01
问题探讨
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下， 生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。讨论1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？【答案】用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光是可以调控的，可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？【答案】影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。一、捕获光能的色素和结构
02
探究•实践
1.滤纸条上有几条色素带？它们是按照什么次序分布的？
【答案】滤纸条上有4条不同颜色的色素带，从上到下依次为：胡萝卜素(橙黄色)、叶黄素(黄色)、叶绿素a(蓝绿色)和叶绿素b(黄绿色)
2.滤纸条上色素带的分布情况说明了什么？
【答案】滤纸条上的色素带说明了绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢也不同；同时由于4种色素的颜色不同，也说明不同色素吸收了不同波长的光。
03
旁栏思考
植物工厂里为什么不用发绿光的光源？【答案】绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法运用到光合作用中制造有机物。
04
思考•讨论
1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么【答案】恩格尔曼第一个实验的结论是：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。2.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？【提示】实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？【答案】这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？【答案】叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。
05
练习与应用
一、概念检测
1. 基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确。
(1)叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。（×）
(2)叶绿体的类囊体上有巨大的膜面积，有利于充分吸收光能。（√）
(3)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光。 （×）
2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是 （A）
A.所有植物细胞中都含有4种色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C. 叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
二、拓展应用
1.海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？
【答案】有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长的光，因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方。
2.与传统的生产方式相比，植物工厂生产蔬菜等食物有哪些优势？又面临哪些困难？你对植物工厂的发展前景持什么观点？请搜集资料，结合自己的思考写一篇综述性短文。
【提示】与传统生产方式相比，植物工厂生产蔬菜可以精确控制植物的生长周期、生长环境、上市时间等，但同时面临技术难度大、操控要求高、需要掌握各种不同蔬菜的生理特性等问题。综述性短文只要证据确凿、逻辑清晰、言之有理,就可以的。
二、光合作用的原理和应用
01
思考•讨论
1.希尔的实验说明水的光解产生氧气，是否说明植物光合作用产生的氧气中的氧元素全部都来自水？
