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5.4 光合作用与能量转化
一 捕获光能的色素和结构
第五章 细胞的能量供应和利用
本节聚焦
1.植物依靠哪些色素捕获光能？
2.叶绿体的结构有哪些适于进行光合作用
新课引入
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？
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。
在自然界，则是万物生长靠太阳。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”。
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。
1）提取：
溶解度越高，随层析液在滤纸上扩散得越快；反之则慢。
1.实验原理：
绿叶中的色素都能溶于有机溶剂无水乙醇中。
2）分离：纸层析法
色素在层析液中的溶解度不同。
2.目的要求：
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。
一、捕获光能的色素
3.材料用具：略
(石油醚：丙酮：苯=20:2:1）
提示：纸层析时层析液应与水互不相容，因此酒精不适合用作层析液。
4.方法步骤：
无水乙醇——溶解色素，提取色素
SiO2——使研磨更充分
CaCO3 ——防止色素被破坏
①提取色素
单层尼龙布——过滤叶脉及二氧化硅等；
试管口封严——防止乙醇挥发，色素氧化分解
（不能用滤纸）
②制备滤纸条：
干燥的定性滤纸条，剪去两角，画铅笔细线。
铅笔线
③画滤液细线：
要求——细、齐、直。
滤液细线
干燥后，重复1-2次——使滤液细线积累较多色素。
保证色素在滤纸条上扩散均匀、整齐。
④分离色素
滤液细线不能触及层析液，防止色素溶解于层析液中而无法分离。
⑤观察与记录
4.实验结果：
色素的种类 含量 溶解度 颜色
最少
最多
最大
最小
橙黄色
黄色
蓝绿色
黄绿色
提示：色素颜色由其反射的光所决定。
类胡萝卜素
（1/4）
叶绿素（3/4）
(2)若上述实验过程中选择的材料是蓝藻,则提取出来的色素主要有哪些
叶绿素和藻蓝素。
不能,50%乙醇中色素溶解度低,提取出来的色素浓度减少,在滤纸条上的色素带颜色变浅。
(1)若将长条形滤纸换成圆形滤纸观察层析结果如何？
将出现四个同心圆，从外向内顺序与长形滤纸条从上到下的顺序相同。
(3)若实验过程中缺少了无水乙醇,能否用50%的乙醇来替代 为什么
四个常见异常现象及其原因分析
异常现象 发生的原因
滤纸条上色素带颜色过浅
滤纸条色素带重叠
未加二氧化硅或研磨不充分
绿叶不新鲜或用量少或叶脉过多，导致滤液中的色素含量太少
加入过量无水乙醇,导致提取液浓度太低
画滤液细线次数过少
滤纸条没经干燥处理
滤液细线不能达到细、齐、直的要求,使色素扩散不一致
四个常见异常现象及其原因分析
异常现象 发生的原因
滤纸条看不到色素带
滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带
忘记画滤液细线
滤液细线触及层析液,全部溶解到层析液中
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
所用叶片为“黄叶”
绿叶中色素的吸收光谱
5.绿叶中的色素的吸收光谱分析：
光合作用利用可见光（波长是400-760nm），不能利用紫外和红外光★。
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
提示：色素对其他波段的光并非不吸收，只是吸收量较少。
(3)绿叶中的色素并非一种，对生物来讲有什么意义？
绿叶中不同的色素有不同的吸收光谱，有利于绿色植物充分吸收光能。
用无色的玻璃，因为光合作用最有效的光为白光，最无效的光为绿光。
若温室内再需补光可选红光、蓝光和白光。
(2)在大棚种植时一般选用哪种颜色的塑料薄膜或者补充光源？
(1)植物工厂里为什么不用发绿的光源？
植物光合作用对绿光的吸收率较低，光合作用效果差。
(4)你知道哪些因素会影响叶绿素的合成吗？
影响叶绿素合成的因素：光照、温度、矿质元素。
绿色：叶绿素的含量比类胡萝卜素多，叶绿素吸收绿光量少，绿光被反射。
变黄：秋天气温低，叶绿素不稳定，易分解，类胡萝卜素占比增大，使叶片呈现黄色。
变红：秋天降温，叶绿素降解，细胞内积累的可溶性糖形成红色的花青素（ ）。
(5)夏季的树叶多为绿色，但是到了深秋时节，便会有“满林黄叶雁声多”或“看万山红遍，层林尽染”的美景，试从生物学角度分析其原因。
植物细胞中的色素分布于：
叶绿体、液泡中,但是液泡中的色素不能用于光合作用。
色素的元素组成与分子结构
色素名称 元素组成 分子质量
β-胡萝卜素 C、H 536
叶黄素 C、H、O 568
叶绿素a C、H、O、N、Mg 892
叶绿素b C、H、O、N、Mg 906
吸收的光 色素种类 颜色 含量 溶解度
橙黄色
黄色
蓝绿色
黄绿色
蓝紫光和红光
蓝紫光
类胡萝卜素
（1/4）
叶绿素（3/4）
最少
最多
最大
最小
1.叶绿体：
1）功能：
主要分布在叶肉细胞。
表皮细胞无叶绿体，但保卫细胞有。
2）形态：
一般呈扁平的椭球形或球形。
3）分布：
光合作用的场所。
光合作用不一定需要叶绿体，蓝藻有色素（藻蓝素和叶绿素）以及相关酶，也可进行光合作用。
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
2.结构
由2个以上类囊体堆叠而成。
外膜
内膜
基粒：
叶绿体基质
透明，有利于光线透过
色素的作用：吸收、传递和转化★光能
叶绿体结构适于进行光合作用表现在:
①类囊体膜上分布着大量吸收光能的色素分子,利于捕获光能。
②类囊体膜上和叶绿体基质中含有许多进行光合作用所需的酶,有利于代谢的进行。
3.叶绿体功能的实验验证
(1)实验者:德国科学家恩格尔曼。
