生命科学导论选修作业

生命科学导论课程论文光的性质与叶绿素的特点摘要光合作用是植物生长发育的基础，它为植物提供所需的物质和能量。

叶绿素（chlorophyll）：光合作用膜中的绿色色素，它是光合作用中捕获光的主要成分。

绿色植物是利用空气中的二氧化碳、阳光、泥土中的水份及矿物质来为自己制造食物，整个过程名“光合作用”，而所需的阳光则被叶子内的绿色元素所吸收，这一种绿色元素就是叶绿素。

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，并且释放出氧的过程。

叶绿素是地球上分布最广的自然色素，目前已知其化学结构有超过一百种的变异存在。

一片含有七千万个细胞的叶子，拥有约五十亿个叶绿体（chloroplast），其中每个叶绿体含有约六亿个叶绿素分子。

所有叶绿素分子都与类囊膜（thylakoid member）上某些特定的蛋白质结合为色素蛋白复合体，以提高捕捉日光能和光合作用效率。

地球上的生物只有光合细菌和植物能合成叶绿素，动物的保护性绿色只是含有与叶绿素基本结构相似的化合物所造成，此种化合物无法参与光合作用过程。

关键词：光合作用；叶绿素；光的性质1 光的性质1.1 光能的转换在绿色植物中，光能不仅被用于激发光形态建成反应和光周期性反应，而且更重要的是在光合作用中光能是转换成化学能的源泉，既光能是地球上几乎是所有生物能量的最终来源。

每一种分子与原子都具有各种能级。

例如，原子的能量就不是连续的，是以整体倍数增加或是减少，能量是一级一级分开的，这就是能级。

当原子处于最稳定状态时，就叫做是基态，这时电子是被分配在最低能状态。

在光合作用中，当叶绿素吸收了光量子后，电子就从基态转换成到高能态，也称激发态。

处于激发态的分子或原子含有比基态高的能量，这样才可使之进行光物理和光化学反应。

但是激发态是一种不稳定的状态。

他要千方百态的将能量释放出去，在回到基态。

同时激发态还可以从一个分子向另一个分子转换，称能量转移。

1.2光对植物生长的影响光对植物生长的影响是多方面的，主要有下列几方面：①光是光合作用的能源和启动者，为植物的生长提供有机营养和能源；②光控制植物的形态建成，即叶的伸展扩大，茎的高矮，分枝的多少、长度。

根冠比等都与光照强弱和光质有关；③日照时数影响植物生长与休眠。

绝大多数多年生植物都是长日照条件促进生长、短日照条件诱导休眠；④光影响种子萌发，需光种子的萌发受光照的促进，而需暗种子的萌发则受光抑制，此外，一些豆科植物叶片的昼开夜合，气孔运动等都受光的调节。

1.3 光谱范围对植物生理的影响280 ～315nm 对形态与生理过程的影响极小；315 ～ 400nnm 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长；400～520nm（蓝）叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大；520 ～ 610nm 色素的吸收率不高；610～720nm（红）叶绿素吸收率低，对光合作用与光周期效应有显著影响；720 ～1000nm 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽；＞1000nm 转换成为热量。