【答案】不能说明。希尔反应仅说明了离体叶绿体在适当条件下可以发生水的光解，产生氧气。该实验没有排除叶绿体中其他物质的干扰，也并没有直接观察到氧元素的转移。
2.希尔的实验是否说明水的光解与糖的合成不是同一个化学反应？
【答案】希尔反应是将离体叶绿体置于悬浮液中完成的，悬浮液中有H2O，没有合成糖的另一种必需原料CO2，因此，该实验说明水的光解并非必须与糖的合成相关联，暗示着希尔反应是相对独立的反应阶段。
3.分析鲁宾和卡门做的实验，你能得出什么结论？
【答案】光合作用释放的氧气中的氧元素全部来源于水，而并不来源于CO2。
4.尝试用示意图来表示ATP的合成与希尔反应的关系。
02
旁栏思考
植物在进行光合作用的同时，还会进行呼吸作用。我们观测到的光合作用指标，如O2的产生量，是植物光合作用实际产生的总O2量吗？
【答案】用这种方法观察到的O2的产生量，实际是光合作用的O2释放量，与植物光合作用实际产生的O2量不同，没有考虑到植物自身呼吸作用对O2的消耗。
03
思考•讨论
1.光反应和暗反应在所需条件、进行场所、发生的物质变化和能量转化等方面有什么区别？
2.光反应和暗反应在物质变化和能量转化方面存在什么联系？
【答案】物质光反应生成的ATP和 NADPH供暗反应C3的还原，而暗反应为光反应提供了ADP、Pi和NADP ；能量光反应为暗反应提供了活跃的化学能，暗反应将活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
04
练习与应用
一、概念检测
1. 依据光合作用的基本原理，判断下列相关表述是否正确。
(1)光合作用释放的氧气中的氧元素来自水。（√）
(2)光反应只能在光照条件下进行，暗反应只能在黑暗条件下进行。（×）
(3)影响光反应的因素不会影响暗反应。（×）
2.如果用含有14C的CO2来追踪光合作用中碳原子的转移途径，则是 （D）
3.根据光合作用的基本过程填充下图。
【提示】按照教材第103页图5-14解答。
二、拓展应用
1.下图是在夏季晴朗的白天，某种绿色植物叶片光合作用强度的曲线图。分析曲线图并回答问题。
(1)7-10时的光合作用强度不断增强的原因是_____。
(2)10-12时左右的光合作用强度明显减弱的原因是 ______。
(3)14-17时的光合作用强度不断下降的原因是______。
(4)从图中可以看出，限制光合作用的因素有_____。
(5)依据本题提供的信息，提出提高绿色植物光合作用强度的一些措施。
【答案】(1)光照强度逐渐增大
(2)此时温度很高，导致气孔大量关闭，CO2无法进入叶片组织，致使光合作用暗反应受到限制
(3)光照强度不断减弱
(4)光照强度、温度
(5)根据本题信息，可以利用温室大棚控制光照强度、温度的方式，如补光、遮阴、生炉子、喷淋降温等，提高绿色植物光合作用强度。
2. 在玻璃瓶底部铺一层潮湿的土壤，播下一粒种子，将玻璃瓶密封，放在靠近窗户能照到阳光的地方，室内温度保持在30°C左右。不久，这粒种子萌发长成幼苗。你能预测这株植物幼苗能够生存多长时间吗？如果能，请说明理由。如果不能，请说明你还需要哪些关于植物及其环境因素的信息。
【提示】植物的生活需要水、无机盐、阳光、适宜的温度、空气(含有二氧化碳)，从给出的信息可以看出，植物生长的基本条件都是满足的，因此，只要没有病虫害等不利因素，这株植物(幼苗)就能够生存一段时间但究竟能够生存多长时间，涉及的问题很多。潮湿的土壤含有水分，植物根系吸收水分后，大部分可通过蒸腾作用散失到空气中，由于瓶是密闭的，散失到空气中的水分能够凝结，回归土壤供植物体循环利用。但是，随着植株的生长，越来越多的水分通过光合作用成为有机物的组成部分，尽管有机物能够通过呼吸作用释放出二氧化碳和水(这些水既可以散失到空气中回归土壤，也可以在叶片细胞中直接用于光合作用)，毕竟有机物是不断积累的，这意味着回归到土壤的水分会越来越少，有可能成为影响植物生存的限制因素，因此，要预测植物生存的时间，需要知道土壤含水量和植物体内有机物积累速率等信息。土壤中的无机盐被植物根系吸收以后，绝大部分成为植物体的组成成分(少量可能随落叶归还土壤)，因此难以循环利用，但植物对无机盐的需要量是很少的，土壤中无机盐到底能满足植物体生长多长时间的需要与土壤的多少土壤中各种无机盐的含量，植株的大小等有关，这些信息是任务提示中没有给出的，因此不能从这方面做出准确预测，从给出信息可知,在阳光和温度方面不存在制约瓶中植物生存的问题。二氧化碳是植物进行光合作用必需的原料之一瓶中的二氧化碳通过植物的光合作用被植物体利用,转化为有机物。有机物通过植物的呼吸作用分解成二氧化碳和水，可见二氧化碳在植物体和瓶中空气之间是可以循环的。但是随着植株的生长，有机物会不断积累，这意味着中空气所含的二氧化碳会逐渐减少要预测瓶中二氧化碳能维持植物体生存多长时间，还需要知道瓶中二氧化碳总量、植物体光合速率呼吸速率或有机物积累速率等信息。上述推理大多是建立在植物体不断生长基础上的，这是因为玻璃瓶容积小，植物幼苗正在处于生长期。此外，瓶中植物生存时间的长短,还与植物的种类有关。如果是寿命很短的某种草本植物，即使瓶中各种条件长久适宜，植物生存的时间也不会长。
