【学案】 第5章　第4节　第1课时　捕获光能的色素和结构 人教版（2019）生物学 必修1

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第4节　光合作用与能量转化　第1课时　捕获光能的色素和结构
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.阐明“绿叶中色素的提取和分离”实验的原理与方法。2.说出植物捕获光能的色素的种类和作用。3.运用结构与功能相适应的观念，解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。 1.无水乙醇能提取绿叶中的色素，层析液可分离色素。2.不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。3.层析后滤纸条上自上而下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。4.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。5.光合色素分布于叶绿体类囊体薄膜上，而与光合作用有关的酶则分布于类囊体薄膜和叶绿体基质中。
[主干知识梳理]
一、绿叶中色素的提取和分离
1．提取绿叶中的色素
(1)原理：绿叶中的色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。
(2)实验步骤
2．分离绿叶中的色素
(1)原理：不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。
(2)实验步骤
二、绿叶中色素的种类及叶绿体的结构和功能
1．色素的种类及吸收光谱
(1)叶绿素a：蓝绿色，主要吸收蓝紫光和红光。
(2)叶绿素b：黄绿色，主要吸收蓝紫光和红光。
(3)胡萝卜素：橙黄色，主要吸收蓝紫光。
(4)叶黄素：黄色，主要吸收蓝紫光。
2．叶绿体的结构和功能
(1)形态：一般呈扁平的椭球形或球形。
(2)结构[填图]：
(3)功能：绿色植物进行光合作用的场所。
[边角知识发掘]
1．下图为不同色素的吸收光谱(参见教材P99图5 12)，请据图回答有关问题：
(1)从图中可以读出：叶绿素对红光和蓝紫光的吸收量大；类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，对绿光吸收量较少，所以叶片呈现绿色。
(2)秋天叶片变黄的原因：低温破坏了叶绿素，叶片呈现出类胡萝卜素的颜色。
(3)温室内自然光照射的情况下，给植物人工补充哪些单色光对增产有利？
提示：红光、蓝紫光属于对植物光合作用最有效的光，因此可以补充这两种光达到增产的目的。
(4)温室或大棚种植蔬菜，应选用什么颜色的玻璃或塑料薄膜？(透明物体的颜色是由它透过的色光决定的；不透明物体的颜色是由它反射的色光决定的。)
提示：无色的玻璃或塑料薄膜。
2．分离叶绿体中的色素，也可用如图所示的方法(教材P99“讨论”拓展)：即在圆心处滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析，结果会出现不同颜色的4个同心圆，请写出①～④依次对应的色素及颜色。
答案：①——胡萝卜素(橙黄色)　②——叶黄素(黄色)　③——叶绿素a(蓝绿色)　④——叶绿素b(黄绿色)
[教材问题提示]
(一)旁栏思考(教材P99)
绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法用于光合作用中制造有机物。
(二)思考·讨论(教材P101)
参见本书P45[在探究中学]相关提示。
新知探究一　捕获光能的色素
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．下图是提取和分离绿叶中色素的实验步骤，请分析：
(1)提取色素时，加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质，若A是二氧化硅，B、C分别是什么？A、B、C各起什么作用？
提示：A是二氧化硅，作用是使研磨更充分；B是碳酸钙，作用是防止研磨中色素被破坏；C是无水乙醇，作用是溶解色素。
(2)制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？画滤液细线有什么要求？
提示：防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细、齐、直，还要重复画几次。
