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第5章 细胞的能量供应和利用
第4节 光合作用与能量转化
一　捕获光能的色素和结构
素养导引
1.生命观念:运用结构与功能观,说出叶绿体的结构与功能相适应。
2.科学思维:采用模型与建模的方法,说出叶绿体中色素的功能。
3.科学探究:使用实验器具提取和分离色素,探究绿叶中色素的种类和含量。
一、绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理:
(1)绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
(2)各种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条上扩散得快,反之则慢。
2.实验选材:新鲜的绿叶。
3.方法步骤:
(1)色素的提取:
(2)色素的分离。
①制备滤纸条:剪去两角,并用铅笔画一条细的横线。
②画滤液细线:用毛细吸管吸取少量滤液,沿铅笔线均匀地画出一条细线,也可用盖玻片蘸取滤液沿铅笔线按压出均匀的细线。待滤液干后,重画1~2次。
③分离绿叶中的色素:滤液细线不能触及层析液。
(3)观察与记录:观察滤纸条上出现几条色素带,以及每条色素带的颜色和宽窄。
　[思考]　为什么要选用新鲜的绿叶为材料进行色素的提取和分离
提示:新鲜绿叶中色素含量高,实验效果明显。
二、色素的种类和功能
　[思考]　为使植物工厂里的植物正常生长,能否使用发绿光的光源 为什么
提示:不能,因为植物的光合色素对绿光的吸收效率较低,光合作用效果较差。
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.结构:
(1)形态:一般呈扁平的椭球形或球形。
(2)结构:双层膜。内部有由类囊体堆叠而成的基粒,基粒之间充满了基质。
2.功能:进行光合作用的场所。
　[思考]　叶绿体中有如此众多基粒的意义是什么
提示:增加膜面积,有利于光能的吸收。
　绿叶海天牛刚孵化时是无色的,幼年时可吃一顿“藻类大餐”,此后余生只依靠阳光便不再进食,请结合所学知识判断:
1.绿叶海天牛所食的藻类细胞中含有光合色素。 (√)
2.绿叶海天牛不再进食是因为大量捕食藻类。 (×)
分析:不进食是因为可进行光合作用。
3.可用无水乙醇提取绿叶海天牛细胞中的光合色素。 (√)
学习任务一:绿叶中色素的提取和分离
1.实验注意事项及操作目的:
注意事项 操作目的
加入碳酸钙 防止研磨中色素被破坏,主要保护的是叶绿素
迅速、充分研磨 防止乙醇挥发,充分溶解色素
过滤用单层尼龙布 不能用滤纸,滤纸会吸附色素
试管口加棉塞 防止乙醇挥发和色素氧化
最好在弱光下进行 叶绿素不稳定,见光易分解
2.实验异常结果原因分析:
(1)收集到滤液颜色过浅的原因:
①未加二氧化硅:研磨不充分。
②未加碳酸钙:色素分子被破坏。
③加入无水乙醇过多:提取液浓度过低。
④菠菜叶片不新鲜:色素含量较低。
(2)滤纸条上出现异常色素带原因:
①色素带重叠:滤液细线不能达到细、直、齐的要求,造成色素带扩散不一致。
②看不到色素带:忘记画滤液细线;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。
③只出现胡萝卜素、叶黄素的色素带:忘记加碳酸钙。
　[思考探究]　在绿叶中色素的提取和分离实验中,如果研磨时使用清水没有使用无水乙醇,那么收集到的滤液会出现什么结果 试解释原因。
提示:滤液颜色很浅甚至无颜色,因为色素不溶于水,无法将色素提取出来。
3.实验结果分析:
种类 颜色 含量 溶解度 扩散速度
胡萝卜素 橙黄色 最少 最高 最快
叶黄素 黄色 较少 较高 较快
叶绿素a 蓝绿色 最多 较低 较慢
叶绿素b 黄绿色 较多 最低 最慢
【拓展归纳】
影响叶绿素合成因素的分析
【学习加点料】
　思维易错:为什么画滤液细线要直、细、齐 待滤液细线干燥后再重复画一两次的原因是什么
提示:画滤液细线要直、细、齐的目的是使分离出的色素带平整不重叠;待滤液细线干燥后再重复画一两次,使分离出的色素带清晰分明。
