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1、光合作用,第四章,第一节 引论,光合作用(photosythesis)是绿色植物利用光能,把CO2和H2O同化为有机物,并释放O2的过程。,CO2+2H2O,绿色植物,光,(CH2O)+H2O+O2,光合作用的总反应式:,光合作用过程的特点: 光合作用是氧化还原过程。是和细胞呼吸相反的过程。,光合作用的特点,是一个氧化还原反应,(1)水被氧化为分子态氧,(2)二氧化碳被还原到糖水平,(3)同时发生日光能的吸收,转化和贮藏,海洋固定1/3的CO2。 陆地固定2/3的CO2。,光合作用的意义 光合对植物自身的意义:吸收和转换光能,并贮存起来合成有机质,提供碳素营养。,光合作用对生物界有三大意义:,
2、(1)把无机物转变为有机物,为其它生物提供碳素营养 光合作用的结果之一是将简单的无机物CO2,转化为有机物,这不仅满足了植物自身发展的需要,而且也成为其它异养生物的碳素来源。因此,在生物圈中,绿色植物是基础生产者。 据估计,地球上每年固定71011吨CO2,折合成碳素为1.391011吨,折合为有机物为51011吨。,(2)将光能转化为化学能(为其它异养生物提供可用能量) 绿色植物在把CO2转化为有机物的过程中,把光能转化为化学能,贮存在有机物中,是人类和其它异养生物生命活动最终的能量来源,也为人类提供了其它能量。我们现在燃烧的植物材料,是现在光合作用的结果,燃烧的石油、天然气、煤是远古时代光
3、合作用的结果。,3释放O2维持大气中O2和CO2的相对平衡 光合作用每年向大气中释放5.531011吨O2是地球上氧气的来源,由于大气中O2的存在,其它需氧生物才能够在地球上产生,进化和发展。(其它需O2生物产生后,光合作用又担负了维持大气中O2和CO2相对平衡的任务。) 目前,由于人类活动大量释放CO2,以及绿色植被减少,大气中O2和CO2的平衡正在被打破。据记载: 1900年 300ppm 1960年 310ppm 1970年 320ppm 1990年 330-350ppm 2003年 375.64ppm CO2过多已经产生温室效应,使气温升高。,CO2浓度升高,产生温室效应,它的危害是
4、(1)使干旱地区更干旱,沙漠化扩大;,荒漠化 desertification,Beautiful land,(2)南北极冰川融化,海平面上升,沿海低洼地淹没。,CO2浓度升高也有有利之处: (1)在部分地区有利于光合作用; (2)气温升高扩大植物的分布范围。,一、光合作用的研究历史,公元前3世纪,亚里士多德(Aristotle)提出,植物生长在土壤中,土壤是构成植物体的原材料。,五年后,+74.7kg,0.057kg,1642年,医生范赫尔蒙特(J.B. van Helmont)的实验得出,植物是从水中取得生长所需的物质的。,结论:植物增重主要来自水分,1772年,化学家Joseph Prie
5、stley 实验得出,植物能净化空气。 1779年,医生Jan Ingenhousz确定植物净化空气是依赖于光的。,结论:植物放氧需要光照,B组,A组,1782年,牧师J.Senebier证明,植物在照光时吸收CO2,并释放氧气。 1796年, Jan Ingenhousz提出,植物在光合作用中所吸收的CO2中的碳构成有机物的组成成分。 1804年,N.T.de Saussure发现,植物光合作用后增加的重量大于CO2吸收和O2释放所引起的重量变化,认为水参与了光合作用。 1864年,J. Sachs观察到照光的叶绿体中有淀粉的积累。 至此,对光合作用的认识为 6CO2+6 H2OC6H12O
6、6+6O2(光、绿色植物),20世纪30年代,Van Niel比较了不同生物的光合作用过程,发现了共同之处(绿色植物、紫硫细菌、氢细菌)提出了光合作用的通式为 CO2+2H2A(CH2O)+2A+H2O 1937年,R.Hill从细胞中分离出叶绿体,证明光合作用产生的O2不是来自CO2,而是来自H2O。并将光合作用分为两个阶段: (1)光诱导的电子传递以及水的光解和O2的释放; ( 2 ) CO2还原和有机物的形成。 Hill reaction: H2O+AAH2+1/2O2(光) 40年代初,同位素实验进一步肯定了Van Niel和R.Hill的科学预见,证明光合作用产生的O2不是来自CO2
7、,而是来自H2O。,光合作用的细胞器是叶绿体,二、光合作用概述,叶肉细胞的叶绿体,光合作用的光反应和碳反应之间的关系,第二节 光反应,一、叶绿素对光的吸收,光子所含的能量与光的波长有关,植物能吸收的光是可见光。,叶绿素叶绿素,叶绿素的结构:,色素是一类含有能吸收可见光谱中特定波长的化学基团,即发色团的分子。可分为三大类:叶绿素类、类胡萝卜素类和藻胆素类。,9,叶绿素,类胡萝卜素,胡萝卜素,叶黄素,藻胆素,叶绿素最大吸收区: 红光区 640-660nm 蓝紫光区 430-450nm,吸光值,叶绿素 a,400,600,500,700,叶绿素 b,-胡萝卜素,波长 (nm),几种光合色素的吸收光谱
8、,荧光现象和磷光现象,荧光现象叶绿素溶液在入射光下呈绿色,而在反射光下呈红色,这种现象称为荧光现象。 磷光现象当去掉光源后,还能继续辐射出极微弱的红光,这种光称为磷光现象。,二、光系统,光合作用可分为三大步骤: (1)原初反应,包括光能的吸收、传递和转换过程; (2)电能转变为活跃的化学能过程,包括电子传递,氧的释放和光合磷酸化; (3)碳同化,即活跃的化学能转变为稳定的化学能过程。,(原初反应),过程:(1)天线色素光能成为激发态; (2)激发态天线色素将能量传递给作用中心色素; (3)作用中心产生电荷分离。,反应中心和光合单位,光合单位=聚光色素分子+作用中心色素分子,(300个左右),(
9、1个),能量“陷阱”,存在光系统和光系统的两个光系统的证明: 红降现象和增益效应,三、光合电子传递系统,光合链:光合作用的光反应是由光系统和光系统这两个光系统启动的,两个光系统由电子传递链连接起来。连接两个光反应的排列紧密而互相衔接的电子传递物质称为光合链。,光化学反应是指反应中心色素分子吸收光能所引起的氧化还原反应。,(一)光合作用的光化学,(二)光系统和光系统的协作,(三)光合磷酸化作用,叶绿体在光下把无机磷和ADP转化为ATP形成高能磷酸键过程。,电子传递与光合磷酸化的偶联机理,化学渗透假说:,电子传递链,环式光合磷酸化,非环式光合磷酸化,假环式光合磷酸化,光合磷酸化类型:,非环式光合磷酸化,环式光合磷酸化,ATP的形成,光合磷酸化与氧化磷酸化的异同,光系统II的运转和水的光解,LHCII,水的光解和氧气的释放,LHCII,电子从PSII向PSI的流动,PSI的运转和NADP+的还原,
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