉綠素a，這些葉綠素a被激發(fā)，失去一對(duì)電子。這一對(duì)電子經(jīng)一系列物質(zhì)(D物質(zhì))的傳遞,最后傳遞到NADP+(輔酶Ⅱ),得到一對(duì)電子的NADP+從溶液中得到一個(gè)H+成為NADH(還原型輔酶Ⅱ)。失去一對(duì)電子的葉綠素a具有強(qiáng)氧化性。從水分子中奪取電子恢復(fù)到初始狀態(tài)。水則分解為O2和H+。

在光下，通過(guò)葉綠素a源源不斷地失去電子和奪取電子，形成連續(xù)的電子流(電流),光能轉(zhuǎn)化成了電能。水和NADP+則不斷地轉(zhuǎn)化為NADPH和O2。㈡光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能光能轉(zhuǎn)化為電能的同時(shí)，得到電子的NADP+還原成為NADPH，ADP與Pi合成ATP，將電能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能貯存起來(lái)。NADP++2e+H+

NADPHADP+Pi

ATP酶酶H2OＣ物質(zhì)處于特殊狀態(tài)下的葉綠素аＤ物質(zhì)2eNADP+2e光能H++O2NADPHADP+PiATP㈡光能轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能㈢活躍化學(xué)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定化學(xué)能在葉綠體基質(zhì)中，CO2與基質(zhì)中的C5結(jié)合形成C3，在有關(guān)酶的催化下，接受ATP和NADPH釋放的能量并被NADPH還原，形成糖類等富含能量的有機(jī)物，將活躍的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的化學(xué)能貯存在有機(jī)物中。二、C３途徑和C４途徑C3植物葉片結(jié)構(gòu)C4植物葉片結(jié)構(gòu)水稻、小麥等大多數(shù)植物在暗反應(yīng)中，一個(gè)CO2被一個(gè)C5固定后形成兩個(gè)C3化學(xué)物，因此叫C3植物。甘蔗、玉米等少數(shù)植物在暗反應(yīng)中，一個(gè)CO2首先被一個(gè)磷酸丙酮酸固定形成C4化學(xué)物，然后C4化合物分解出CO2再與C5結(jié)合形成兩個(gè)C3化合物，因此叫C4植物。CO2CO2

C4植物在暗反應(yīng)中，一個(gè)CO2首先被一個(gè)磷酸丙酮酸（PEP）固定形成C4化學(xué)物，然后C4化合物分解出CO2再與C5化合物結(jié)合形成兩個(gè)C3化合物，最后以與C3植物同樣的過(guò)程進(jìn)行暗反應(yīng)。

C4植物先利用PEP與CO2結(jié)合成C4化合物，然后C4化合物再分解將CO2釋放出來(lái)。這一變化有什么意義呢？

原來(lái)，PEP與CO2有很高的親和力，它可以將大氣中濃度很低的CO2固定下來(lái)，再集中到葉綠體中供暗反應(yīng)利用。使植物具有更高的利用CO2進(jìn)行光合作用的能力，提高了生物的適應(yīng)性。三、提高農(nóng)作物的光合作用效率要提高農(nóng)作物的產(chǎn)量就必須提高它們的光合作用效率。分析植物光合作用的過(guò)程可知這與光照強(qiáng)度、CO2的濃度、葉片中葉綠體和葉綠素含量、酶的數(shù)量和活性等因素都有關(guān)。㈠光照強(qiáng)度與色譜──光合作用的能源；㈡CO2的供應(yīng)──光合作用的原料之一；㈢必需礦質(zhì)元素的供應(yīng)──影響色素及有

關(guān)酶的合成；㈣溫度──影響酶的的活性。㈠光照強(qiáng)度與色譜光照是光合作用的能源。不同類型的作物需要不同的光照強(qiáng)度。水稻、玉米等作物需要強(qiáng)光照才能生長(zhǎng)發(fā)育良好，屬于陽(yáng)生植物。胡椒、人參等作物需要弱光照才能生長(zhǎng)發(fā)育良好，屬于陰生植物。紅光區(qū)藍(lán)紫光區(qū)㈠光照強(qiáng)度與色譜不同顏色的光照也會(huì)影響光合作用的效率。只有能被葉綠體吸收的光才能為植物的光合作用后利用。上圖中的小點(diǎn)為好氧性的細(xì)菌。用不同顏色的光照射水綿，細(xì)菌向紅光區(qū)和藍(lán)紫光區(qū)集中。想一想，這是為什么？㈡CO2的供應(yīng)葉片周圍的CO2濃度通常都很低，適當(dāng)提高CO2濃度可以提高光合作用效率，有利增產(chǎn)。大田中提高CO2濃度的有效方法是合理密植和增施有機(jī)肥料。溫室中則可以人工施放CO2。

CO2既是光合作用的原料，又是呼吸作用的產(chǎn)物。適當(dāng)提高環(huán)境中CO2的濃度能提高光合作用強(qiáng)度，有利增產(chǎn)。但CO2濃度過(guò)高時(shí)又會(huì)使光合作用強(qiáng)度下降。想一想，這是為什么？CO2濃度光合作用強(qiáng)度㈢必需礦質(zhì)元素的供應(yīng)光合作用不但需要光、CO2和水，還需要葉綠素吸收光，需要酶催化，需要ATP和NADP+等。植物合成這些物質(zhì)都需要礦質(zhì)元素。植物必需的礦質(zhì)元素不足或比例不合理，都會(huì)影響光合作用的效率。缺氮的作物缺鉀的作物缺磷的作物㈣溫度光合作用是一系列的化學(xué)反應(yīng)，需要由酶來(lái)催化