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第三章 细胞中能量的转换和利用
第2节
光合作用——光能的捕获和转换
第1课时
解开光合作用之谜、叶绿体与光能的捕获
高中生物学
（苏教版2019）
课标内容
1.阐明“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的原理与方法。
2.说出植物捕获光能的色素的种类和作用。
3.说明叶绿体适于进行光合作用的结构特点。
01
揭开光合作用之谜
亚里士多德认为：植物体由“土壤汁”构成，即植物生长发育所需的物质完全来自土壤。
土壤减少的重量=植物增加的重量
亚里士多德(Aristotle)
问题：植物为什么长大 所需的营养物质来自何处？
五年后
开始时 5年后 实验前后的差值
柳树的质量 2. 27kg
干土的质量 90kg
+74.43kg
－0.1kg
结论：植物生长所需要的养料主要来自水,而不是土壤。
76.7kg
89.9kg
一、1648年比利时科学家海尔蒙特
结论：植物可以更新污浊的空气。
甲
乙
二、1771年英国科学家普利斯特利
结论：绿叶在光下吸收CO2 ，释放O2。
资料：1785年,拉瓦锡发现了空气的组成。
三、1779年荷兰的科学家英格豪斯
500多次植物更新空气的实验，又有何新发现？
推测:植物体只有在光下才能更新污浊的空气。
确定植物只有绿叶才能更新空气并且依赖于光。
能量守恒定律：能量既不会消失，也不会创生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能量的总量保持不变
结论
理论依据
光合作用时将光能转变成有机物中的化学能
四、1845年德国科学家梅耶
五、1864年德国科学家萨克斯实验
绿色叶片
黑暗处理
遮光曝光
碘蒸汽
不变蓝
变蓝
一半遮光
一半曝光
结论：绿色叶片在光合作用下产生了淀粉。
光合作用产生的O2来自于H2O。
结论：
H2O C18O2
H218O CO2
O2 O2
O2
O2 O2
O2
O2 O2 O2
O2
18O2 18O2
18O2
18O2 18O2
18O2
六、1941年美国鲁宾和卡门实验
光合作用释放的氧气中的氧是来自于哪里？
（同位素标记法）
CO2
碳的同位素 C
14
CO2
14
20世纪40年代，美国科学家卡尔文用同位素标记法发现了卡尔文循环，探明了二氧化碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径.
七、卡尔文实验（同位素标记法）
年代 科学家 结论
1664 海尔蒙特 水分是植物建造自身的原料
1771 普利斯特利 植物可以更新空气
1779 英格豪斯 只有在光照下只有绿叶才可以更新空气
1845 R.梅耶 植物在光合作用时把光能转变成了化学能储存起来
1864 萨克斯 绿色叶片光合作用产生淀粉
1941 鲁宾、卡门 光合作用释放的氧来自水。
20世纪40代 卡尔文 CO2中的碳转变成有机物的碳
揭开光合作用之谜
19世纪60年代，俄国科学家通过光学仪器发现叶绿素的吸收光谱与光合作用的作用光谱相似
02
叶绿体与光能的捕获
不同的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就越快，反之则慢。
1.原理：
①提取色素的原理
绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中。
②分离色素的原理
分离色素的方法：
纸层析法
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
思考并在课本找出加少量二氧化硅和碳酸钙，无水乙醇的作用
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
1、提取色素
①称取5g新鲜菠菜叶，剪去主叶脉
→剪碎置研钵中
步骤：
②加入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入5ml无水乙醇
色素含量多
使研磨更充分
防止色素（叶绿素）被破坏
溶解色素
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中（漏斗基部放一块单层尼龙布）进行过滤
④收集滤液、封口及时用棉塞将试管口塞严
单层
尼龙布
步骤：
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
(防止乙醇挥发和色素氧化)
某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，可能的原因有哪些？
研磨不充分，色素未能充分提取出来；
称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液浓度小；
未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。
【思考与讨论】
观看绿叶中色素分离实验视频，回答以下问题：
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
2、分离色素：
①制备滤纸条
剪去两角，画铅笔细线
铅笔线
②画滤液细线
步骤：
要求：
①细、齐、直，
②待干后重复
2-3次
层析液同步到达滤液细线
防止色素带重叠而影响分离效果
增加滤液细线上色素的含量，使分离后的色素带明显。
使用干燥滤纸的原因：使层析液在滤纸条上快速扩散
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
③纸上层析
层析液
培养皿
