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第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转换 第1课时 捕获光能的色素和结构
问题探讨
植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
讨论：
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
2.为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件？
用人工光源生产蔬菜，可以避免由于自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成的减产。同时，人工光源的强度和不同色光可以根据植物生长的情况进行调节，以使蔬菜产量达到最大。
影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件，也有外界环境条件。二氧化碳浓度、营养液和温度是影响植物生长的重要外部条件，因此要进行控制，以便让植物达到最佳的生长状态。
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一、捕获光能的色素
事实推论:
光能的捕获与叶片颜色有关
提出假设：
光能的捕获需要绿叶所含的色素
白化苗无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
正常幼苗进行光合作用，制造有机养料。
思考：
绿叶中究竟有哪些色素呢？
它们分别是什么颜色呢？
各种色素在绿叶中的含量相同吗？
【探究·实践】绿叶中色素的提取和分离
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一、捕获光能的色素
（一）提取绿叶中的色素
1.提取色素的原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂_________中。
无水乙醇
阅读教材P98“探究·实践”，结合以下问题梳理实验步骤：
（1）提取叶绿素时应选用什么样的材料？
（2）色素提取时所用试剂及作用？
（3）研磨时应注意什么？原因是什么？
取材
研磨
过滤
收集滤液
称取5g新鲜绿叶
将滤液收集到洁净试管中，及时用
_______将试管口塞严
剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中，加入__________和________，再加入5~10mL__________，迅速、充分地进行研磨
漏斗基部放一块_____________，将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤
二氧化硅
碳酸钙
无水乙醇
单层尼龙布
棉塞
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一、捕获光能的色素
2.实验步骤
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一、捕获光能的色素
2.实验步骤
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一、捕获光能的色素
问题1：已知色素存在于叶片的叶绿体中，提取色素时要破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。在酸性条件下，叶绿素分子卟啉环中的镁离子可以被氢离子取代，导致叶绿素被破坏，试分析色素提取时加入碳酸钙的作用是什么？
色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放，破坏叶绿素，碳酸钙可以中和酸性物质，保护叶绿素。
问题2：研磨时应注意什么？原因是什么？
研磨时要迅速、充分。这样可以保证色素释放得更加充分且挥发量少。
问题3：过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代？原因是什么？
不能用滤纸替代。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。
3.分析实验过程和结果
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一、捕获光能的色素
问题5：某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，请结合实验步骤分析可能的原因有哪些？
(1)未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；
(2)称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
(3)未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏；
(4)研磨不充分或研磨速度太慢，乙醇挥发，色素未能充分提取出来
问题4：色素提取时所用试剂及作用？
二氧化硅——有助于研磨得更充分；
碳酸钙——防止研磨中色素被破坏；
无水乙醇——溶解、提取色素。
3.分析实验过程和结果
【探究·实践】绿叶中色素的提取和分离
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一、捕获光能的色素
（二）分离绿叶中的色素
1.分离色素的方法
不同色素在层析液中的溶解度不同。溶解度高的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度快；溶解度低的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度慢。
层析法是利用待分离物质中不同组分的某些理化性质的差异而建立起来的一种分离技术。
纸层析法
2.分离色素的原理
3.实验步骤
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一、捕获光能的色素
制备滤纸条
画滤液细线
分离色素
将干燥的定性滤纸剪成滤纸条，将滤纸条一端剪去两角。
用毛细吸管吸取少量滤液，在被剪端底部1cm处画出一条细线，待滤液干后，再重画一到两次。
适量层析液倒入试管或烧杯中，将滤纸条有滤液细线的一端轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口或用培养吗盖住烧杯口。
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一、捕获光能的色素
3.实验步骤
3.实验步骤
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一、捕获光能的色素
问题1：制备滤纸条时为什么要减去两角？
问题2：滤液细线的划线原则是什么？待滤液干后，再重画一到两次的目的是什么？
减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线，防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快。
画滤液细线的原则是细、直、齐，保证色素均匀分布；待滤液干后，再重画一到两次可以增加滤液细线中色素的含量。
问题3：为何滤液细线不能触及层析液？
防止色素溶解在层析液中。
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一、捕获光能的色素
4.观察与记录实验结果
问题4：滤纸条上色素的分布情况说明了什么？
