高中生物竞赛培优教程光合作用呼吸作用和气体交换

高中生物竞赛培优教程：光合作用、呼吸作用和气体交换

第二章植物解剖和生理

【考点解读】

本章研究植物形态构造和生理活动规律，包括植物组织和器官的结构和功能、光合作用和呼吸作用、水分和矿质代谢、生长和发育、生殖五大部分。根据IB0考纲细目和近年来试题的要求，以下从知识条目和能力要求两方面定出具体目标。

第二节光合作用、呼吸作用和气体交换

一片完全叶包括叶片、叶柄和托叶三部分。缺少其中一部分或两部分，称为不完全叶，如莴苣的叶缺叶柄和托叶，为无柄叶。叶在茎上的排列方式称为叶序。叶序有三种：互生(每节上只生一叶)、对生(每节上生两叶)和轮生(每节上生三叶或三叶以上)。

1．双子叶植物叶的结构

叶片由表皮、叶肉和叶脉组成(图1-2-5)。

(1)表皮无色透明，一般由排列紧密的一层生活细胞组成。在表皮细胞之间分布着许多气孔。双子叶植物的气孔由两个半月形的保卫细胞围成，保卫细胞含有叶绿体，细胞壁在靠近气孔的一面较厚，其他面较薄。当保卫细胞吸水膨大时，向表皮细胞的一方弯曲，气孔张开；保卫细胞失水时，气孔关闭。气孔的开闭能调节气体交换与蒸腾作用。

一般草本双子叶植物的气孔，下表皮多于上表皮(如棉、马铃薯)；木本双子叶植物的气孔都分布于下表皮(如苹果、夹竹桃、茶)；浮水叶的气孔分布在上表皮(如莲、菱)；沉水叶一般无气孔(如眼子菜)。此外，植物体上部叶的气孔较下部叶的多，同一叶片近叶尖和中脉部分的气孔较叶基和叶缘的多。

(2)叶肉大多数双子叶植物叶由于背腹两面(远轴面或下面为背面，近轴面或上面为腹面)受光情况不同，叶肉具有栅栏组织和海绵组织之分，这种叶称为两面叶或异面叶；叶肉中无这两种组织的分化，或虽有分化，栅栏组织却分布在叶的两面，称为等面叶(如垂柳、桉)，

(3)叶脉主脉和大侧脉的维管束周围有机械组织，木质部位于近叶腹面，韧皮部位于近叶背面(图1-2-6)，中间有短时期活动的形成层。叶脉越分越细，最后形成层和机械组织

2．禾本科植物叶的结构

禾本科植物的叶由叶片和叶鞘两部分组成。

叶鞘包裹着茎秆，叶鞘和叶片相接处，有一片向上突起的膜状结构，称为叶舌。叶舌能使叶片向外弯曲，更多地接受阳光，并可防止水分、害虫进入叶鞘中。有些禾本科植物在叶鞘上端的两侧与叶片相接处，有突出物，称为叶耳。叶舌和叶耳的有无、形状、大小、色泽可用作鉴定物种的依据。如大麦、小麦、水稻有叶耳、叶舌，稗草无叶耳、叶舌。

禾本科植物的叶片也有表皮、叶肉和叶脉三种基本结构。表皮细胞的外壁不仅角质化，还充满硅质。相邻两叶脉之间的上表皮还有特殊的大型薄壁细胞，称为泡状细胞(又称运动细胞，图1-2-7)，泡状细胞具有大液泡，与叶片的展开和卷曲有关，可控制水分的蒸腾。

上下表皮都有气孔，气孔的保卫细胞呈哑铃型，在保卫细胞外侧还有副卫细胞，如图1-2-8所示。

叶肉没有栅栏组织与海绵组织的分化的叶，为等面叶。

3．裸子植物针叶的结构

针叶表皮细胞壁厚，角质层发达，气孔下陷；叶肉细胞壁内褶，增大了叶绿体的分布面，扩大了光合面积；有明显的内皮层；内皮层以内是转输组织和一个或两个维管束。转输组织由管胞和薄壁细胞组成，是松柏类植物的特征，其作用是在叶肉与维管束之间进

行横向运输(图1-2-9)。

二、光合作用

1．光合色素

叶绿体化学成分的显著特点是含有色素。色素可分为三类：叶绿素、类胡萝卜素和藻胆素。藻胆素仅存在于一些藻类中。

叶绿素中主要是叶绿素a和b。叶绿素b只存在于高等植物和绿藻中，其他藻类大多没

有叶绿素b。各种色素都能吸收日光，少数叶绿素a还能将光能转换为电能，称为作用中心色素；绝大多数色素(包括大部分叶绿素a)只有收集光能的作用，称为聚光色素，它们吸收的光能只有传到作用中心色素后才能起光合作用。

叶绿素溶液在透射光下呈绿色，反射光下呈红色，这种现象称为荧光现象。叶绿素的生物合成是以谷氨酸或α-酮戊二酸为原料，在光照条件下还原而成。光照、温度、矿质元素等会影响叶绿素的形成。

2．光合作用的机理

光合作用过程包括一系列的光化学步骤和物质的转变，大致可分为下列三大步骤：光能的吸收、传递和转换过程(通过原初反应完成)；光能转变为活跃的化学能过程(通过电子传递和光合磷酸化完成)；活跃的化学能转变为稳定的化学能过程(通过碳同化完成)。前两个步骤基本属于光反应，第三个步骤属于暗反应。高等植物的光合碳同化过程有C3、C4和CAM 三条途径。

电子传递链

电子传递链组分

集光复合体

由大约200个叶绿素分子和一些肽链构成。大部分色素分子起捕获光能的作用，并将光能以诱导共振方式传递到反应中心色素。因此这些色素被称为天线色素。叶绿体中全部叶绿素b和大部分叶绿素a都是天线色素。另外类胡萝卜素和叶黄素分子也起捕获光能的作用，叫做辅助色素。

光系统Ⅰ（PSI）

能被波长700nm的光激发，又称P700。包含多条肽链，位于基粒与基质接触区的基质类囊体膜中。由集光复合体Ⅰ 和作用中心构成。结合100个左右叶绿素分子、除了几个特殊的叶绿素为中心色素外，其它叶绿素都是天线色素。三种电子载体分别为A0（一个chla分子）、A1（为维生素K1）及3个不同的4Fe-4S。光系统Ⅱ（PSⅡ）

吸收高峰为波长680nm处，又称P680。至少包括12条多肽链。位于基粒与基质非接触区域的类囊体膜上。包括一个集光复合体（light-hawesting comnplex Ⅱ，LHC Ⅱ）、一个反应中心和一个含锰原子的放氧的复合体（oxygen evolving complex）。D1和D2为两条核心肽链，结合中心色素P680、去镁叶绿素（pheophytin）及质体醌（plastoquinone）。

细胞色素b6/f复合体

可能以二聚体形式存在，每个单体含有四个不同的亚基。细胞色素b6（b563）、细胞色素f、铁硫蛋白、以及亚基Ⅳ（被认为是质体醌的结合蛋白）。

非循环电子传递链