5.4光合作用与能量转化（知识清单）（6知识+7拓展）生物人教版必修1

该高中生物学知识清单系统梳理了光合作用与能量转化的知识体系。从绿叶中色素的提取分离实验切入，涵盖叶绿体结构与功能，再到光合作用的探索历程、光反应与暗反应过程，最后延伸至影响因素、生产应用及化能合成作用，形成完整的能量转化知识链。 知识链路以实验为基础、原理为核心、应用为目标，通过实验异常分析、同位素标记法等培养科学思维，结合C4/CAM植物等拓展体现结构与功能观，曲线分析和环境骤变影响等内容强化探究实践能力，助力学生构建生命观念。

第五章 细胞的能量供应和利用 第4节 光合作用与能量转化 漫画图谱·概览→必备知识·速记→关键能力·拓展 绿叶中的色素 一、实验：绿叶中色素的提取和分离 1.实验原理 ①提取色素的原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。 ②分离色素原理是：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。分离绿叶中的色素的方法：纸层析法。2. 实验用品及作用（写出作用） ①无水乙醇：溶解、提取色素。 ②二氧化硅：有助于研磨充分。 ③碳酸钙：防止研磨时色素被破坏。 ④单层尼龙布：过滤。 ⑤试管口塞紧：防止无水乙醇挥发和色素氧化。 3.实验过程 ①提取色素：称取绿叶→剪碎→加二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇→研磨→过滤。 ②制备滤纸条：将滤纸条一端剪去两角，画滤液细线（细、齐、直，待干后重复画 2～3 次）。剪去两角的目的是保证层析液同步扩散，色素带平直整齐。重复画2～3次的原因是增加色素量，色素带清晰。 ③分离色素：将滤纸条插入层析液中（滤液细线不能触及层析液），加盖培养皿。 4.实验结果： 色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度 胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快 叶黄素 黄色 较少 较高 较快 叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢 叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢 5.常见异常结果分析： ①所有色素带颜色浅：叶片不新鲜；研磨不充分或未加二氧化硅；无水乙醇过多稀释色素；滤液细线画的次数太少。 ②叶绿素两条带很窄，类胡萝卜素正常：未加碳酸钙，叶绿素被破坏。 ③看不到色素带：滤液细线浸入层析液；滤液细线过粗。 ④色素带弯曲：滤纸条两角未剪掉。 ⑤色素带重叠：滤液细线画得不细、不齐；层析时滤纸条晃动。 二、绿叶中色素的分类与功能 1.色素的分类 绿叶中色素有四种，大可以可以归为两大类： 叶绿素a（蓝绿色） 叶绿素 叶绿素b（黄绿色） 绿叶中的色素 （含量约占3/4） 类胡萝卜素 胡萝卜素（橙黄色） （含量约占1/4） 叶黄素（黄色） 2.色素的功能： 这些色素可以吸收、传递和转化光能（叶绿素a可将光能转化为化学能，其他色素仅吸收和传递光能）。其中：叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。 写出上图中曲线对应的色素： ①叶绿素a ②叶绿素b ③类胡萝卜素 3. 影响叶绿素合成的因素： ①光照：光是叶绿素合成的必要条件，黑暗中植物叶片发黄（如韭黄）。 ②温度：影响与叶绿素合成相关酶的活性，低温会导致叶绿素分解（如秋天叶片变黄）。 ③矿质元素：N、Mg 是叶绿素的组成元素，缺乏时叶绿素无法合成；Fe、Mn 等元素参与叶绿素合成的酶促反应，缺乏也会影响叶绿素合成。 叶绿体的结构和功能 一、叶绿体的结构 1.写出图中序号代表的结构名称： ①叶绿体外膜；②叶绿体内膜；③类囊体；④叶绿体基质。 2. 显微结构 叶绿体呈扁平的椭球形或球形，具有双层膜。 3.亚显微结构 ①外膜和内膜：分隔叶绿体与细胞质，控制物质进出。 ②基质：含有与暗反应有关的酶、少量 DNA 和 RNA。 ③类囊体：由膜构成的圆饼状的囊状结构，类囊体薄膜上分布着光合色素和与光反应有关的酶，是光反应的场所。 ④基质类囊体：贯穿于基粒之间，使类囊体膜形成连续的膜系统，增大受光面积。 ⑤基粒：由类囊体堆叠而成。 二、叶绿体的功能 1.场所： 光合作用的完整场所（光反应在类囊体薄膜，暗反应在基质）。 2.验证实验：恩格尔曼的水绵实验 实验材料：水绵（叶绿体呈螺旋带状，便于观察）、需氧细菌。 实验条件：无空气的黑暗环境（排除氧气和光的干扰）。 实验过程：用极细光束照射水绵，观察需氧细菌的分布；再进行曝光处理作对照。 实验结论：叶绿体是光合作用的场所，光合作用产生氧气，且叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。 实验巧妙之处：利用需氧细菌确定氧气释放部位；极细光束形成光照和黑暗的对照；黑暗无空气环境排除干扰。 光合作用的概念及探索历程 1.光合作用的概念 光合作用指绿色植物通过叶绿体，利用光能，将CO2和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出O2的过程。 光合作用概括化学式： 光能 叶绿体 CO2+ H2O （CH2O）+ O2 光合作用计算式与有氧呼吸的总反应式在物质上相反。光合作用计算式：6CO2+12H2O → C6H12O6+6H2O+6O2 2.光合作用的探索历程（部分） （1）希尔实验 反应过程： 希尔发现在离体叶绿体的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有 H2O，没有 CO2），在光照下可以释放出氧气。离体叶绿体在适当条件下发生水的光解、产生氧气的化学反应称作希尔反应。 实验分析：该实验不能说明植物光合作用产生的O2中的O元素全部来自于水，只能说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应。 （2）鲁宾和卡门实验 实验方法：同位素标记法。 自变量：被标记的物质。 因变量：释放氧气的质量。 本实验为对比实验，两组均为实验组，相互对照 实验设计思路：用18O分别标记H2O和CO2，一组提供H218O和CO2, 另一组提供H2O 和C18O2；放在其他条件相同的条件下培养， 一段时间后检测两组O2的释放情况。 结果：第一组释放的氧气都为18O2，第二释放的均为O2。 实验结论：光合作用释放的氧气来自H2O 不来自CO2。 （3）阿尔农：发现ATP的合成总与水的光解相联系。 （4）卡尔文实验： 实验方法：放射性同位素标记法。 材料：小球藻 条件：提供光照、14CO2； 不同时间（几十秒内、几秒内、1秒以内）把小球藻放入煮沸（杀死小球藻使酶失活）的酒精（提取有机物）中，再用纸层析分离，最后鉴定放射性物质发现C原子的转移途径为 ：14CO₂→14C3→ (14CH₂O ) 。 光合作用的过程 1.光合作用根据是否需要光能分为光反应阶段和暗反应阶段。 写出上图序号代表的物质或过程： (1)I：光反应阶段；II：暗反应阶段。 (2)①：O2，②：NADPH，③：ATP。 (3) A：CO2的固定，B：C3的还原。 2.光反应 ①场所：类囊体薄膜 ②条件：必须有光条件下进行 ③物质变化：光能 水的光解：2H₂O O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ NADPH的合成：2e⁻ + H⁺ + NADP⁺ →NADPH ATP的合成：ADP + Pi + 能量（光能）→ATP ④能量转化：光能→ATP和NADPH中活跃的化学能 3.暗反应 ①场所：叶绿体基质 ②条件：有光无光均可 ③物质变化：酶 CO2的固定：C5+CO2→2C3酶 C3的还原：2C3+ATP+NADPH→（CH2O）+C5+ADP+Pi+NADP+ ④能量变化：ATP和NADPH中活跃的化学能→有机物中稳定的化学能 4.光反应与暗反应的联系 ①光反应为暗反应提供ATP和NADPH；暗反应为光反应提供ADP、Pi、NADP+。 ②没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，有机物无法合成。 ③总之，光反应是暗反应的物质转换和能量转化的准备阶段，暗反应是光反应的继续是物质转换和能量转化的完成阶段。 5.光合作用的实质 从物质角度看：光合作用是一个合成反应，是把无机物合成为有机物的过程。 从能量角度看，光合作用是自然界中的一种能量转化过程，是把光能转化为糖类等有机物中化学能的过程。 光合作用原理的应用 1.光合作用强度 （1）概念：植物在单位时间内通过光合作用制造糖类的数量 （2）表示方法 ①单位时间内光合作用产生的有机物的量 ②单位时间内光合作用消耗的CO2的量 ③单位时间内光合作用产生的O2的量 2.探究光照强度对光合作用强度的影响 （1）实验原理 光合作用 产生O2 抽气 叶片含有空气，上浮 叶片下沉 细胞间隙充满O2，叶片上浮。光合作用越强，单位时间内圆形小叶片上浮的数量越多。 （2）实验装置 （3）实验过程 ①打出圆孔小叶片。用打孔器在生长旺盛的绿叶上打出直径0.6cm的圆孔小叶片，避开大叶脉。 ②抽出小叶片内气体。用注射器（内有清水和圆形小叶片）抽出小叶片内气体。 ③圆形小叶片沉到水底。将处理好的圆形小叶片，放入黑暗处盛有清水的烧杯中待用。 ④强、中、弱三种光照处理。取三只小烧杯，分别倒入富含CO2的清水，再各放入10片圆形小叶片，进行强、中、弱三种光照处理。 （4）变量分析 该实验自变量是光照强度，可通过调节小烧杯与光源之间的距离或台灯的瓦数来控制自变量； 因变量：同一时间段内小圆叶片浮起的数量或浮起相同数量小圆叶片所需时间 无关变量：叶片的大小和数量、 温度、NaHCO3溶液浓度等。 （5）实验结论： 在一定范围内，随着光照强度不断增强，光合作用强度也不断增强（圆形小叶片释放的O2多，浮起的叶片数量多）。 3.影响光合作用的因素 影响光合作用的因素分为外因（环境因素）和内因（自身因素）。 （1）外因（环境因素） ①光照强度：在一定范围内，光合速率随光照强度的增强而加快；超过光饱和点后，光合速率反而会下降。 ②温度：温度可影响酶的活性，从而影响光合速率。 ③CO₂浓度：在一定范围内，光合速率随CO₂浓度的增加而加快；达到一定程度后，光合速率维持在一定水平不再增加。 ④水分：水是光合作用的原料之一，缺水时光合速率下降。 ⑤无机盐：N元素是叶绿素、酶、ATP 的组成元素；Mg元素是叶绿素的核心组成元素，缺 Mg 叶绿素合成不足，光合下降； P磷元素是ATP、磷脂的核心元素；K元素能促进有机物运输。 ⑥光质：光质即光的波长，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，对绿光吸收最少，因此同等光照强度下白光光合速率最高，红光与蓝紫光光合效率较高，绿光效率最低。 （2）内因 ①叶绿素含量：叶绿素越多，捕获光能越多 ②酶的数量与活性（暗反应关键） ③叶龄：幼叶光合弱；成熟叶最强；衰老叶光合下降 ④叶绿体数量、叶片面积 4.生产应用 实例 原理 间作套种 不同植物对光照的需求不同 冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低 白天提高温度，促进光合作用； 夜间降温，抑制呼吸作用 “正其行、通其风” 增大CO2浓度，有利于光合作用的进行 合理灌溉 缺少水导致气孔关闭，CO2供应不足 化能合成作用 1.概念 自然界中少数种类的细菌虽然细胞内没有叶绿素不能进行光合作用，但能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。这种合成作用称为化能合成作用。这些细菌属于自养生物。 2.代表生物：硝化细菌、硫细菌、铁细菌 3.实例：硝化细菌 ①氨的氧化：2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + 能量 ②亚硝酸的氧化：2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + 能量 ③有机物的合成：CO₂ + H₂O →(CH₂O) + O₂ 知识拓展 1.提取色素是采用了化学上的“相似相溶原理”，提取方法是萃取法。无水乙醇也可以采用95%乙醇+无水碳酸钠制备。 2. 色素化学本质：叶绿素含镁元素；类胡萝卜素只含 C、H。叶绿素不稳定，光照、酸性条件易分解；类胡萝卜素较稳定。秋天叶片变黄：叶绿素分解，类胡萝卜素显现。 3. 层析液成分：由石油醚（石油在60~90℃分馏出来的）、丙酮、苯按照20:2:1混合配制，有毒，严禁接触皮肤。 4. 枫叶呈红色：液泡中花青素，花青素不是光合色素，不在叶绿体；低温叶绿素降解，花青素显现。 5.加碳酸钙的原因是中和有机酸，防止叶绿素被酸性物质破坏，类胡萝卜素不受酸影响。不加碳酸钙，滤纸条叶绿素条带颜色变浅。 注意 1.选材要选新鲜、浓绿的叶片，色素含量高；不选发黄、老叶，叶绿素含量低。 2.