师：同学们好，今天我们共同复习高中生物人教版《分子与细胞》第五章第四节第二课时——光合作用的原理。首先，回顾一下光合作用的早期探索历程。对于光合作用的探究由来已久，起初人们认为植物仅从土壤中获取水分来构建自身，这一观点在18世纪中期发生改变。1771年，普利斯特利通过实验证明，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，将人们的目光引向空气，发现植物生长对空气有影响。1779年，英格豪斯发现植物更新空气成功的条件是有光照及绿色叶片。直到1785年，发现空气组成后，才知更新空气实际是吸收二氧化碳、放出氧气的过程。那么，光照中的能量去向何处呢？1845年，梅耶根据能量守恒与转化定律提出，光照中的能量可能转化为化学能，供植物生长利用。那又储存在哪里呢？1864年，萨克斯利用饥饿处理后的叶片，一半遮光，一半曝光，处理一段时间后用碘蒸气处理，发现曝光部分呈蓝色，遮光部分无颜色变化，证明光合作用产物中含有淀粉。1880年，恩格尔曼利用水绵和好氧细菌的精巧实验，证明叶绿体是光合作用的场所。至此，多位科学家的努力让我们对光合作用有了全面的基础认识：绿色植物通过叶绿体，利用光能，将二氧化碳和水转化为储存能量的有机物，并释放出氧气。但这些实验和推论主要停留在个体水平，若要弄清楚光合作用的机理，还需深入到细胞水平、分子水平。
这里有个问题请大家思考：没有叶绿体就不能进行光合作用了吗？显然不是，蓝藻作为原核生物，没有叶绿体结构，但含有光合作用所需的光合色素及相关的酶。叶绿体是真核细胞才有的结构，它能帮助植物体更高效、有序地进行光合作用。所以，光合作用进行的必要条件是具有光合色素及相关的酶。那么，这些色素和酶分布在叶绿体的什么位置呢？我们一起来看光合作用的场所——叶绿体。上节课我们已复习过叶绿体，大家想必很清楚其结构，这里重点看一下类囊体的特殊结构。类囊体是由单层类囊体薄膜围成的扁平小囊，类囊体垛叠在一起形成基粒，广泛存在于叶绿体中，极大地增加了叶绿体内的膜面积。增大膜面积有何意义呢？从图中可见，叶绿素分子嵌入类囊体膜上的蛋白质复合体中，色素分子在复合体中有序排列、各司其职。比如，有专门吸收传递能量的光合色素，还有接收能量被激发后开启光合作用化学反应的特殊叶绿素a。类囊体薄膜上附着大量这样由光合色素及蛋白质构成的复合体，形成精密复杂的体系，用以吸收和转化光能。不仅如此，类囊体膜上及叶绿体基质中还存在大量的酶，为叶绿体捕获光能进行光合作用提供了结构基础。
光合作用的具体过程是怎样的呢？我们知道光合作用分为光反应和暗反应两个阶段，最初科学家是如何发现的呢？先看资料，二十世纪初，英国的布莱克曼、德国的瓦伯格用藻类进行闪光实验。在光能量相同的前提下，一组用连续光照，另一组用闪光照射，中间间隔一定时间，发现后者光合效率是连续光照下的200% - 400%。从结果可推测，在黑暗条件下一定进行了某些反应，且这些反应属于光合作用的一部分，能使光合作用顺利进行。那么，光合作用的所有反应都需要光照吗？基于此，早期将光合作用分为光反应和暗反应两个阶段。这两个阶段分别进行了什么反应呢？我们接着往下看。1937年，英国科学家希尔利用低渗溶液处理离体的叶绿体，叶绿体吸水胀破，接着在除去空气的情况下给破损的叶绿体提供光照，并加入三价铁离子，不久后发现试管中有氧气产生，无光照时该反应不发生。通过希尔反应能得出什么结论呢？希尔反应有两个特殊条件，一是除去空气，即没有二氧化碳，在此情况下试管中有氧气生成，可推测氧气来自水；二是三价铁离子作为氧化剂，在反应中接受电子被还原，由此推测叶绿体中也存在相应氧化剂接受电子被还原。所以，通过希尔反应推测，在光照条件下，水分解产生氧气并伴随电子产生。