05
复习与提高
一、选择题
1. 下列关于水稻细胞内ATP的叙述，错误的是（B）
A.能与ADP相互转化
B.只能由细胞呼吸产生
C.可为物质跨膜运输提供能量
D.释放的磷酸基团能与某些蛋白质结合
2.在不损伤植物细胞内部结构的情况下，下列可用于去除细胞壁的物质是 （B）
A.蛋白酶 B.纤维素酶 C.盐酸 D.淀粉酶
3.下图表示酶活性与温度的关系。下列叙述正确的是 （B）
A.当温度为t2时，该反应的活化能最高
B.当反应物浓度提高时，t2对应的数值可能会增加
C.温度在t2时比在t1时更适合酶的保存
D.酶的空间结构在t1时比t3时破坏更严重
4.叶绿体不同于线粒体的特点有 （C）
A.具有双层选择透过性膜
B.利用水进行化学反应
C.能分解水产生氧气和H
D.合成ATP为生命活动供能
5. 叶肉细胞中不能合成ATP的部位是 （D）
A.线粒体内膜 B.叶绿体的类囊体膜
C.细胞质基质 D.叶绿体基质
6.在我国西北地区，夏季日照时间长，昼夜 温差大，那里出产的瓜果往往特别甜。这是因为 （D）
A.白天光合作用微弱，晚上呼吸作用微弱
B.白天光合作用旺盛，晚上呼吸作用强烈
C.白天光合作用微弱，晚上呼吸作用强烈
D.白天光合作用旺盛，晚上呼吸作用微弱
二、非选择题
1.请设计并填写一个表格，简明而清晰地体现出你对光合作用与细胞呼吸之间主要区别和内在联系的理解。
2. CO2浓度增加会对植物光合作用速率产生影响。研究人员以大豆、甘薯、花生、水稻、棉花作 为实验材料，分别进行三种不同实验处理，甲组提供大气CO2浓度（375 μmol • mol-1），乙组提供CO2浓度倍增环境（750 μ mol • mol-1），丙组先在CO2浓度倍增的环境中培养60d，测定前一周恢复为大气CO2浓度。整个生长过程保证充足的水分供应，选择晴天上午测定各组的光合作用速率。结果如下图所示。
回答下列问题。
(1)CO2浓度增加，作物光合作用速率发生的变化是____ ；出现这种变化的原因是_____。
(2) 在CO2浓度倍增时，光合作用速率并未倍增，此时限制光合作用速率增加的因素可能是_____。
(3)丙组的光合作用速率比甲组低。有人推测可能是因为作物长期处于高浓度CO2环境而降低了固定CO2的酶的活性。这一推测成立吗？为什么？
(4)有人认为：化石燃料开采和使用能升高大气CO2浓度，这有利于提高作物光合作用速率，对农业生产是有好处的。因此，没有必要限制化石燃料使用，世界主要国家之间也没有必要签署碳减排协议。请查找资料，对此观点作简要评述。
【答案】(1)随着CO2浓度的增加，作物的光合作用速率随之提高因为CO2参与光合作用暗反应，在光照充足的情况下，CO2增加，其单位时间内与五碳化合物结合形成的三碳化合物也会增加，形成的葡萄糖也增加，故光合作用速率增加。
(2)NADPH和ATP的供应限制；固定CO2的酶活性不够高、C5的再生速率不足、有机物在叶绿体中积累较多等，都是制约因素。所以单纯增加CO2，不能使反应速率倍增。
(3)可能成立，若植物长期处于CO2倍增下，降低了固定CO2的酶含量或者活性，当恢复到大气CO2浓度后，已经降低的固定CO2的酶的含量或活性未能恢复，又失去了高浓度CO2的优势，因此会表现出比大气CO2浓度下更低的光合速率。学生可大胆做出合理推测，而不局限于说出上述答案。
(4)提示：回答本题的关键是摒弃简单的线性思维方式，要从生命活动的复杂性角度去回答。首先，不能只从光合作用效率可能提高的角度来看待温室效应，而必须全面分析温室效应可能产生的环境问题。其次，仅从大气中CO2比例增加是否提高光合作用速率的角度看，也不能以线性思维来看待。植物光合作用受到温度、水分等外部因素的影响，也受到内部的酶的活性等因素的影响，长期高CO2浓度可能使某些酶活性降低，高温也可能引起植物其他的变化，如色素降低；同时温室效应导致气温升高，引起蒸发率升高而影响水分供应，高温环境增强呼吸作用消耗的有机物也增多。因此温室效应不一定会提高作物产量。
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