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第4节 光合作用与能量转化
将光能转变成细胞能够利用的化学能的生理过程
问题探讨
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？
用人工光源生产蔬菜，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。
讨论
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？
H2O
CO2
C6H12O6 O2
绿色植物能够捕获光能
一、捕获光能的色素和结构
一、捕获光能的色素和结构
在玉米地里，有时可以看到叶片中不含绿色色素的白化苗。这样的白化苗由于不能进行光合作用，待种子中储存的营养成分耗尽就会死亡。
可见，叶片中的色素可能与光能的捕获有关。
绿叶中究竟有哪些色素呢？
（一） 捕获光能的色素
一、捕获光能的色素
实验：绿叶中色素的提取和分离
不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度越高的色素随层析液在滤纸上的扩散速度越快，反之则慢。
①提取色素的原理
色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中;
②分离色素的原理
【实验原理】
注：
植物细胞中的色素分为脂溶性色素（如叶绿素等）和水溶性色素（如花青素），前者参与光合作用，后者不参与。
一、捕获光能的色素和结构
（一） 捕获光能的色素
1. 探究·实践 绿叶中色素的提取和分离
实验步骤：
1.提取绿叶中的色素：
SiO2：有助于研磨得充分
CaCO3：防止研磨中色素被破坏
无水乙醇：提取色素
单层尼龙布：过滤
2.制备滤纸条
铅笔线
画铅笔细线
减去两角的目的：
防止层析液从边缘扩散速度太快。
实验步骤：
将干燥的定性滤纸剪成滤纸条，将滤纸条的一端剪去两角，并在距这端底部1cm处用铅笔画一条细的横线。
3.画滤液细线
实验步骤：
滤液细线的要求：
细、直、齐（减少滤液扩散，有利于色素均匀的分离）；
重复1—2次（防止色素太少分离现象不明显）。
4.分离绿叶中的色素
实验步骤：
层析液
培养皿
滤液细线
注意:
滤液细线不能触到层析液（防止色素溶解在层析液中）
烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞（层析液易挥发且有毒）
5、观察与记录实验结果
实验步骤：
滤纸上色带的排列顺序如何？宽窄如何？说明什么？
一、捕获光能的色素和结构
（一） 捕获光能的色素
滤纸条上呈现四条颜色、宽度不同的色素带
实验结果
1. 探究·实践 绿叶中色素的提取和分离（P98~P99）
色素种类 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
【改进实验】
【实验结果】出现四个同心圆色素带，从外往里依次为:胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a、叶绿素b；
【问题1】某同学在提取色素时，收集到的滤液绿色过浅，试帮他分析一下可能的原因有哪些？
【问题2】滤纸条无色素带？
(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)一次加入大量的无水乙醇；
(4)菠菜叶不新鲜，叶绿素太少；
（1）忘记画滤液细线。
（2）滤液细线接触到层析液，色素溶解到层析液中。
（3）提取色素时加入的是水，不是无水乙醇。
【问题3】滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带？
【问题5】秋天大多数叶片会变黄，韭黄种植在黑暗条件下，试分析哪些因素会影响叶绿素的合成？
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。
光照
温度
Mg等矿质元素
【问题4】滤纸条色素带重叠？
没等干后再划线、滤液线不能达到细、齐的要求，使色素扩散不一致。
光是叶绿体发育和叶绿素合成必不可少的条件。植物在缺光条件下影响叶绿素形成而使叶子发黄的现象，称为黄化现象。
与生活的联系 (了解即可）
为什么有些植物叶片在不同时期颜色不同呢？
春夏：由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡萝卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。
秋天：由于秋季低温使叶绿素被大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来，叶片变黄。
归纳：---色素与叶片的颜色
正常 绿色 正常叶片叶绿素和类胡萝卜素比例约为3∶1，对绿光吸收最少，所以正常叶片总是呈现绿色
叶色 变黄 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
叶色 变红 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
一、捕获光能的色素和结构
（一） 捕获光能的色素
3. 光合色素的吸收光谱
吸收光谱
【四种色素的吸收光谱】
