光合作用

光合作用

光合作用(Photosynthesis),即光能合成作用,是植物、藻類和某些細菌,在可見光的照射下,經過光反應和暗反應,利用光合色素,將二氧化碳(或硫化氫)和水轉化為有機物,並釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程。

光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和,是生物界賴以生存的基礎,也是地球碳氧迴圈的重要媒介。

  • 中文名稱
    光合作用
  • 外文名稱
    Photosynthesis
  • 作用部位
    葉綠體
  • 作用條件
    光色素分子酶二氧化碳(硫化氫)

​簡介

光合作用(Photosynthesis),即光能合成作用,是植物、藻類和某些細菌,在可見光的照射下,經過光反應和暗反應,利用光合色素,將二氧化碳(或硫化氫)和水轉化為有機物,並釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程。光合作用是一系列復雜的代謝反應的總和,是生物界賴以生存的基礎,也是地球碳氧迴圈的重要媒介。光合作用(Photosynthesis)是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌(如帶紫膜的嗜鹽古菌)利用其細胞本身,在可見光的照射下,將二氧化碳和水(細菌為硫化氫和水)轉化為有機物,並釋放出氧氣(細菌釋放氫氣)的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產者,是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用,食物鏈的消費者可以吸收到植物及細菌所貯存的能量,效率為10%~20%左右。對于生物界的幾乎所有生物來說,這個過程是它們賴以生存的關鍵。而在地球上的碳氧迴圈,光合作用是必不可少的。

光合作用

基本介紹

本詞條僅闡釋普通意義上的光合作用。相關概念(如光合色素、化能合成作用)請參閱其他詞條。植物的光合作用是生物界最基本的物質代謝和能量代謝。

葉綠體中文解釋

光合作用(Photosynthesis)是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細菌(如帶紫膜的嗜鹽古菌)利用其細胞本身,在可見光的照射下,將二氧化碳和水(細菌為硫化氫和水)轉化為有機物,並釋放出氧氣(細菌釋放氫氣)的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產者,是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存能量。通過食用,食物鏈的消費者可以吸收到植物及細菌所貯存的能量,效率為10%~20%左右。對于生物界的幾乎所有生物來說,這個過程是它們賴以生存的關鍵。而在地球上的碳氧迴圈,光合作用是必不可少的。

光合作用

光合作用原理

光反應 

1水的光解:2H2O→4[H]+O2(為暗反應提供氫)

2.ATP的形成:ADP+Pi+光能—→ATP(為暗反應提供能量)

暗反應

1.CO2的固定:CO2+C5→2C3

2.C3化合物的還原:2C3+[H]+ATP→(CH2O)+C5

1、光合作用:發生範圍(綠色植物)、場所(葉綠體)、能量來源(光能)、原料(二氧化碳和水)、產物(儲存能量的有機物和氧氣)。

相關知識

1、光合作用的發現

①1771年英國科學家普利斯特萊發現,將點燃的蠟燭與綠色植物一起放在密閉的玻璃罩內,蠟燭不容易熄滅;將小鼠與綠色植物一起放在玻璃罩內,小鼠不容易窒息而死,證明:植物可以更新空氣。

②1864年,德國科學家薩克斯把綠葉放在暗處理的綠色葉片一半曝光,另一半遮光。過一段時間後,用碘蒸氣處理葉片,發現遮光的那一半葉片沒有發生顏色變化,曝光的那一半葉片則呈深藍色。證明:綠色葉片在光合作用中產生了淀粉。

③1880年,德國科學家思吉爾曼用水綿進行光合作用的實驗。證明:葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所,氧是葉綠體釋放出來的。

④20世紀30年代美國科學家魯賓卡門採用同位素標記法研究了光合作用。第一組相植物提供H₂18O和CO₂,釋放的是18O2;第二組提供H₂O和C18O,釋放的是O₂。光合作用釋放的氧全部來自于水。

2、葉綠體的色素

①分布:基粒片層結構的薄膜上。

②色素的種類:高等植物葉綠體含有以下四種色素。

A、葉綠素主要吸收紅光和藍紫光,包括葉綠素a(藍綠色)和葉綠素b(黃綠色);