滤纸条上的色素带分布说明了绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸上扩散的快慢也不同。同时由于 4 种色素的颜色不同，也说明不同色素吸收了不同波长的光。
问题5：请分离得到的色素带异常情况的原因。
①滤纸条色素带重叠：
②滤纸条看不见色素带：
滤液细线画得过粗。
滤液细线被浸泡在层析液中，色素完全溶解。
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一、捕获光能的色素
4.观察与记录实验结果
[实验改进]提取叶绿体中色色素，也可以用如图所示的方法：即在圆形滤纸片中心滴加适量滤液，待干燥后再滴加适量层析液进行层析。
问题6：请分析实验结果。
滤纸片上会出现不同颜色的4个同心圆，从外向内依次为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b。
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一、捕获光能的色素
绿叶中的色素
类胡萝卜素
含量约占1/4
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素
含量约占3/4
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
① 在滤纸条的位置越往上，对应的色素在层析液中的溶解度越高；
② 色素带的宽窄代表4种色素的含量多少，蓝绿色色带最宽，说明绿叶中叶绿素a的含量最多。
溶解度：胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b
含 量：叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素
1.绿叶中的色素
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一、捕获光能的色素
春 夏
冬 秋
思考：植物的叶片为什么会呈现出不同的色彩？
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一、捕获光能的色素
【资料1】当阳光穿过三棱镜时，阳光会被分散成不同颜色的光带。阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光被分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
【资料2】光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400~760 nm。不同波长的光，颜色不同。
一般情况下，光合作用能利用的光都是可见光。
不同波长的光，颜色不同
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一、捕获光能的色素
【资料3】科学家分别用不同颜色的光照射色素溶液，得到色素溶液的吸收光谱。
结果：蓝紫光和红光色带很暗。
结果：蓝紫光色带很暗。
叶绿素提取液
类胡萝卜素提取液
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一、捕获光能的色素
实验结果表明：
①叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光；
②叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同；
③类胡萝卜素主要吸收蓝紫光。
[学科交叉]叶绿体中的色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收。
绿叶中的色素的功能：吸收、传递、转化光能。
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一、捕获光能的色素
【思考·讨论】
1.温室或大棚种蔬菜时，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
应选无色的大棚塑料薄膜。因为太阳光由七色光组成，所以用无色的大棚塑料薄膜，植物可以获得更多的光能。
2.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？
应选择蓝紫光和红光。因为在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
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一、捕获光能的色素
【思考·讨论】
3.叶片呈绿色的原因？秋天叶片变黄的原因？
叶子呈绿色的是因为叶片体内含有叶绿素，叶绿素吸收红光和蓝紫光，几乎不吸收绿光，反射绿光，因此呈现绿色。
秋天时，叶绿素降解，同时枫叶液泡内的花青素在酸性环境下变红，使叶片显现出红色。
4.枫叶秋天变红色的原因？
秋天时，天气逐渐变凉，叶片内的叶绿素受到天气的影响，叶绿素逐渐被分解。使叶片呈现出黄色。
知识拓展
影响绿叶中色素含量的因素
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一、捕获光能的色素
光照：光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。植物在缺光条件下影响叶绿素形成而使叶子发黄的现象，称为黄化现象。
温度：最适温度是20~30℃，最低温度约为2~4℃，最高温度为40℃左右。温度过高或过低均降低合成速率，加速叶绿素降解。秋天叶子变黄和早春寒潮过后秧苗变白等现象，都与低温抑制叶绿素形成有关。
矿质元素：氮、镁：叶绿素的组分；铁、铜、锰、锌：叶绿素酶促合成的辅因子。
水：植物缺水会抑制叶绿素的生物合成，且与蛋白质合成受阻有关。严重缺水时，叶绿素的合成减慢，降解加速，所以干旱时叶片呈黄褐色。
新知探究
一、捕获光能的色素
知识拓展
植物细胞内的花青素
花青素是一种水溶性色素，可以随着细胞液的酸碱改变颜色。细胞液呈酸性则偏红，细胞液呈碱性则偏蓝。
花青素是构成花瓣和果实颜色的主要色素之一。花青素为植物次级代谢产物，在生理上扮演重要的角色。
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二、叶绿体的结构适于光合作用
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从宏观到微观——叶片内部之旅
若把叶绿体比喻为一个光能工厂，叶绿体内部捕获光能的结构是怎样的呢？
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二、叶绿体的结构适于光合作用
外膜
内膜
基粒
基质
由类囊体堆叠形成的，类囊体薄膜上，分布着许多吸收光能的色素分子和与光合作用有关的酶。
含有与光合作用有关的酶、少量的DNA和RNA。
基粒
类囊体
叶绿体含有众多的基粒和类囊体,极大地扩展了生物膜面积，体现了“结构与功能”相适应的生命观念。
1.叶绿体的结构
探究叶绿体的功能
活动
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二、叶绿体的结构适于光合作用
资料：1881年德国科学家恩格尔曼的实验
实验一：
细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中
细菌分布在叶绿体所有受光的部位
水绵为多细胞丝状结构个体，叶绿体呈带状，有真正的细胞核，含有叶绿素可进行光合作用。
极细光束照射
黑暗
无空气
完全暴露在光下
需氧细菌
水绵
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二、叶绿体的结构适于光合作用
分析叶绿体的功能：
1.实验选择水绵和需氧细菌作为实验材料的优点：水绵的叶绿体呈_____
