小学六年级的科学问题
光合作用的定义
光合作用是植物、藻类和一些细菌在可见光的照射下，利用叶绿素将二氧化碳和水转化为葡萄糖并释放氧气的生物化学过程。植物被称为食物链的生产者，因为它们可以利用无机物产生有机物，并通过光合作用储存能量。通过进食，食物链中的消费者可以吸收植物储存的能量，效率在30%左右。对于生物界几乎所有的生物来说，这个过程是它们生存的关键。光合作用对于地球上的碳氧循环至关重要。
光合作用是绿色植物将来自太阳的能量转化为化学能(糖)。生态系统的“燃料”是来自太阳的能量。阳光在光合作用中被绿色植物捕获，并作为化学能储存在碳水化合物分子中。当食草动物吃植物，食肉动物吃食草动物时，能量就在生态系统中从一个物种传递到另一个物种。这些相互作用形成了食物链。
光合作用的发现
古希腊哲学家亚里士多德认为，植物生长所需的所有物质都来自土壤。
荷兰人Van Ermont做了盆栽柳树的称重实验，得出植物的重量主要来自水而不是土壤。他没有意识到空气中的物质参与了有机物的形成。
1642年，比利时人范·赫尔蒙特进行柳树实验，得出植物的物质积累来源于水的结论。
1771年，英国的普里斯特利发现，植物可以恢复因蜡烛燃烧而变得“糟糕”的空气。
1779年，荷兰的Innhaus证明了只有植物的绿色部分才能在光照下让空气“变好”。
1804年，法国索绪尔通过定量研究，进一步证实了二氧化碳和水是植物生长的原料。
1845年，德国的迈耶发现植物将太阳能转化为化学能。
光合作用不是源于植物和藻类，而是源于细菌。
从这些过程中可以清楚地看出，无论是宿主生物还是原始细胞都在进行光合作用。这种“半植物半动物”的微生物在宿主和活细胞之间的快速转化，可能对光合作用的进化起到了关键作用，促进了植物和藻类的进化。虽然科学家目前还不能培养野生Hatena来完全了解他的生命周期，但现阶段的研究可能会为弄清楚是什么使叶绿体成为细胞的永久部分提供一些线索。科学家认为，这种生命现象导致藻类进化出一种吞噬细菌的方法，并最终导致藻类进化出自己的叶绿体进行光合作用。然而，这个过程是如何发生的仍然是个谜。从这项研究中我们可以看出，光合作用并不是起源于植物和藻类，而是首先发生在细菌中。正是由于细菌有氧光合作用的进化，使得地球大气中的氧气含量增加，从而导致了十亿年来复杂生命的繁衍。在其他实验中，冈本和井上教授试图给Hatena喂食其他藻类，看看它是否会有同样的反应。然而，它虽然也吞食海藻，却没有变化的过程。这说明两者之间有着特殊的关系。判断这种关系是否由基因决定，将是科学家下一步需要解决的难题。
光合作用的基因可能是同源的，但进化并不是一条从简单到复杂的直线。科学家罗伯特·布莱肯希普(Robert Brackenship)曾在《科学》杂志上发表报告称，我们知道光合作用的进化来自大约25亿年前的细菌，但光合作用的发展历史非常难以追踪，光合微生物的多样性令人困惑。虽然有一些线索把他们联系起来，但是他们之间的关系还不清楚。为此，Bracken Heep等人通过分析五种细菌的基因组解决了一些问题。他们的结果表明，光合作用的进化不是一条从简单到复杂的直线，而是不同进化路线的组合，这取决于基因的水平转移，即从一个物种到另一个物种。通过基因在不同物种之间的“旅行”，光合作用已经从细菌传播到藻类，然后传播到植物。“我们发现这些生物中与光合作用相关的基因没有相同的进化路径，这显然是水平基因转移的证据，”布莱克写道。他们用BLAST检测了蓝绿藻、绿丝菌、绿硫细菌、古细菌和螺旋体五种细菌的基因，发现它们有188个基因相似，其中约50个基因与光合作用有关。虽然是不同的细菌，但它们的光合系统相当相似，推测光合作用相关的基因一定是同源的。但是否来自Hatena还有待确认。然而，光合作用的进化过程是怎样的呢？为了找到这个答案，Bracken Heep领导的研究小组用数学方法分析了遗传关系，看这五种细菌的基因之间的进化关系，并确定了最佳的进化树。结果，他们测量了不同的基因，得到了不同的结果。一个* * *支持15安排。显然，他们有不同的进化史。他们将光合细菌的同源基因与其他已知基因组的细菌进行了比较，发现只有少数同源基因是独特的。大多数同源基因可能是大多数细菌的“日常”基因。在被接纳为光合系统的一部分之前，它们可能参与非光合细菌的代谢反应。
