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第四节 光合作用与能量转化
——捕获光能的色素和结构
问题探讨
你参观或听说过植物工厂吗？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。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
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。
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。
？
图5-10 正常玉米植株（绿色）和
白化玉米植株（白色）
一、捕获光能的色素和结构
白化苗叶片不含绿色色素，不能进行光合作用，无法制造有机养料，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
正常幼苗叶片含绿色色素，能进行光合作用制造有机养料
这说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关
绿叶中色素的提取和分离
2.实验目的
（1）进行绿叶中色素的提取和分离。
（2）探究绿叶中含有几种色素。
1.实验原理
提取原理：
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。
分离原理：
绿叶中的色素都能溶解在层析液中，但不同的色素溶解度不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。
纸层析法
3.实验材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）
无水乙醇（也可用体积分数为95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来代替）、层析液（由20份在60~90℃下分馏出来的石油醚、两份丙酮和1份笨混合而成）（可用93号汽油代替），二氧化硅（二氧化硅可使研磨更充分），碳酸钙（碳酸钙防止研磨中色素被破坏）。
干燥的定性滤纸，试管，棉塞，试管架，研钵，玻璃漏斗，尼龙布，毛细吸管，剪刀，药匙，量筒(10mL)，天平等。
4.方法步骤
（一）提取绿叶中的色素
绿叶
二氧化硅和碳酸钙
无水乙醇
单层尼龙布
棉塞
思考讨论
一、实验材料
1.实验中能否选择白菜叶片作为实验材料？叶片能否用清水浸泡？
2.为什么用无水乙醇而不用水作提取液？用丙酮可以吗？
（1）不能，应选取新鲜绿色的叶片，绿叶中色素含量较高。
（2）绿叶不要用清水浸泡，会使细胞吸水，使提取液中色素的浓度降低，影响实验效果。
色素是有机物，能溶于有机溶剂（如无水乙醇），但不溶于水。可以用丙酮代替，但丙酮有一定的毒性。
二、实验操作要领
1.研磨时加无水乙醇不应一次加入，应分多次加入的原因是什么？
2.加入二氧化硅和碳酸钙的目的是什么？
3.加入无水乙醇的目的是什么？
4.迅速、充分研磨的目的是什么？
不应一次性加入，为保证提取效果，应分多次加入。
二氧化硅有助于研磨得充分，碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。
溶解（提取）色素。
迅速：防止乙醇挥发和色素的破坏
充分：叶绿体能够被充分被破坏，使得色素能充分被释放出来。
5.为什么用单层尼龙布过滤研磨液，而不用滤纸？
因为滤纸会吸附色素
6.用棉塞将试管口塞紧
防止乙醇挥发和色素氧化
7.为什么过滤？
滤液中含有叶脉和二氧化硅等。
①制备滤纸条
（二）分离绿叶中的色素
1.干燥的过滤纸？
将干燥的定性滤纸剪成宽度略小于试管直径，长度略小于试管长度的滤纸条，再将滤纸条一端剪去两角，并在距这一端底部1CM处用铅笔画一条细的横线。
铅笔线
画铅笔细线
其透性好，吸收滤液较多同时使层析液在滤纸条上扩散速度快。
2.滤纸条一端剪去两角的目的是什么
防止色素在滤纸条边缘扩散太快，使分离出的色素带平齐。
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（也可将滤液倒入培养皿，再用盖玻片蘸取滤液，在横线处按压均匀的细线）。待滤液干后，再重画一到两次。
3.滤液细线的划线要求？
细、直、齐。使分离出的
色素带严整不重叠。
4.为什么滤液细线要重复画一到两次？
增加色素浓度，使分离出的色素带明显。
③分离绿叶中的色素
将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口。也可用小烧杯代替试管，用培养皿盖住小烧杯。
5.层析时，为什么不能让滤液细线触及层析液？
滤液细线触及层析液会使纸条上的色素会溶解于层析液中，使实验失败。
6.烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞
层析液易挥发且有毒。
④观察和记录
观察试管内滤纸条上出现了几条色素带，以及每条色素带的颜色和宽窄。将实验结果记录下来。
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
滤液中的色素
类胡萝卜素
叶绿素
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
(占1/4)
(占3/4)
（橙黄色）
（黄色）
（蓝绿色）
（黄绿色）
7.滤纸条上色素带的位置说明什么问题？色素带的宽窄说明什么问题？
滤纸条上色素带的位置说明：4种色素在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的快慢不同。排序越上面，说明该色素在层析液的溶解度越高，扩散速率越快。
色素带的宽窄说明：色素含量不同。色素带越宽，色素的含量越高。
叶绿体中的色素功能：吸收、传递（四种色素）、转化光能（只有少数特殊状态的叶绿素a）
1.若最终得到的色素带颜色浅，不清晰，原因可能有哪些？
2.若最终得到的色素带重叠，不整齐，原因可能有哪些？
3.若最终没得到色素带，原因可能有哪些？
4.滤纸条上只呈现胡萝卜素、叶黄素的色素带的原因？
①滤纸条一端两角剪得不对称；②滤液细线画得不够细、直、齐；
③没经过干燥处理。
①未加无水乙醇；③层析液触及滤液细线
①未加二氧化硅或研磨不充分，色素未充分提取出来；
②一次加入大量的无水乙醇，导致提取液的浓度太低；
③使用放置数天的绿叶或绿叶用量少，滤液中色素含量太少；④未加碳酸钙或加入过少,色素分子被破坏。
⑤画滤液细线时没重复
①未加碳酸钙，导致叶绿素被破坏； ②所用叶片为黄叶。
异常结果分析
影响叶绿素合成的因素
【拓展延伸】
1.光照：影响叶绿素合成的主要因素，植物在黑暗中一般不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
2.温度：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；另外，低温时叶绿素分子容易被破坏。
3.矿质元素：叶绿素中含N、Mg等矿质元素，若缺乏将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄；Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也会导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。