______分布，便于观察；用需氧细菌可确定 的部位。
2.为何要除去小室中原有的空气？
螺旋
带状
释放氧气多
选用没有空气的环境，可排除空气中氧气的干扰。
3.在黑暗中用极细的光束照射水绵有何巧妙之处？
用极细的光束照射，使叶绿体形成有光和无光部位，相当于一组对比实验。
4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
和黑暗条件下用极细的光束照射进行对照，进一步明确实验结果完全是由光照射到叶绿体引起的。
探究叶绿体的功能
活动
新知探究
二、叶绿体的结构适于光合作用
实验二：
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，适于需氧细菌在此区域分布。
5.为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域呢？
6.综合上述分析，你认为叶绿体具有什么功能？
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。
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝光区域。
恩格尔曼的实验直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。
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二、酶的本质探索
1．某生物兴趣小组对教材中色素提取和分离的实验步骤进行了改进，采用水浴法提取叶绿体中色素，主要操作如下图所示。下列叙述错误的是( )
B
【解析】绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂中，但不能溶解在蒸馏水中，因此不能用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素，B错误
A．加入碳酸钙的作用是防止色素被破坏
B．可以用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素
C．水浴加热，用玻璃棒搅拌可加快色素的溶解
D．用纸层析法分离色素时，画好的滤液细线不能触及层析液
2.采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述错误的是（ ）
A．提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂
B．研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏
C．研磨时添加石英砂有助于色素提取
D．画滤液细线时应尽量减少样液扩散
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新知探究
二、酶的本质探索
B
【解析】A、绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，因而可以用无水乙醇提取绿叶中的色素，A正确；
B、研磨时需要加入碳酸钙（CaCO3），可防止研磨时色素被破坏，B错误；
C、研磨时加入少许石英砂（SiO2）有助于充分研磨，利于破碎细胞使色素释放，C正确；
D、画滤液细线时应尽量减少滤液扩散，要求细、直、齐，才有利于色素均匀地分离，D正确。
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二、酶的本质探索
3.如图是绿色植物光合作用过程中叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱图。据图分析下列叙述正确的是（ ）
D
A．c为类胡萝卜素，它在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B．叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，而不吸收绿光，绿光被反射出来，所以叶片呈绿色
C．可根据绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同来提取色素
D．胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，叶绿素b在层析液中的溶解度最小
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二、酶的本质探索
【解析】A、c为类胡萝卜素，主要吸收蓝紫光，几乎不吸收红光，所以几乎不能利用红光来合成光反应中的ATP，A错误；
B、叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，叶绿素和类胡萝卜素对绿光吸收最少而被反射出来，所以叶片呈现绿色，B错误；
C、可根据绿叶中的色素的脂溶性特点利用无水乙醇来提取，根据色素在层析液中的溶解度不同来分离色素，C错误；
D、胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，色素带位于滤纸最上端，叶绿素b在层析液中的溶解度最小，色素带位于滤纸最下端，D正确。
4.下图为叶绿体亚显微结构模式图，下列叙述中错误的是（ ）
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二、酶的本质探索
D
【解析】与光合作用有关的酶分布在③和④，即与光合作用有关的酶不只分布在③上，D错误。
A．①②均为选择透过性膜
B．与光合作用有关的色素分布在③上
C．③基粒是由一个个圆饼状的囊状结构堆叠而成
D．与光合作用有关的酶只分布在③上
5.科学家恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现好氧细菌大量聚集在如图所示区域。以下分析不正确的是（ ）
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二、酶的本质探索
B
【解析】需氧细菌聚集多的原因是光合作用制造的氧气多，B错误
A．实验过程中装片需放置在黑暗环境中是为了设置自变量
B．需氧细菌聚集多的原因是光合作用制造的有机物多
C．图中细菌分布的差异是水绵在不同区域光合作用强度不同造成的
D．水绵的叶绿体螺旋状分布在细胞中有利于实验的进行
6.德国科学家恩格尔曼利用一种绿藻(这种绿藻具有呈螺旋状的叶绿体)研究光对光合作用的效应。他将该种绿藻放在一张载有细菌悬浮液的玻片上，这些细菌会移往氧浓度高的区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况，结果如图所示：
随堂检测
新知探究
二、酶的本质探索
(1)描述B情况下细菌的分布情况： ；如此分布是因为光合作用释放的什么物质？ 。
(2)该实验证实了光合作用的场所是 ，
吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布在
、 。
(3)恩格尔曼进行装置C的实验，其目的是
。
(4)在 光区的细菌特别多。
细菌集中在叶绿体周围
探究不同颜色的光对光合作用的影响
O2
叶绿体
叶绿体的类囊体薄膜上
叶绿体的类囊体薄膜上和叶绿体的基质中
蓝紫
课堂小结
实验：色素的提取和分离
叶绿体的结构和功能
内膜、外膜
类囊体堆积形成基粒
实验原理
实验结论
实验步骤
绿叶中的色素种类
类胡萝卜素
含量约占1/4
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素
含量约占3/4
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
捕获光能的色素和结构