光合作用的传统定义
植物利用阳光的能量将二氧化碳转化为淀粉，供动植物作为食物来源。叶绿体是植物进行光合作用的地方，所以叶绿体可以说是阳光传递生命的媒介。
1771年，英国科学家普里斯特利做了一个著名的实验。他把点燃的蜡烛和一只老鼠放在一个封闭的玻璃罩里，蜡烛很快就熄灭了，老鼠很快就死了。
然后，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛放在一个封闭的玻璃罩里。他发现植物可以存活很长时间，蜡烛也不会熄灭。
他把一盆植物和一只老鼠放在一个封闭的玻璃罩里。他发现植物和老鼠可以正常生活，所以他得出结论，植物可以更新被蜡烛燃烧或动物呼吸污染的空气。
1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。
1880年，恩格尔曼发现叶绿体是光合作用的场所。
1897年，教科书上首次称之为光合作用。
原则
与动物不同，植物没有消化系统，必须依靠其他途径吸收营养。就是所谓的自养生物。对于绿色植物来说，在阳光明媚的日子里，它们会利用阳光的能量进行光合作用，获取生长发育所必需的养分。
这个过程的关键参与者是内部叶绿体。在阳光的作用下，叶绿体将通过气孔进入叶片的二氧化碳和根系吸收的水分转化为葡萄糖，同时释放氧气；
12H2O+6 CO2+光= C6H12O6(葡萄糖)+6O2↑+ 6H2O
注意:
上式中等号两边的水是不能抵消的，虽然公式在化学上很特殊。原因是左边的水被植物吸收，用来制造氧气，提供电子和氢离子。右边水分子的氧原子来自二氧化碳。为了更清楚地表达这种原料产品的初始过程，人们更习惯于把水分子写在等号的左右两边，或者在右边水分子的右上角加一个星号。
明反应和暗反应
光合作用可分为两个步骤:光反应和暗反应。
光致反应
背景:叶绿体中的基粒片层。
影响因素:光照强度、供水
植物光合作用的两个吸收峰
叶绿素a和叶绿素b的吸收峰过程:叶绿体膜上的两套光合作用系统:光合作用系统I和光合作用系统II。(光合作用系统ⅰ比光合作用系统ⅱ更原始，但电子转移先开始。)在光照下，波长分别为680nm和700nm的光子被吸收，作为能量，从水分子光解路径获得的电子不断转移到辅酶NADP。而水光解得到的氢离子由于浓度的不同，通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体向外移动到基质中，两者之间的势能降低，用于合成暗反应的ATP。此时，势能降低的氢离子被氢载体NADP带走。一个NADP分子可以携带两个氢离子。这个NADPH+H离子在暗反应中起还原剂的作用。
意义:1:光解水，产生氧气。2.将光能转化为化学能，生成ATP，为暗反应提供能量。3.NADPH+H离子由水光解产物氢离子合成，为暗反应提供还原剂。
碳固定反应/光独立反应/碳同化反应
本质是一系列的酶促反应。
环境:叶绿体基质
影响因素:温度、二氧化碳浓度
过程:不同的植物有不同的暗反应过程，叶片的解剖结构也不同。这是植物适应环境的结果。黑暗反应可以分为三种类型:C3，C4和凸轮。这三种类型是根据二氧化碳固定过程的不同而划分的。
卡尔文循环
卡尔文循环是光合作用暗反应的一部分。反应部位是叶绿体中的基质。该循环可分为三个阶段:羧化、还原和rubp再生。大多数植物会吸收一分子二氧化碳，并通过一种称为RuBP羧化酶的作用将其整合到五糖分子1，5-RuBP (RUBP)的第二个碳原子上。这个过程被称为二氧化碳固定。这个反应的意义在于激活原本不活跃的二氧化碳分子，以便以后还原。但这种六碳化合物极不稳定，会立即分解成两个分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者被光反应中产生的NADPH+H还原，需要消耗ATP。产品为3-磷酸丙糖。后来经过一系列复杂的生化反应，会用一个碳原子合成葡萄糖，离开循环。剩下的5个碳原子经过一些列的变化，最后生成一个1，5-rubp，循环又开始了。循环六次，生成一分子葡萄糖。
