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第16章 光合作用(2)

(3)教师还可引导学生进一步分析叶绿体结构特点与其光合作用功能相适应的特点,例如:与光合作用有关的各种酶集中分布于叶绿体中,有利于光合反应高效地进行;再如,叶绿体内的片层薄膜,垛叠成基粒,每个基粒由10~100个片层结构组成,这样的结构可增大叶绿体内的膜表面,扩大色素的附着面,有利于提高光能的利用效率2.有条件的学校或班级还可引导学生对色素、光合色素有关的问题做较为深入的讨论,比如可讨论下面几个问题:(1)学生知道我们平常吃的韭黄和蒜黄是怎么培育出来的吗?

这个问题涉及到了植物叶绿素合成时的条件问题。

叶绿素是光合色素中最重要的一类色素。绿色植物的叶绿体中有四种色素,绿色植物只在光下才能合成叶绿素,这样学生已经知道这个问题的答案了。韭黄、蒜黄是在黑暗条件下培育出来的,因为植物此时不能合成叶绿素,只能长成黄化苗,而黄化苗的薄壁细胞比较多,所以吃起来比较嫩,口感比韭菜、蒜苗好一些。但要注意,植物不能长期处于无光条件下,这个道理学生应该是明白的。

叶绿素的形成除了有光照之外,还与什么因素有关呢?叶绿素是一种较复杂有机化合物,其中心存在一个镁离子,因此叶绿素的形成还与镁这种矿质元素有关,没有镁,叶绿素也是形成不了的。

(2)如果土壤短期缺镁,植物的叶片会出现什么现象呢?

可给学生适当的提示,镁与叶绿素是以不稳定化合物的形式存在的。学生可以想一想我们在植物矿质代谢中学习的内容,还记得吗?有两类矿质元素可以移动,一是像氮、磷、钾这样以离子态运输的矿质元素,还有一就是像镁这样与不稳定化合态存在的矿质元素;另一类矿质元素不能自由地在植物体内移动,如钙、铁这样以稳定难溶的状态存在的化合物。能移动的矿质元素才能被重复利用,而且这些矿质元素一般都运输到植物体生长比较活跃的地方,如茎尖、芽尖、幼叶等处。因此土壤中短期缺乏镁这种可移动的离子时,整个植物体中的叶片受损伤的程度是不一样的,此时老叶先受损变黄,而幼叶暂时不会受到缺镁的损伤,依然鲜绿。反之,如果土壤中缺乏的是钙、铁这些不能移动的离子,植物体首先受损伤的则是新叶。

(3)浅海中自上而下为什么会出现绿藻、褐藻、红藻等藻类植物的分层分布现象?

这也是一个和光有关的生物学问题。

我们平常看到的物体的颜色实际上是这个物体反射的光,如学生看到叶片是绿色,说明叶片反射绿光,而吸收了其他色光;学生看到一个物体是白色的,说明这个物体不吸收任何光,并全部反射回来;学生看到一个物体是黑色的,说明这个物体把所有光都吸收了,没有反射任何光。这是理解这个问题的关键。通过上面的分析学生可能已经知道,绿藻反射了绿光;褐藻反射了黄光,而红藻反射了红光。

通过学生所学的物理学知识,知道光子能量E=hυ,光速c=λυ,则:υ=c/λ,从而E=(hc)/λ,即波长越短,光子的能量越高。由此可知,水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收,即水深层的光线相对富含短波长的光。

所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层;含藻红蛋白和类胡萝卜素,吸收由蓝紫光和绿色光较多的红藻分布于海水深的地方。这是植物在演化过程中,对于深水中光谱成分发生变化的一种生理适应。

(4)很多植物的叶片到秋天会变红,很多植物的花在一天的不同时间中也会呈现不同的颜色,学生知道这是什么的原因吗?