希尔反应意义重大，它推测植物产生的氧气由水分解产生，说明该过程与二氧化碳参与的过程分开，属于两个不同过程，这与前期将光合作用分为光反应和暗反应两个阶段相吻合。那么，希尔反应的推测正确吗？1941年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行探究。他们用氧的同位素氧 - 18分别标记水和二氧化碳，进行两组实验。第一组向小球藻溶液中通入带氧 - 18标记的二氧化碳和不带氧 - 18标记的水；第二组提供不带氧 - 18标记的二氧化碳及带氧 - 18标记的水。在其他条件相同的情况下，发现第一组实验释放的氧气中不含氧 - 18标记，第二组实验释放的氧气全部含有氧 - 18标记，验证了氧气确实由水分解产生。
水分解产生的氧气可被细胞呼吸利用，也可释放到空气中，同时还产生氢离子和电子，那么氢离子和电子去向何处呢？实验提供了光照，光照中的能量又去了哪里？生物体中ATP是能量通货，光反应中光照能量是否转化为ATP中的化学能呢？接下来看1954年阿尔农的实验，就能找到答案。
1954年，美国科学家阿尔农同样利用离体的叶绿体，给予光照，在除去空气的情况下提供氧化型辅酶Ⅱ、无机磷和ADP，一段时间后检测到试管中有还原型辅酶Ⅱ及ATP生成。阿尔农的实验与希尔的实验有异同，不同在于希尔反应使用三价铁离子作为氧化剂，而阿尔农实验选用生物体中重要的氢载体氧化型辅酶Ⅱ充当生理性氧化剂，最终接受电子形成还原型辅酶Ⅱ，进一步证实了希尔反应的生理意义。同时，该实验证明在光照条件下确实可形成ATP，实现能量转换。1957年，阿尔农发现ATP的合成总是与水的光解相伴随，随着研究深入，科学家猜测氢离子浓度与ATP合成有关并进行验证。
1963年，贾格道夫利用离体的叶绿体做了如下实验。将原先在pH = 7的缓冲液中的离体叶绿体放置于pH = 4的酸性溶液中，待平衡后再转移到pH = 8的缓冲液中，接着在黑暗条件下向锥形瓶中加入ADP和无机磷，一段时间后检测到有ATP生成。这个过程发生了什么变化呢？以单个类囊体来看，最初整个叶绿体pH值为7，转移到pH = 4的溶液中平衡后，叶绿体的类囊体及叶绿体基质pH值都变为4，再转移至pH = 8的溶液中，此时类囊体部分pH值仍为4，而叶绿体基质pH值变为8。我们知道，pH值与溶液氢离子浓度有关，pH = 4说明氢离子浓度高，pH = 8说明氢离子浓度低，此时类囊体存在氢离子浓度梯度。此时加入ADP和无机磷就能检测到ATP生成，由此可得出结论：ATP的合成与类囊体内外的氢离子浓度梯度有关。这个反应在黑暗条件下进行，但实际上类囊体内外的氢离子浓度梯度离不开光照，因为水的光解会产生氧气、电子和氢离子，氢离子与类囊体内外氢离子浓度差的形成密切相关。接下来，我们一起看光反应阶段的整个过程。
首先，光合色素吸收转化光能，驱动水的分解，水分解产生氧气、电子和氢离子。电子经过类囊体薄膜上一系列蛋白质复合体的传递，最终传递给电子的最终受体——氧化型辅酶Ⅱ，生成还原性辅酶Ⅱ。产生的氢离子则滞留在内囊体腔中，形成类囊体内外氢离子的浓度梯度。当氢离子由高浓度向低浓度流动时，产生的巨大势能推动ATP的合成。所以，光反应实际上就是在光照下将水分解成氧，同时生成还原性辅酶Ⅱ及ATP的过程。