　某同学用绿色菠菜叶和黄化菠菜叶①进行了光合色素的提取和分离实验,实验操作过程相同,分别得到滤纸条甲和乙②,如图所示。下列叙述正确的是 (　　)
A.分离色素利用了光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇的原理
B.滤纸条甲与乙上的色素带不会随着层析液的挥发而消失
C.滤液细线若没入层析液的液面将得到宽度变窄的色素带
D.滤纸条乙缺少2条色素带的原因是未加碳酸钙
[解题思维]
提取关键点 ①绿色菠菜叶和黄化菠菜叶;②分别得到滤纸条甲和乙
转化知识点 绿色叶片叶绿素含量高,黄化叶片叶绿素被分解;滤液细线不能触及层析液
排除障碍点 提取色素的原理是色素溶于无水乙醇中,分离色素的原理是色素在层析液中的溶解度不同
【解析】选B。提取色素利用了光合色素易溶于有机溶剂无水乙醇的原理,A错误;色素吸附在滤纸条上,滤纸条甲与乙上的色素带不会随着层析液的挥发而消失,B正确;滤液细线若没入层析液的液面将得不到色素带,C错误;滤纸条乙缺少2条色素带是因为乙的材料是黄化菠菜叶,本身就缺少叶绿素,D错误。
　[借题发挥]　若用绿色菠菜叶片做材料也得到了滤纸条乙的结果,试分析出现该结果的原因。
提示:未加碳酸钙,研磨中叶绿素被破坏。
1.(2022·金华高一检测)在“光合色素的提取和分离”活动中,所用试剂和其作用相符的是 (　　)
A.95%的乙醇——分离色素
B.二氧化硅——研磨充分
C.碳酸钙——保护叶肉细胞
D.层析液——溶解色素
【解析】选B。加入95%的乙醇的作用是溶解色素,A错误;在叶绿体色素的提取和分离实验中,加入少许二氧化硅的作用是使研磨更充分,B正确;研磨时加碳酸钙是防止研磨中色素被破坏,C错误;各色素随层析液在滤纸上扩散速度不同,从而分离色素,D错误。
2.(2022·北京高一检测)绿叶中色素的提取和分离实验中,随层析液在滤纸上扩散最慢的色素名称及其颜色是 (　　)
A.叶绿素a,蓝绿色
B.叶绿素b,黄绿色
C.叶黄素,黄色
D.胡萝卜素,橙黄色
【解析】选B。分离得到的色素条带,叶绿素b位于最下面,随层析液在滤纸上扩散最慢的色素是叶绿素b,其颜色是黄绿色,B符合题意。
【拓展归纳】
滤纸条上色素带的位置与溶解度大小的关系
(1)色素在层析液中的溶解度越大,在滤纸条上扩散的速度越快,其位置越靠上。
(2)实验装置改进:
实验结果:从外到内形成四个色素环,依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。
【补偿训练】
　　在圆形滤纸中央,点上绿叶色素的提取液进行层析,随着层析液从滤纸的中央向四周扩散,形成四个色素环带,排在最里圈的色素 (　　)
A.橙黄色　　　B.黄绿色 C.蓝绿色 D.黄色
【解析】选B。叶绿素b在层析液中的溶解度最低,故扩散得最慢,位于色素环带的最内圈,呈现黄绿色,B正确。
学习任务二:叶绿体的结构与功能
1.叶绿体的结构与功能相适应:
(1)色素分布在类囊体薄膜上,叶绿体内有众多的基粒和类囊体,极大地扩展了叶绿体的受光面积。
(2)光合作用的酶位于类囊体薄膜和叶绿体基质中。
　[思考探究]　线粒体和叶绿体都是具有双层膜结构的细胞器,二者增加膜面积的方式相同吗
提示:不同。线粒体通过内膜向内折叠形成嵴增加膜面积,叶绿体通过类囊体堆叠形成基粒增加膜面积。
2.恩格尔曼实验的巧妙之处:
(1)实验材料的选择:
①水绵的叶绿体呈螺旋带状分布,便于观察。
②用需氧细菌检测光合作用释放氧气较多的部位。
(2)对照实验的设计:
①黑暗(局部曝光)和完全曝光形成对照实验。
②利用三棱镜进行光的散射,形成不同颜色的光之间相互对照。
　[思考探究]　恩格尔曼实验是在没有空气的黑暗环境中进行的,试分析其目的。
提示:没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰。
【学习加点料】
1.思维易错:没有叶绿体的细胞一定不能进行光合作用吗 为什么
提示:不一定,如蓝细菌没有叶绿体,但它的细胞质中有叶绿素和藻蓝素,可以进行光合作用。
2.思维易错:叶绿体是唯一含有色素的细胞器吗