1.某班学生完成对新鲜菠菜叶进行叶绿体中色素的提取和分离实验时,由于各组操作不同,出现了以下四种不同的层析结果。下列分析错误的是 (　　)
A.甲可能是因为研磨时未加入SiO2
B.乙可能是因为研磨时未加入CaCO3
C.丙可能是误用水作提取液和层析液
D.丁是正确操作得到的理想结果
D
对位练习
2.在做提取和分离叶绿体中的光合色素实验时，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
试剂 甲 乙 丙 丁
无水乙醇 － ＋ ＋ ＋
CaCO3 ＋ ＋ － ＋
SiO2 ＋ ＋ ＋ －
A.①②③④ B.②④①③ C.④②③① D.③②①④
B
对位练习
3.在进行光合色素的提取和分离实验时，取一圆形滤纸，在滤纸中央滴一滴色素提取液，再滴一滴层析液，将会得到近似同心的四个色素环，如图。下列说法错误的是
A.通常提取液呈现绿色是因为叶片中叶绿素的
　含量比类胡萝卜素的高
B.提取色素时加入少许CaCO3和SiO2
C.若提取的是缺镁叶片中的色素，则最外侧两
　圈色素环颜色较淡
D.最外侧两圈色素环的色素主要吸收蓝紫光
C
对位练习
不同色素对光的吸收差异
光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400-760nm；不同波长的光，颜色不同；波长小于400nm的光是紫外光；波长大于760nm的光是红外光；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光；
光合色素的吸收光谱分析
叶绿素溶液
类胡萝卜素溶液
滤液中色素对不同的单色光吸收有什么差异？
思考：
A.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光；类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，不吸收红光。
B.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同。
C.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；绿叶中的色素对其他波长的光吸收量很少（尤其是绿光）。
光合色素的吸收光谱分析
滤液中色素对不同的单色光吸收有什么差异？
思考：
1.温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
2.叶片呈绿色的原因？秋天叶片变黄的原因？
3.枫叶秋天变红色的原因？
思考讨论
叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射出来；叶片中叶绿素的含量远远大于类胡萝卜素的含量，类胡萝卜素的颜色被叶绿素掩盖了。
寒冷时，叶绿素分子易被破坏，类胡萝卜素较稳定，显示出类胡萝卜素的颜色，叶子变黄。
秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色。
选白色或无色透明的塑料薄膜；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选蓝紫光和红光。
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素ａ
叶绿素ｂ
小结：
色素 色素颜色 含量 溶解度 扩散速度 吸收光能
橙黄色
黄色
蓝绿色
黄绿色
最少
较少
最多
较多
最大
较大
较小
最小
最快
较快
较慢
最慢
蓝紫光
蓝紫光
红光
与光合作用有关的色素存在于哪呢？
分布：
主要分布在绿色植物的叶肉细胞
形态：
一般呈扁平的椭球形或球形
功能：
光合作用的场所。
结构：
外膜
内膜
基粒
由两个以上的类囊体堆叠而成，类囊体薄膜上含色素和酶
基质
含有与光合作用有关的酶、少量DNA、RNA，核糖体等
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.叶绿体结构
2.叶绿体的功能
（1）恩格尔曼的第一个实验
1881年，德国科学家恩格尔曼用水绵进行有关实验。把水绵和需氧细菌的临时装片放在无空气空间内。在黑暗中用极细光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。若在光亮条件，则细菌分布在叶绿体所有受光部位。
极细光束
均匀光照
结论：叶绿体光合作用释放氧气，叶绿体是进行光合作用的场所
（2）恩格尔曼的第二个实验
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
（3）在类囊体膜上和叶绿体基质中含有多种进行光合作用所必
需的酶。
结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
0.5 秒延迟符，无
意义，可删除.
（1）为什么选用水绵和好氧细菌作为实验材料？
水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察。
好氧细菌可确定释放O2的部位。
(2)为什么选用黑暗并且没有空气的环境？
选用黑暗并且没有空气的环境，可排除光线和氧的干扰。
(3)恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
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。
(4)恩格尔曼的实验方法有什么巧妙之处？
①选材：a.水绵具有细长的螺旋带状叶绿体，易于观察现象。
b.好氧细菌的利用，准确显示出氧气产生的部位。
②设计：黑暗无空气的设计，排除了氧气和光的干扰。
③极细的光束照射：叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验。
④进行黑暗(局部光照)和曝光对比实验，从而明确实验结果完全是光照引起的。
（5）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？
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。
（6）综合上述资料，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。
3.叶绿体的结构适于进行光合作用
（1）叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着大量光合色素；
（2）类囊体膜上和叶绿体基质中，有许多与光合作用有关的酶；
（3）叶绿体的结构与光合作用高度适应。
色素　 酶
1.恩格尔曼用水棉和需氧细菌做了两个实验，现象分别如图。
有关说法不正确的是（ ）
A.选择水棉为材料，其叶绿体呈螺旋带状分布是重要因素之一
B.选择需氧细菌是为了证明光合作用是否有氧气产生
C.实验1可以证明叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧气
D.实验2可以证明蓝紫光和红光是光合作用效率较高的光
B

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