2019-2020年高中生物 第1课时 光合作用历史回眸备课资料 苏教版.doc

2019-2020年高中生物 第1课时 光合作用历史回眸备课资料 苏教版1.光合作用是如何被发现的比利时科学家范海尔蒙特曾经做了这样一个实验，在一只木桶里放入称过重量的泥土，然后种上一棵2千克重的柳树，每天只浇一些水，过了5年树长高了。他把柳树拔出来称了一下，竟有75千克重，再称了一下泥土，不禁大吃一惊，它只减少了几克。于是范海尔蒙特认为柳树增加的重量是由水提供的。其实，他只说对了一半。后来，大约到了1771年，英国科学家普利斯特莱又做了一个实验。他在一个大瓶子内点燃一支小蜡烛，然后将瓶口盖住，过了一会儿，蜡烛熄灭了，这时，在瓶内放进一只老鼠，它很快死去。接着，他又在瓶内放上一棵植物，过了几天，再放进一只老鼠，它却安然无恙，这是怎么回事呢？普利斯特莱认为植物可以把有害的空气变好。1779年，荷兰医生扬英根豪斯，上百次地重复普利斯特莱的实验，发现在太阳光照射下，瓶内植物会很快地把周围的空气变好，而在阴暗的地方，瓶内植物却会把好空气变坏，从而发现太阳光是光合作用的动力。后来，科学家通过测定空气的组成成分，得知“坏空气”中没有氧气，“好空气”中含有氧气。在普利斯特莱的实验中，蜡烛的燃烧耗尽了瓶内的氧气，老鼠进到没有氧气的瓶内就会很快死去。放进绿色植物，在阳光下进行光合作用，植物吸收了空气中的二氧化碳，释放出了氧气，这时再放进老鼠，它就可以生存。植物在呼吸时和动物一样，也是吸进氧气，呼出二氧化碳，在阴暗的地方，呼吸作用强于光合作用，所以氧气减少，二氧化碳增多，老鼠在瓶中也会逐渐死亡。2.光合作用研究中的分子动态结构学实验与理论新方法光合作用是地球上最重要的化学反应之一，它是人类赖以生存的粮食、能源以及生态环境的基础。太阳光能的接收和利用是由植物、藻类以及光合细菌光合膜中的色素蛋白复合体完成的，色素蛋白复合体是自然界经过数十亿年的演化而形成的，具有惊人的高效率。例如，反应中心实现光电转换的光量子效率几乎达到100%。研究光合作用体系捕光、传能和能量转换的分子机制，揭示其结构与功能的关系，无疑具有重大的理论和实际应用意义。光合作用原初能量传递和电子转移的高效率与光合作用色素蛋白复合体的特殊结构密切相关。揭示其结构与功能的关系，除了依靠各种稳态结构手段(如X射线衍射晶体学) 获得其高分辨结构方面的信息外，还需要借助于各种新的物理、化学实验和理论研究方法，例如利用时间分辨光谱技术得到相应的动力学数据，并结合理论分析。光合作用的能量传递、电荷分离和能量转化过程是一个从飞秒(10 -15秒)到微秒(10-6秒)甚至更长时间跨度的复杂动力学过程，因此必须在各种时间尺度上进行动力学研究。我们的研究目标之一就是基于晶体学结构的研究结果，系统研究并揭示发生在不同时间尺度尤其是飞秒至皮秒等超快过程的动力学数据的内涵，结合理论计算和模拟分析，深入阐明光合作用原初过程能量传递和电子转移过程的机理以及相应的结构与功能关系。光合作用体系在演化过程中形成了完善的“光保护机制”，以避免强光照射产生的单重态氧等对生物机体的氧化损伤。这种抵御“强光胁迫”的机制与上述高效利用光能的机制相辅相成，保证了光合作用体系正常生理学功能的发挥。已知光合作用反应中心和捕光天线采用多种光保护机制，如类胡萝卜素的光保护机制、与叶黄素循环有关的非光化学电子激发态淬灭机制、细胞色素(如Cytb559) 以及脱辅基蛋白的解聚和重组机制等。然而有关机理还远未清楚，未知的光保护机制也有待于进一步发现和证实。因此，我们的第二个研究目标就是对上述光保护过程的机理和动态结构进行描述和研究。光合作用体系高效利用光能的分子机制及其完善的光保护机制可作为科学依据指导人工模拟光合作用体系的设计与调控，还可以进一步指导人们寻找更加有效利用光合作用的途径。我们还把高等植物光合作用放氧锰簇复合物的光活化修复以及揭示人工模拟光合作用体系中能量传递与电荷分离的分子机制作为研究目标。围绕着上述三个科学目标我们发展和建立了超快动力学和活性自由基实验研究方法以及新的量子化学理论方法，并将这些物理、化学手段用于光合作用原初过程的分子机制、光保护机制以及人工模拟光合作用的研究，在揭示分子结构与生物学功能的关系方面取得了重要进展。3.光合作用高效转能的分子机理及其蛋白质组学 研究光合系统和转能超快过程的微观机理与调控及其蛋白骨架协同变化的规律；光合膜蛋白质与膜脂的结构与功能及其调控；光合作用功能基因的表达调节及蛋白质组学的研究；作物不同基因型、不同生态型品种传能和转能效率的差异及其机理；作物光抑制、光破坏和光保护的分子机理；以及提高作物光能利用效率的高新技术。