提示:不是,液泡中也含有色素,但是液泡中的色素不用于光合作用。
　如图甲为叶绿体结构模式图①,图乙是图甲中部分结构放大后的示意图②。下列相关叙述正确的是 (　　)
A.图甲所示结构主要通过内膜向内折叠增大膜面积
B.图乙中的光合色素能有效吸收绿光使植物呈绿色
C.图乙所示的膜结构位于图甲结构中的①或③处
D.提取光合色素时常用无水乙醇作为溶剂
[解题思维]
提取关键点 ①叶绿体结构模式图;②部分结构放大后的示意图
转化知识点 叶绿体增加膜面积的方式;色素提取的原理
排除障碍点 类囊体不是叶绿体的内膜
【解析】选D。图甲结构为叶绿体,其主要靠囊状结构堆叠而成的基粒来增大膜面积,A错误;图乙中的光合色素吸收绿光最少,绿光被反射出来使植物呈绿色,B错误;图乙所示膜结构上含有光合色素,所以是图甲中③类囊体薄膜的放大图,C错误;叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中,因此常用无水乙醇作为提取试剂,D正确。
[借题发挥]　据图可知,叶绿体中的O2扩散进入邻近的线粒体需要经过几层磷脂分子层
提示:8层,O2扩散出叶绿体需经两层膜,进入邻近的线粒体也需要通过两层膜,共四层生物膜,8层磷脂分子层。
1.恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片,惊奇地发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域,该实验能得出的结论主要是 (　　)
A.叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用,放出氧气
B.光合作用释放氧气的部位是叶绿体的类囊体
C.叶绿素包括叶绿素a和叶绿素b
D.需氧细菌没有线粒体也能进行有氧呼吸
【解析】选A。需氧细菌的生命活动需要氧气,大量细菌集中在红光和蓝紫光区域,说明此处有氧气产生,由此可得出结论:叶绿体主要吸收红光和蓝紫光用于光合作用,放出氧气,A正确。
2.(2022·南京高一检测)如图为叶绿体亚显微结构模式图,下列关于其结构与功能的叙述,正确的是 (　　)
A.该结构与植物细胞的能量转换有关
B.①主要由纤维素构成
C.吸收光能的色素主要分布在②上
D.与光合作用有关的酶只位于④中
【解析】选A。叶绿体能将光能转化为化学能,A正确;①叶绿体外膜主要由磷脂和蛋白质组成,B错误;吸收光能的色素主要分布在③类囊体膜上,C错误;与光合作用有关的酶位于③和④,D错误。
　　　2020年8月24日,中科院研究人员揭示了一条连接细胞膜和叶绿体的重要信号传递途径。研究发现,一些与细胞膜相关联的植物蛋白M,在感知病原体存在时,能从细胞膜转移至叶绿体内部,“警告”叶绿体有威胁存在;随之,叶绿体通过“逆行信号传递”过程,将这些信息传递至细胞核,激活防御以对抗入侵者。
请回答以下问题:
(1)植物蛋白M转移至叶绿体内部的过程,体现了生物膜具有________________。
(2)据资料分析,植物“患病”的机制是:____________________________________。
【解析】(1)植物蛋白M转移至叶绿体内部体现了生物膜具有一定的流动性。
(2)据材料信息蛋白M“在感知病原体存在时,能从细胞膜转移至叶绿体内部,‘警告’叶绿体有威胁存在;随之,叶绿体通过‘逆行信号传递’过程,将这些信息传递至细胞核,激活防御以对抗入侵者”可知,蛋白M在植物对抗病原体的过程中起到了重要的作用,所以植物“患病”的机理可能是病原体阻止了蛋白M对病原体的感知或病原体阻止了蛋白M从细胞膜向叶绿体内部转移的途径。
答案:(1)一定的流动性
(2)病原体阻止了蛋白M对病原体的感知或病原体阻止了蛋白M从细胞膜向叶绿体内部转移的途径(合理即可)
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力　↓信息转化 ①叶绿体的结构
②植物细胞信息传递的途径
学科素养 培养生命观念中的结构与功能观、科学思维中的分析与比较等素养
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