1.4 光强与植物光对植物的形态建成和生殖器官的发育影响很大。

植物的光合器官叶绿素必须在一定光强条件下才能形成，许多其他器官的形成也有赖于一定的光强。

在黑暗条件下，植物就会出现"黄化现象"。

在植物完成光周期诱导和花芽开始分化的基础上，光照时间越长，强度越大，形成的有机物越多，有利于花的发育。

光强还有利于果实的成熟，对果实的品质也有良好作用。

不同植物对光强的反应是不一样的，根据植物对光强适应的生态类型可分为阳性植物、阴性植物和中性植物（耐阴植物）。

在一定范围内，光合作用效率与光强成正比，达到一定强度后实现饱和，再增加光强，光合效率也不会提高，这时的光强称为光饱和点。

当光合作用合成的有机物刚好与呼吸作用的消耗相等时的光照强度称为光补偿点。

阳性植物对光要求比较迫切，只有在足够光照条件下才能正常生长，其光饱和点、光补偿点都较高。

阴性植物对光的需求远较阳性植物低，光饱和点和光补偿点都较低。

中性植物对光照具有较广的适应能力，对光的需要介于上述两者之间，但最适在完全的光照下生长。

1.5影响光能利用的原因光能的利用除了反射、透过损耗以及蒸腾、辐射损失外，而与植物自身和环境条件有关，主要表现在：<1> 漏光损失作物生长初期，叶面积小，大部分的太阳光漏射在地面上。

尤其是种植密度过稀和作物生长差的田地，作物一生可能都有漏光的现象，导致阳光没有充分利用。

<2> 环境条件和栽培条件的限制作物生长的环境条件和栽培条件不适合，主要是温度的过高或过低，水分的过多或过少，某些矿物质的缺乏，二氧化碳的供应不足以及病虫危害等等。

这些不适合的条件，一方面使光合作用不能充分发挥，限制了对阳光的利用，合成有机物减少；另一方面会使呼吸消耗相对地增加，减少了有机物质的积累，最终影响作物产量。

除此之外，还有作物本身光饱和的限制，造成光能的浪费。

因此，为了充分利用光能，人们在不断探索和实践的过程中，也有了一套措施和经验，比如：合理密植、间作套种等等。

同时，光合作用的发生，也对维持氧气、二氧化碳的平衡起到了积极意义，对人类生活具有极其重要的作用。

2 叶绿素2.1 叶绿素的类型叶绿素有几个不同的类型︰叶绿素a和b是主要的类型，见于高等植物及绿藻；叶绿素c和d见于各种藻类，常与叶绿素a并存；叶绿素c罕见，见於某些金藻；细菌叶绿素见于某些细菌。

在绿色植物中，叶绿素见于称为叶绿体的细胞器内的膜状盘形单位(类囊体)。

叶绿素分子包含一个中央镁原子，外围一个含氮结构，称为卟啉环；一个很长的碳-氢侧链(称为叶绿醇链)连接於卟啉环上。

叶绿素种类的不同是某些侧基的微小变化造成。

叶绿素在结构上与血红素极为相似，血红素是见于哺乳动物和其他脊椎动物红血球内的色素，用以携带氧气。

高等植物叶绿体中的叶绿素主要有叶绿素a 和叶绿素b 两种（分子式： C40H70O5N4Mg）属于合成天然低分子有机化合物。

叶绿素不属于芳香族化合物。

它们不溶于水，而溶于有机溶剂，如乙醇、丙酮、乙醚、氯仿等。

在颜色上，叶绿素a呈蓝绿色，而叶绿素b 呈黄绿色。

在右图所示的叶绿素的结构图中,可以看出,此分子含有3种类型的双键,即碳碳双键,碳氧双键和碳氮双键。

按化学性质来说，叶绿素是叶绿酸的酯，能发生皂化反应叶绿酸是双羧酸，其中一个羧基被甲醇所酯化，另一个被叶醇所酯化。

2.2 叶绿素的合成<1> 叶绿素的光合成叶绿体的发育是非常复杂的过程，同时受到叶绿体基因（chloroplast genes）和核基因相互调控。

而不论叶绿素的化学结构为何，其合成过程自最前驱物的麸胺酸（glutamate）到最终产物叶绿素至少可分为十五个步骤，所有参与催化的酵素都由核基因调控，并在细胞质的核醣体合成后才输送到叶绿体基质（stroma）。

叶绿素合成后与特定蛋白质组合，并嵌进类囊膜后才能发挥捕光和能量转换的功能。

置于黑暗中的植物萌芽后，其幼苗因缺乏叶绿素和只含有少量的原叶绿素酯（protochlorophyllide,Pchlide）而呈现黄白色。

若把此黄白幼苗继续置于黑暗中，并以五氨四酮-戊酸（5-aminolevulinic acid）供给之，则在数小时后此原本黄白色的幼苗将会累积大量原叶绿素酯而呈黄绿色。