研磨后用单层尼龙布过滤，不能用滤纸，滤纸会吸附色素。 3.滤液细线不能触及层析液，否则色素直接溶解在层析液，滤纸条无色素带。 4.层析液有毒并且具有挥发性，装置要加盖。 光谱与色素吸收原理 白光（太阳光）是复合光，包含波长为400750nm全部可见光。波长100~400nm的光线称为紫外线，波长超过760nm的光线称为红外线。 白光通过三棱镜发生色散（折射分光），按波长分开，从上到下依次：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫连续彩色光带。称为可见光谱。照射到叶片上的太阳光里，叶绿体类囊体薄膜上的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光；绿光很少被色素吸收，大多被叶片反射、透射进入人眼，因此叶片呈现绿色。 高频易错 1.并不是所有植物细胞都具备叶绿体。植物根尖细胞、叶表皮细胞（保卫细胞除外）不含有叶绿体，只有叶肉细胞、保卫细胞等部分细胞才有叶绿体。 2.光合色素只分布在叶绿体的类囊体薄膜上，叶绿体基质、叶绿体内膜与外膜上均不存在光合色素。 3.叶绿体内不存在染色体。叶绿体拥有裸露的环状 DNA 分子，但 DNA 不与蛋白质结合形成染色体，因此叶绿体内部无染色体结构。 4. 线粒体和叶绿体增大膜面积的方式极易混淆。线粒体依靠内膜向内折叠形成嵴扩大膜面积；叶绿体是依靠类囊体堆叠形成基粒来增大膜面积，二者方式不能记混。 5.叶绿体中可以发生转录和翻译过程。叶绿体含有少量环状 DNA、RNA 以及核糖体，能够自主合成部分蛋白质，但大部分蛋白质仍由细胞核基因控制合成，属于半自主性细胞器。 6.黑暗环境会影响叶绿素的合成，但不会直接破坏叶绿体结构。无光条件下叶绿素无法合成，叶片表现黄化，不过叶绿体的完整结构依旧可以存在。 7.光合作用不一定必须依靠叶绿体。蓝细菌属于原核生物，细胞内没有叶绿体，但是细胞中含有光合色素与相关酶，依旧可以完成光合作用。 注意 1.注意：→、光能、叶绿体、（ ）必写 2.生成物中的 H2O不是反应物中水简单剩余，是暗反应阶段新生成的水；反应物的 12 分子 H2O 全部参与光解。 3.概括化学式中的(CH2O) 代表糖类等有机物，不只是葡萄糖。 4.光合作用和有氧呼吸物质看似可逆，但不是可逆反应：酶完全不同、能量来源不同、反应场所不同，仅仅物质循环上相反。 知识拓展 希尔反应体系：无 CO2，只能发生光反应，不能进行暗反应，没有糖类生成。实验中外加铁盐 / 氧化剂充当NADP +的替代物，接受水光解产生的电子和氢离子。因此希尔反应模拟的就是光合作用的光反应阶段（水的光解）。 注意 18O是稳定同位素，无放射性，实验检测的是氧气的质量差异，采用的质谱法，不是检测放射性。实验只能说明 O2 的氧来自水，不能直接证明碳的转移路径。 解题技巧 同位素标记法两套： 稳定同位素：18O，测质量，无放射性。放射性同位素：14C，检测放射性信号 题目只要看到 “检测放射性”，18O 相关选项直接排除。 知识拓展 NADPH（还原型辅酶II）：其氧化型为NADP+，主要来源是光合作用光反应阶段，合成NADPH需要H+和电子均是由水的光解提供的，其主要用途就是为 C₃还原提供部分能量。NADPH 只在叶绿体内部使用，不会运出叶绿体；细胞呼吸不产生 NADPH，呼吸产生的是NADH（还原型辅酶 Ⅰ）。NADPH 也出现在细胞质、线粒体：参与合成代谢（脂肪酸合成、胆固醇合成、谷胱甘肽抗氧化），此时来源于磷酸戊糖途径。 注意 光反应产生的 ATP 只能用于暗反应，不能用于细胞中其他部位的生命活动，其他部位的生命活动所需 ATP 来自细胞呼吸。因此，植物 ATP 的来源有两个途径：细胞呼吸和光反应。 知识拓展 光合作用过程中各元素的转移途径 H:³H₂O→NADP³H →(C³H₂O) C:¹⁴CO₂→¹⁴C₃→(¹⁴CH₂O) O: ①H₂¹⁸O →¹⁸O₂ ②C¹⁸O₂→C₃ →(CH₂¹⁸O) 注意 1.关于“抽气”操作的细节 在探究光照强度实验中，抽取叶片内气体时，如果叶片边缘卷曲严重或沉底速度过慢，说明细胞间隙气体未排尽。注意：此时不能为了追求沉底而过度抽气，否则会导致细胞结构破坏，叶片放入烧杯后不仅不上浮，反而会腐烂或沉底不动。 2.关于光源的选择 冷光源 vs 热光源：实验设计题中，若提到使用白炽灯，必须考虑其热效应。标准答案通常建议加一个盛水玻璃柱隔热，或者直接使用LED冷光源。如果不做隔热处理，距离越近温度越高，这就变成了“光照强度+温度”的双变量实验，导致结论失效。 3.NaHCO₃溶液的浓度控制 NaHCO₃不是越多越好。浓度过高会导致外界溶液渗透压大于细胞液渗透压，引起叶肉细胞失水（质壁分离），进而导致气孔关闭、代谢减弱甚至细胞死亡，反而抑制光合作用，导致叶片不上浮。 知识拓展 光合午休是指植物在夏季晴朗的中午，因高温、强光和低湿等环境条件，导致光合作用速率及有机物积累出现暂时性下降的现象。在光合速率的日变化曲线上，这通常表现为上午和下午各有一个高峰，而在正午出现明显低谷的“双峰曲线”。 该现象的发生是多重因素叠加的结果。首先是气孔限制，正午蒸腾作用过强，植物为防止失水会主动关闭气孔，导致二氧化碳供应不足，暗反应受阻；其次是光抑制与光氧化损伤，过强的光照超出了叶绿体的处理能力，产生大量活性氧（如单线态氧），破坏光合结构；此外，高温还会导致催化暗反应的酶活性降低，并加剧呼吸消耗。 光合午休会大幅降低作物的光能利用效率，给农作物造成约30%的产量损失。在农业生产中，常通过适时灌溉、喷雾降温增湿或果园生草等措施来缓解这一现象。最新研究还发现，植物体内存在一种MBS1蛋白，能在强光下形成“生物防晒霜”主动保护叶绿体，这为未来通过基因技术提高作物产量提供了新方向。 光合色素吸收光能的原理 一、光合色素的分子基础：卟啉环、共轭体系与电子跃迁 光合作用的首要任务是高效捕获太阳光能，并将其转化为化学能。这一关键任务由位于叶绿体类囊体膜上的光合色素承担。在这个微观的“太阳能收集阵列”中，叶绿素是绝对的主角，而类胡萝卜素则是不可或缺的辅助角色。 叶绿素分子在结构上具有一个显著特征：一个巨大的共轭双键系统——卟啉环。在这个环的中心，通常配位着一个镁离子（Mg²⁺）。这种特殊的共轭结构使得π电子在环上的离域性极强，其能级差恰好对应可见光光子的能量。当光子撞击叶绿素分子时，其能量被卟啉环上的电子吸收，使电子从稳定的基态跃迁到不稳定的激发态。这是光能转化为化学能的第一步。 类胡萝卜素分子则具有完全不同的结构特征。它们通常由长链共轭多烯烃组成，这种结构赋予了它们吸收不同波长光的能力，尤其是蓝光和紫光区域（400~500nm）。类胡萝卜素通过其独特的共轭体系有效地吸收光能，并将其传递给叶绿素，从而极大地扩大了整个光合作用系统的光能利用范围，填补了叶绿素吸收的盲区。 此外，叶绿素分子还拥有一条长长的植醇尾，这是一条疏水性的碳氢链。虽然它不直接参与光吸收，但其作用至关重要：它像船锚一样将叶绿素分子牢牢固定在类囊体膜的疏水核心中，确保色素分子在空间排列上的稳定性，从而保证能量传递的高效性。 图1-1叶绿素及类胡萝卜素的分子的结构图 二、吸收光谱与作用光谱：色素的功能指纹与协同效应 不同的光合色素由于分子结构的差异，吸收不同波长的光，这构成了它们的“吸收光谱”。叶绿素a和叶绿素b在可见光区有两个主要的吸收峰：一个在蓝紫光区（约430-450nm），另一个在红光区（约660-680nm）。而在绿光区（约500-600nm），它们的吸收率极低，大部分绿光被反射或透过，这正是植物叶片呈现绿色的原因。 然而，仅仅知道吸收光谱是不够的，我们还需要了解“作用光谱”，即不同波长的光驱动光合作用的实际效率。实验表明，作用光谱与所有光合色素（包括叶绿素和类胡萝卜素）的总吸收光谱高度吻合，而非仅仅与叶绿素a的吸收光谱重合。这一现象具有重要的生物学意义：它暗示了除了叶绿素a之外，还有其他色素（如叶绿素b和类胡萝卜素）积极参与了光能的捕获，并将能量高效传递给了叶绿素a。这种协同作用使得植物能够利用更宽光谱范围的太阳能。 三、天线色素与反应中心：光能的汇聚、电荷分离与电子传递 光吸收并非杂乱无章，而是高度有序的组织化行为。在类囊体膜上，光合色素分子与特定的蛋白质结合形成“光系统”。一个光系统由两部分组成：天线复合体和反应中心。 绝大多数色素分子（包括大部分叶绿素a、全部叶绿素b和类胡萝卜素）充当“天线色素”。它们像卫星天线一样，负责捕获光子，并通过共振能量传递的方式，将能量迅速传递给邻近的色素分子。这种传递具有严格的方向性，能量总是从高能级色素流向低能级色素，最终汇聚到反应中心的一对特殊的叶绿素a分子上。 这对特殊的叶绿素a分子被称为“作用中心色素”或“陷阱”。一旦它们接收到能量被激发，就会发生电荷分离，释放出高能电子，从而真正开启光化学反应的电子传递链。在这一过程中，这些叶绿素分子从水中夺取电子，使得水分子分解成氧气和质子（光解水），而电子则被传递到后续反应中，用于合成腺三磷（ATP）和还原型辅酶II（NADPH），为植物提供能量和用于有机物质的合成。 图1-2天线色素与反应中心示意图 光合电子传递链和光合磷酸化 一、非环式电子传递：光能向化学能的线性转化 在植物叶绿体的类囊体膜上，光合电子传递链与光合磷酸化是两个紧密偶联的生化过程。光合电子传递链是一系列按特定空间顺序排列在类囊体膜上的蛋白质复合体和可移动电子载体。该传递链主要包括光系统Ⅱ（PSⅡ）、质体醌（PQ）、细胞色素b6f复合体（Cyt b6/f）、质体蓝素（PC）、光系统Ⅰ（PSⅠ）、铁氧还蛋白（Fd）以及铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）。 图2-1 非环式电子传递链及光合磷酸化示意图 光合电子传递的过程始于光系统Ⅱ。当光系统Ⅱ的反应中心色素分子P680吸收光能后，被激发并释放出一个高能电子。失去电子的P680⁺具有极强的氧化能力，它从位于类囊体腔侧的放氧复合体获取电子，促使水分子发生光解。水的光解反应式为2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e⁻，该过程向类囊体腔内释放质子（H⁺），同时释放氧气，并为光系统Ⅱ补充电子。 释放出的高能电子首先传递给光系统Ⅱ的原初电子受体，随后进入质体醌（PQ）。质体醌是一种脂溶性分子，能够在类囊体膜的脂双层中自由移动。质体醌在膜的外侧（基质侧）接受来自光系统Ⅱ的电子，同时从基质中摄取质子，被还原为质体醌醇（PQH₂）。质体醌醇随后扩散至细胞色素b6f复合体，在此处发生氧化，将电子传递给细胞色素b6f复合体，并将之前摄取的质子释放到类囊体腔内。这一过程被称为质体醌循环，它是向类囊体腔内泵送质子的重要机制。 电子从细胞色素b6f复合体传递给位于类囊体腔侧的可移动铜蛋白——质体蓝素（PC）。质体蓝素将电子传递至光系统Ⅰ的反应中心色素分子P700。此时，光系统Ⅰ的P700吸收光能再次被激发，将电子提升至更高的能级。高能电子从光系统Ⅰ传递给原初电子受体后，经铁氧还蛋白（Fd）传递至铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）。在FNR的催化下，电子和基质中的质子共同将NADP⁺还原为NADPH。这条从水到NADP⁺的线性电子传递路径被称为非环式电子传递。 二、质子动力势与ATP合酶的分子机制 在光合电子传递链运行的同时，类囊体膜两侧形成了跨膜质子电化学梯度。该梯度的建立主要依赖三个来源：第一，水的光解直接在类囊体腔内释放质子；第二，质体醌循环在将电子传递给细胞色素b6f复合体的过程中，将基质中的质子泵入类囊体腔；第三，NADPH在基质侧生成时消耗了基质中的质子。这三种机制共同导致类囊体腔内的质子浓度显著高于基质侧，形成pH差和跨膜电势差，统称为质子动力势。 光合磷酸化是指利用上述跨膜质子电化学梯度驱动ADP与无机磷酸（Pi）合成ATP的过程。这一过程由嵌在类囊体膜上的ATP合酶复合体催化完成。ATP合酶由突出于基质侧的CF₁催化头部和嵌入膜内的CF₀质子通道组成。当类囊体腔内的质子顺浓度梯度通过CF₀通道流向基质时，释放的自由能驱动CF₁发生构象变化。 根据结合改变机制，CF₁催化头部的β亚基在质子流的驱动下发生旋转。在旋转过程中，β亚基依次经历三种不同的构象状态：松散结合态（L态）、紧密结合态（T态）和开放态（O态）。在L态，ADP和Pi松散地结合在酶上；随着构象转变为T态，ADP和Pi被紧密挤压，催化形成ATP；当构象转变为O态时，新合成的ATP从酶上释放。质子每通过ATP合酶回流一定数量，CF₁便合成并释放一分子ATP。这种由光照引起的电子传递与ADP磷酸化相偶联的过程，即为光合磷酸化。 图2-2 ATP合酶的工作原理图 三、环式光合磷酸化：ATP产出的调节途径 除了非环式电子传递偶联的光合磷酸化外，植物体内还存在环式光合磷酸化。在环式电子传递中，光系统Ⅰ受光激发释放的高能电子不传递给NADP⁺，而是经由铁氧还蛋白（Fd）传递给质体醌（PQ），随后进入细胞色素b6f复合体、质体蓝素（PC），最终返回光系统Ⅰ。这一循环过程不涉及光系统Ⅱ，不发生水的光解，也不产生NADPH和氧气。但是，电子在经由细胞色素b6f复合体传递时，依然会将质子从基质泵入类囊体腔，建立跨膜质子梯度。因此，环式电子传递同样能够驱动ATP合酶合成ATP。