实验一
实验二
(3)实验结论:
实验一:①叶绿体能吸收光能进行光合作用。②叶绿体光合作用放出O2。
实验二:叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光。
临时装片中均无氧气
3.叶绿体功能的实验验证
(1)实验者:德国科学家恩格尔曼。
实验一
实验二
(2)分析:
临时装片中均无氧气
①恩格尔曼第一个实验的结论是什么？
恩格尔曼第一个实验的结论是：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。
实验材料选择水绵和好氧细菌，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氧气多的部位；没有空气的黑暗环境排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上有光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果，等等。
实验一
实验二
②恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
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？
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？
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。
实验一
实验二
实验一
实验二
(3)实验结论:
实验一:①叶绿体能吸收光能进行光合作用。
②叶绿体光合作用放出O2。
实验二:叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光。
恩格尔曼实验的巧妙之处
(1)实验选材:
水绵具有细长的带状叶绿体,呈螺旋式分布,便于观察结果和设置对照。
(2)排除干扰:没有空气的黑暗环境排除了环境中氧气和光的干扰。
(3)观测指标:通过观测需氧细菌的分布,准确判断出释放氧气的部位。
(4)对照巧妙:
用极细的光束点状投射,使叶绿体上分为有光照和无光照的部位,相当于一组对照实验;
黑暗和完全暴露在光下形成对照,明确实验结果完全是由光照引起的。
一、概念检测
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)叶绿体中只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用。（ ）
(2)叶绿体的类囊体上有巨大的膜面积，有利于充分吸收光能。（ ）
(3)植物叶片之所以呈现绿色，是因为叶片中的叶绿体吸收了绿光。（ ）
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种色素
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
×
√
×
A
课后习题
二、拓展应用
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？
有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。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红藻分布于海水深的地方。
课后习题
2.与传统的生产方式相比，植物工厂生产蔬菜等食物有哪些优势？又面临哪些困难？你对植物工厂的发展前景持什么观点？请搜集资料，结合自己的思考写一篇综述性短文。
【提示】与传统生产方式相比，植物工厂生产蔬菜可以精确控制植物的生长周期、生长环境、上市时间等，但同时面临技术难度大、操控要求高、需要掌握各种不同蔬菜的生理特性等问题。综述性短文只要证据确凿、逻辑清晰、言之有理,就可以的。
课后习题
1.(2021四川成都七中高三入学考)关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述,不正确的是 (　　)
A.该实验结果表明,叶绿素a在层析液中溶解度最大
B.用无水乙醇作溶剂,提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素
C.若研磨时不加二氧化硅,则滤纸条上各色素带均变窄
D.将滤液细线画粗些并不能增强实验效果
2.(不定项选择)下列是新鲜绿叶的四种光合色素在滤纸上分离的情况,以下说法正确的是 (　　)

A.甲、乙、丙、丁依次表示胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b
B.四种色素都能溶解在层析液中,丁色素的溶解度最大
C.水稻在收获时,叶片中色素量的变化是(甲+乙)<(丙+丁)
D.提取色素时加入碳酸钙是为了研磨充分,加入二氧化硅是为了保护色素
3.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
3、如图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验时的改进装置，下列与之有关的叙述中，错误的是（　　）
A. 应向培养皿中倒入层析液
B. 应将滤液滴在a 处，而不能滴在b 处
C. 实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆（近似圆形）
D. 实验得到的若干个同心圆中，最小的一个圆呈橙黄色
D
4.如图为用分光光度计测定叶片中两类色素A和B吸收不同光波的曲线图,请判定A和B分别为 (　　)
A.叶绿素a、类胡萝卜素 B.类胡萝卜素、叶绿素b
C.叶黄素、叶绿素a D.叶绿素a、叶绿素b
A

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