【思考】植物工厂中利用的人工光源主要是红色、蓝紫色和白色的光源，为什么不用绿光？
绿光基本不吸收
【结论】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;
【思考】绿叶中的色素主要分布于哪里呢？
一、捕获光能的色素和结构
科学家在19世纪早期就从植物细胞中分离出叶绿素，但当时并不清楚色素在植物细胞中的分布情况。后来，科学家才弄清楚，叶绿素并非遍布整个植物细胞，而是集中在一个更小的结构里，即叶绿体内。
(1)结构
①_______
②_____
③______：由圆饼状________堆叠而成
与光合作用有关的________________
(2)功能：进行____________的场所。
双层膜
基质
基粒
类囊体
光合作用
(3)结构基础:
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的_________。
在_____________上和______________中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
色素分子
类囊体膜
叶绿体基质
【叶绿体的结构和功能】
外膜
内膜
色素和酶
一、捕获光能的色素和结构
（二） 叶绿体的结构适于进行光合作用
（1）恩格尔曼的第一个实验
2. 叶绿体的功能及实验验证
水绵
+
需氧
细菌
无空气
黑暗中，用极细光束照射水绵
完全暴露在光下
需氧细菌只集中分布在叶绿体被光束照射到的部位
需氧细菌分布在叶绿体所有受光的部位
①实验过程及现象
②实验结论
叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所，吸收光能，释放氧气。
一、捕获光能的色素和结构
（2） 恩格尔曼的第二个实验
①实验过程
光
三棱镜
临时装片
用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，观察需氧细菌的分布。
②实验现象：
大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
③实验结论：
叶绿体主要吸收红光和蓝紫光，用于光合作用，放出氧气。
一、捕获光能的色素和结构
（二） 叶绿体的结构适于进行光合作用
1.恩格尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
2.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能？
讨论（P101）
①实验材料选的妙：实验材料选择水绵和需氧细菌。水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，便于观察；用需氧细菌可确定释放氧气多的部位
②排除干扰的方法妙：没有空气的黑暗环境，排除了氧气和光的干扰
③实验对照设计的妙：用极细的光束点状投射，叶绿体上可分为获得光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验
④临时装片设计的妙：进行局部光照和曝光实验，进一步验证了实验结果完全是由光照引起的。
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。
一、捕获光能的色素和结构
（二） 叶绿体的结构适于进行光合作用
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。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是进行光合作用的场所这一结论。
在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。
这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。
1.如图表示绿叶中色素的提取和分离实验的部分材料和用具，下列叙述错误的是(　　)。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
A．图①加入研钵内的物质有无水乙醇、SiO2、CaCO3
B．将浆糊状研磨液倒入②中，漏斗基部应放一块单层尼龙布
C．③画滤液细线的要求是细、齐、直
D．④层析结果色素带最宽的是叶绿素b，扩散最快的是叶黄素
D
2.用纸层析法能够将叶绿体的四种色素分开的原因是（ ）
A.四种色素随层析液在滤纸上扩散速度不同
B.四种色素随滤液在滤纸上扩散速度不同
C.四种色素随滤液在滤纸条上渗透速度不同
D.四种色素随层析液在滤纸条上渗透速度不同
A
3.在叶绿体提取和分离试验中，特别要注意不能让层析液没及滤液细线，原因是（ ）
A.滤纸条上的集中色素不能扩散
B.色素沿滤纸条的扩散速度太慢，色素分离不明显
C.层析液妨碍色素的溶解
D.色素被层析液溶解不能向上扩散
D
4.下列关于叶绿体中色素的提取和分离实验原理的叙述，正确的是（ ）
A.加入少许二氧化硅可防止在研磨时叶绿体中的色素受到破坏
B.用无水乙醇将叶绿体中的色素进行分离
C.滤纸条上的最上面色素带呈黄绿色
D.溶解度越高的色素随层析液在滤纸上扩散越快
D
感谢聆听!

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