环式光合磷酸化主要在植物需要额外ATP而NADPH需求较低时发生，用于调节光反应中ATP与NADPH的产出比例。 图2-3 环式光合磷酸化电子传递路径示意图（图中蓝色箭头和红色箭头部分） 四、化学渗透偶联机制的结构基础 光合电子传递链与光合磷酸化的偶联机制遵循化学渗透学说。该学说的核心在于，电子传递释放的能量并不直接用于合成ATP，而是先转化为储存在跨膜质子梯度中的势能。类囊体膜对质子具有不通透性，质子只能通过ATP合酶这一特定通道回流，从而强制将氧化还原反应释放的能量与磷酸化反应偶联在一起。如果类囊体膜的完整性被破坏，或者使用解偶联剂使质子能够自由穿过膜，质子梯度将迅速消散，此时即使电子传递仍在进行，ATP的合成也会停止。这证明了跨膜质子梯度是连接光合电子传递与光合磷酸化的必需中间能量载体。 暗反应（卡尔文循环）与光呼吸 一、暗反应（卡尔文循环） 卡尔文循环发生在叶绿体基质中，其本质是利用光反应产生的ATP和NADPH，将二氧化碳逐步还原为碳水化合物。整个循环可分为三个相互衔接的阶段：羧化阶段（固碳阶段）、还原阶段和RuBP再生阶段。为便于理解，以下以固定3分子CO₂为一个完整的循环单位进行描述。 （一）羧化阶段（Carbon Fixation） 羧化阶段是卡尔文循环的起点，也是整个光合作用碳同化的第一步。在这一阶段中，3分子CO₂在Rubisco的催化下，分别与3分子五碳糖RuBP（每个含5个碳原子）结合。每次结合产生一个不稳定的六碳中间体，该中间体立即裂解为2分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）。因此，固定3分子CO₂共生成6分子3-PGA（每分子含3个碳原子，总计18个碳）。 Rubisco是地球上最丰富的蛋白质，每年固定超过1000亿吨二氧化碳。它由8个大亚基和8个小亚基组成，结构复杂。Rubisco的催化效率并不高——它的转换数（turnover number）很低，因此植物需要合成大量的Rubisco来弥补其效率的不足。 图3-1 卡尔文循环示意图 （二）还原阶段（Reduction） 羧化阶段生成的6分子3-PGA还不能直接用于合成糖类，需要经过还原才能转化为碳水化合物。还原阶段包含两个步骤： 第一步（磷酸化） ：6分子3-PGA在磷酸甘油激酶的催化下，接受6分子ATP提供的磷酸基团，转化为6分子1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPGA） 。 第二步（还原） ：6分子1,3-BPGA在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下，接受6分子NADPH提供的还原力（氢和电子），被还原为6分子甘油醛-3-磷酸（G3P） 。 至此，6分子G3P中共含18个碳原子（与投入的3分子CO₂的3个碳原子以及3分子RuBP的15个碳原子之和相当）。其中1分子G3P（含3个碳）作为净产物离开循环，用于合成葡萄糖、蔗糖、淀粉等有机物。剩余的5分子G3P（共15个碳）则进入下一阶段，用于再生RuBP。 （三）RuBP再生阶段（Regeneration） 再生阶段是卡尔文循环中最复杂的一环，涉及一系列碳骨架的重排反应。5分子G3P（共15个碳）在一系列酶的催化下，经过磷酸化、异构化、缩合和裂解等反应，重新组合为3分子RuBP（每个含5个碳，共15个碳）。这一过程需要额外消耗3分子ATP。再生阶段完成后，3分子RuBP又可以作为CO₂的接受体，开启新一轮的羧化反应。循环得以持续运转。 （四）能量与物质平衡 综合三个阶段，每固定3分子CO₂并净生成1分子G3P，卡尔文循环共消耗：9分子ATP（还原阶段6分子+再生阶段3分子）和6分子NADPH（全部用于还原阶段）这些ATP和NADPH全部来自光反应。因此，卡尔文循环虽然被称为“暗反应”，却高度依赖光反应提供的能量和还原力。 二、光呼吸：Rubisco的“失误” 如果说卡尔文循环是光合作用碳同化的“正道”，那么光呼吸就是这条正道上一条代价高昂的“岔路”。 （一）光呼吸的发现 光呼吸的发现晚于卡尔文循环。1920年，德国科学家奥托·瓦尔德堡（Otto Warburg）发现光合速率会因氧气分压升高而降低——这一现象后来被称为“瓦尔德堡效应”。1955年，约翰·德柯尔（John Decker）通过实验偶然观察到，烟草叶片在光照突然停止后会释放出大量二氧化碳，他称之为“二氧化碳的猝发”。直到1972年，爱德华·托尔伯特（Edward Tolbert）才正式阐明了光呼吸的完整生化机制。 （二）光呼吸的起因：Rubisco的双重性格 光呼吸的根源在于Rubisco的“双重性格”。Rubisco不仅能够催化RuBP与CO₂结合（羧化反应），也能催化RuBP与O₂结合（加氧反应）。这是因为CO₂和O₂在分子结构和化学性质上具有一定的相似性，足以迷惑Rubisco的活性中心。 Rubisco究竟选择与CO₂还是O₂结合，取决于两者在叶绿体基质中的相对浓度：CO₂浓度相对较高时，Rubisco主要发挥羧化酶活性，启动卡尔文循环；O₂浓度相对较高时（如高温干旱条件下气孔关闭，胞间CO₂浓度下降而O₂浓度上升），Rubisco的加氧酶活性增强，启动光呼吸。 Rubisco的这一“缺陷”并非偶然——它是在远古大气（几乎不含O₂）中进化而来的，当时并不需要区分CO₂和O₂。随着地球上光合生物的繁盛，大气中O₂浓度逐渐升高，这一“进化遗留问题”才暴露出来。 （三）光呼吸的代谢途径 当Rubisco催化RuBP与O₂结合时，产物不是两分子3-PGA，而是1分子3-PGA（3个碳）和1分子2-磷酸乙醇酸（2-PG） （2个碳）。2-PG对植物具有毒性，必须被迅速代谢掉。植物为此进化出了一套复杂的补救途径（salvage pathway） ，涉及叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三个细胞器的协同配合。 第一步（叶绿体） ：2-PG在磷酸酶的作用下去磷酸化，生成乙醇酸（glycolate） 。乙醇酸从叶绿体转运至过氧化物酶体。 第二步（过氧化物酶体） ：乙醇酸被乙醇酸氧化酶氧化为乙醛酸（glyoxylate） ，同时产生H₂O₂。随后乙醛酸经转氨作用生成甘氨酸（glycine） 。甘氨酸从过氧化物酶体转运至线粒体。 第三步（线粒体） ：两分子甘氨酸在线粒体中经丝氨酸羟甲基转移酶催化，转化为1分子丝氨酸（serine） ，同时释放1分子CO₂和1分子NH₃。这是光呼吸中碳损失的关键步骤。 第四步（过氧化物酶体→叶绿体） ：丝氨酸返回过氧化物酶体，经转氨和还原等反应转化为甘油酸（glycerate）。甘油酸最终返回叶绿体，被磷酸化为3-PGA，重新进入卡尔文循环。 整个光呼吸途径的总反应可概括为：2分子2-PG → 1分子3-PGA + 1分子CO₂ + 能量消耗 图3-2光呼吸途径三细胞器协作示意图，。 （四）光呼吸的代价 光呼吸的代价是高昂的。每通过光呼吸处理2分子2-PG，植物不仅损失1分子CO₂（即损失了已固定的碳），还要消耗大量的ATP和NADPH。在一般空气中（CO₂约0.03%，O₂约21%），C3植物的光呼吸所释放的CO₂量常常达到同化CO₂量的三分之一以上。在高温干旱等胁迫条件下，这一比例可能更高，有时甚至消耗掉光合作用固定碳量的一半。因此，光呼吸长期以来被视为一个“浪费”能量的无效过程。 （五）光呼吸并非一无是处 然而，近年来的研究彻底改变了对光呼吸的认识。科学家发现，长期抑制光呼吸的条件下植物无法正常生长。光呼吸实际上具有多重重要的生理功能： 光保护功能：在强光下，光反应产生的ATP和NADPH可能超过卡尔文循环的消耗能力，导致电子传递链过度还原，产生有害的自由基。光呼吸消耗多余的ATP和NADPH，像一个“安全阀”一样保护光合机构免受光损伤。 碳回收功能：光呼吸将有毒的2-PG转化为可用的3-PGA，回收了部分碳。 氮代谢功能：光呼吸过程中甘氨酸转化为丝氨酸时释放的NH₃，可以通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶循环被重新同化，参与氨基酸代谢。 逆境适应功能：在干旱、高温等胁迫条件下，气孔关闭导致CO₂供应受限，光呼吸可以为卡尔文循环提供CO₂（尽管量有限），并维持能量代谢的平衡。 光呼吸并非Rubisco的“设计缺陷”，而是植物在长期进化中形成的一种必要的代谢适应。 C4、CAM植物 一、C4植物：空间维度的生化分工与解剖学适应 C4植物的进化策略核心在于碳同化过程的空间分离。它们通过叶片解剖结构的特化，将二氧化碳的初级固定与卡尔文循环（C3途径）分隔于两种不同的细胞类型中：叶肉细胞和维管束鞘细胞。 1. 花环结构（Kranz Anatomy）的解剖学特征 C4植物叶片具有典型的“花环结构”。在横切面上，维管束鞘细胞呈环状紧密排列在维管束周围，外层又被叶肉细胞包围。这种结构极大地缩短了细胞间的物质运输距离。 叶肉细胞（M细胞）： 叶绿体通常具有发育良好的基粒，主要进行光反应和二氧化碳的初级固定。 维管束鞘细胞（BS细胞）： 叶绿体体积较大，通常缺乏基粒或基粒发育不全（特别是在NADP-ME型C4植物中），主要进行卡尔文循环和淀粉的积累。BS细胞壁通常较厚，且沉积有木栓质，这增加了气体扩散的阻力，有助于维持细胞内的高二氧化碳浓度。 图4-1 C4植物与C3植物叶片的结构差别 2. 生化亚型的代谢路径 C4途径并非单一的生化路径，根据维管束鞘细胞中C4酸脱羧酶的不同，主要分为三种亚型，它们在能量消耗和代谢产物上存在差异： NADP-苹果酸酶（NADP-ME）型： 如玉米、甘蔗。在叶肉细胞中，PEP羧化酶催化生成的草酰乙酸（OAA）被NADP-苹果酸脱氢酶还原为苹果酸。苹果酸进入维管束鞘细胞后，在NADP-苹果酸酶作用下脱羧，释放二氧化碳和丙酮酸。 NAD-苹果酸酶（NAD-ME）型： 如黍。草酰乙酸在叶肉细胞中经转氨作用生成天冬氨酸，进入维管束鞘细胞后转化回草酰乙酸，再被还原为苹果酸，最终由线粒体中的NAD-苹果酸酶脱羧。 PEP羧激酶（PCK）型： 如臂形草。草酰乙酸直接进入维管束鞘细胞，在ATP参与下由PEP羧激酶催化脱羧，生成PEP和二氧化碳。 图4-2 C4植物固定CO2（以苹果酸类型为例） 3. 能量代价与生态优势 C4途径虽然通过“二氧化碳泵”机制显著提高了光合效率，但也付出了能量代价。每同化一分子二氧化碳，C4植物比C3植物多消耗2分子ATP（用于PEP的再生）。然而，这一代价在高温强光下被其极高的水分利用效率和氮素利用效率所抵消。C4植物消除了光呼吸的损耗，且光合最适温度较高（30℃-47℃），因此在热带和亚热带草原生态系统中占据优势。 二、CAM植物：时间维度的代谢调控与液泡储存 与C4植物的空间分离不同，CAM植物的策略是时间分离。它们在同一种细胞（主要是叶肉细胞）内，将二氧化碳的吸收与固定过程在昼夜节律上分开进行。这种机制是对极度干旱环境的极端适应。 1. 昼夜节律的四个阶段 CAM植物的代谢过程表现出显著的昼夜周期性变化，通常分为四个阶段： 第一阶段（夜间）： 气孔开放，环境二氧化碳进入细胞。在细胞质中，PEP羧化酶活性高，催化PEP与二氧化碳生成草酰乙酸，随即被还原为苹果酸。苹果酸通过H+/苹果酸反向转运蛋白进入液泡储存，导致液泡酸度显著增加（pH可降至3.0左右）。此时，由于缺乏光反应产物，卡尔文循环处于停滞状态。 第二阶段（清晨）： 气孔尚未完全关闭，夜间储存的苹果酸开始脱羧，释放的二氧化碳与外界进入的二氧化碳一同被Rubisco固定。 第三阶段（白昼）： 气孔完全关闭以阻断水分蒸腾。液泡中的苹果酸被转运至细胞质并脱羧（主要由NADP-苹果酸酶或PEP羧激酶催化），释放高浓度二氧化碳。此时细胞内二氧化碳浓度可达大气浓度的10倍以上，极大地抑制了Rubisco的加氧活性，卡尔文循环全速进行。 第四阶段（傍晚）： 苹果酸库耗尽，气孔可能短暂开放，植物重新利用大气中的二氧化碳进行光合作用，直至夜间再次开启液泡储酸模式。 2. 液泡的缓冲作用与水分利用 CAM植物通常具有发达的薄壁组织用于储水，且细胞内拥有巨大的液泡，这是储存苹果酸的必要细胞器。液泡膜的透性调节对于苹果酸的进出至关重要。CAM植物的水分利用效率（WUE）是所有植物中最高的，每合成1克干物质仅需消耗10~250克水，而C3植物则需400~1000克水。 3. 兼性CAM与代谢可塑性 部分植物（如冰叶日中花、某些伽蓝菜属植物）表现出兼性CAM特性。在水分充足时，它们表现为典型的C3植物特征，气孔昼开夜闭，生长迅速；一旦遭遇干旱或盐胁迫，便会诱导PEP羧化酶等关键酶的活性，转换为CAM模式。这种代谢可塑性是植物应对环境波动的生存智慧。 三、进化趋同、生化比较 C4和CAM途径是植物在特定环境压力下，通过基因调控和酶系重组实现的趋同进化（Convergent Evolution）的典范。尽管两者在时空策略上截然不同，但其生化核心高度一致：均利用PEP羧化酶作为二氧化碳的初级受体，利用其对二氧化碳的高亲和力和对氧气的无敏感性，构建二氧化碳浓缩机制。 光合作用相关曲线分析 分析光合作用曲线是生物学中的核心考点，主要考察对植物生理过程的理解。要轻松应对这类题目，可以按照以下四个核心步骤进行系统分析： 一、 找准坐标轴变量 分析曲线的第一步是明确横轴和纵轴代表的生物学含义。 · 横轴（自变量）：通常为光照强度、温度、CO₂浓度或时间（如一昼夜变化）。 · 纵轴（因变量）：通常表示CO₂的吸收/释放速率、O₂的产生/释放量，或有机物的积累量。 二、 辨析核心“速率”概念 这是解题的“铁律”，必须严格区分以下三个概念： · 总光合速率（真正光合速率）：指植物实际进行光合作用的速率。常见关键词包括“同化”、“ 固定”、“消耗”CO₂，“产生”、“制造”O₂或有机物。 · 净光合速率（表观光合速率）：指总光合速率减去呼吸速率后，植物真正积累有机物的速率。常见关键词包括“吸收”、“减少”CO₂，“释放”、“增加”O₂，“积累”、“净产生”有机物。 · 呼吸速率：通常在黑暗条件下测定，表现为CO₂的释放量或O₂的吸收量。 核心计算公式：总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 三、 剖析曲线上的关键“点” 曲线上的特殊点往往蕴含着重要的生理状态。光补偿点是净光合为 0 的光照强度，植物没有有机物积累；光饱和点是光合速率达到最大值时的光照强度，继续提高光照强度，光合速率不再提升，光照不再成为光合作用的主要限制因素。分析曲线上的特殊点，切忌死记硬背其绝对位置，而应将其置于整个生理过程的动态博弈中去理解。核心思维是：将环境条件的改变转化为对“光合作用”与“呼吸作用”两大阵营实力的影响，通过判断哪一方“变强”或“变弱”，来推导关键点的整体移动趋势。 四、 掌握典型曲线模型 1.光照强度 光照强度直接影响光反应阶段光合色素对光能的吸收与传递，进而决定 ATP 和 NADPH 的生成速率。这两个高能分子是暗反应中 C₃ 还原的“动力货币”和“还原力”，因此光照强度是整个光合作用过程的首要驱动力。 阶段 曲线行为 生理本质 细胞层面变化 A 点（原点垂线） 纵坐标 = -R（呼吸速率） 无光反应，仅线粒体进行有氧呼吸 叶绿体不活跃，线粒体持续消耗 O₂ 产生 CO₂（右图B） A→B 上升段 曲线缓慢上升，但仍为负值 光反应启动，但 ATP/NADPH 不足以抵消呼吸 类囊体薄膜上开始产生 ATP，整体仍为 CO₂ 净释放（右图A） B 点（光补偿点） 曲线穿过横轴，净光合 = 0 光反应产物恰好满足暗反应需求，等于呼吸速率 叶绿体吸收 CO₂ = 线粒体释放 CO₂，气体交换为零（右图C） B→C 快速上升段 曲线斜率最大（近乎直线上升） NADPH 和 ATP 供应充足，C₃ 还原加速 Rubisco 酶活性充分，光合速率受光照强限制（右图D） C 点（光饱和点） 曲线达到 Pmax 的拐点 光反应达最大产能速率，电子传递链满负荷 PSII 反应中心全部激发，光能转化效率达上限 C 点之后（平台期） 曲线水平，不再随光照升高 光照不再是限制因素，可能引起光抑制 需关注 CO₂ 供应量、Rubisco 酶数量等 光补偿点和光饱和点的位置并非固定不变，它们会随外界条件发生规律性漂移，这是考试和实践中最高频的考点： 条件变化 光补偿点移动 光饱和点移动 逻辑解释 CO₂ 浓度升高 左移（更易达到） 右移（潜力增大） CO₂ 增多使暗反应加速，推动光反应在更低光强下平衡呼吸 温度升高至最适 左移 右移 酶活性增强，对光反应产物的消耗加快 温度过高（>40℃） 右移（更难达到） 左移（潜力下降） 高温导致酶变性，暗反应变慢，光反应产物堆积 缺 Mg 或缺 N 右移 左移 叶绿素含量下降，酶蛋白合成受阻 呼吸速率增加 右移 基本不变 呼吸消耗增大，需更强光照才能补偿 2.CO2浓度 CO₂ 是卡尔文循环中 CO₂ 固定步骤的直接底物，其浓度通过影响 C₅（RuBP）的羷化反应速率来控制 C₃ 的生成量，进而制约整个暗反应的物质循环。 关键点分析： 最低 CO₂ 浓度（起点）：存在一个约为 5–10 ppm 的极低浓度阈值。低于此值时，光合速率等于零（甚至为负），因为 CO₂ 的固定速率不足以抵消光呼吸释放的 CO₂。 CO₂ 补偿点：此时净光合速率为零。在 C₃ 植物中此点位置较高（约 30–70 ppm）；在 C₄ 植物中此点很低（接近 0–5 ppm），这是 C₄ 植物在低 CO₂ 环境中更具优势的根本原因。 CO₂ 饱和点：达到饱和点后光合速率不再增加，因为 Rubisco 酶的底物结合位点已全部被占据，或 RuBP 的再生速度跟不上。此时限制因素转为光照强度、温度或 RuBP 的再生能力。 3.温度 光合作用是一系列酶促反应的总和，从光反应的 ATP 合成酶到暗反应的 Rubisco 酶，温度每升高 10℃，酶促反应速率通常提高 1.5–2 倍（Q₁₀ 效应），但超过最适温度后酶蛋白会迅速失活。 温度主要通过影响与光合作用相关酶的活性，来改变光合速率。在达到光合作用酶的最适温度之前，随着温度升高，酶活性不断增强，总光合速率持续上升；超过最适温度后，高温会破坏酶的空间结构，酶活性下降，光合速率快速降低。呼吸作用相关酶的最适温度更高，因此高温下光合作用下降会比呼吸作用更明显。 从图中曲线可以看出，低温阶段总光合速率远大于呼吸速率，植物净光合速率高，有机物积累快。温度升高到两曲线交点时，总光合速率等于呼吸速率，净光合速率为零，有机物不再积累。温度继续升高，光合速率低于呼吸速率，植物消耗自身储存的有机物。 4. 水分 水分是光合作用的原料之一，在光反应阶段发生水的光解，产生还原氢与氧气，为暗反应提供还原剂。但光合作用消耗的水分占植物吸水量比例很低，水分对光合的影响更多体现在间接方面。充足水分可以维持叶肉细胞和叶绿体的正常形态，保证叶绿体稳定捕获光能；同时作为溶剂，参与矿质元素吸收、光合产物运输等过程。 植物缺水时，最主要的影响是叶片气孔关闭，二氧化碳进入叶肉细胞受阻，暗反应原料不足，光合速率下降。严重缺水还会破坏叶绿体结构，降低光合相关酶的活性，减少叶绿素合成，进一步抑制光合作用。若土壤水分过多，根系缺氧进行无氧呼吸，产生酒精损伤根部，降低根对水和矿质元素的吸收能力，同样会使光合作用减弱。 在一定范围内，光合作用速率随含水量升高而增大，达到饱和后不再提升；水分低于适宜水平时，光合速率会明显下降。 5.矿质元素 矿质元素参与叶绿素、酶、ATP、光合膜等物质的合成，从多个层面影响光合作用。N 是叶绿素、光合酶、ATP、NADPH 的组成元素；Mg 是叶绿素的核心成分，缺 Mg 会直接造成叶绿素合成不足，叶片发黄，光反应减弱。P 参与 ATP、磷脂的合成，磷脂是类囊体膜的组成成分；K 可促进光合产物有机物的运输，缺 K 会导致光合产物积累，抑制光合持续进行。 矿质元素还会影响气孔开闭与细胞渗透压。例如 K⁺参与保卫细胞吸水膨胀，调控气孔张开，保证 CO₂供应。缺少各类必需矿质元素，会从光反应、暗反应、物质运输等方面降低光合速率；但矿质元素浓度过高，会造成土壤溶液渗透压过大，植物失水萎蔫，气孔关闭，反而抑制光合作用。 在一定范围内，光合速率随矿质元素含量增加而上升，达到饱和点后不再增长；矿质元素不足时光合速率偏低，浓度过高则光合速率下降。 6.叶龄 叶片的光合速率与叶龄密切相关。从叶片发生到衰老凋萎，其光合速率呈单峰曲线变化。新形成的嫩叶由于组织发育不健全、叶绿体片层结构不发达、光合色素含量少、光合酶含量少、活性弱、气孔开度低、细胞间隙小、呼吸作用旺盛等原因，净光合速率很低，需要从其他功能叶片输人同化产物。随着叶片的成长，光合速率不断提高。当叶片伸展至叶面积最大和叶厚度最大时，光合速率达最大值。通常将叶片充分展开后光合速率维持较高水平的时期，称为叶片功能期，处于功能期的叶叫功能叶。功能期过后，随着叶片衰老，光合速率下降。 7.叶面积指数 叶面积指数是指单位土地面积上，植物叶片总面积与土地面积的比值。叶面积指数越大，田间叶片越茂密。一定范围内，随着叶面积指数增大，总光合量不断上升；超过一定数值后，下层叶片被遮挡，光照不足，总光合量不再继续增加。而植物所有叶片都要进行呼吸作用，所以呼吸量会随叶面积指数增大持续上升。净光合（有机物积累量 = 总光合−呼吸）先升高，达到最大值后下降。叶面积指数过大时，田间通风透光差，CO₂供应不足，有机物积累减少，产量下降。 农业上应用：合理密植，控制合适的叶面积指数；摘除底层老叶、残叶，减少呼吸消耗，提高有机物积累。 8.多种因素对光合作用的影响 (1)曲线分析 ① P点之前，限制光合速率的主要因素应为横坐标所表示的因素，三图中依次为光照强度、光照强度和温度。 ② Q点之后横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的主要因素，此时的主要影响因素依次为温度、CO₂浓度和光照强度。 (2)应用 温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当调高温度，可提高与光合作用有关的酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO₂，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当提高光照强度和CO_{2}浓度以提高光合速率。 环境因素骤变对光合作用中物质变化的影响 环境因素（主要是光照强度和二氧化碳浓度）的骤变，会打破光合作用光反应与暗反应之间的动态平衡，进而导致叶绿体中相关物质含量的变化。分析这类问题的核心思路是：抓住每种物质的“来源”与“去路”，看环境骤变如何打破原有平衡，从而判断其含量是增加还是减少。 环境变化 ATP、NADPH ([H]) C₃ (三碳化合物) C₅ (五碳化合物) 糖类 (有机物) 光照突然减弱 (CO₂不变) 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ 减少 ↓ 光照突然增强 (CO₂不变) 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 增加 ↑ CO₂浓度突然降低 (光照不变) 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ CO₂浓度突然升高 (光照不变) 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 光合作用和呼吸作用的联系 一、光合作用与细胞呼吸的物质和能量转化关系 1.物质转化的相互联系 ①C元素循环 光合作用：CO2经暗反应固定为C3，再还原为有机物(CH2O)。 细胞呼吸：有机物经有氧呼吸第一、二阶段分解为CO2，回归无机环境。 关键节点：光合作用产生的有机物为细胞呼吸提供底物，细胞呼吸产生的CO2可作为光合作用的原料。 ②O元素循环 光合作用：H2O光解产生O2，释放到细胞外或参与细胞呼吸。 细胞呼吸：有氧呼吸第三阶段O2与[H]结合生成H2O，该H2O可再次参与光合作用的光反应。 ③H元素传递 光合作用：光反应产生NADPH（还原型辅酶 Ⅱ），为暗反应C3的还原供氢。 细胞呼吸：有氧呼吸第一、二阶段产生NADH（还原型辅酶 Ⅰ），为第三阶段生成H2O供氢。 跨过程联系：细胞质基质中的NADH可转移至线粒体，叶绿体产生的NADPH极少转移至细胞质基质。 2.能量转化的关联 能量流动 注意：关于ATP 的转移与利用 ①叶绿体：光反应产生的ATP仅用于暗反应，不转移至细胞质基质。 ②线粒体：有氧呼吸产生的ATP可转移至细胞质基质，供细胞各项生命活动（如主动运输、物质合成）。 ③细胞质基质：细胞呼吸第一阶段产生的ATP可直接被细胞利用，也可转移至叶绿体（供未成熟叶绿体发育）。 三、光合速率与呼吸速率的 “三率” 关系及测定 1、核心概念 项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内的变化量) O2 CO2 有机物 真正光合速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2量 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2量 有机物产生(制造、生成)速率 净光合速率 植物有机物的积累速率 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率 呼吸速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率 2.计算公式 总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 3.常用测定方法 （1）液滴移动法（测定气体体积变化） ①净光合速率：密闭装置内放置NaHCO3溶液（提供CO2），光照下液滴右移距离代表O2释放量。 ②呼吸速率：密闭装置内放置NaOH溶液吸收CO2，黑暗中液滴左移距离代表O2吸收量。误差校正：设置对照装置（用死亡植物代替活植物），排除物理因素（如温度变化）对气体体积的影响。 （2）半叶法（测定有机物产生量） 将叶片一半遮光（仅进行细胞呼吸）、一半曝光（进行光合作用 + 细胞呼吸），测定两部分干重变化。计算：总光合速率 = 曝光部分干重增加量（净光合） + 遮光部分干重减少量（呼吸速率）。 （3）黑白瓶法（测定水体溶氧量变化） 黑瓶（不透光）：测定有氧呼吸耗氧量（O2减少量）。