2019高考生物光合作用中生成水的問題

　　關(guān)于光合作用中生成水的問題

　　一、光合作用總反應(yīng)式的確定

　　18世紀(jì)以前，人們都認(rèn)為植物是從土壤中獲得生長(zhǎng)所需的全部元素的。1771年英國(guó)化學(xué)家普利斯特利(J.Priestley)發(fā)現(xiàn)將薄荷枝條和燃燒的蠟燭放在一個(gè)密閉的鐘罩里，蠟燭不易熄滅；將小鼠與植物放在同一鐘罩里，小鼠也不易窒息死亡。因此，他提出植物可以"凈化"空氣，現(xiàn)在就把1771年定為發(fā)現(xiàn)光合作用的年代。以后又經(jīng)許多人的研究(見緒論)，到了19世紀(jì)末，人們寫出了如下的光合作用的總反應(yīng)式：

　　6CO2+6H2O → C6H12O6＋6O2 (4-1)

　　從(4-1)式中可以看出：光合作用本質(zhì)上是一個(gè)氧化還原過程。其中CO2是氧化劑，CO2中的碳是氧化態(tài)的，而C6H12O6中的碳是相對(duì)還原態(tài)的，CO2被還原到糖的水平。H2O 是還原劑，作為CO2還原的氫的供體。(4-1)式用了幾十年，后來又把它簡(jiǎn)化成下式：

　　CO2+H2O → (CH2O)＋O2 (△G°′＝4.78×105J) (4-2)

　　(4-2)式用(CH2O)表示一個(gè)糖類分子的基本單位，比較簡(jiǎn)潔。用葉綠體代替綠色植物，說明葉綠體是進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。由于葡萄糖燃燒時(shí)釋放2870 kJ·mol-1的能量，因而每固定1mol CO2(即12g碳)就意味著轉(zhuǎn)化和貯存了約478kJ的能量。

　　應(yīng)該注意到光合作用反應(yīng)式中所有的反應(yīng)物和產(chǎn)物都含有氧，而上面兩式并沒有指出釋放的O2是來自CO2還是H2O。很多年來，人們一直以為光能將CO2分解成O2和C，C與H2O 結(jié)合成(C H2O )，然而以下三方面研究證實(shí)了光合作用釋放的O2來自于H2O 。

　　1.細(xì)菌光合作用 能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌稱之為光合細(xì)菌(photosynthetic bacteria)。光合細(xì)菌包括藍(lán)細(xì)菌、紫細(xì)菌和綠細(xì)菌等。其中藍(lán)細(xì)菌的光合過程與真核生物相似，紫細(xì)菌和綠細(xì)菌則不能分解水而需利用有機(jī)物或還原的硫化物等作為還原劑。例如：紫色硫細(xì)菌(purple-sulfur bacteria)和綠色硫細(xì)菌(green-sulfur bacteria)利用H2S為氫供體，在光下同化CO2：

　　CO2+2H2S → (CH2O)+2S+H2O (4-3)

　　光合細(xì)菌在光下同化CO2而沒有O2的釋放。因此，細(xì)菌光合作用是指光合細(xì)菌利用光能，以某些無機(jī)物或有機(jī)物作供氫體，將CO2還原成有機(jī)物的過程。

　　1931年微生物學(xué)家尼爾(C.B.Van Niel)將細(xì)菌光合作用與綠色植物的光合作用加以比較，提出了以下光合作用的通式：

　　CO2+2H2A → (CH2O)+2A+H2O (4-5)

　　這里的H2A代表一種還原劑，可以是H2S、有機(jī)酸等，對(duì)綠色植物而言，H2A就是H2O，2A就是O2。綠色植物光合作用中的最初光化學(xué)反應(yīng)是把水分解成氧化劑(OH)與還原劑(H)。還原劑(H)可以把CO2還原成有機(jī)物質(zhì)；氧化劑(OH)則會(huì)通過放出O2而重新形成H2O。

　　綠色植物和光合細(xì)菌都能利用光能將CO2合成有機(jī)物，它們是光養(yǎng)生物。從廣義上講，所謂光合作用，是指光養(yǎng)生物利用光能把CO2合成有機(jī)物的過程。