B、類胡蘿卜素主要吸收藍紫光,包括胡蘿卜素(橙黃色)和葉黃素(黃色)。

3、葉綠體的酶

分布在葉綠體基粒片層膜上(光反應階段的酶)和葉綠體的基質中(暗反應階段的酶)。

4光反應與暗反應的區別與聯系

①場所:光反應在葉綠體基粒片層膜(類囊體膜)上,暗反應在葉綠體的基質中。

②條件:光反應需要光、葉綠素等色素、酶,暗反應需要許多有關的酶。

③物質變化:光反應發生水的光解和ATP的形成,暗反應發生CO2的固定和C3化合物的還原。

④能量變化:光反應中光能→ATP中活躍的化學能,在暗反應中ATP中活躍的化學能→CH2O中穩定的化學能。

⑤聯系:光反應產物[H]是暗反應中CO2的還原劑,ATP為暗反應的進行提供了能量,暗反應產生的ADP和Pi為光反應形成ATP提供了原料。

光合作用

6、光合作用的意義

①提供了物質來源和能量來源。②維持大氣中氧和二氧化碳含量的相對穩定。③對生物的進化具有重要作用。總之,光合作用是生物界最基本的物質代謝和能量代謝。

7、影響光合作用的因素

:有光照(包括光照的強度、光照的時間長短)、二氧化碳濃度、溫度(主要影響酶的作用)和水等。這些因素中任何一種的改變都將影響光合作用過程。如:在大棚蔬菜等植物栽種過程中,可採用白天適當提高溫度、夜間適當降低溫度(減少呼吸作用消耗有機物)的方法,來提高作物的產量。再如,二氧化碳是光合作用不可缺少的原料,在一定範圍內提高二氧化碳濃度,有利于增加光合作用的產物。當低溫時暗反應中(CH2O)的產量會減少,主要由于低溫會抑製酶的活性;適當提高溫度能提高暗反應中(CH2O)的產量,主要由于提高了暗反應中酶的活性。

8、光合作用過程

可以分為兩個階段,即光反應和暗反應。前者的進行必須在光下才能進行,並隨著光照強度的增加而增強,後者有光、無光都可以進行。暗反應需要光反應提供能量和[H],在較弱光照下生長的植物,其光反應進行較慢,故當提高二氧化碳濃度時,光合作用速率並沒有隨之增加。光照增強,蒸騰作用隨之增加,從而避免葉片的灼傷,但炎熱夏天的中午光照過強時,為了防止植物體內水分過度散失,通過植物進行適應性的調節,氣孔關閉。雖然光反應產生了足夠的ATP和〔H〕,但是氣孔關閉,CO2進入葉肉細胞葉綠體中的分子數減少,影響了暗反應中葡萄糖的產生。

9、在光合作用中

光合作用是指綠色植物利用光能,把二氧化碳和水合成為貯存了能量的有機物,同時釋放出氧氣的過程。

a、由強光變成弱光時,產生的[H]、ATP數量減少,此時C3還原過程減弱,而CO2仍在短時間內被一定程度的固定,因而C3含量上升,C5含量下降,(CH2O)的合成率也降低。

b、CO2濃度降低時,CO2固定減弱,因而產生的C3數量減少,C5的消耗量降低,而細胞的C3仍被還原,同時再生,因而此時,C3含量降低,C5含量上升。

植物光合作用過程:二氧化碳+水 →有機物(儲存著能量)+氧氣

光合作用發現史

1771年,英國化學家普利斯特列(Joseph Priestley)發現,把薄荷枝條和燃著的蠟燭放在一隻密閉的鍾罩裏,蠟燭不容易熄滅;把小鼠和植物放在同一鍾罩裏,小鼠也不易窒息死亡。因此他提出植物可以“凈化”空氣。1779年,荷蘭人英格豪茨(Jan Ingen-housz)進一步證實,綠色植物隻有在日光下才能“凈化”空氣。1782年,瑞士的森尼別(Jean Senebier)用化學分析證明二氧化碳是光合作用所必需的,氧氣是光合作用的產物。1804年索蘇爾(Nicholes.Th.de.Saussare)證實了植物光合作用以二氧化碳和水作原料。 1864年,薩克斯(Julius Sachs)發現隻有照光時,葉綠體中的淀粉粒才會增大,指出光合作用的產物是氧氣和有機物。

實際套用

研究課題

研究光合作用,對農業生產,環保等領域起著基礎指導的作用。知道光反應暗反應的影響因素,可以趨利避害,如建造溫室,加快空氣流通,以使農作物增產。人們又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的兩面性,即既催化光合作用,又會推動光呼吸,正在嘗試對其進行改造,減少後者,避免有機物和能量的消耗,提高農作物的產量。

當了解到光合作用與植物呼吸的關系後,人們就可以更好的布置家居植物擺設。比如晚上就不應把植物放到室內,以避免因植物呼吸而引起室內氧氣濃度降低。

農業生產的目的是為了以較少的投入,獲得較高的產量。根據光合作用的原理,改變光合作用的某些條件,提高光合作用強度(指植物在單位時間內通過光合作用製造糖的數量),是增加農作物產量的主要措施。這些條件主要是指光照強度、溫度、CO2濃度等。如何調控環境因素來最大限度的增加光合作用強度,是現代農業的一個重大課題。