白瓶（透光）：测定净光合产氧量（O2增加量）。 总光合速率=白瓶(O2)增加量+黑瓶(O2)减少量。 4.光合作用与细胞呼吸的综合曲线分析 （1）自然环境中一昼夜CO2吸收速率曲线关键节点解读 A点：只进行呼吸作用 B 点：凌晨温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放量减少。 C 点：开始出现光照，光合作用启动，CO2吸收速率开始上升。 D 点：光合速率=呼吸速率（光补偿点）。 E 点：温度过高，气孔关闭，CO2供应不足，出现 “光合午休”，CO2吸收速率下降。 F 点：光合速率=呼吸速率，之后光合速率小于呼吸速率。 G 点：光照消失，光合作用停止，仅进行细胞呼吸。 有机物积累：CO2吸收速率大于 0 的时段（C~F）有机物持续积累， F 点有机物积累量最大。A点有机物是一天之中含量最少的时刻。 （2）密闭容器中一昼夜CO2浓度曲线（图 2）关键节点解读 B′C′段：凌晨细胞呼吸减弱，CO2浓度上升速率减慢。 C′D′点：光合作用启动，CO2释放速度开始下降。但光合作用仍然小于呼吸作用，对外表现为CO2释放。 D′点：光合速率=呼吸速率（CO2浓度拐点）。 H′点：光合速率=呼吸速率，之后CO2浓度因细胞呼吸大于光合作用开始上升。 J′点：若 J′点CO2浓度低于初始值A′点，说明总光合速率＞总呼吸速率，植物能正常生长。若 J′点CO2浓度等于初始值A′点，说明总光合速率等于总呼吸速率，植物保持稳定。若 J′点CO2浓度高于初始值A′点，说明总光合速率＜总呼吸速率，植物不能正常生长。 5.特殊条件下的光合与呼吸综合调节 （1）叶绿体发育的能量供应 未成熟叶绿体：需借助膜上转运蛋白H从细胞质基质吸收ATP，供类囊体和基质的发育。成熟叶绿体：H基因表达量下降，细胞质基质ATP向叶绿体的转运受阻，避免线粒体过度消耗光合产物。 （2）盐胁迫对光合与呼吸的影响 叶绿素含量变化：高盐条件下部分植物叶绿素含量下降，光反应速率降低。 净光合速率调节：耐盐品种在中盐条件下仍能保持较高净光合速率，原因是叶绿素含量稳定，光反应产生的(ATP)和(NADPH)充足。 （3）光照过强的光合保护机制 光合午休：气孔关闭减少(CO2)摄入，降低暗反应速率，从而匹配光反应速率，减少光能浪费。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $ 第五章 细胞的能量供应和利用 第4节 光合作用与能量转化 漫画图谱·概览→必备知识·速记→关键能力·拓展 绿叶中的色素 一、实验：绿叶中色素的提取和分离 1.实验原理 。 ①提取色素的原理：绿叶中的色 中。 ②分离色素原理是：不同色素在 中的 不同， 的随 在滤纸上扩散得快，反之则慢。分离绿叶中的色素的方法： 。 2. 实验用品及作用（写出作用） ①无水乙醇： 。 ②二氧化硅：有助于 。 ③碳酸钙： 。 ④单层尼龙布： 。 ⑤试管口塞紧： 。 3.实验过程 ①提取色素：称取绿叶→剪碎→加二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇→研磨→过滤。 ②制备滤纸条：将滤纸条一端剪去 ，画滤液细线（细、齐、直，待干后重复画 2～3 次）。剪去两角的目的是 。重复画2～3次的原因是 。 ③分离色素：将滤纸条插入层析液中（滤液细线不能触及 ），加盖培养皿。 4.实验结果： 色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度 较少 较高 较快 较低 较慢 较多 5.常见异常结果分析： ①所有色素带颜色浅：叶片不新鲜；研磨不充分或未加二氧化硅；无水乙醇过多稀释色素；滤液细线画的次数太少。 ②叶绿素两条带很窄，类胡萝卜素正常：未加碳酸钙，叶绿素被破坏。 ③看不到色素带：滤液细线浸入层析液；滤液细线过粗。 ④色素带弯曲：滤纸条两角未剪掉。 ⑤色素带重叠：滤液细线画得不细、不齐；层析时滤纸条晃动。 二、绿叶中色素的分类与功能 1.色素的分类 绿叶中色素有四种，大可以可以归为两大类： （蓝绿色） （黄绿色） 绿叶中的色素 （含量约占3/4） （橙黄色） （含量约占1/4） （黄色） 2.色素的功能： 这些色素可以 （叶绿素a可将光能转化为化学能，其他色素仅吸收和传递光能）。其中：叶绿素a和叶绿素b主要吸收 ，胡萝卜素和叶黄素主要吸收 。 写出上图中曲线对应的色素： ① ② ③ 3. 影响叶绿素合成的因素： ①光照：光是叶绿素合成的必要条件，黑暗中植物叶片发黄（如韭黄）。 ②温度：影响与叶绿素合成相关酶的活性，低温会导致叶绿素分解（如秋天叶片变黄）。 ③矿质元素：N、Mg 是叶绿素的组成元素，缺乏时叶绿素无法合成；Fe、Mn 等元素参与叶绿素合成的酶促反应，缺乏也会影响叶绿素合成。 叶绿体的结构和功能 一、叶绿体的结构 1.写出图中序号代表的结构名称： ① ；② ；③ ；④ 。 2. 显微结构 叶绿体呈 形，具有 膜。 3.亚显微结构 ①外膜和内膜：分隔叶绿体与细胞质，控制物质进出。 ②基质：含有 酶、少量 和 RNA。 ③类囊体：由膜构成的圆饼状的囊状结构，类囊体薄膜上分布着 ，是 的场所。 ④基质类囊体：贯穿于基粒之间，使类囊体膜形成连续的膜系统，增大受光面积。 ⑤基粒：由 堆叠而成。 二、叶绿体的功能 1.场所： 光合作用的完整场所（光反应在 ，暗反应在基质）。 2.验证实验：恩格尔曼的水绵实验 实验材料：水绵（叶绿体呈螺旋带状，便于观察）、需氧细菌。 实验条件：无空气的黑暗环境（排除氧气和光的干扰）。 实验过程：用极细光束照射水绵，观察需氧细菌的分布；再进行曝光处理作对照。 实验结论：叶绿体是光合作用的场所，光合作用产生氧气，且叶绿体主要吸收红光和蓝紫光。 实验巧妙之处：利用需氧细菌确定氧气释放部位；极细光束形成光照和黑暗的对照；黑暗无空气环境排除干扰。 光合作用的概念及探索历程 1.光合作用的概念 光合作用指绿色植物通过 ，利用 ，将 转化成储存着 的 ，并且释放出 的过程。 光合作用概括化学式： 光合作用计算式与有氧呼吸的总反应式在物质上相反。光合作用计算式：6CO2+12H2O → C6H12O6+6H2O+6O2 2.光合作用的探索历程（部分） （1）希尔实验 反应过程： 希尔发现在 的悬浮液中加入铁盐或其他氧化剂（悬浮液中有 H2O，没有 CO2），在光照下可以释放出氧气。离体叶绿体在适当条件下发生 的化学反应称作希尔反应。 实验分析：该实验不能说明植物光合作用产生的O2中的O元素全部来自于水，只能说明 不是同一个化学反应。 （2）鲁宾和卡门实验 实验方法： 。 自变量： 。 因变量： 。 本实验为 ，两组均为 ，相互对照 实验设计思路：用 ，一组提供H218O和CO2, 另一组提供H2O 和C18O2；放在其他条件相同的条件下培养， 一段时间后检测两组O2的释放情况。 结果： 。 实验结论： 。 （3）阿尔农：发现 总与水的光解相联系。 （4）卡尔文实验： 实验方法： 。 材料：小球藻 条件：提供光照、14CO2； 不同时间（几十秒内、几秒内、1秒以内）把小球藻放入煮沸（杀死小球藻使酶失活）的酒精（提取有机物）中，再用纸层析分离，最后鉴定放射性物质发现C原子的转移途径为 ： 光合作用的过程 1.光合作用根据是否需要光能分为光反应阶段和暗反应阶段。 写出上图序号代表的物质或过程： (1)I： ；II： 。 (2)①： ，②： ，③： 。 (3) A： ，B： 。 2.光反应 ①场所： ②条件： ③物质变化： 水的光解： NADPH的合成： ATP的合成： ④能量转化： 3.暗反应 ①场所： ②条件： ③物质变化： CO2的固定： C3的还原： ④能量变化： 4.光反应与暗反应的联系 ①光反应为暗反应提供 ；暗反应为光反应提供 。 ②没有光反应，暗反应无法进行，没有暗反应，有机物无法合成。 ③总之，光反应是暗反应的物质转换和能量转化的准备阶段，暗反应是光反应的继续是物质转换和能量转化的完成阶段。 5.光合作用的实质 从物质角度看：光合作用是一个合成反应，是把 的过程。 从能量角度看，光合作用是自然界中的一种能量转化过程，是把 的过程。 光合作用原理的应用 1.光合作用强度 （1）概念： （2）表示方法 ①单位时间内光合作用产生的有机物的量 ②单位时间内光合作用消耗的CO2的量 ③单位时间内光合作用产生的O2的量 2.探究光照强度对光合作用强度的影响 （1）实验原理 光合作用 产生O2 抽气 叶片含有空气，上浮 叶片下沉 细胞间隙充满O2，叶片上浮。光合作用越强，单位时间内圆形小叶片上浮的数量 。 （2）实验装置 （3）实验过程 ①打出圆孔小叶片。用 在生长旺盛的绿叶上打出直径0.6cm的圆孔小叶片，避开 。 ②抽出小叶片内气体。用 （内有清水和圆形小叶片）抽出小叶片内气体。 ③圆形小叶片沉到水底。将处理好的圆形小叶片，放入 的烧杯中待用。 ④强、中、弱三种光照处理。取三只小烧杯，分别倒入 的清水，再各放入10片圆形小叶片，进行强、中、弱三种光照处理。 （4）变量分析 该实验自变量是 ，可通过调节 来控制自变量； 因变量：同一时间段内小圆叶片浮起的数量或浮起相同数量小圆叶片所需时间 无关变量： 。 （5）实验结论： （圆形小叶片释放的O2多，浮起的叶片数量多）。 3.影响光合作用的因素 影响光合作用的因素分为外因（环境因素）和内因（自身因素）。 （1）外因（环境因素） ①光照强度：在一定范围内，光合速率随光照强度的增强而 ；超过光饱和点后，光合速率反而会下降。 ②温度：温度可影响 ，从而影响光合速率。 ③CO₂浓度：在一定范围内，光合速率随CO₂浓度的增加而加快；达到一定程度后，光合速率维持在一定水平不再增加。 ④水分：水是光合作用的原料之一，缺水时光合速率下降。 ⑤无机盐：N元素是叶绿素、酶、ATP 的组成元素；Mg元素是叶绿素的核心组成元素，缺 Mg 叶绿素合成不足，光合下降； P磷元素是ATP、磷脂的核心元素；K元素能促进有机物运输。 ⑥光质：光质即光的波长，叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，对绿光吸收最少，因此同等光照强度下白光光合速率最高，红光与蓝紫光光合效率较高，绿光效率最低。 （2）内因 ①叶绿素含量：叶绿素越多，捕获光能越多 ②酶的数量与活性（暗反应关键） ③叶龄：幼叶光合弱；成熟叶最强；衰老叶光合下降 ④叶绿体数量、叶片面积 4.生产应用 实例 原理 间作套种 不同植物对 的需求不同 冬季大棚温度白天适当提高，晚上适当降低 白天提高温度， ； 夜间降温，抑制 “正其行、通其风” 增大 浓度，有利于光合作用的进行 合理灌溉 缺少 导致气孔关闭， 不足 化能合成作用 1.概念 自然界中少数种类的细菌虽然细胞内没有叶绿素不能进行光合作用，但能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。这种合成作用称为化能合成作用。这些细菌属于自养生物。 2.代表生物：硝化细菌、硫细菌、铁细菌 3.实例：硝化细菌 ①氨的氧化：2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + 能量 ②亚硝酸的氧化：2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + 能量 ③有机物的合成：CO₂ + H₂O →(CH₂O) + O₂ 知识拓展 1.提取色素是采用了化学上的“相似相溶原理”，提取方法是萃取法。无水乙醇也可以采用95%乙醇+无水碳酸钠制备。 2. 色素化学本质：叶绿素含镁元素；类胡萝卜素只含 C、H。叶绿素不稳定，光照、酸性条件易分解；类胡萝卜素较稳定。秋天叶片变黄：叶绿素分解，类胡萝卜素显现。 3. 层析液成分：由石油醚（石油在60~90℃分馏出来的）、丙酮、苯按照20:2:1混合配制，有毒，严禁接触皮肤。 4. 枫叶呈红色：液泡中花青素，花青素不是光合色素，不在叶绿体；低温叶绿素降解，花青素显现。 5.加碳酸钙的原因是中和有机酸，防止叶绿素被酸性物质破坏，类胡萝卜素不受酸影响。不加碳酸钙，滤纸条叶绿素条带颜色变浅。 注意 1.选材要选新鲜、浓绿的叶片，色素含量高；不选发黄、老叶，叶绿素含量低。 2.研磨后用单层尼龙布过滤，不能用滤纸，滤纸会吸附色素。 3.滤液细线不能触及层析液，否则色素直接溶解在层析液，滤纸条无色素带。 4.层析液有毒并且具有挥发性，装置要加盖。 光谱与色素吸收原理 白光（太阳光）是复合光，包含波长为400750nm全部可见光。波长100~400nm的光线称为紫外线，波长超过760nm的光线称为红外线。 白光通过三棱镜发生色散（折射分光），按波长分开，从上到下依次：红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫连续彩色光带。称为可见光谱。照射到叶片上的太阳光里，叶绿体类囊体薄膜上的叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光；绿光很少被色素吸收，大多被叶片反射、透射进入人眼，因此叶片呈现绿色。 高频易错 1.并不是所有植物细胞都具备叶绿体。植物根尖细胞、叶表皮细胞（保卫细胞除外）不含有叶绿体，只有叶肉细胞、保卫细胞等部分细胞才有叶绿体。 2.