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第4节 光合作用与能量转化
一、捕获光能的色素和结构
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。
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”。
白化苗
正常苗
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。
事实：
推论:
光能的捕获与叶片颜色有关
分析，提出假设：
光能的捕获需要绿叶所含的色素
1
绿叶中色素的提取和分离
1.如何提取？
2.如何分离？
绿叶中色素的提取和分离
提取：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中
分离：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上扩散得快,反之则慢
【实验原理】
【实验目的】
1.进行绿叶中色素的提取和分离
2.研究绿叶中含有几种色素
纸层析法
材料用具
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶）
无水乙醇、层析液、二氧化硅、碳酸钙
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，药勺，量筒(10mL)，天平。
①称取5g的绿叶，剪去主叶脉，剪碎，放入研钵中。
②放入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入5--10mL无水乙醇，迅速、充分地研磨
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
防止无水乙醇挥发
叶绿体能够被充分破坏，
使得色素能充分被释放出来
③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤，收集滤液,封口
用单层尼龙布过滤，过滤叶脉及二氧化硅等并且不吸附色素。
【实验步骤】
防止挥发和色素分子被氧化
1.提取绿叶中的色素
2.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)绿叶不新鲜
(2)未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来
(3)未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏
(4)加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小
1.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。
2.制备滤纸条
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1 cm处用铅笔画一条细的横线。
3．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，在横线处按压出均匀的细线）。待滤液干后，再重画一到两次。
避免层析液在边缘扩散过快（边缘效应），使层析液能同步到达滤液细线
积累更多的色素使分离色素带更明显
细、直、齐
1cm
①制备滤纸条
②画滤液细线
滤液细线
（细、齐、直）
（待滤液干后重复画1~2次）
③分离色素
层析液
（盖住，因层析液易挥发，有一定毒性）
层析液不能浸没滤液细线
分离色素
【实验结果】
溶解度
含量
高
低
叶绿素a>叶绿素b>叶黄素>胡萝卜素
绿叶中光合色素的种类
叶绿素
（含量约占3/4）
类胡萝卜素（含量约占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）
色素名称 元素组成 分子质量
α-胡萝卜素 C、H 536.8
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
内
外
叶绿素b、叶绿素a、
叶黄素、胡萝卜素
3.滤纸条上的色素带颜色过浅或较窄，分析可能的原因有哪些？
(1)提取的色素少；(2)滤液细线只画一次
(3)滤液细线触及层析液
4.滤纸条上看不到色素带，分析可能的原因有哪些？
5.滤纸条上叶绿素的两条色素带较窄，分析可能的原因有哪些？
6.滤纸条上的色素带重叠，分析可能的原因有哪些？
(1)滤纸条未干燥；(2)滤纸条未剪去两角
(3)滤液细线未达到细、直、齐
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，光合作用所利用的光都是可见光。
叶绿素溶液
类胡萝卜素溶液
叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光
胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光
功能：吸收、传递和转化光能
问题探讨：为什么常见的是红色、蓝色和白色的光源？
植物利用光能的效率更高。
植物工厂里为什么不用发绿光的光源？
绿色光源发出绿色的光，这种波长的光线不能被光合色素吸收，因此无法用于光合作用中制造有机物。
冬季时，为了增加蔬菜的产量，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
叶绿体的结构适于进行光合作用
外膜
内膜
基质
类囊体
基粒
叶绿体的结构
吸收光能的4种色素分布在类囊体的薄膜上，基粒与基粒之间充满了基质。
叶绿体内众多的基粒和类囊体，极大扩展了受光面积。
在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有多种进行光合作用的酶
叶绿体除吸收光能外，还有什么功能呢？
资料1 1881 年，德国科学家恩格尔曼
（ T. Engelmann, 1843—1909）做了这样的实验：把载有水绵（叶绿体呈螺旋带状分布）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的部位。
恩格尔曼的第一个实验
1.实验材料为什么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，用好氧细菌可以确定释放氧气多的部位。
3.在黑暗中用极细光束照射水绵有何巧妙之处？
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。
4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？
临时装片暴露在光下的实验再一次验证了实验结果。
2.为何要在没有空气的黑暗环境？
排除了氧气和光的干扰。
德国科学家恩格尔曼的第二个实验
好氧细菌
水绵
好氧细菌
大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域
又结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论
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。
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 （ ）
（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
概念检测
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？
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。
拓展应用
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。
绿叶中色素的
提取和分离
叶绿体的结构适于进行光合作用
实验原理
实验过程
实验结论
无水乙醇，层析液
叶绿素
类胡萝卜素
红光
蓝紫光
蓝紫光
色素
叶黄素
胡萝卜素
叶绿素a
叶绿素b
（蓝绿色）
（黄绿色）
（橙黄色）
（黄色）
含量约占3/4
含量约占1/4
形态:
结构:
功能: 叶绿体是进行光合作用的场所

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