亦即叶绿素的合成过程中，由五氨四酮-戊酸到原叶绿素酯的十个步骤都可在黑暗中进行，且其所需要的酵素亦可在黑暗中形成。

自原叶绿素酯转化为叶绿素酯（chlorophyllide, chlide）属光还原作用（photoreduction），由原叶绿素酯还原（Pchlide reductase）负责催化，并且需要光线的参与才能完成。

传统上即认为叶绿素的合成需要光线，并且成为光合作用界的主流思想，因为需光的叶绿素合成途径普遍存在于能进行光合作用的细胞中。

前述在黑暗中生长的黄白幼苗含有正常叶绿体的前驱物（即白化体，etioplast），而经五氨四酮-戊酸处理的幼苗缺叶绿素，但含有大量叶绿素的前驱物原叶绿素酯且形成结晶状原类囊体（prolamellar body, PCB）。

在原类囊体上，原叶绿素酯与其还原组成复合体，一旦照光后此复合体即转化为叶绿素蛋白复合体，而原类囊体则转化为类囊膜，而含有叶绿饼和单层类囊膜。

<2> 叶绿素的暗合成十九世纪末植物学家开始观察到，藻类可在黑暗中生存数年且仍保持绿色，显示叶绿素可以在黑暗中合成。

此种现象亦逐渐在光合细菌、藻类、芦苇、蕨类和裸子植物中发现。

故而，叶绿素的合成可分为两大类：一为有光线参与的需光合成途径，由需光原叶绿素酯还原（light-dependent protochlorophyllide reductase）所催化，如前段所描述；另一种则不需光合成途径或暗合成途径，而是由不需光原叶绿素酯还原（light-independent protochlorophyllide reductase）所催化。

目前已知叶绿素的光合成和暗合成共享相同途径，但调控前述二大还原还的基因则完全不同。

叶绿素暗合成所需的还原由三个胜组成，分别由三个基因所制造。

这类基因尚未在被子植物找到。

至1960年代，植物学界仍认为被子植物不能在黑暗中合成叶绿素，其后虽在燕麦、大麦、小麦、碗豆、紫鸭拓草、水稻、阿拉伯芥、烟草及两种水生植物观察到叶绿素的暗合成现象，但也找不到直接的证据。

因此数十年来，植物学界仍无法确定演化过程最后出现的被子植物是否真的能在黑暗中合成叶绿素。

不仅找不到相关的基因，连不需光原叶绿素酯还原的活性也侦测不到。

以上的被子植物在黑暗中虽被观察到可合成叶绿素，但增加的量有限；且只有阿拉伯芥、烟草及小麦是自种子萌芽阶段即被置于黑暗中，其它都是先经照光处理长大后才移入黑暗中。

2.3 叶绿素对光波最强的吸收叶绿素对光波最强的吸收区有两个：一个在波长为640～660nm的红光部分，另一个在波长为430～450nm的蓝紫光部分。

此外，叶绿素对橙光、黄光吸收较少，其中尤以对绿光的吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。

叶绿素a和叶绿素b的吸收光谱很相似，但也略有不同：叶绿素a在红光区的吸收带偏向长波方面，吸收带较宽，吸收峰较高；而在蓝紫光区的吸收带偏向短光波方面，吸收带较窄，吸收峰较低。

叶绿素a对蓝紫光的吸收为对红光吸收的1.3倍，而叶绿素b则为3倍，说明叶绿素b吸收短波蓝紫光的能力比叶绿素a强。

绝大多数的叶绿素a分子和全部的叶绿素b分子具有吸收光能的功能，并把光能传递给极少数特殊状态的叶绿素a分子，发生光化学反应。

3 光合作用光合作用(Photosynthesis)是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为葡萄糖，并释放出氧气的生化过程。