光合色素只分布在叶绿体的类囊体薄膜上，叶绿体基质、叶绿体内膜与外膜上均不存在光合色素。 3.叶绿体内不存在染色体。叶绿体拥有裸露的环状 DNA 分子，但 DNA 不与蛋白质结合形成染色体，因此叶绿体内部无染色体结构。 4. 线粒体和叶绿体增大膜面积的方式极易混淆。线粒体依靠内膜向内折叠形成嵴扩大膜面积；叶绿体是依靠类囊体堆叠形成基粒来增大膜面积，二者方式不能记混。 5.叶绿体中可以发生转录和翻译过程。叶绿体含有少量环状 DNA、RNA 以及核糖体，能够自主合成部分蛋白质，但大部分蛋白质仍由细胞核基因控制合成，属于半自主性细胞器。 6.黑暗环境会影响叶绿素的合成，但不会直接破坏叶绿体结构。无光条件下叶绿素无法合成，叶片表现黄化，不过叶绿体的完整结构依旧可以存在。 7.光合作用不一定必须依靠叶绿体。蓝细菌属于原核生物，细胞内没有叶绿体，但是细胞中含有光合色素与相关酶，依旧可以完成光合作用。 注意 1.注意：→、光能、叶绿体、（ ）必写 2.生成物中的 H2O不是反应物中水简单剩余，是暗反应阶段新生成的水；反应物的 12 分子 H2O 全部参与光解。 3.概括化学式中的(CH2O) 代表糖类等有机物，不只是葡萄糖。 4.光合作用和有氧呼吸物质看似可逆，但不是可逆反应：酶完全不同、能量来源不同、反应场所不同，仅仅物质循环上相反。 知识拓展 希尔反应体系：无 CO2，只能发生光反应，不能进行暗反应，没有糖类生成。实验中外加铁盐 / 氧化剂充当NADP +的替代物，接受水光解产生的电子和氢离子。因此希尔反应模拟的就是光合作用的光反应阶段（水的光解）。 注意 18O是稳定同位素，无放射性，实验检测的是氧气的质量差异，采用的质谱法，不是检测放射性。实验只能说明 O2 的氧来自水，不能直接证明碳的转移路径。 解题技巧 同位素标记法两套： 稳定同位素：18O，测质量，无放射性。放射性同位素：14C，检测放射性信号 题目只要看到 “检测放射性”，18O 相关选项直接排除。 知识拓展 NADPH（还原型辅酶II）：其氧化型为NADP+，主要来源是光合作用光反应阶段，合成NADPH需要H+和电子均是由水的光解提供的，其主要用途就是为 C₃还原提供部分能量。NADPH 只在叶绿体内部使用，不会运出叶绿体；细胞呼吸不产生 NADPH，呼吸产生的是NADH（还原型辅酶 Ⅰ）。NADPH 也出现在细胞质、线粒体：参与合成代谢（脂肪酸合成、胆固醇合成、谷胱甘肽抗氧化），此时来源于磷酸戊糖途径。 注意 光反应产生的 ATP 只能用于暗反应，不能用于细胞中其他部位的生命活动，其他部位的生命活动所需 ATP 来自细胞呼吸。因此，植物 ATP 的来源有两个途径：细胞呼吸和光反应。 知识拓展 光合作用过程中各元素的转移途径 H:³H₂O→NADP³H →(C³H₂O) C:¹⁴CO₂→¹⁴C₃→(¹⁴CH₂O) O: ①H₂¹⁸O →¹⁸O₂ ②C¹⁸O₂→C₃ →(CH₂¹⁸O) 注意 1.关于“抽气”操作的细节 在探究光照强度实验中，抽取叶片内气体时，如果叶片边缘卷曲严重或沉底速度过慢，说明细胞间隙气体未排尽。注意：此时不能为了追求沉底而过度抽气，否则会导致细胞结构破坏，叶片放入烧杯后不仅不上浮，反而会腐烂或沉底不动。 2.关于光源的选择 冷光源 vs 热光源：实验设计题中，若提到使用白炽灯，必须考虑其热效应。标准答案通常建议加一个盛水玻璃柱隔热，或者直接使用LED冷光源。如果不做隔热处理，距离越近温度越高，这就变成了“光照强度+温度”的双变量实验，导致结论失效。 3.NaHCO₃溶液的浓度控制 NaHCO₃不是越多越好。浓度过高会导致外界溶液渗透压大于细胞液渗透压，引起叶肉细胞失水（质壁分离），进而导致气孔关闭、代谢减弱甚至细胞死亡，反而抑制光合作用，导致叶片不上浮。 知识拓展 光合午休是指植物在夏季晴朗的中午，因高温、强光和低湿等环境条件，导致光合作用速率及有机物积累出现暂时性下降的现象。在光合速率的日变化曲线上，这通常表现为上午和下午各有一个高峰，而在正午出现明显低谷的“双峰曲线”。 该现象的发生是多重因素叠加的结果。首先是气孔限制，正午蒸腾作用过强，植物为防止失水会主动关闭气孔，导致二氧化碳供应不足，暗反应受阻；其次是光抑制与光氧化损伤，过强的光照超出了叶绿体的处理能力，产生大量活性氧（如单线态氧），破坏光合结构；此外，高温还会导致催化暗反应的酶活性降低，并加剧呼吸消耗。 光合午休会大幅降低作物的光能利用效率，给农作物造成约30%的产量损失。在农业生产中，常通过适时灌溉、喷雾降温增湿或果园生草等措施来缓解这一现象。最新研究还发现，植物体内存在一种MBS1蛋白，能在强光下形成“生物防晒霜”主动保护叶绿体，这为未来通过基因技术提高作物产量提供了新方向。 光合色素吸收光能的原理 一、光合色素的分子基础：卟啉环、共轭体系与电子跃迁 光合作用的首要任务是高效捕获太阳光能，并将其转化为化学能。这一关键任务由位于叶绿体类囊体膜上的光合色素承担。在这个微观的“太阳能收集阵列”中，叶绿素是绝对的主角，而类胡萝卜素则是不可或缺的辅助角色。 叶绿素分子在结构上具有一个显著特征：一个巨大的共轭双键系统——卟啉环。在这个环的中心，通常配位着一个镁离子（Mg²⁺）。这种特殊的共轭结构使得π电子在环上的离域性极强，其能级差恰好对应可见光光子的能量。当光子撞击叶绿素分子时，其能量被卟啉环上的电子吸收，使电子从稳定的基态跃迁到不稳定的激发态。这是光能转化为化学能的第一步。 类胡萝卜素分子则具有完全不同的结构特征。它们通常由长链共轭多烯烃组成，这种结构赋予了它们吸收不同波长光的能力，尤其是蓝光和紫光区域（400~500nm）。类胡萝卜素通过其独特的共轭体系有效地吸收光能，并将其传递给叶绿素，从而极大地扩大了整个光合作用系统的光能利用范围，填补了叶绿素吸收的盲区。 此外，叶绿素分子还拥有一条长长的植醇尾，这是一条疏水性的碳氢链。虽然它不直接参与光吸收，但其作用至关重要：它像船锚一样将叶绿素分子牢牢固定在类囊体膜的疏水核心中，确保色素分子在空间排列上的稳定性，从而保证能量传递的高效性。 图1-1叶绿素及类胡萝卜素的分子的结构图 二、吸收光谱与作用光谱：色素的功能指纹与协同效应 不同的光合色素由于分子结构的差异，吸收不同波长的光，这构成了它们的“吸收光谱”。叶绿素a和叶绿素b在可见光区有两个主要的吸收峰：一个在蓝紫光区（约430-450nm），另一个在红光区（约660-680nm）。而在绿光区（约500-600nm），它们的吸收率极低，大部分绿光被反射或透过，这正是植物叶片呈现绿色的原因。 然而，仅仅知道吸收光谱是不够的，我们还需要了解“作用光谱”，即不同波长的光驱动光合作用的实际效率。实验表明，作用光谱与所有光合色素（包括叶绿素和类胡萝卜素）的总吸收光谱高度吻合，而非仅仅与叶绿素a的吸收光谱重合。这一现象具有重要的生物学意义：它暗示了除了叶绿素a之外，还有其他色素（如叶绿素b和类胡萝卜素）积极参与了光能的捕获，并将能量高效传递给了叶绿素a。这种协同作用使得植物能够利用更宽光谱范围的太阳能。 三、天线色素与反应中心：光能的汇聚、电荷分离与电子传递 光吸收并非杂乱无章，而是高度有序的组织化行为。在类囊体膜上，光合色素分子与特定的蛋白质结合形成“光系统”。一个光系统由两部分组成：天线复合体和反应中心。 绝大多数色素分子（包括大部分叶绿素a、全部叶绿素b和类胡萝卜素）充当“天线色素”。它们像卫星天线一样，负责捕获光子，并通过共振能量传递的方式，将能量迅速传递给邻近的色素分子。这种传递具有严格的方向性，能量总是从高能级色素流向低能级色素，最终汇聚到反应中心的一对特殊的叶绿素a分子上。 这对特殊的叶绿素a分子被称为“作用中心色素”或“陷阱”。一旦它们接收到能量被激发，就会发生电荷分离，释放出高能电子，从而真正开启光化学反应的电子传递链。在这一过程中，这些叶绿素分子从水中夺取电子，使得水分子分解成氧气和质子（光解水），而电子则被传递到后续反应中，用于合成腺三磷（ATP）和还原型辅酶II（NADPH），为植物提供能量和用于有机物质的合成。 图1-2天线色素与反应中心示意图 光合电子传递链和光合磷酸化 一、非环式电子传递：光能向化学能的线性转化 在植物叶绿体的类囊体膜上，光合电子传递链与光合磷酸化是两个紧密偶联的生化过程。光合电子传递链是一系列按特定空间顺序排列在类囊体膜上的蛋白质复合体和可移动电子载体。该传递链主要包括光系统Ⅱ（PSⅡ）、质体醌（PQ）、细胞色素b6f复合体（Cyt b6/f）、质体蓝素（PC）、光系统Ⅰ（PSⅠ）、铁氧还蛋白（Fd）以及铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）。 图2-1 非环式电子传递链及光合磷酸化示意图 光合电子传递的过程始于光系统Ⅱ。当光系统Ⅱ的反应中心色素分子P680吸收光能后，被激发并释放出一个高能电子。失去电子的P680⁺具有极强的氧化能力，它从位于类囊体腔侧的放氧复合体获取电子，促使水分子发生光解。水的光解反应式为2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e⁻，该过程向类囊体腔内释放质子（H⁺），同时释放氧气，并为光系统Ⅱ补充电子。 释放出的高能电子首先传递给光系统Ⅱ的原初电子受体，随后进入质体醌（PQ）。质体醌是一种脂溶性分子，能够在类囊体膜的脂双层中自由移动。质体醌在膜的外侧（基质侧）接受来自光系统Ⅱ的电子，同时从基质中摄取质子，被还原为质体醌醇（PQH₂）。质体醌醇随后扩散至细胞色素b6f复合体，在此处发生氧化，将电子传递给细胞色素b6f复合体，并将之前摄取的质子释放到类囊体腔内。这一过程被称为质体醌循环，它是向类囊体腔内泵送质子的重要机制。 电子从细胞色素b6f复合体传递给位于类囊体腔侧的可移动铜蛋白——质体蓝素（PC）。质体蓝素将电子传递至光系统Ⅰ的反应中心色素分子P700。此时，光系统Ⅰ的P700吸收光能再次被激发，将电子提升至更高的能级。高能电子从光系统Ⅰ传递给原初电子受体后，经铁氧还蛋白（Fd）传递至铁氧还蛋白-NADP⁺还原酶（FNR）。在FNR的催化下，电子和基质中的质子共同将NADP⁺还原为NADPH。这条从水到NADP⁺的线性电子传递路径被称为非环式电子传递。 二、质子动力势与ATP合酶的分子机制 在光合电子传递链运行的同时，类囊体膜两侧形成了跨膜质子电化学梯度。该梯度的建立主要依赖三个来源：第一，水的光解直接在类囊体腔内释放质子；第二，质体醌循环在将电子传递给细胞色素b6f复合体的过程中，将基质中的质子泵入类囊体腔；第三，NADPH在基质侧生成时消耗了基质中的质子。这三种机制共同导致类囊体腔内的质子浓度显著高于基质侧，形成pH差和跨膜电势差，统称为质子动力势。 光合磷酸化是指利用上述跨膜质子电化学梯度驱动ADP与无机磷酸（Pi）合成ATP的过程。这一过程由嵌在类囊体膜上的ATP合酶复合体催化完成。ATP合酶由突出于基质侧的CF₁催化头部和嵌入膜内的CF₀质子通道组成。当类囊体腔内的质子顺浓度梯度通过CF₀通道流向基质时，释放的自由能驱动CF₁发生构象变化。 根据结合改变机制，CF₁催化头部的β亚基在质子流的驱动下发生旋转。在旋转过程中，β亚基依次经历三种不同的构象状态：松散结合态（L态）、紧密结合态（T态）和开放态（O态）。在L态，ADP和Pi松散地结合在酶上；随着构象转变为T态，ADP和Pi被紧密挤压，催化形成ATP；当构象转变为O态时，新合成的ATP从酶上释放。质子每通过ATP合酶回流一定数量，CF₁便合成并释放一分子ATP。这种由光照引起的电子传递与ADP磷酸化相偶联的过程，即为光合磷酸化。 图2-2 ATP合酶的工作原理图 三、环式光合磷酸化：ATP产出的调节途径 除了非环式电子传递偶联的光合磷酸化外，植物体内还存在环式光合磷酸化。在环式电子传递中，光系统Ⅰ受光激发释放的高能电子不传递给NADP⁺，而是经由铁氧还蛋白（Fd）传递给质体醌（PQ），随后进入细胞色素b6f复合体、质体蓝素（PC），最终返回光系统Ⅰ。这一循环过程不涉及光系统Ⅱ，不发生水的光解，也不产生NADPH和氧气。但是，电子在经由细胞色素b6f复合体传递时，依然会将质子从基质泵入类囊体腔，建立跨膜质子梯度。因此，环式电子传递同样能够驱动ATP合酶合成ATP。环式光合磷酸化主要在植物需要额外ATP而NADPH需求较低时发生，用于调节光反应中ATP与NADPH的产出比例。 图2-3 环式光合磷酸化电子传递路径示意图（图中蓝色箭头和红色箭头部分） 四、化学渗透偶联机制的结构基础 光合电子传递链与光合磷酸化的偶联机制遵循化学渗透学说。该学说的核心在于，电子传递释放的能量并不直接用于合成ATP，而是先转化为储存在跨膜质子梯度中的势能。类囊体膜对质子具有不通透性，质子只能通过ATP合酶这一特定通道回流，从而强制将氧化还原反应释放的能量与磷酸化反应偶联在一起。如果类囊体膜的完整性被破坏，或者使用解偶联剂使质子能够自由穿过膜，质子梯度将迅速消散，此时即使电子传递仍在进行，ATP的合成也会停止。这证明了跨膜质子梯度是连接光合电子传递与光合磷酸化的必需中间能量载体。 暗反应（卡尔文循环）与光呼吸 一、暗反应（卡尔文循环） 卡尔文循环发生在叶绿体基质中，其本质是利用光反应产生的ATP和NADPH，将二氧化碳逐步还原为碳水化合物。整个循环可分为三个相互衔接的阶段：羧化阶段（固碳阶段）、还原阶段和RuBP再生阶段。