(3)色素分离时，关键应注意层析液不要没及滤液细线，为什么？
提示：否则滤液细线中的色素会溶解于层析液中，不能分离。
2．结合分离到的色素在滤纸条上的分布情况图示分析下列问题：
(1)含量最多和最少的色素分别是哪两种？
提示：叶绿素a和胡萝卜素。
(2)在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是哪两种？
提示：胡萝卜素和叶绿素b。
(3)分子结构最相似的是哪两种色素？
提示：叶绿素a和叶绿素b。
(4)某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，可能的原因有哪些？
提示：研磨不充分，色素未能充分提取出来；称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液浓度小；未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。
[师说重难]　
1．注意事项及原因分析
过程 注意事项 操作目的
提取色素 选新鲜绿色的叶片 使滤液中色素含量高
研磨时加无水乙醇 溶解色素
加少量SiO2和CaCO3 研磨充分和保护色素
迅速、充分研磨 防止乙醇挥发，充分溶解色素
盛放滤液的试管管口加棉塞 防止乙醇挥发和色素氧化
分离色素 滤纸预先干燥处理 使层析液在滤纸上快速扩散
滤液细线要细、齐、直 使分离出的色素带平整不重叠
滤液细线干燥后再画一两次 增加色素量；使分离出的色素带清晰分明
滤液细线不触及层析液 防止色素直接溶解到层析液中
　　
2.实验结果——有关色素带的分析
(1)从色素带的位置可知，各种色素在层析液中溶解度的高低依次为：胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b。(记忆口诀：胡、黄、a、b)
(2)从色素带的宽度可知，各种色素的含量一般情况下为：叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素。
[在应用中悟]
[典例1]　某同学在进行绿叶中色素的提取和分离实验时，进行了以下操作：
①将5 g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中，加入无水乙醇后直接进行研磨　②将预备好的滤纸条一端剪去两角，在距这一端1 cm处用钢笔画一条横线　③为增强实验效果，将滤液细线画粗些　④将滤纸条画有滤液细线的一端朝下，轻轻插入层析液中，让滤液细线浸入层析液中这些操作错误的是(　　)
A．①　　　　　　　 B．①②
C．①②③ D．①②③④
[解析]　相关操作中，正确的做法是：①提取绿色叶片中的色素时，在将5 g新鲜菠菜叶片剪碎放入研钵中后，应加入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5～10 mL无水乙醇，进行迅速、充分地研磨。②制作滤纸条时，应将预备好的滤纸条一端剪去两角，在距这一端1 cm处用铅笔画一条细的横线，而不是用钢笔。③画滤液细线时，为确保色素带分离整齐、不重叠，应保证滤液细线细、直、齐，为增强实验效果，应重复画线使滤液细线处积累较多色素。④分离色素时，应将滤纸条画有滤液细线的一端朝下，略微斜靠着烧杯的内壁，轻轻插入层析液中，随后盖上培养皿，为了防止滤液细线中的色素溶于层析液中，不能让滤液细线触及层析液。
[答案]　D
[典例2]　在做绿叶中色素的提取和分离实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示(“＋”表示使用，“－”表示未使用)，其余操作均正常，他们所得的实验结果依次应为(　　)
项目 甲 乙 丙 丁
无水乙醇 － ＋ ＋ ＋
水 ＋ － － －
CaCO3 ＋ ＋ － ＋
SiO2 ＋ ＋ ＋ －
A．①②③④ B．②④①③
C．④②③① D．③②①④
[解析]　由表格中信息可知，甲同学加的溶剂为水，而不是有机溶剂无水乙醇，色素不溶于水，因而提取不到叶绿体中的色素，所得结果应为②；乙同学的操作正确，所得结果应为④，即自上而下依次出现胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b，且叶绿素a和叶绿素b的含量较多；丙同学尽管使用了有机溶剂无水乙醇，可以提取到色素，但由于未加CaCO3，叶绿素可能会被破坏，因而下边的两条色素带比正常的窄，应为①；丁同学未加SiO2，可能研磨不充分，导致各种色素的提取量均少于正常水平，应为③。
