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(共31张PPT)
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（1）
新叶伸向和煦的阳光，
蚱蜢觊觎绿叶的芬芳。
它们为生存而获取能量，
能量在细胞里流转激荡！
第1课时 捕获光能的色素和结构
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的减产。同时，人工
光源的强度和不同色光是可以调控的，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、营养液成分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。
讨论
问题探讨
在植物工厂里，人工光源可以为植物的生长源源不断地提供能量，在自然界，万物生长靠太阳。太阳光能的输入、捕获和转化，是生物圈得以维持运转的基础。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。因此，有人称光合作用是“地球上最重要的化学反应”。
那么，植物捕获光能需要依靠的物质和结构是什么呢？
一、捕获光能的色素
植物的叶片多数是绿色的，说明其中有绿色的色素。玉米中有时会出现白化苗。白化苗由于不能进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
绿叶中的色素究竟有哪些呢？都参与植物的光合作用吗？
正常玉米植株和白化玉米植株
以上现象说明，植物正常生长需要光能，而叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
探究·实践《绿叶中色素的提取与分离》
1. 色素提取和分离的原理分别是什么？
2. 研磨过程中加入无水乙醇、SiO2、CaCO3的作用是什么？
3. 将滤液收集到试管中后，为什么要用棉塞将试管口塞严？
4. 滤纸条一端为什么要剪去两角？
5. 画滤液细线时应注意什么？
6. 为什么不能让滤液细线触及层析液？
自主学习：阅读课本P97-98，并思考以下几个问题
提取和分离绿叶中的色素，探究绿叶中色素的种类
实验目的
实验原理
（1）提取原理:绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
（2）分离原理: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的扩散更快,反之则慢。
新鲜的绿叶（深绿色）（如菠菜的绿叶）
无水乙醇
层析液（20份石油醚、2份丙酮、1份苯混合而成）
二氧化硅和碳酸钙
实验材料用具
（替代：可用体积分数95%的乙醇，加入适量无水碳酸钠，除去乙醇中水分）
提取方法：过滤法
分离方法：纸层析法
实验方法
1.提取绿叶中的色素
实验步骤
绿叶
二氧化硅和碳酸钙
无水乙醇
单层尼龙布
棉塞
SiO2
CaCO3
无水乙醇
有利于研磨充分
防止色素（主要是叶绿素）破坏
溶解提取色素
不用滤纸、纱布，会吸附色素，降低色素的含量
防止乙醇挥发和色素分子被氧化
剪去两角
1 cm
2.色素的分离（纸层析法）
实验步骤
1cm
铅笔线，不是钢笔
为什么要剪去两角？
减少边缘效应，造成两边缘色素扩散快，保证色素带整齐。
毛细吸管
待滤液干后
1～2
滤液细线
叶绿素
类胡萝卜素
（含量约3/4）
（含量约1/4）
叶绿素a（蓝绿色）
叶绿素b（黄绿色）
胡萝卜素（橙黄色）
叶黄素（黄色）
绿叶中的色素
实验结果
思考：1.滤纸上有几条色素带？按照什么次序分布的？
2.滤纸 条上色素带的分布情况说明了什么？
任务一：分析实验过程及结果
(一)色素的提取
阅读教材P98的“探究·实践”，回答相关问题：
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？
核心探讨
色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放出来，破坏叶绿素，碳酸钙可以中和酸性物质，保护叶绿素。
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。
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。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。
4.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。
(二)色素的分离
1.制备滤纸条时为什么要减去两角？
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。
2.滤液细线的画线原则是什么？待滤液干后，再重画一到两次的目的是什么？
画滤液细线的原则是细、直、齐。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。
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。
4.滤纸条上色素带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得快慢也不同。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。
3.色素的吸收光谱
(1)光谱：阳光是由 组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。
(2)色素的吸收光谱
不同波长的光
蓝紫
蓝
紫光和红光
学科交叉（ P99 ）：叶绿体中的色素只吸收 ，而对红外光和紫外光等不吸收。
可见光
1.冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选择红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？
无色。由于太阳光由七色光组成，所以用无色透明的塑料薄膜，植物可获得更多的光能。
2.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应该选择什么颜色(选“蓝紫光或红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？
蓝紫光或红光。在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光或红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。
3.植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
绿色光源发绿色光，这种波长的光几乎不能被光合色素吸收，因此无法用于光合作用制造有机物。
结合色素的吸收光谱分析实际问题
B
小试牛刀
2.如图是某同学用无水乙醇分别提取正常光照和强光照下某种植物等量叶片中的光合色素，然后用层析液进行纸层析得到的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列相关叙述正确的是( )
A.实验研磨操作中若加入的二氧化硅或碳酸钙过
　少，都会导致色素条带颜色变深
B.实验中对研磨液过滤时，采用滤纸过滤，实验
　效果更好
C.色素分离过程中如果滤液细线触及层析液，
　会缩短四条色素带间的距离
D.与正常光照下相比，该植物强光照下叶片会发黄