C3工厂
二战后，加州大学贝克利分校的马尔文·卡尔文和他的同事研究了一种名为小球藻的藻类，以确定植物如何在光合作用中固定二氧化碳。此时C14示踪技术和双向纸层析技术已经成熟，卡尔文正好在实验中使用了这两项技术。
他们将培养好的藻类放入装有未标记CO2的密闭容器中，然后向容器中注入用C14标记的CO2。经过短期培养后，他们将藻类浸入热乙醇中杀死细胞，使细胞中的酶变性失效。然后他们从溶液中提取分子。然后提取物经双向纸层析分离，放射自显影分析放射性斑点，并与已知化学成分进行比较。
卡尔文在实验中发现，用C14标记的CO2可以迅速转化为有机物。几秒钟内，层析纸上出现了放射性斑点。与其他化学物质相比，斑点中的化学成分是3-磷酸甘油酸(PGA)，这是糖酵解的中间产物。这个第一次提取的产物是一个三碳分子，所以这个CO2固定途径被称为C3途径，通过这个途径固定CO2的植物被称为C3植物。后来的研究还发现，C3途径的CO2固定是一个循环过程，这被称为C3循环。这个循环也叫卡尔文循环。
对于C3植物，如水稻和小麦，二氧化碳通过气孔进入叶片，并直接进入叶肉进行卡尔文循环。然而，C3植物的维管束鞘细胞很小，不含或含少量叶绿体，卡尔文循环不在此发生。
C4工厂
20世纪60年代，澳大利亚科学家Hatch和slack发现，玉米、甘蔗等热带绿色植物和其他绿色植物一样存在卡尔文循环，CO2最早是通过一种特殊的方式固定下来的。这条路线也被称为舱口松弛路线。
C4植物主要是生活在干旱和热带地区的植物。在这种环境下，如果植物长时间打开气孔吸收二氧化碳，就会导致水分通过蒸腾作用迅速流失。所以植物只能在很短的时间内打开气孔，二氧化碳的摄入量必然会更少。植物必须利用这少量的二氧化碳进行光合作用，合成自身生长所需的物质。
C4植物的维管束周围有维管束鞘，由叶绿体组成，但其中没有基粒或发育异常。这里，主要是卡尔文循环。
它的叶肉细胞中含有一种独特的酶，即磷酸烯醇式丙酮酸碳氧化酶，这种酶使二氧化碳被一种三碳化合物——磷酸烯醇式丙酮酸同化，形成一种四碳化合物草酰乙酸，这也是这种暗反应类型名称的由来。这种草酰乙酸转化为苹果酸后，进入维管束鞘，维管束鞘会分解释放二氧化碳和一分子丙酮酸。二氧化碳进入卡尔文循环后，经过C3过程。丙酮酸会再次合成磷酸烯醇式丙酮酸，消耗ATP。
这种类型的优点是二氧化碳固定效率远高于C3，有利于干旱环境下植物的生长。C3植物光合作用获得的淀粉会储存在叶肉细胞中，因为这里是卡尔文循环的场所，而维管束鞘细胞不含叶绿体。C4植物的淀粉会储存在维管束鞘细胞中，因为C4植物的卡尔文循环就发生在这里。
景天酸代谢植物
景天酸代谢(CAM):如果说C4植物在空间上错开了二氧化碳的固定和卡尔文循环，那么景天酸的循环在时间上也是错开的。运用这种方法的植物是那些有肿胀肉质叶子的植物，比如菠萝。这些植物在晚上打开气孔，吸收二氧化碳，也通过孵化-松弛途径固定二氧化碳。早上毛孔闭合，避免水分流失过多。同时，叶肉细胞开始开尔文循环。这些植物的二氧化碳固定效率也很高。
藻类和细菌的光合作用
真核藻类，如红藻、绿藻、褐藻，和植物一样有叶绿体，也能产生氧气进行光合作用。光被叶绿素吸收，许多藻类的叶绿体中有其他不同的色素，赋予它们不同的颜色。
光合细菌没有叶绿体，而是直接由细胞自身进行。属于原核生物的蓝藻(或“蓝细菌”)也含有叶绿素，它像叶绿体一样产生氧气和光合作用。事实上，一般认为叶绿体是由蓝藻进化而来的。其他光合细菌有多种色素，称为细菌叶绿素或细菌素，但不氧化水产生氧气，利用其他物质(如硫化氢、硫或氢)作为电子供体。不产氧光合细菌包括紫色硫细菌、紫色非硫细菌、绿色硫细菌、绿色非硫细菌和太阳能细菌。
研究意义
研究光合作用对农业生产、环境保护等领域具有基础性的指导作用。了解光反应和暗反应的影响因素，可以趋利避害，比如建造温室，加快空气流通，从而提高作物产量。人们了解到，rubp羧化酶具有两面性，即它既催化光合作用，又促进光呼吸。他们试图改造它，以减少后者，避免消耗有机物和能源，提高作物产量。