[答案]　B
■归纳拓展
绿叶中色素提取和分离实验的异常现象分析
(1)收集到的滤液绿色过浅的原因分析
①未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。
②使用放置数天的绿叶，滤液色素(叶绿素)太少。
③一次加入大量的无水乙醇，色素溶液浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇提取色素)。
④未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
(2)滤纸条色素带重叠：没经干燥处理，滤液细线不能达到细、齐、直的要求，使色素扩散不一致。
(3)滤纸条看不到色素带：①忘记画滤液细线；②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中。
(4)滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带：忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。
[在训练中评]
1．下列与绿叶中色素的提取和分离实验有关的叙述，正确的是(　　)
A．提取绿叶中的色素时只能用无水乙醇溶解色素
B．研磨叶片后立即加入碳酸钙可防止色素被破坏
C．叶绿素b在层析液中的溶解度小于类胡萝卜素
D．不同绿叶中的色素在滤纸条上的色带顺序不同
解析：选C　绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇和丙酮中；叶绿体色素的提取实验中研磨前加入碳酸钙，可以保护叶绿体色素，防止色素被破坏；叶绿素b在层析液中溶解度最小；各色素带顺序由自身在层析液中的溶解度所决定的，溶解度大，扩散速度快，溶解度小，扩散速度慢，与绿叶种类无关。
2．(2019·江苏高考)如图为某次光合作用色素纸层析的实验结果，样品分别为新鲜菠菜叶和一种蓝藻(蓝细菌)经液氮冷冻研磨后的乙醇提取液。下列叙述正确的是(　　)
A．研磨时加入CaCO3过量会破坏叶绿素
B．层析液可采用生理盐水或磷酸盐缓冲液
C．在敞开的烧杯中进行层析时，需通风操作
D．实验验证了该种蓝藻没有叶绿素b
解析：选D　研磨时加入CaCO3的目的是防止叶绿素被破坏，故研磨时加入CaCO3过量不会破坏叶绿素，但会影响色素提取液的纯度，A错误。光合作用色素易溶于有机溶剂，而不溶于水，故层析液应选用有机溶剂，而生理盐水和磷酸盐缓冲液为无机溶剂，B错误。层析液易挥发，故进行层析时要用培养皿盖住烧杯，C错误。比较题图所示分离结果可知，该种蓝藻(蓝细菌)没有叶黄素和叶绿素b，D正确。
新知探究二　叶绿体中色素的功能
[在探究中学]
1．色素的种类、含量、颜色及吸收光谱
种类 叶绿素(占3/4) 类胡萝卜素(占1/4)
叶绿素a 叶绿素b 胡萝卜素 叶黄素
颜色 蓝绿色 黄绿色 橙黄色 黄色
吸收光谱 主要吸收蓝紫光和红光 主要吸收蓝紫光
2．叶绿体色素的功能及应用
(1)叶绿体色素的主要功能是吸收、传递和转化光能。
(2)植物绿叶呈现绿色的原因是其对绿光的吸收较少，绿光被反射出来。秋天叶片变黄的原因：低温破坏了叶绿素，呈现出了类胡萝卜素的颜色。部分植物叶片变红的原因：低温破坏了叶绿素，呈现出液泡中花青素的颜色。
(3)在农业生产中，温室大棚应使用无色透明的塑料薄膜或玻璃，因为它们能让所有的光都透过，效果最好；若为大棚内植物补充光照，应选择补充红光或蓝紫光，因为相同强度的红光或蓝紫光，比白光的光合作用强度要高。
[在应用中悟]
[典例]　(2017·全国卷Ⅲ)植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是(　　)
A．类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B．叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C．光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率随光波长的变化来表示
D．叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素参与光合作用引起的
