01
問題探討
你參觀或聽說過植物工廠嗎？植物工廠在人工精密控制光照、溫度、溼度、二氧化碳濃度和營養液成分等條件下， 生產蔬菜和其他植物。有的植物工廠完全依靠LED燈等人工光源，其中常見的是紅色、藍色和白色的光源。討論1.靠人工光源生產蔬菜有什麼好處？【答案】用人工光源生產蔬菜，可以避免由於自然環境中光照強度不足導致光合作用強度低而造成的減產。同時，人工光源的強度和不同色光是可以調控的，可以根據植物生長的情況進行調節，以使蔬菜產量達到最大。2.為什麼要控制二氧化碳濃度、營養液成分和溫度等條件？【答案】影響光合作用的因素很多，既有植物自身條件，也有外界環境條件。二氧化碳濃度、營養液和溫度是影響植物生長的重要外部條件，因此要進行控制，以便讓植物達到最佳的生長狀態。一、捕獲光能的色素和結構
02
探究•實踐
1.濾紙條上有幾條色素帶？它們是按照什麼次序分佈的？
【答案】濾紙條上有4條不同顏色的色素帶，從上到下依次為：胡蘿蔔素(橙黃色)、葉黃素(黃色)、葉綠素a(藍綠色)和葉綠素b(黃綠色)
2.濾紙條上色素帶的分佈情況說明了什麼？
【答案】濾紙條上的色素帶說明了綠葉中的色素有4種，它們在層析液中的溶解度不同，隨層析液在濾紙上擴散的快慢也不同；同時由於4種色素的顏色不同，也說明不同色素吸收了不同波長的光。
03
旁欄思考
植物工廠裡為什麼不用發綠光的光源？【答案】綠色光源發出綠色的光，這種波長的光線不能被光合色素吸收，因此無法運用到光合作用中製造有機物。
04
1.恩格爾曼第一個實驗的結論是什麼【答案】恩格爾曼第一個實驗的結論是：氧氣是葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。2.恩格爾曼在選材、實驗設計上有什麼巧妙之處？【提示】實驗材料選擇水綿和好氧細菌，水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便於觀察，好氧細菌可確定釋放氧氣多的部位；沒有空氣的黑暗環境排除了氧氣和光的干擾；用極細的光束照射，葉綠體上有光照多和光照少的部位，相當於一組對比實驗；臨時裝片暴露在光下的實驗再一次驗證了實驗結果，等等。3.在第二個實驗中，大量的需氧細菌聚集在紅光和藍紫光區域，為什麼？【答案】這是因為水綿葉綠體上的光合色素主要吸收紅光和藍紫光，在此波長光的照射下，葉綠體會釋放氧氣，適於好氧細菌在此區域分佈。4.綜合上述資料，你認為葉綠體具有什麼功能？【答案】葉綠體是進行光合作用的場所，並且能夠吸收特定波長的光。
05
練習與應用
一、概念檢測
1. 基於對葉綠體的結構和功能的理解，判斷下列相關表述是否正確。
(1)葉綠體中只有葉綠素吸收的光能才能用於光合作用。（×）
(2)葉綠體的類囊體上有巨大的膜面積，有利於充分吸收光能。（√）
(3)植物葉片之所以呈現綠色，是因為葉片中的葉綠體吸收了綠光。 （×）
2.下列關於高等植物細胞內色素的敘述，錯誤的是 （A）
A.所有植物細胞中都含有4種色素
B.有些植物細胞的液泡中也含有色素
C. 葉綠素和類胡蘿蔔素都可以吸收光能
D.植物細胞內的光合色素主要包括葉綠素和類胡蘿蔔素兩大類
二、拓展應用
1.海洋中的藻類，習慣上依其顏色分為綠藻、褐藻和紅藻，它們在海水中的垂直分佈大致依次是淺、中、深。這種現象與光能的捕獲有關嗎？