为便于理解，以下以固定3分子CO₂为一个完整的循环单位进行描述。 （一）羧化阶段（Carbon Fixation） 羧化阶段是卡尔文循环的起点，也是整个光合作用碳同化的第一步。在这一阶段中，3分子CO₂在Rubisco的催化下，分别与3分子五碳糖RuBP（每个含5个碳原子）结合。每次结合产生一个不稳定的六碳中间体，该中间体立即裂解为2分子3-磷酸甘油酸（3-PGA）。因此，固定3分子CO₂共生成6分子3-PGA（每分子含3个碳原子，总计18个碳）。 Rubisco是地球上最丰富的蛋白质，每年固定超过1000亿吨二氧化碳。它由8个大亚基和8个小亚基组成，结构复杂。Rubisco的催化效率并不高——它的转换数（turnover number）很低，因此植物需要合成大量的Rubisco来弥补其效率的不足。 图3-1 卡尔文循环示意图 （二）还原阶段（Reduction） 羧化阶段生成的6分子3-PGA还不能直接用于合成糖类，需要经过还原才能转化为碳水化合物。还原阶段包含两个步骤： 第一步（磷酸化） ：6分子3-PGA在磷酸甘油激酶的催化下，接受6分子ATP提供的磷酸基团，转化为6分子1,3-二磷酸甘油酸（1,3-BPGA） 。 第二步（还原） ：6分子1,3-BPGA在甘油醛-3-磷酸脱氢酶的催化下，接受6分子NADPH提供的还原力（氢和电子），被还原为6分子甘油醛-3-磷酸（G3P） 。 至此，6分子G3P中共含18个碳原子（与投入的3分子CO₂的3个碳原子以及3分子RuBP的15个碳原子之和相当）。其中1分子G3P（含3个碳）作为净产物离开循环，用于合成葡萄糖、蔗糖、淀粉等有机物。剩余的5分子G3P（共15个碳）则进入下一阶段，用于再生RuBP。 （三）RuBP再生阶段（Regeneration） 再生阶段是卡尔文循环中最复杂的一环，涉及一系列碳骨架的重排反应。5分子G3P（共15个碳）在一系列酶的催化下，经过磷酸化、异构化、缩合和裂解等反应，重新组合为3分子RuBP（每个含5个碳，共15个碳）。这一过程需要额外消耗3分子ATP。再生阶段完成后，3分子RuBP又可以作为CO₂的接受体，开启新一轮的羧化反应。循环得以持续运转。 （四）能量与物质平衡 综合三个阶段，每固定3分子CO₂并净生成1分子G3P，卡尔文循环共消耗：9分子ATP（还原阶段6分子+再生阶段3分子）和6分子NADPH（全部用于还原阶段）这些ATP和NADPH全部来自光反应。因此，卡尔文循环虽然被称为“暗反应”，却高度依赖光反应提供的能量和还原力。 二、光呼吸：Rubisco的“失误” 如果说卡尔文循环是光合作用碳同化的“正道”，那么光呼吸就是这条正道上一条代价高昂的“岔路”。 （一）光呼吸的发现 光呼吸的发现晚于卡尔文循环。1920年，德国科学家奥托·瓦尔德堡（Otto Warburg）发现光合速率会因氧气分压升高而降低——这一现象后来被称为“瓦尔德堡效应”。1955年，约翰·德柯尔（John Decker）通过实验偶然观察到，烟草叶片在光照突然停止后会释放出大量二氧化碳，他称之为“二氧化碳的猝发”。直到1972年，爱德华·托尔伯特（Edward Tolbert）才正式阐明了光呼吸的完整生化机制。 （二）光呼吸的起因：Rubisco的双重性格 光呼吸的根源在于Rubisco的“双重性格”。Rubisco不仅能够催化RuBP与CO₂结合（羧化反应），也能催化RuBP与O₂结合（加氧反应）。这是因为CO₂和O₂在分子结构和化学性质上具有一定的相似性，足以迷惑Rubisco的活性中心。 Rubisco究竟选择与CO₂还是O₂结合，取决于两者在叶绿体基质中的相对浓度：CO₂浓度相对较高时，Rubisco主要发挥羧化酶活性，启动卡尔文循环；O₂浓度相对较高时（如高温干旱条件下气孔关闭，胞间CO₂浓度下降而O₂浓度上升），Rubisco的加氧酶活性增强，启动光呼吸。 Rubisco的这一“缺陷”并非偶然——它是在远古大气（几乎不含O₂）中进化而来的，当时并不需要区分CO₂和O₂。随着地球上光合生物的繁盛，大气中O₂浓度逐渐升高，这一“进化遗留问题”才暴露出来。 （三）光呼吸的代谢途径 当Rubisco催化RuBP与O₂结合时，产物不是两分子3-PGA，而是1分子3-PGA（3个碳）和1分子2-磷酸乙醇酸（2-PG） （2个碳）。2-PG对植物具有毒性，必须被迅速代谢掉。植物为此进化出了一套复杂的补救途径（salvage pathway） ，涉及叶绿体、过氧化物酶体和线粒体三个细胞器的协同配合。 第一步（叶绿体） ：2-PG在磷酸酶的作用下去磷酸化，生成乙醇酸（glycolate） 。乙醇酸从叶绿体转运至过氧化物酶体。 第二步（过氧化物酶体） ：乙醇酸被乙醇酸氧化酶氧化为乙醛酸（glyoxylate） ，同时产生H₂O₂。随后乙醛酸经转氨作用生成甘氨酸（glycine） 。甘氨酸从过氧化物酶体转运至线粒体。 第三步（线粒体） ：两分子甘氨酸在线粒体中经丝氨酸羟甲基转移酶催化，转化为1分子丝氨酸（serine） ，同时释放1分子CO₂和1分子NH₃。这是光呼吸中碳损失的关键步骤。 第四步（过氧化物酶体→叶绿体） ：丝氨酸返回过氧化物酶体，经转氨和还原等反应转化为甘油酸（glycerate）。甘油酸最终返回叶绿体，被磷酸化为3-PGA，重新进入卡尔文循环。 整个光呼吸途径的总反应可概括为：2分子2-PG → 1分子3-PGA + 1分子CO₂ + 能量消耗 图3-2光呼吸途径三细胞器协作示意图，。 （四）光呼吸的代价 光呼吸的代价是高昂的。每通过光呼吸处理2分子2-PG，植物不仅损失1分子CO₂（即损失了已固定的碳），还要消耗大量的ATP和NADPH。在一般空气中（CO₂约0.03%，O₂约21%），C3植物的光呼吸所释放的CO₂量常常达到同化CO₂量的三分之一以上。在高温干旱等胁迫条件下，这一比例可能更高，有时甚至消耗掉光合作用固定碳量的一半。因此，光呼吸长期以来被视为一个“浪费”能量的无效过程。 （五）光呼吸并非一无是处 然而，近年来的研究彻底改变了对光呼吸的认识。科学家发现，长期抑制光呼吸的条件下植物无法正常生长。光呼吸实际上具有多重重要的生理功能： 光保护功能：在强光下，光反应产生的ATP和NADPH可能超过卡尔文循环的消耗能力，导致电子传递链过度还原，产生有害的自由基。光呼吸消耗多余的ATP和NADPH，像一个“安全阀”一样保护光合机构免受光损伤。 碳回收功能：光呼吸将有毒的2-PG转化为可用的3-PGA，回收了部分碳。 氮代谢功能：光呼吸过程中甘氨酸转化为丝氨酸时释放的NH₃，可以通过谷氨酰胺合成酶/谷氨酸合成酶循环被重新同化，参与氨基酸代谢。 逆境适应功能：在干旱、高温等胁迫条件下，气孔关闭导致CO₂供应受限，光呼吸可以为卡尔文循环提供CO₂（尽管量有限），并维持能量代谢的平衡。 光呼吸并非Rubisco的“设计缺陷”，而是植物在长期进化中形成的一种必要的代谢适应。 C4、CAM植物 一、C4植物：空间维度的生化分工与解剖学适应 C4植物的进化策略核心在于碳同化过程的空间分离。它们通过叶片解剖结构的特化，将二氧化碳的初级固定与卡尔文循环（C3途径）分隔于两种不同的细胞类型中：叶肉细胞和维管束鞘细胞。 1. 花环结构（Kranz Anatomy）的解剖学特征 C4植物叶片具有典型的“花环结构”。在横切面上，维管束鞘细胞呈环状紧密排列在维管束周围，外层又被叶肉细胞包围。这种结构极大地缩短了细胞间的物质运输距离。 叶肉细胞（M细胞）： 叶绿体通常具有发育良好的基粒，主要进行光反应和二氧化碳的初级固定。 维管束鞘细胞（BS细胞）： 叶绿体体积较大，通常缺乏基粒或基粒发育不全（特别是在NADP-ME型C4植物中），主要进行卡尔文循环和淀粉的积累。BS细胞壁通常较厚，且沉积有木栓质，这增加了气体扩散的阻力，有助于维持细胞内的高二氧化碳浓度。 图4-1 C4植物与C3植物叶片的结构差别 2. 生化亚型的代谢路径 C4途径并非单一的生化路径，根据维管束鞘细胞中C4酸脱羧酶的不同，主要分为三种亚型，它们在能量消耗和代谢产物上存在差异： NADP-苹果酸酶（NADP-ME）型： 如玉米、甘蔗。在叶肉细胞中，PEP羧化酶催化生成的草酰乙酸（OAA）被NADP-苹果酸脱氢酶还原为苹果酸。苹果酸进入维管束鞘细胞后，在NADP-苹果酸酶作用下脱羧，释放二氧化碳和丙酮酸。 NAD-苹果酸酶（NAD-ME）型： 如黍。草酰乙酸在叶肉细胞中经转氨作用生成天冬氨酸，进入维管束鞘细胞后转化回草酰乙酸，再被还原为苹果酸，最终由线粒体中的NAD-苹果酸酶脱羧。 PEP羧激酶（PCK）型： 如臂形草。草酰乙酸直接进入维管束鞘细胞，在ATP参与下由PEP羧激酶催化脱羧，生成PEP和二氧化碳。 图4-2 C4植物固定CO2（以苹果酸类型为例） 3. 能量代价与生态优势 C4途径虽然通过“二氧化碳泵”机制显著提高了光合效率，但也付出了能量代价。每同化一分子二氧化碳，C4植物比C3植物多消耗2分子ATP（用于PEP的再生）。然而，这一代价在高温强光下被其极高的水分利用效率和氮素利用效率所抵消。C4植物消除了光呼吸的损耗，且光合最适温度较高（30℃-47℃），因此在热带和亚热带草原生态系统中占据优势。 二、CAM植物：时间维度的代谢调控与液泡储存 与C4植物的空间分离不同，CAM植物的策略是时间分离。它们在同一种细胞（主要是叶肉细胞）内，将二氧化碳的吸收与固定过程在昼夜节律上分开进行。这种机制是对极度干旱环境的极端适应。 1. 昼夜节律的四个阶段 CAM植物的代谢过程表现出显著的昼夜周期性变化，通常分为四个阶段： 第一阶段（夜间）： 气孔开放，环境二氧化碳进入细胞。在细胞质中，PEP羧化酶活性高，催化PEP与二氧化碳生成草酰乙酸，随即被还原为苹果酸。苹果酸通过H+/苹果酸反向转运蛋白进入液泡储存，导致液泡酸度显著增加（pH可降至3.0左右）。此时，由于缺乏光反应产物，卡尔文循环处于停滞状态。 第二阶段（清晨）： 气孔尚未完全关闭，夜间储存的苹果酸开始脱羧，释放的二氧化碳与外界进入的二氧化碳一同被Rubisco固定。 第三阶段（白昼）： 气孔完全关闭以阻断水分蒸腾。液泡中的苹果酸被转运至细胞质并脱羧（主要由NADP-苹果酸酶或PEP羧激酶催化），释放高浓度二氧化碳。此时细胞内二氧化碳浓度可达大气浓度的10倍以上，极大地抑制了Rubisco的加氧活性，卡尔文循环全速进行。 第四阶段（傍晚）： 苹果酸库耗尽，气孔可能短暂开放，植物重新利用大气中的二氧化碳进行光合作用，直至夜间再次开启液泡储酸模式。 2. 液泡的缓冲作用与水分利用 CAM植物通常具有发达的薄壁组织用于储水，且细胞内拥有巨大的液泡，这是储存苹果酸的必要细胞器。液泡膜的透性调节对于苹果酸的进出至关重要。CAM植物的水分利用效率（WUE）是所有植物中最高的，每合成1克干物质仅需消耗10~250克水，而C3植物则需400~1000克水。 3. 兼性CAM与代谢可塑性 部分植物（如冰叶日中花、某些伽蓝菜属植物）表现出兼性CAM特性。在水分充足时，它们表现为典型的C3植物特征，气孔昼开夜闭，生长迅速；一旦遭遇干旱或盐胁迫，便会诱导PEP羧化酶等关键酶的活性，转换为CAM模式。这种代谢可塑性是植物应对环境波动的生存智慧。 三、进化趋同、生化比较 C4和CAM途径是植物在特定环境压力下，通过基因调控和酶系重组实现的趋同进化（Convergent Evolution）的典范。尽管两者在时空策略上截然不同，但其生化核心高度一致：均利用PEP羧化酶作为二氧化碳的初级受体，利用其对二氧化碳的高亲和力和对氧气的无敏感性，构建二氧化碳浓缩机制。 光合作用相关曲线分析 分析光合作用曲线是生物学中的核心考点，主要考察对植物生理过程的理解。要轻松应对这类题目，可以按照以下四个核心步骤进行系统分析： 一、 找准坐标轴变量 分析曲线的第一步是明确横轴和纵轴代表的生物学含义。 · 横轴（自变量）：通常为光照强度、温度、CO₂浓度或时间（如一昼夜变化）。 · 纵轴（因变量）：通常表示CO₂的吸收/释放速率、O₂的产生/释放量，或有机物的积累量。 二、 辨析核心“速率”概念 这是解题的“铁律”，必须严格区分以下三个概念： · 总光合速率（真正光合速率）：指植物实际进行光合作用的速率。常见关键词包括“同化”、“ 固定”、“消耗”CO₂，“产生”、“制造”O₂或有机物。 · 净光合速率（表观光合速率）：指总光合速率减去呼吸速率后，植物真正积累有机物的速率。常见关键词包括“吸收”、“减少”CO₂，“释放”、“增加”O₂，“积累”、“净产生”有机物。 · 呼吸速率：通常在黑暗条件下测定，表现为CO₂的释放量或O₂的吸收量。 核心计算公式：总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 三、 剖析曲线上的关键“点” 曲线上的特殊点往往蕴含着重要的生理状态。光补偿点是净光合为 0 的光照强度，植物没有有机物积累；光饱和点是光合速率达到最大值时的光照强度，继续提高光照强度，光合速率不再提升，光照不再成为光合作用的主要限制因素。分析曲线上的特殊点，切忌死记硬背其绝对位置，而应将其置于整个生理过程的动态博弈中去理解。核心思维是：将环境条件的改变转化为对“光合作用”与“呼吸作用”两大阵营实力的影响，通过判断哪一方“变强”或“变弱”，来推导关键点的整体移动趋势。 四、 掌握典型曲线模型 1.