農業上套用的例子有:合理密植、立體種植、適當增加二氧化碳濃度、適當延長光照時間、減少大氣電場的禁止、設立空間電場等。

套用實例

⑴雲南生態農業研究所所長那中元開發的作物基因表型誘導調控表達技術(GPIT),在世界上第一個成功地解決了提高光合作用效率的難題。

提高農作物產量有多種途徑,其中之一是提高作物光合作用效率,而如何提高則是一個世界難題,許多發達國家開展了多年研究,但至今未見成功的報道。

那中元開發的GPIT技術率先解決了這一難題,據西藏、雲南、山東、黑龍江、吉林等省、自治區試驗結果,使用GPIT技術,不同作物的光合作用效率可分別提高50%至400%以上。

雲南省西北部的迪慶藏族自治州中甸高原壩區海拔3276米,玉米全生育期有效積溫493℃,不到世界公認有效積溫最低極限的一半;玉米苗期最低氣溫零下5.4℃,地表最低氣溫零下9.5℃。但使用GPIT技術試種的玉米仍生長良好,獲得每畝499公斤的高產。

1999年在海拔3658米的拉薩試種的玉米,單株最多長出八穗,全部成熟,且全是高賴氨酸優質玉米。全國高海拔地區和寒冷地區的試驗示範表明,套用GPIT技術可使作物的生育期大為縮短,小麥平均縮短7至15天,水稻平均縮短10至20天,玉米平均縮短30至40天。

GPIT技術還解決了農作物自身抗性表達,高抗根、莖、葉多種病害的世紀難題。1999年在昆明市官渡區進行了百畝小麥連片對照試驗,未使用GPIT技術的小麥三次施用農葯,白粉病仍很嚴重;而套用GPIT技術處理的百畝小麥,不用農葯,基本不見病株。

⑵模擬大氣電場的空間電場在提高溫室內作物、大田作物的光合效率方面具有套用價值。空間電場生物效應之一是植物在空間電場作用下能快速吸收二氧化碳並提高根系的呼吸強度。大氣電場防病促生理論、模擬大氣電場變化的空間電場在農業生產中一般用來解決弱光生理障礙和加快二氧化碳的同化速率。在空間電場環境中,增補二氧化碳可獲得高的生物產量。

⑶ 二氧化碳捕集技術,即光碳核肥,是由南陽東侖生物光碳科技有限公司生產的產品,

大氣電場與空間電場調控光合作用之套用 (13張)

 世界第一例可以大面積推廣的增加植物光合作用的技術,該技術可以有效的增加作物周圍的二氧化碳濃度,增加植物的光合作用,同時抑製夜間的光呼吸,從而達到作物高產。

實際意義

⒈一切生物體和人類物質的來源(所需有機物最終由綠色植物提供)

⒉一切生物體和人類能量的來源(地球上大多數能量都來自太陽能)

⒊一切生物體和人類氧氣的來源(使大氣中氧氣、二氧化碳的含量相對或絕對穩定)

影響條件

光照

光合作用是一個光生物化學反應,所以光合速率隨著光照強度的增加而加快。但超過一定範圍之後,光合速率的增加變慢,直到不再增加。光合速率可以用CO2的吸收量來表示,CO2的吸收量越大,表示光合速率越快。

二氧化碳

CO2是綠色植物光合作用的原料,它的濃度高低影響了光合作用暗反應的進行。在一定範圍內提高CO2的濃度能提高光合作用的速率,CO2濃度達到一定值之後光合作用速率不再增加,這是因為光反應的產物有限。

溫度

溫度對光合作用的影響較為復雜。由于光合作用包括光反應和暗反應兩個部分,光反應主要涉及光物理和光化學反應過程,尤其是與光有直接關系的步驟,不包括酶促反應,因此光反應部分受溫度的影響小,甚至不受溫度影響;而暗反應是一系列酶促反應,明顯地受溫度變化影響和製約。

當溫度高于光合作用的最適溫度時,光合速率明顯地表現出隨溫度上升而下降,這是由于高溫引起催化暗反應的有關酶鈍化、變性甚至遭到破壞,同時高溫還會導致葉綠體結構發生變化和受損;高溫加劇植物的呼吸作用,而且使二氧化碳溶解度的下降超過氧溶解度的下降,結果利于光呼吸而不利于光合作用;在高溫下,葉子的蒸騰速率增高,葉子失水嚴重,造成氣孔關閉,使二氧化碳供應不足,這些因素的共同作用,必然導致光合速率急劇下降。當溫度上升到熱限溫度,凈光合速率便降為零,如果溫度繼續上升,葉片會因嚴重失水而萎蔫,甚至幹枯死亡。

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