【答案】有關，不同顏色的藻類吸收不同波長的光。藻類本身的顏色是反射出來的光，即紅藻反射出了紅光，綠藻反射出綠光，褐藻反射出黃色的光。水對紅、橙光的吸收比對藍、綠光的吸收要多，即到達深水層的光線是短波長的光，因此，吸收紅光和藍紫光較多的綠藻分佈於海水的淺層，吸收藍紫光和綠光較多的紅藻分佈於海水深的地方。
2.與傳統的生產方式相比，植物工廠生產蔬菜等食物有哪些優勢？又面臨哪些困難？你對植物工廠的發展前景持什麼觀點？請蒐集資料，結合自己的思考寫一篇綜述性短文。
【提示】與傳統生產方式相比，植物工廠生產蔬菜可以精確控制植物的生長週期、生長環境、上市時間等，但同時面臨技術難度大、操控要求高、需要掌握各種不同蔬菜的生理特性等問題。綜述性短文只要證據確鑿、邏輯清晰、言之有理,就可以的。
二、光合作用的原理和應用
01
1.希爾的實驗說明水的光解產生氧氣，是否說明植物光合作用產生的氧氣中的氧元素全部都來自水？
【答案】不能說明。希爾反應僅說明了離體葉綠體在適當條件下可以發生水的光解，產生氧氣。該實驗沒有排除葉綠體中其他物質的干擾，也並沒有直接觀察到氧元素的轉移。
2.希爾的實驗是否說明水的光解與糖的合成不是同一個化學反應？
【答案】希爾反應是將離體葉綠體置於懸浮液中完成的，懸浮液中有H2O，沒有合成糖的另一種必需原料CO2，因此，該實驗說明水的光解並非必須與糖的合成相關聯，暗示著希爾反應是相對獨立的反應階段。
3.分析魯賓和卡門做的實驗，你能得出什麼結論？
4.嘗試用示意圖來表示ATP的合成與希爾反應的關係。
02
旁欄思考
植物在進行光合作用的同時，還會進行呼吸作用。我們觀測到的光合作用指標，如O2的產生量，是植物光合作用實際產生的總O2量嗎？
【答案】用這種方法觀察到的O2的產生量，實際是光合作用的O2釋放量，與植物光合作用實際產生的O2量不同，沒有考慮到植物自身呼吸作用對O2的消耗。
03
1.光反應和暗反應在所需條件、進行場所、發生的物質變化和能量轉化等方面有什麼區別？
2.光反應和暗反應在物質變化和能量轉化方面存在什麼聯絡？
【答案】物質聯絡：光反應生成的ATP和 NADPH供暗反應C3的還原，而暗反應為光反應提供了ADP、Pi和NADP+；能量聯絡：光反應為暗反應提供了活躍的化學能，暗反應將活躍的化學能轉化為有機物中穩定的化學能。
04
練習與應用
一、概念檢測
1. 依據光合作用的基本原理，判斷下列相關表述是否正確。
(1)光合作用釋放的氧氣中的氧元素來自水。（√）
(2)光反應只能在光照條件下進行，暗反應只能在黑暗條件下進行。（×）
(3)影響光反應的因素不會影響暗反應。（×）
2.如果用含有14C的CO2來追蹤光合作用中碳原子的轉移途徑，則是 （D）
3.根據光合作用的基本過程填充下圖。
【提示】按照教材第103頁圖5-14解答。
二、拓展應用
1.下圖是在夏季晴朗的白天，某種綠色植物葉片光合作用強度的曲線圖。分析曲線圖並回答問題。
(1)7-10時的光合作用強度不斷增強的原因是_____。
(2)10-12時左右的光合作用強度明顯減弱的原因是 ______。
(3)14-17時的光合作用強度不斷下降的原因是______。
(4)從圖中可以看出，限制光合作用的因素有_____。
(5)依據本題提供的資訊，提出提高綠色植物光合作用強度的一些措施。
【答案】(1)光照強度逐漸增大