当我们了解光合作用和植物呼吸的关系时，人们可以更好地装饰他们的家庭植物。比如晚上不要把植物放在室内，避免植物呼吸导致室内氧气浓度降低。
设计光合作用是绿色植物合成有机物(淀粉等)的过程。)在光照下从二氧化碳和水中分解出来，同时释放出氧气。本实验让学生知道:(1)绿叶可以制造淀粉；(2)绿叶必须受光才能产生淀粉。
设备一盆天竺葵、烧杯、锥形瓶、酒精灯、三脚架、石棉网、脱脂棉、镊子、白瓷板、酒精、碘酒、较厚的黑纸和回形针。
步骤
1.将天竺葵在黑暗中放置一两天，以尽可能多地消耗淀粉。
2.第三天，把天竺葵在暗处拿出来，挑选几片较大的绿叶，用黑纸把叶子的正反面盖住。黑纸的面积大约是刀片面积的一半。正反面的黑纸要形状一致，对齐，用回形针夹住(如图)。夹紧后，将天竺葵放在阳光下晒4 ~ 6小时。
3.上课时，取一片有遮光处理的叶子和另一片没有遮光处理的叶子(为了便于区分，一片有叶柄，另一片无叶柄)放入沸水中煮3分钟，破坏它们的叶肉细胞。
4.将煮好的叶子放入装有酒精的锥形瓶中(酒精量不超过瓶内体积的一半)，瓶口用棉絮塞紧。将锥形瓶放入盛有开水的烧杯中，加热酒精(如图)使叶绿素溶解在酒精中。当锥形瓶里的绿叶已经褪色，变成黄色和白色时，移开酒精灯，取出叶子。用水将叶子冲洗干净，放入白瓷盘中。
5.将叶子平铺，用1: 10碘稀释液均匀滴在两片叶子上。一段时间后，可以观察到所有暴露在阳光下的叶子都变蓝了；遮光处理后，叶子的遮光部分不会变蓝，只有周围被光照射的部分会变蓝。这说明绿叶可以制造淀粉，绿叶只有在光的照射下才能制造淀粉。
注意
1.当碘的浓度过高时，叶子的颜色是深棕色而不是蓝色。对于存放时间过长的碘酒，由于酒精蒸发，碘的浓度增加，可以用更多的水稀释。
2.酒精燃点低，必须在没有水的烧杯中加热，千万不要用明火直接加热，以免发生火灾。
光合作用是指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并释放氧气的有机物的过程。我们无时无刻不在吸入光合作用释放的氧气。我们每天吃的食物也直接或间接来自光合作用产生的有机物。那么，光合作用是如何被发现的呢？
直到18世纪中叶发现光合作用之前，人们一直认为植物体内的所有养分都是从土壤中获得的，却不认为植物能从空气中获得任何东西。1771年，英国科学家普里斯特利发现，在有绿色植物的封闭玻璃罩中，要熄灭点燃的蜡烛并不容易。当老鼠被放在有绿色植物的玻璃罩里时，它们不容易窒息。因此，他指出植物可以更新空气。但他不知道空气中更新的是哪些构图植物，也没有发现光在这个过程中起到的关键作用。后来经过很多科学家的实验，逐渐发现了光合作用的场所、条件、原料和产物。1864年，德国科学家萨克斯做了一个实验:把绿叶放在黑暗中几个小时，以便使叶子里的营养物质消耗掉。然后将刀片的一半露出来，另一半遮住。一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现叶片阴面的一半颜色没有变化，而露出的一半是深蓝色。这个实验成功地证明了绿叶在光合作用中产生淀粉。1880年，德国科学家恩格尔曼对水绵的光合作用进行了一项实验:将一个装有需氧细菌的临时包装放在一个没有空气的黑暗环境中，然后用一束非常细的光束照射水绵。通过显微镜观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射的位置附近。如果临时包装完全暴露在光线下，好氧细菌将集中在叶绿体的所有受光部分周围。恩格尔曼的实验证明，氧气是从叶绿体中释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的地方。