本题涉及了植物细胞中色素及其比例变化的问题。一般来说,正常叶片的叶绿体中有两大类光合色素,其中叶绿素和类胡萝卜的分子比例为三比一,叶绿素a和叶绿素b也约三比一,叶黄素和胡萝卜的比例为二比一。由于绿色的叶绿素比黄色的类胡萝卜素多,占优势,所以正常叶子总是呈现绿色。秋天、条件不正常或叶衰老时,由于叶绿素较易被破坏或先降解,数量减少,而类胡萝卜素比较稳定,所以叶片呈现黄色。

至于红叶,不是叶片中叶绿体的色素造成的,而是由细胞液泡中的花色素引起的。因秋天温度降低,植物体内积累较多糖分以适应寒冷,体内的可溶性糖多了,就形成较多的花色素储存于液泡中。而花色素类似于酸碱指示剂,从碱性到酸性会呈现从蓝色到红色颜色渐变,具体而言是,pH=7~8时呈淡紫色;pH<3时,呈红色;pH>11则呈蓝色。由于秋天时液泡中花色素增多,且细胞液pH值又偏酸性,因此叶子就变红了。

不仅如此,花色素的颜色也会随环境中存在的不同的金属离子而改变,所以同一种花色素在不同的花中,或是同一种花由于种植的土壤不同,都能显出不同的颜色。

学生可以回家做一个小实验,找一朵开红花的牵牛花,用手把花瓣使劲揉一揉,使花瓣细胞的液泡破裂,然后把这朵花放到洗衣粉水中(碱性环境),花瓣的颜色会由红色变为蓝色。这样学生就可以理解其中的原因了。

第二课时

一、引言

教学时可从光合作用的总反应式入手,或从与初中阶段的光合作用总反应式的比较入手,可采用老师讲授,或学生讨论,或学生根据总反应式提出光合作用氧来源假设,即水中的氧是来源于水还是二氧化碳,还是共同来源于二者,条件好的班还可让学生想办法证明这些假设,以训练学生的实验设计能力。

在搞清楚光合作用中的全部氧气来自于水中的氧后,让学生回忆初中生物学课本中的光合总反应式,并让学生对该反应式配平,尤其要求反应式左右氧原子的配平,通过这个工作,可使学生深切认识到,光合作用的反应物与产物中都需要水这一重要生物学事实。

二、光合作用的具体过程

可以教师讲解为主,用板图、挂图或多媒体课件的形式尽量把微观的物质变化形象化。

在讲清楚光合作用光反应与暗反应的过程后,应把重点放在光反应与暗反应的区别和联系上,可利用表解的形式让学生分析讨论:光反应暗反应

反应性质光化学反应酶促反应

与光的关系必须在光下进行与光无直接关系,在光下和暗处都能进行。

与温度的关系与温度无直接关系与温度关系密切场所叶绿体基粒片层结构的薄膜上叶绿体的基质中必要条件光、叶绿体光合色素、酶多种酶

物质变化水光解为还原性氢和氧气;由ADP合成ATP。二氧化碳的固定、三碳化合物的还原、五碳化合的再生。

续表

光反应暗反应

能量变化光能转变ATP中活跃的化学能。ATP中活跃的化学能转变为葡萄糖等光合产物中稳定的化学能。

联系准备阶段:为暗反应的顺利进行准备了还原性氢和能量ATP。完成阶段:在多种酶的作用下,接受光反应提供的还原性氢和ATP,最终将二氧化碳还原为葡萄糖。

之后,还可提出一些综合性的问题,加深学生对光合作用的理解,例如可以提出下面的问题:“当光合作用的光反应过程被人为阻断,你认为暗反应会停止吗?反过来,当暗反应过程被人为阻断,你认为光反应会怎样变化?”

通过以上的分析可以看出,光合作用的光反应与暗反应是相互联系的,而它们之间的联系纽带是还原力,即ATP和还原性氢。当光反应停止时(如植物在黑暗条件下),暗反应的ATP和还原性氢的来源被阻断,暗反应会停止;而反过来,当暗反应停止时(如植物在气孔完全关闭,或无二氧化碳),光反应是不是也受到影响呢?答案是肯定的,暗反应停止,光反应也会随之停止,因为光反应产生的ATP和还原性氢没有被暗反应消耗,根据化学平衡的原理,相当于光反应的产物浓度升高,化学平衡会向反向进行,从而光反应就停止了。

时间允许的话,还可引导学生讨论影响光合作用的因素,进而讨论“如何提高光合效率的途径”,“采取哪些措施提高农业产量?”等问题,使学生体会到学习生物学理论的实际价值,强化学生学以致用、理论联系的理念。例如,可提出下面的问题供学生讨论:“你能利用光合作用原理,提出在农业生产中提高作物产量的具体措施吗?”

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