(2)此時溫度很高，導致氣孔大量關閉，CO2無法進入葉片組織，致使光合作用暗反應受到限制
(3)光照強度不斷減弱
(4)光照強度、溫度
(5)根據本題資訊，可以利用溫室大棚控制光照強度、溫度的方式，如補光、遮陰、生爐子、噴淋降溫等，提高綠色植物光合作用強度。
2. 在玻璃瓶底部鋪一層潮溼的土壤，播下一粒種子，將玻璃瓶密封，放在靠近窗戶能照到陽光的地方，室內溫度保持在30°C左右。不久，這粒種子萌發長成幼苗。你能預測這株植物幼苗能夠生存多長時間嗎？如果能，請說明理由。如果不能，請說明你還需要哪些關於植物及其環境因素的資訊。
【提示】植物的生活需要水、無機鹽、陽光、適宜的溫度、空氣(含有二氧化碳)，從給出的資訊可以看出，植物生長的基本條件都是滿足的，因此，只要沒有病蟲害等不利因素，這株植物(幼苗)就能夠生存一段時間但究竟能夠生存多長時間，涉及的問題很多。潮溼的土壤含有水分，植物根系吸收水分後，大部分可透過蒸騰作用散失到空氣中，由於瓶是密閉的，散失到空氣中的水分能夠凝結，迴歸土壤供植物體迴圈利用。但是，隨著植株的生長，越來越多的水分透過光合作用成為有機物的組成部分，儘管有機物能夠透過呼吸作用釋放出二氧化碳和水(這些水既可以散失到空氣中迴歸土壤，也可以在葉片細胞中直接用於光合作用)，畢竟有機物是不斷積累的，這意味著迴歸到土壤的水分會越來越少，有可能成為影響植物生存的限制因素，因此，要預測植物生存的時間，需要知道土壤含水量和植物體內有機物積累速率等資訊。土壤中的無機鹽被植物根系吸收以後，絕大部分成為植物體的組成成分(少量可能隨落葉歸還土壤)，因此難以迴圈利用，但植物對無機鹽的需要量是很少的，土壤中無機鹽到底能滿足植物體生長多長時間的需要與土壤的多少土壤中各種無機鹽的含量，植株的大小等有關，這些資訊是任務提示中沒有給出的，因此不能從這方面做出準確預測，從給出資訊可知,在陽光和溫度方面不存在制約瓶中植物生存的問題。二氧化碳是植物進行光合作用必需的原料之一瓶中的二氧化碳透過植物的光合作用被植物體利用,轉化為有機物。有機物透過植物的呼吸作用分解成二氧化碳和水，可見二氧化碳在植物體和瓶中空氣之間是可以迴圈的。但是隨著植株的生長，有機物會不斷積累，這意味著中空氣所含的二氧化碳會逐漸減少要預測瓶中二氧化碳能維持植物體生存多長時間，還需要知道瓶中二氧化碳總量、植物體光合速率呼吸速率或有機物積累速率等資訊。上述推理大多是建立在植物體不斷生長基礎上的，這是因為玻璃瓶容積小，植物幼苗正在處於生長期。此外，瓶中植物生存時間的長短,還與植物的種類有關。如果是壽命很短的某種草本植物，即使瓶中各種條件長久適宜，植物生存的時間也不會長。
05
複習與提高
一、選擇題
1. 下列關於水稻細胞內ATP的敘述，錯誤的是（B）
A.能與ADP相互轉化
B.只能由細胞呼吸產生
C.可為物質跨膜運輸提供能量
D.釋放的磷酸基團能與某些蛋白質結合
2.在不損傷植物細胞內部結構的情況下，下列可用於去除細胞壁的物質是 （B）
A.蛋白酶 B.纖維素酶 C.鹽酸 D.澱粉酶
3.下圖表示酶活性與溫度的關係。下列敘述正確的是 （B）
A.當溫度為t2時，該反應的活化能最高
B.當反應物濃度提高時，t2對應的數值可能會增加
C.溫度在t2時比在t1時更適合酶的儲存
D.酶的空間結構在t1時比t3時破壞更嚴重
4.葉綠體不同於線粒體的特點有 （C）