[解析]　类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，不吸收红光；叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制；作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应来绘制的，因此可用CO2吸收速率随光波长的变化来表示；叶绿素吸收640～660 nm的红光，导致水光解释放O2。
[答案]　A
[在训练中评]
1．(2020·周口高一检测)下图表示叶绿体中色素的吸收光谱(颜色深、浅分别表示吸收量多、少)，则图甲、乙分别是(　　)
A．胡萝卜素、叶绿素的吸收光谱
B．叶绿素、类胡萝卜素的吸收光谱
C．叶黄素、叶绿素的吸收光谱
D．叶黄素、胡萝卜素的吸收光谱
解析：选B　从图观察，图甲吸收光谱在蓝紫光区和红光区，应为叶绿素分子的吸收光谱；图乙吸收光谱只在蓝紫光区，应为类胡萝卜素的吸收光谱。
2．将在黑暗中放置一段时间的叶片均分为4小块，分别置于不同的试管中，按下表进行实验处理，其中着色最浅的叶片所在的试管是(　　)
试管编号 ① ② ③ ④
实验处理 CO2溶液 ＋ ＋ ＋ ＋
光照 白光 蓝光 红光 绿光
碘液 ＋ ＋ ＋ ＋
注：“＋”表示具有该条件。
A．①　　　　　　　　 B．②
C．③ D．④
解析：选D　在不同的光照条件下，光合作用强度不同，叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，对绿光几乎不吸收，故在白光下，叶片光合作用最强，经碘液处理后，着色最深；绿光下，叶片光合作用最弱，着色最浅。
新知探究三　叶绿体的结构和功能
[在探究中学]
如图是恩格尔曼的实验示意图，结合教材“思考·讨论”的内容思考：
(1)恩格尔曼的第一个实验中，需氧细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中，如果把装置放在光下，细菌则分布在所有受光的部位。该实验可以得出什么结论？
提示：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
(2)恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
提示：①实验材料选择水绵和需氧细菌：水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察；用需氧细菌可确定释放氧气多的部位。②没有空气的黑暗环境：排除了氧气和光的干扰。③用极细的光束点状投射：叶绿体上可分为获得光照多和获得光照少的部位，相当于一组对照实验。④进行黑暗、局部光照和曝光对照实验：明确实验结果完全是由光照引起的等。
(3)在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么？
提示：这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气，适于好氧细菌在此区域分布。
(4)综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
提示：叶绿体是进行光合作用的场所，并且能够吸收特定波长的光。
[在训练中评]
1．为探究叶绿体吸收光能后是否有氧气产生，某学者设计了以下实验：制作载有水绵和需氧细菌的临时装片，用极细光束照射水绵，同时放在显微镜下观察。下列关于该实验的分析，错误的是(　　)
A．在光束照射到水绵之前，应该加三棱镜将混合光分解成连续光谱
B．临时装片应放置在没有空气的黑暗环境中
C．需氧细菌起指示作用
D．水绵的带状叶绿体有利于设置对照实验
解析：选A　本实验的目的是验证叶绿体在光照下能够产生氧气，而与光的种类没有关系，不需用三棱镜将混合光分解成连续光谱；为了防止空气、光对实验结果的影响，应该排除空气，把临时装片放在黑暗环境中；需氧细菌的分布密疏，表示了氧气产生的多少；水绵的叶绿体便于观察且有利于设置对照实验。
2．1881年德国科学家恩格尔曼设计了一个实验研究光合作用的光谱。他将棱镜产生的光谱投射到丝状水绵体上，并在水绵悬液中放入需氧细菌，观察细菌的聚集情况(如图)。他得出光合作用在红光区和蓝紫光区最强。这个实验的思路是(　　)
A．细菌对不同的光反应不一样，细菌聚集多的地方，细菌光合作用强
B．需氧细菌聚集多的地方，O2浓度高，水绵光合作用强
C．需氧细菌聚集多的地方，产生的有机物多，水绵光合作用强
D．需氧细菌大量消耗O2，使水绵光合速率快，则该种光有利于光合作用
解析：选B　需氧细菌向O2 浓度高的地方聚集，据此可推断光合作用的放氧部位和光合作用强度。
　科学探究——探究植物叶片颜色异常变化
与色素的关系
1．影响叶绿素合成的三大因素
