光合作用

光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转换成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。这一过程是地球上最重要的生化反应之一，为几乎所有生命提供了能量来源。

光合作用的总反应式：
6CO₂ + 12H₂O + 光能 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

叶绿体是植物细胞中进行光合作用的场所，是一种具有双层膜的细胞器。叶绿体的主要结构包括：

• 外膜和内膜：构成叶绿体的边界
• 类囊体：由扁平囊状的类囊体膜堆叠而成，是光反应的场所
• 基质：充满叶绿体内部的液体，是暗反应的场所
• DNA和核糖体：叶绿体有自己的遗传物质和蛋白质合成系统

叶绿体增大膜面积的方式主要是通过形成大量的类囊体膜系统，这些膜上含有进行光合作用所需的各种色素和酶。

叶绿体中含有多种光合色素，主要分为两大类：

1. 叶绿素：
   • 叶绿素a：呈蓝绿色，是光合作用的主要色素，存在于所有能进行光合作用的生物中
   • 叶绿素b：呈黄绿色，是辅助色素，能将吸收的光能传递给叶绿素a
2. 类胡萝卜素：
   • 胡萝卜素：呈橙黄色，是辅助色素
   • 叶黄素：呈黄色，是辅助色素

这些色素能够吸收不同波长的光，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，而类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。

实验原理

提取原理：叶绿体中的色素溶于有机溶剂而不溶于水，可用无水乙醇等有机溶剂提取色素。

分离原理：各种色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢，从而使各种色素相互分离。

实验材料

• 新鲜绿叶
• 无水乙醇
• 二氧化硅
• 碳酸钙
• 滤纸
• 层析液
• 研钵和研杵
• 试管和漏斗

操作步骤

1. 取5g新鲜绿叶，剪碎放入研钵中
2. 加入少量二氧化硅和碳酸钙，以及10mL无水乙醇
3. 充分研磨，使色素溶解在乙醇中
4. 过滤，收集滤液
5. 准备滤纸条，在距一端1cm处画一条铅笔线
6. 用毛细管蘸取滤液，沿铅笔线画一条细线
7. 将滤纸条插入含有层析液的试管中，注意滤液线不要接触层析液
8. 观察色素分离情况

实验注意事项

• 选用新鲜的深色叶片，以获得更多色素
• 加入碳酸钙是为了中和有机酸，防止叶绿素分解
• 研磨要充分，以破坏细胞结构，释放色素
• 滤纸条上的滤液线要细且直，以获得清晰的分离效果

光合作用根据条件不同分为两个阶段：

光反应阶段

光反应阶段有光才能进行，在叶绿体的类囊体膜上进行。主要过程包括：

• 光能被叶绿体中的色素分子吸收
• 水分子被分解，释放出氧气、电子和氢离子
• 电子传递产生ATP（能量）
• NADP⁺被还原为NADPH（还原力）

光反应的主要产物是ATP、NADPH和O₂。

暗反应阶段

暗反应阶段不需要光，在叶绿体的基质中进行。主要过程包括：

• 利用光反应提供的ATP和NADPH
• 将CO₂固定并还原为有机物（糖）
• 再生RuBP（二磷酸核酮糖）

暗反应的主要产物是葡萄糖等有机物。

光反应为暗反应提供能量（ATP）和还原剂（NADPH），暗反应为光反应提供ADP和Pi。

萨克斯实验

1864年，德国科学家萨克斯进行了著名的碘试验。他将绿叶放在暗处理的绿色叶片一半暴光，另一半遮光。过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现遮光的那一半叶片没有发生颜色变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这证明了光合作用的产物除氧气外还有淀粉。

恩格尔曼实验

1880年，德国科学家恩格尔曼用水绵进行光合作用的实验。他将好氧细菌与水绵丝放在一起，发现细菌主要聚集在水绵丝的叶绿体周围，证明叶绿体是进行光合作用的场所，氧是叶绿体释放出来的。

鲁宾和卡门实验

20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了光合作用。他们进行了两组实验：

• 第一组：提供H₂¹⁸O和CO₂，释放的是¹⁸O₂
• 第二组：提供H₂O和C¹⁸O₂，释放的是O₂

这证明了光合作用释放的氧全部来自水，而不是二氧化碳。

影响光合作用的环境因素主要有：

影响因素	影响方式	最适条件
光照强度	在一定范围内，光照强度增加，光合作用速率增加；超过光饱和点后，光合作用速率不再增加或下降	因植物种类而异，一般在全日光的1/3~1/2
二氧化碳浓度	在一定范围内，CO2浓度增加，光合作用速率增加；超过一定浓度后，光合作用速率不再增加	0.1%~0.2%（大气中约为0.04%）
温度	温度升高，光合作用速率先增加后降低	25℃~30℃
水分	适宜的水分有利于气孔开放和光合作用进行；水分过多或过少都会抑制光合作用	土壤含水量60%~80%
矿质元素	某些矿质元素（如镁、铁、锰等）是光合作用必需的元素	充足且平衡的矿质元素供应

光合作用原理在农业生产中有广泛应用：

• 合理密植：通过适当的种植密度，增加单位面积的叶面积指数，提高光能利用率
• 间作套种：利用不同作物对光照的需求差异，提高土地利用率和光能利用率
• 温室栽培：控制温度、湿度和CO₂浓度，为植物提供最适宜的光合作用环境
• 施肥技术：提供必要的矿质元素，促进叶绿素合成和光合作用进行
• 化能合成作用：某些细菌（如硝化细菌）能利用无机物氧化释放的能量合成有机物，这种合成作用称为化能合成作用