光合作用的过程:1。光合作用第一阶段的化学反应必须有光能，称为光反应阶段。光反应阶段的化学反应是在叶绿体的类囊体上进行的。暗反应阶段光合作用第二阶段的化学反应可以在没有光能的情况下进行。这个阶段叫做暗反应阶段。暗反应阶段的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中密切相关，缺一不可。光合作用的意义光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供物质和能量来源。因此，光合作用对人类乃至整个生物界都具有重要意义。首先，制造有机物。绿色植物通过光合作用产生的有机物数量是巨大的。据估计，地球上的绿色植物每年产生约4500亿吨有机物，远远超过地球上每年工业产品的总产量。因此，人们把地球上的绿色植物比作一个巨大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开光合作用产生的有机物。人类和动物的食物也直接或间接地来自光合作用产生的有机物。第二，转换和储存太阳能。绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，并储存在光合作用产生的有机物中。地球上几乎所有的生物都直接或间接地利用这种能量作为生命活动的能量。归根结底，煤、石油、天然气等燃料中所含的能量，是古代绿色植物通过光合作用储存起来的。
第三，使大气中氧气和二氧化碳的含量相对稳定。据估计，世界上所有生物通过呼吸和燃烧各种燃料消耗的氧气平均为10000 t/s(吨/秒)。按照这种耗氧速度，大气中的氧气将在大约两千年后耗尽。然而，这并没有发生。这是因为绿色植物广泛分布在地球上，通过光合作用不断吸收二氧化碳和释放氧气，使大气中氧气和二氧化碳的含量保持相对稳定。第四，它在生物进化中起着重要的作用。在绿色植物出现之前，地球的大气中没有氧气。只是在20亿至30亿年前，地球上出现了绿色植物并逐渐占据优势，地球的大气层才逐渐含有氧气，从而使地球上的其他生物能够有有氧呼吸发生和发展。因为大气中的部分氧气转化为臭氧(O3)。高层大气中臭氧形成的臭氧层可以有效地过滤掉太阳辐射中对生物有强烈破坏作用的紫外线，使水生生物逐渐在陆地上生活。经过漫长的生物进化过程，终于出现了自然界广泛分布的各种动植物。
植物培育和光能的合理利用是绿色植物光合作用的驱动力。在植物栽培中，合理利用光能可以使绿色植物充分进行光合作用。光能的合理利用主要包括两个方面:延长光合作用的时间和增加光合作用的面积。
延长光合作用的时间，延长单位土地面积绿色植物全年光合作用的时间，是合理利用光能的重要措施。例如，在同一块土地上，每年种植和收获一次小麦，而不是每年收获一次小麦，然后再次种植和收获玉米，可以提高单位面积的产量。
增加光合作用面积，合理密植是增加光合作用面积的重要措施。合理密植是指根据土壤肥力，在单位面积的土地上种植适当密度的植物。
中国解决光合作用效率的世界难题。
云南省生态农业研究所所长那中原开发了作物基因表型诱导调控与表达(GPIT)技术，在国际上率先成功解决了提高光合作用效率的问题。
提高作物产量的方法有很多，其中之一就是提高作物的光合作用效率，如何提高是一个世界难题。许多发达国家已经进行了多年的研究，但至今没有成功的报道。
纳中原开发的GPIT技术率先解决了这一问题。根据西藏、云南、山东、黑龙江、吉林等省区的试验结果，利用GPIT技术可使不同作物的光合效率分别提高50%至400%。
云南省西北部迪庆藏族自治州中甸高原坝区海拔3276米，玉米全生育期有效积温493℃，不到世界公认最低限的一半。玉米幼苗最低温度为-5.4℃，最低地表温度为-9.5℃。然而，GPIT技术种植的玉米仍然长势良好，亩产高达499公斤。
拉萨海拔3658米1999种植的玉米，长到了每株八穗，全部成熟，而且都是高赖氨酸优质玉米。在我国高海拔地区和寒冷地区的试验示范表明，应用GPIT技术可以大大缩短作物的生长期，小麦平均7 ~ 15天，水稻平均10 ~ 20天，玉米平均30 ~ 40天。
GPIT技术还解决了作物自身抗性表达和高抗根、茎、叶病害的世纪难题。65438 ~ 0999在昆明市官渡区进行了百亩小麦连片防治试验。不采用GPIT技术的小麦，三次施药后白粉病仍很严重。而GPIT技术处理的100亩小麦，不需要打农药，基本没有发现病株。