A.具有雙層選擇透過性膜
B.利用水進行化學反應
C.能分解水產生氧氣和H+
D.合成ATP為生命活動供能
5. 葉肉細胞中不能合成ATP的部位是 （D）
A.線粒體內膜 B.葉綠體的類囊體膜
C.細胞質基質 D.葉綠體基質
6.在我國西北地區，夏季日照時間長，晝夜 溫差大，那裡出產的瓜果往往特別甜。這是因為 （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，晚上呼吸作用強烈
C.白天光合作用微弱，晚上呼吸作用強烈
D.白天光合作用旺盛，晚上呼吸作用微弱
二、非選擇題
1.請設計並填寫一個表格，簡明而清晰地體現出你對光合作用與細胞呼吸之間主要區別和內在聯絡的理解。
2. CO2濃度增加會對植物光合作用速率產生影響。研究人員以大豆、甘薯、花生、水稻、棉花作 為實驗材料，分別進行三種不同實驗處理，甲組提供大氣CO2濃度（375 μmol • mol-1），乙組提供CO2濃度倍增環境（750 μ mol • mol-1），丙組先在CO2濃度倍增的環境中培養60d，測定前一週恢復為大氣CO2濃度。整個生長過程保證充足的水分供應，選擇晴天上午測定各組的光合作用速率。結果如下圖所示。
回答下列問題。
(1)CO2濃度增加，作物光合作用速率發生的變化是____ ；出現這種變化的原因是_____。
(2) 在CO2濃度倍增時，光合作用速率並未倍增，此時限制光合作用速率增加的因素可能是_____。
(3)丙組的光合作用速率比甲組低。有人推測可能是因為作物長期處於高濃度CO2環境而降低了固定CO2的酶的活性。這一推測成立嗎？為什麼？
(4)有人認為：化石燃料開採和使用能升高大氣CO2濃度，這有利於提高作物光合作用速率，對農業生產是有好處的。因此，沒有必要限制化石燃料使用，世界主要國家之間也沒有必要簽署碳減排協議。請查詢資料，對此觀點作簡要評述。
【答案】(1)隨著CO2濃度的增加，作物的光合作用速率隨之提高因為CO2參與光合作用暗反應，在光照充足的情況下，CO2增加，其單位時間內與五碳化合物結合形成的三碳化合物也會增加，形成的葡萄糖也增加，故光合作用速率增加。
(2)NADPH和ATP的供應限制；固定CO2的酶活性不夠高、C5的再生速率不足、有機物在葉綠體中積累較多等，都是制約因素。所以單純增加CO2，不能使反應速率倍增。
(3)可能成立，若植物長期處於CO2倍增下，降低了固定CO2的酶含量或者活性，當恢復到大氣CO2濃度後，已經降低的固定CO2的酶的含量或活性未能恢復，又失去了高濃度CO2的優勢，因此會表現出比大氣CO2濃度下更低的光合速率。學生可大膽做出合理推測，而不侷限於說出上述答案。
(4)提示：回答本題的關鍵是摒棄簡單的線性思維方式，要從生命活動的複雜性角度去回答。首先，不能只從光合作用效率可能提高的角度來看待溫室效應，而必須全面分析溫室效應可能產生的環境問題。其次，僅從大氣中CO2比例增加是否提高光合作用速率的角度看，也不能以線性思維來看待。植物光合作用受到溫度、水分等外部因素的影響，也受到內部的酶的活性等因素的影響，長期高CO2濃度可能使某些酶活性降低，高溫也可能引起植物其他的變化，如色素降低；同時溫室效應導致氣溫升高，引起蒸發率升高而影響水分供應，高溫環境增強呼吸作用消耗的有機物也增多。因此溫室效應不一定會提高作物產量。