高中生物 16 细胞的能量 - 光合作用和能量转化
光合作用的概念
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧气的过程。
光合作用的探究历程
1771年，普利斯特利通过实验证实，植物可以更新因蜡烛燃烧或小白鼠呼吸而变得污浊的空气。
1779年，英格豪斯发现，普利斯特利的实验只有在阳光照射下才能成功，植物体只有绿叶才能更新污浊的空气。
1845年，德国科学家梅耶根据能量守恒定律指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。
1864年，萨克斯通过半叶法实验证明了光合作用的产物除氧气外还有淀粉。
1939年，鲁宾和卡门利用同位素标记法证明了光合作用释放的氧气来自水。
20世纪40年代，卡尔文等用小球藻做实验，采用同位素标记法探明了CO₂中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，即卡尔文循环。
光合作用的过程
光反应阶段：
场所：叶绿体的类囊体薄膜上。
条件：必须有光、色素、酶等。
物质变化：水在光下分解为氧气和氢，同时ADP与Pi接受光能转化成的电能生成ATP。
能量变化：将光能转化为活跃的化学能，储存在ATP和氢中。
暗反应阶段：
场所：叶绿体基质中。
条件：有光无光均可进行，需要多种酶的参与。
物质变化：首先，二氧化碳与五碳化合物（C₅）结合生成2分子三碳化合物（C₃）；然后，在ATP和氢的作用下，C₃被还原形成有机物和C₅ ，这样暗反应阶段就形成了一个循环，称为卡尔文循环。
能量变化：ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。
光合作用的总反应式
6CO₂ + 12H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O
光合作用中的能量转化
在光反应阶段，叶绿素等光合色素吸收光能，将光能转化为电能，电能再转化为活跃的化学能，储存在ATP和氢中。
在暗反应阶段，ATP和氢中的活跃化学能转化为有机物中稳定的化学能，从而将光能转化为有机物中的化学能储存起来。
影响光合作用的因素
光照强度：在一定范围内，光照强度增强，光合作用速率随之加快；但光照强度达到一定值后，光合作用速率不再增加，此时限制光合作用的因素可能是二氧化碳浓度、温度等其他因素。
二氧化碳浓度：二氧化碳是光合作用的原料，在一定范围内，二氧化碳浓度增加，光合作用速率加快；但当二氧化碳浓度达到一定值后，光合作用速率不再增加。
温度：温度通过影响酶的活性来影响光合作用速率。在最适温度时，光合作用速率最强，温度过高或过低都会使酶的活性降低，从而使光合作用速率下降。
水分：水是光合作用的原料之一，同时还会影响气孔的开闭，进而影响二氧化碳的进入。缺水时，气孔关闭，二氧化碳供应不足，光合作用速率下降。
矿质元素：许多矿质元素是光合作用相关酶、色素等的组成成分，如镁是叶绿素的组成成分，氮是酶、ATP等的组成成分。缺乏矿质元素会影响光合作用的进行。
光合作用的应用
农业生产：通过合理密植，可充分利用光能，提高农作物的产量；在温室大棚中，可通过延长光照时间、增加二氧化碳浓度、调节温度等措施，提高光合作用效率，增加农作物的产量。
能源开发：研究光合作用的机理，有助于开发利用太阳能等清洁能源，模拟光合作用，利用光能将二氧化碳和水转化为清洁能源，如生物柴油、生物乙醇等，对于解决能源危机和环境污染问题具有重要意义。