光照强度 光照强度直接影响光反应阶段光合色素对光能的吸收与传递，进而决定 ATP 和 NADPH 的生成速率。这两个高能分子是暗反应中 C₃ 还原的“动力货币”和“还原力”，因此光照强度是整个光合作用过程的首要驱动力。 阶段 曲线行为 生理本质 细胞层面变化 A 点（原点垂线） 纵坐标 = -R（呼吸速率） 无光反应，仅线粒体进行有氧呼吸 叶绿体不活跃，线粒体持续消耗 O₂ 产生 CO₂（右图B） A→B 上升段 曲线缓慢上升，但仍为负值 光反应启动，但 ATP/NADPH 不足以抵消呼吸 类囊体薄膜上开始产生 ATP，整体仍为 CO₂ 净释放（右图A） B 点（光补偿点） 曲线穿过横轴，净光合 = 0 光反应产物恰好满足暗反应需求，等于呼吸速率 叶绿体吸收 CO₂ = 线粒体释放 CO₂，气体交换为零（右图C） B→C 快速上升段 曲线斜率最大（近乎直线上升） NADPH 和 ATP 供应充足，C₃ 还原加速 Rubisco 酶活性充分，光合速率受光照强限制（右图D） C 点（光饱和点） 曲线达到 Pmax 的拐点 光反应达最大产能速率，电子传递链满负荷 PSII 反应中心全部激发，光能转化效率达上限 C 点之后（平台期） 曲线水平，不再随光照升高 光照不再是限制因素，可能引起光抑制 需关注 CO₂ 供应量、Rubisco 酶数量等 光补偿点和光饱和点的位置并非固定不变，它们会随外界条件发生规律性漂移，这是考试和实践中最高频的考点： 条件变化 光补偿点移动 光饱和点移动 逻辑解释 CO₂ 浓度升高 左移（更易达到） 右移（潜力增大） CO₂ 增多使暗反应加速，推动光反应在更低光强下平衡呼吸 温度升高至最适 左移 右移 酶活性增强，对光反应产物的消耗加快 温度过高（>40℃） 右移（更难达到） 左移（潜力下降） 高温导致酶变性，暗反应变慢，光反应产物堆积 缺 Mg 或缺 N 右移 左移 叶绿素含量下降，酶蛋白合成受阻 呼吸速率增加 右移 基本不变 呼吸消耗增大，需更强光照才能补偿 2.CO2浓度 CO₂ 是卡尔文循环中 CO₂ 固定步骤的直接底物，其浓度通过影响 C₅（RuBP）的羷化反应速率来控制 C₃ 的生成量，进而制约整个暗反应的物质循环。 关键点分析： 最低 CO₂ 浓度（起点）：存在一个约为 5–10 ppm 的极低浓度阈值。低于此值时，光合速率等于零（甚至为负），因为 CO₂ 的固定速率不足以抵消光呼吸释放的 CO₂。 CO₂ 补偿点：此时净光合速率为零。在 C₃ 植物中此点位置较高（约 30–70 ppm）；在 C₄ 植物中此点很低（接近 0–5 ppm），这是 C₄ 植物在低 CO₂ 环境中更具优势的根本原因。 CO₂ 饱和点：达到饱和点后光合速率不再增加，因为 Rubisco 酶的底物结合位点已全部被占据，或 RuBP 的再生速度跟不上。此时限制因素转为光照强度、温度或 RuBP 的再生能力。 3.温度 光合作用是一系列酶促反应的总和，从光反应的 ATP 合成酶到暗反应的 Rubisco 酶，温度每升高 10℃，酶促反应速率通常提高 1.5–2 倍（Q₁₀ 效应），但超过最适温度后酶蛋白会迅速失活。 温度主要通过影响与光合作用相关酶的活性，来改变光合速率。在达到光合作用酶的最适温度之前，随着温度升高，酶活性不断增强，总光合速率持续上升；超过最适温度后，高温会破坏酶的空间结构，酶活性下降，光合速率快速降低。呼吸作用相关酶的最适温度更高，因此高温下光合作用下降会比呼吸作用更明显。 从图中曲线可以看出，低温阶段总光合速率远大于呼吸速率，植物净光合速率高，有机物积累快。温度升高到两曲线交点时，总光合速率等于呼吸速率，净光合速率为零，有机物不再积累。温度继续升高，光合速率低于呼吸速率，植物消耗自身储存的有机物。 4. 水分 水分是光合作用的原料之一，在光反应阶段发生水的光解，产生还原氢与氧气，为暗反应提供还原剂。但光合作用消耗的水分占植物吸水量比例很低，水分对光合的影响更多体现在间接方面。充足水分可以维持叶肉细胞和叶绿体的正常形态，保证叶绿体稳定捕获光能；同时作为溶剂，参与矿质元素吸收、光合产物运输等过程。 植物缺水时，最主要的影响是叶片气孔关闭，二氧化碳进入叶肉细胞受阻，暗反应原料不足，光合速率下降。严重缺水还会破坏叶绿体结构，降低光合相关酶的活性，减少叶绿素合成，进一步抑制光合作用。若土壤水分过多，根系缺氧进行无氧呼吸，产生酒精损伤根部，降低根对水和矿质元素的吸收能力，同样会使光合作用减弱。 在一定范围内，光合作用速率随含水量升高而增大，达到饱和后不再提升；水分低于适宜水平时，光合速率会明显下降。 5.矿质元素 矿质元素参与叶绿素、酶、ATP、光合膜等物质的合成，从多个层面影响光合作用。N 是叶绿素、光合酶、ATP、NADPH 的组成元素；Mg 是叶绿素的核心成分，缺 Mg 会直接造成叶绿素合成不足，叶片发黄，光反应减弱。P 参与 ATP、磷脂的合成，磷脂是类囊体膜的组成成分；K 可促进光合产物有机物的运输，缺 K 会导致光合产物积累，抑制光合持续进行。 矿质元素还会影响气孔开闭与细胞渗透压。例如 K⁺参与保卫细胞吸水膨胀，调控气孔张开，保证 CO₂供应。缺少各类必需矿质元素，会从光反应、暗反应、物质运输等方面降低光合速率；但矿质元素浓度过高，会造成土壤溶液渗透压过大，植物失水萎蔫，气孔关闭，反而抑制光合作用。 在一定范围内，光合速率随矿质元素含量增加而上升，达到饱和点后不再增长；矿质元素不足时光合速率偏低，浓度过高则光合速率下降。 6.叶龄 叶片的光合速率与叶龄密切相关。从叶片发生到衰老凋萎，其光合速率呈单峰曲线变化。新形成的嫩叶由于组织发育不健全、叶绿体片层结构不发达、光合色素含量少、光合酶含量少、活性弱、气孔开度低、细胞间隙小、呼吸作用旺盛等原因，净光合速率很低，需要从其他功能叶片输人同化产物。随着叶片的成长，光合速率不断提高。当叶片伸展至叶面积最大和叶厚度最大时，光合速率达最大值。通常将叶片充分展开后光合速率维持较高水平的时期，称为叶片功能期，处于功能期的叶叫功能叶。功能期过后，随着叶片衰老，光合速率下降。 7.叶面积指数 叶面积指数是指单位土地面积上，植物叶片总面积与土地面积的比值。叶面积指数越大，田间叶片越茂密。一定范围内，随着叶面积指数增大，总光合量不断上升；超过一定数值后，下层叶片被遮挡，光照不足，总光合量不再继续增加。而植物所有叶片都要进行呼吸作用，所以呼吸量会随叶面积指数增大持续上升。净光合（有机物积累量 = 总光合−呼吸）先升高，达到最大值后下降。叶面积指数过大时，田间通风透光差，CO₂供应不足，有机物积累减少，产量下降。 农业上应用：合理密植，控制合适的叶面积指数；摘除底层老叶、残叶，减少呼吸消耗，提高有机物积累。 8.多种因素对光合作用的影响 (1)曲线分析 ① P点之前，限制光合速率的主要因素应为横坐标所表示的因素，三图中依次为光照强度、光照强度和温度。 ② Q点之后横坐标所表示的因素不再是影响光合速率的主要因素，此时的主要影响因素依次为温度、CO₂浓度和光照强度。 (2)应用 温室栽培时，在一定光照强度下，白天适当调高温度，可提高与光合作用有关的酶的活性，提高光合速率，也可同时充入适量的CO₂，进一步提高光合速率；当温度适宜时，可适当提高光照强度和CO_{2}浓度以提高光合速率。 环境因素骤变对光合作用中物质变化的影响 环境因素（主要是光照强度和二氧化碳浓度）的骤变，会打破光合作用光反应与暗反应之间的动态平衡，进而导致叶绿体中相关物质含量的变化。分析这类问题的核心思路是：抓住每种物质的“来源”与“去路”，看环境骤变如何打破原有平衡，从而判断其含量是增加还是减少。 环境变化 ATP、NADPH ([H]) C₃ (三碳化合物) C₅ (五碳化合物) 糖类 (有机物) 光照突然减弱 (CO₂不变) 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ 减少 ↓ 光照突然增强 (CO₂不变) 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 增加 ↑ CO₂浓度突然降低 (光照不变) 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ CO₂浓度突然升高 (光照不变) 减少 ↓ 增加 ↑ 减少 ↓ 增加 ↑ 光合作用和呼吸作用的联系 一、光合作用与细胞呼吸的物质和能量转化关系 1.物质转化的相互联系 ①C元素循环 光合作用：CO2经暗反应固定为C3，再还原为有机物(CH2O)。 细胞呼吸：有机物经有氧呼吸第一、二阶段分解为CO2，回归无机环境。 关键节点：光合作用产生的有机物为细胞呼吸提供底物，细胞呼吸产生的CO2可作为光合作用的原料。 ②O元素循环 光合作用：H2O光解产生O2，释放到细胞外或参与细胞呼吸。 细胞呼吸：有氧呼吸第三阶段O2与[H]结合生成H2O，该H2O可再次参与光合作用的光反应。 ③H元素传递 光合作用：光反应产生NADPH（还原型辅酶 Ⅱ），为暗反应C3的还原供氢。 细胞呼吸：有氧呼吸第一、二阶段产生NADH（还原型辅酶 Ⅰ），为第三阶段生成H2O供氢。 跨过程联系：细胞质基质中的NADH可转移至线粒体，叶绿体产生的NADPH极少转移至细胞质基质。 2.能量转化的关联 能量流动 注意：关于ATP 的转移与利用 ①叶绿体：光反应产生的ATP仅用于暗反应，不转移至细胞质基质。 ②线粒体：有氧呼吸产生的ATP可转移至细胞质基质，供细胞各项生命活动（如主动运输、物质合成）。 ③细胞质基质：细胞呼吸第一阶段产生的ATP可直接被细胞利用，也可转移至叶绿体（供未成熟叶绿体发育）。 三、光合速率与呼吸速率的 “三率” 关系及测定 1、核心概念 项目 含义 表示方法(单位面积的叶片在单位时间内的变化量) O2 CO2 有机物 真正光合速率 植物在光下实际合成有机物的速率 O2产生(生成)速率或叶绿体释放O2量 CO2固定速率或叶绿体吸收CO2量 有机物产生(制造、生成)速率 净光合速率 植物有机物的积累速率 植物或叶片或叶肉细胞O2释放速率 植物或叶片或叶肉细胞CO2吸收速率 有机物积累速率 呼吸速率 单位面积的叶片在单位时间内分解有机物的速率 黑暗中O2吸收速率 黑暗中CO2释放速率 有机物消耗速率 2.计算公式 总光合速率 = 净光合速率 + 呼吸速率 3.常用测定方法 （1）液滴移动法（测定气体体积变化） ①净光合速率：密闭装置内放置NaHCO3溶液（提供CO2），光照下液滴右移距离代表O2释放量。 ②呼吸速率：密闭装置内放置NaOH溶液吸收CO2，黑暗中液滴左移距离代表O2吸收量。误差校正：设置对照装置（用死亡植物代替活植物），排除物理因素（如温度变化）对气体体积的影响。 （2）半叶法（测定有机物产生量） 将叶片一半遮光（仅进行细胞呼吸）、一半曝光（进行光合作用 + 细胞呼吸），测定两部分干重变化。计算：总光合速率 = 曝光部分干重增加量（净光合） + 遮光部分干重减少量（呼吸速率）。 （3）黑白瓶法（测定水体溶氧量变化） 黑瓶（不透光）：测定有氧呼吸耗氧量（O2减少量）。白瓶（透光）：测定净光合产氧量（O2增加量）。 总光合速率=白瓶(O2)增加量+黑瓶(O2)减少量。 4.光合作用与细胞呼吸的综合曲线分析 （1）自然环境中一昼夜CO2吸收速率曲线关键节点解读 A点：只进行呼吸作用 B 点：凌晨温度降低，细胞呼吸减弱，CO2释放量减少。 C 点：开始出现光照，光合作用启动，CO2吸收速率开始上升。 D 点：光合速率=呼吸速率（光补偿点）。 E 点：温度过高，气孔关闭，CO2供应不足，出现 “光合午休”，CO2吸收速率下降。 F 点：光合速率=呼吸速率，之后光合速率小于呼吸速率。 G 点：光照消失，光合作用停止，仅进行细胞呼吸。 有机物积累：CO2吸收速率大于 0 的时段（C~F）有机物持续积累， F 点有机物积累量最大。A点有机物是一天之中含量最少的时刻。 （2）密闭容器中一昼夜CO2浓度曲线（图 2）关键节点解读 B′C′段：凌晨细胞呼吸减弱，CO2浓度上升速率减慢。 C′D′点：光合作用启动，CO2释放速度开始下降。但光合作用仍然小于呼吸作用，对外表现为CO2释放。 D′点：光合速率=呼吸速率（CO2浓度拐点）。 H′点：光合速率=呼吸速率，之后CO2浓度因细胞呼吸大于光合作用开始上升。 J′点：若 J′点CO2浓度低于初始值A′点，说明总光合速率＞总呼吸速率，植物能正常生长。若 J′点CO2浓度等于初始值A′点，说明总光合速率等于总呼吸速率，植物保持稳定。若 J′点CO2浓度高于初始值A′点，说明总光合速率＜总呼吸速率，植物不能正常生长。 5.特殊条件下的光合与呼吸综合调节 （1）叶绿体发育的能量供应 未成熟叶绿体：需借助膜上转运蛋白H从细胞质基质吸收ATP，供类囊体和基质的发育。成熟叶绿体：H基因表达量下降，细胞质基质ATP向叶绿体的转运受阻，避免线粒体过度消耗光合产物。 （2）盐胁迫对光合与呼吸的影响 叶绿素含量变化：高盐条件下部分植物叶绿素含量下降，光反应速率降低。 净光合速率调节：耐盐品种在中盐条件下仍能保持较高净光合速率，原因是叶绿素含量稳定，光反应产生的(ATP)和(NADPH)充足。 （3）光照过强的光合保护机制 光合午休：气孔关闭减少(CO2)摄入，降低暗反应速率，从而匹配光反应速率，减少光能浪费。 学科网（北京）股份有限公司1 / 10 学科网（北京）股份有限公司 $