光照 是影响叶绿素合成的主要条件，一般植物在黑暗中不能合成叶绿素，因而叶片发黄
温度 温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成
必需元素 叶绿素中含N、Mg等必需元素，缺乏N、Mg将导致叶绿素无法合成，叶变黄
2．探究植物叶片颜色异常变化与色素的关系
[素养评价]
1．关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　)
A．叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中
B．构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收
C．通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用
D．黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的
解析：选C　提取绿叶中色素的原理是叶绿体中的色素能溶解在有机溶剂如无水乙醇中。叶绿素分子中含有镁元素，镁元素可以由植物根细胞通过主动运输方式从土壤中吸收，也可以在叶面施肥后由叶片吸收。叶绿体中的色素吸收可见光用于光合作用，其中吸收的主要是可见光中的红光和蓝紫光，红外光和紫外光不属于可见光。叶绿素的合成需要光，在黑暗条件下叶绿素不能合成，故黑暗中生长的植物幼苗叶片主要呈现类胡萝卜素(叶黄素和胡萝卜素)的颜色，即幼苗叶片表现为黄色。
2.(2020·广州期末)某生物兴趣小组想探究蔬菜不同叶片在叶绿素含量上的区别，选择了新鲜菠菜的绿叶、嫩黄叶做绿叶中色素的提取和分离实验。实验结果如图所示，下列判断正确的是(　　)
选项 组别 滤纸条编号 判断依据
A 绿叶 甲 叶绿素a带和叶绿素b带较宽
B 嫩黄叶 甲 叶绿素a带和叶绿素b带较宽
C 绿叶 乙 上起的第一和第二条带较窄
D 嫩黄叶 乙 上起的第一和第二条带较窄
解析：选A　绿叶较嫩黄叶含有更多的叶绿素a和叶绿素b。在滤纸条上，上起的第三和第四条带分别代表叶绿素a和叶绿素b，绿叶组中叶绿素a和叶绿素b所代表的两条色素带更宽。
3．植物的生长发育需要根从土壤中吸收水分和各种矿质元素，科学实验发现土壤中缺磷会导致植株矮小，叶色暗绿。依据叶色变化推断可能是缺少类胡萝卜素，试设计实验探究叶色暗绿是否是因为缺磷造成类胡萝卜素缺乏所致。
实验所需主要用具、试剂：烧杯、漏斗、试管、研钵、完全培养液、仅缺磷的完全培养液、无水乙醇、SiO2、CaCO3、层析液等。
实验材料：正常生长的黄瓜幼苗。
实验假设：____________________________________________________。
实验步骤：
第一步：取两个烧杯编号为A、B，各放入同样数量、_____________________________的黄瓜幼苗。
第二步：A烧杯中加入________________，B烧杯中加入等量____________________，置于相同且适宜的条件下培养，培养到两组黄瓜苗叶片出现颜色差异为止。
第三步：分别从A、B两组中选取________，用________提取叶片色素，用________法分离色素，观察比较____________________________________________________。
实验结果预测：
(1)A、B两组类胡萝卜素色素带宽度和颜色一致，说明缺磷导致的叶色暗绿，不是由于类胡萝卜素缺乏所致。
(2)_____________________________________________ _______________________。
解析：根据题中的实验目的，可确定该实验的假设为：缺磷导致类胡萝卜素缺乏，引起叶色暗绿。利用溶液培养法来培养黄瓜幼苗，实验时要遵循对照原则和单一变量原则。等到完全培养液和缺磷的完全培养液中黄瓜叶片出现颜色差异时进行色素的提取和分离实验，最终比较色素带的宽度和颜色的深浅来确定假设是否成立。
答案：实验假设：缺磷导致类胡萝卜素缺乏，引起叶色暗绿实验步骤：第一步：同一品种且长势相近、苗龄相同
第二步：完全培养液　仅缺磷的完全培养液
第三步：等量叶片　无水乙醇　纸层析　A、B两组色素带中类胡萝卜素色素带的宽度和颜色的深浅
实验结果预测：
(2)A组比B组类胡萝卜素色素带宽度大、颜色深(或B组缺少类胡萝卜素色素带)，说明缺磷导致的叶色暗绿，是由于类胡萝卜素缺乏所致
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