D
3．如图1所示为某生物兴趣小组利用韭菜宿根进行相关实验的流程，请分析回答下列问题：
(1)提取色素时为了研磨充分应加入__________，纸层析法分离色素的原理是
________________________________________________________________________________。
(2)纸层析法分离色素的“结果①”如图2所示，其中共有的色素带
的颜色是____________，据此能得出的结论是_______________________。
SiO2
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的快，反之则慢
橙黄色、黄色
叶绿素的形成需要光
(3)将刚制备的等量的韭菜和韭黄的色素滤液放在阳光与三棱镜之间，“结果②”吸收光谱最明显的差异出现在______(填“蓝紫”或“红”)光区域。将制得的韭菜色素滤液放在强光下曝光1～2 h，再重复上述实验，其结果与韭黄色素滤液的实验结果基本一致，其原因是__________________________。
(4)一分子叶绿素中含有一个Mg2＋(可被H＋、Cu2＋等置换)。将韭菜色素滤液用质量分数为5%的HCl溶液处理一段时间后，其颜色与研磨过程中未加入________时的颜色相似。
红
叶绿素不稳定，在强光下易分解
CaCO3
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
1.形态结构：
一般呈扁平的椭球形或球形。
膜
外膜
内膜
基粒
构成：
由囊状结构的类囊体堆叠而成（增大膜面积）
成分：
含与光合作用有关的色素和酶
基质：
含少量 DNA、RNA、与光合作用有关的酶
2.功能：
进行光合作用的场所。
资料1：1881年，[德]恩格尔曼的实验1：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光部位。
没有空气黑暗
极细光束
完全光照
注：水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，细菌为需氧菌，可以运动。
1、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。
3.叶绿体功能的实验验证：
1、选材:
①水绵具有细长螺旋带状叶绿体，易于观察现象。
②好氧细菌的利用，准确显示出氧气产生的部位。
2、设计：
①排除干扰方法：黑暗无空气环境，排除了光和氧气的干扰。
②实验对照设计：a.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。b.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。
③观测指标设计：通过好氧细菌分布情况，检测判断释放O2部位及强弱
2、恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
没有空气黑暗
极细光束
恩格尔曼的实验2:用三棱镜的光照射水绵
临时装片，发现大量需氧细菌聚集在红光
和蓝紫光区域。
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？
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，叶绿体释放O2多，适于好氧细菌在此区域分布。
资料2：叶绿体基质中含有多种进行光合作用所必需的酶。
4、综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧气，并且能够吸收特定波长的光。
2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ）
A.所有植物细胞中都含有4中色素
B.有些植物细胞的液泡中也含有色素
C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能
D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类
1.基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确
（1）叶绿体只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。 （ ）
（2）叶绿体类囊体上有巨大膜面积，利于吸收光能。 （ ）
（3）植物绿叶之所以呈绿色，因为叶片中叶绿体吸收了绿光。 （ ）
A
小试牛刀
藻类 色素种类 含量最多的色素 水层及主要存在的光
绿藻
褐藻
红藻
存在红光和蓝紫光
存在绿光和蓝紫光
叶绿素a、叶绿素b、
胡萝卜素、叶黄素
叶绿素
主要吸收红光和蓝紫光，反射绿光
叶绿素a、叶绿素c、
胡萝卜素、6种叶黄素
某种叶黄素
主要吸收绿光蓝紫光，
反射红黄光
叶绿素a、叶绿素d、
胡萝卜素、叶黄素、
藻红素、藻蓝素
藻红素
主要吸收蓝紫光,
反射红光
存在蓝紫光
浅水层
中水层
深水层
水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收要多，即到达深水层的光线是短波长的光，因此，吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的褐藻分布于海水中层，吸收蓝紫光较多的红藻分布于海水的深层。
拓展1.海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？
拓展2.与传统生产方式比，植物工厂生产蔬菜等食物有哪些优势？又面临哪些困难？
优势：可以控制植物的生长周期、生长环境、上市时间
困难：技术难度大，操控要求高、需要掌握不同蔬菜的生理特性
1.用新鲜菠菜叶片进行绿叶中色素的提取和分离实验。下列叙述正确的是
A.提取绿叶中色素的原理是四种色素的溶解度不同
B.可以用无水乙醇作为层析液进行四种色素的分离
C. SiO2有利于破坏叶肉细胞
D.层析完毕后应迅速记录结果，否则色素带会挥发消失
对点训练
15
小试牛刀
C
2.下列分离绿叶中色素的装置，正确的是
A
3.在“绿叶中色素的提取和分离”实验中，以下主要步骤操作正确的是
A.步骤①为获得10 mL提取液，
一次性加入10 mL a液研磨效果最好
B.步骤②采用定性滤纸过滤，可提高滤液中光合色素的含量
C.步骤③在滤纸条上连续画2～3次滤液细线，分离色素效果更好
D.步骤④将试管固定于铁架台上，可防止b液晃动而触及滤液细线
D
4.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.叶绿体分布在植物体的所有细胞中
B.叶绿素在高等植物体内主要有两种，叶绿素a呈
蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色
C.同线粒体一样，叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积
D.吸收光能的色素都分布在①外膜上
B
5.恩格尔曼用极细的光束照射载有水绵和需氧细菌的临时装片①，将临时装片②暴露在光下，结果如图所示。下列关于该实验的叙述错误的是
A.实验开始前，临时装片都要先进行通气处理
B.该对照实验可以证明叶绿体是进行光合作用
的场所
C.临时装片中的需氧细菌的聚集位置说明光合
产物中有氧气
D.用透过三棱镜的光束照射临时装片①，会得到与该图示不同的结果
A

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