注意：不能让滤液细线触及层析液，否则绿叶细线中的色素会溶解到层析液中，不能再滤纸上扩散
2、分离色素：
（防止层析液挥发）
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
实验结果：
（橙黄色）
（黄色）
（蓝绿色）
（黄绿色）
（含量约占3/4）
（含量约占1/4）
类胡萝卜素
叶绿素
思考：
最少
较少
较多
最多
最快
较快
较慢
最慢
色素带的位置反映 大小。
色素带的宽窄反映 多少
溶解度
含量
从上往下依次是：胡 黄 a b
实验：提取和分离叶绿体中的光合色素
下图是提取和分离绿叶中的光合色素的实验步骤，请分析：
(1)提取色素时，加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质，若A是二氧化硅，其作用是______________；B是碳酸钙，作用是____________
_____________；C是__________，作用是溶解色素。
使研磨更充分
防止叶绿素
分子被破坏
无水乙醇
情境探疑
(2)制备滤纸条时，剪去两角的作用是__________
_________。画滤液细线的要求是细、齐、直，还要重复画几次。
(3)色素分离时，关键应注意层析液不要没及滤液细线，为什么？
防止滤液细线中的色素溶解于层析液中，不能在滤纸条上扩散。
防止色素
带不整齐
情境探疑
(4)结合分离到的色素在滤纸条上的分布情况图示，分析回答下列问题：
①含量最多和最少的色素分别是哪种？
含量最多的是叶绿素a，含量最少的是胡萝卜素。
②在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是哪种？
溶解度最高的是胡萝卜素，溶解度最低的是叶绿素b。
情境探疑
(5)如果色素的分离实验装置如图所示，则
①实验时应将滤液滴在a处还是b处？
a处。
②在定性滤纸上会出现4个不同颜色的同心圆环
(如图)，则图示a～d依次是哪种色素？黄绿色和
橙黄色分别是哪个环？
a—胡萝卜素；b—叶黄素；
c—叶绿素a；d—叶绿素b。
其中最里面的d环呈黄绿色，而最外面的a环为橙黄色。
情境探疑
实验中常见异常现象分析
异常现象 原因
收集到的滤液绿色过浅 ①未加二氧化硅，研磨不充分；
②使用的是放置数天的菠菜叶，滤液中色素(叶绿素)太少；
③一次加入大量的无水乙醇，提取浓度太低(正确做法：分次加入少量无水乙醇)；
④未加碳酸钙或加入过少，叶绿素分子被破坏
滤纸条色素带重叠 ①滤液细线不直；②滤液细线过粗
滤纸条无色素带 ①忘记画滤液细线；
②滤液细线接触到层析液，且时间较长，色素全部溶解到层析液中
滤纸条上最下面的两条色素带颜色较浅 ①未加碳酸钙或加入量过少，叶绿素被破坏;
②实验材料(如泛黄的叶片)中叶绿素的含量较少。
归纳提升
现象：
分析：
在没有空气的黑暗环境中，用极细的光束照射水绵
好氧细菌只集中在被光线照射的叶绿体附近。
光线照射部位进行光合作用产生了氧气。
阅读教材恩格尔曼的实验，分析：
情境探疑
在没有空气的光亮环境中
现象：
分析：
产生氧气的部位是叶绿体。
好氧细菌集中在叶绿体所有受光部位。
结论：
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
情境探疑
(1)实验1中先选用黑暗并且没有空气的环境，目的是_________________
____________________________________。
(2)实验1中先选极细光束，用好氧细菌检测，能准确判断水绵细胞中释放氧的部位；而后用完全曝光的水绵与之作对照，从而证明了实验结果完全是由光照引起的，氧是由________释放出来的，________是光合作用的场所。
排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性
叶绿体
叶绿体
情境探疑
1882年美国科学家恩格尔曼改进实验
用透过三棱镜的光照射临时玻片标本，让不同颜色的光投射到水绵的带状叶绿体上
实验结果：红光区和蓝光区的叶绿体部位都聚集了大量的好氧细菌
情境探疑
(3)实验2的思路是什么？为什么大量的好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域？
实验2的设计思路：好氧细菌聚集多的地方，表明O2浓度高，水绵光合作用强，则可证明水绵对相应颜色的光吸收多。
大量的好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，说明叶绿体吸收较多的光是红光和蓝紫光。
情境探疑
(4)下图是恩格尔曼实验装置改装示意图。
光线通过叶绿体色素提取液后照射玻片上的水绵，一段时间后，水绵周围好氧细菌分布无显著变化，请分析其原因。
光线通过叶绿体色素提取液后，红光和蓝紫光被吸收，水绵光合作用微弱，产生O2较少，因此好氧细菌分布无显著变化。
情境探疑
色素溶液
三棱镜
光源
分光仪
观察色素吸收光谱
观察到变暗处即是被色素吸收的光谱。
三棱镜
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
叶绿素溶液
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
三棱镜
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
类胡萝卜素溶液
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
色素的吸收光谱
光谱
叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
由图可以看出：
①叶绿素a和叶绿素b主要吸收 ；
②胡萝卜素和叶黄素主要吸收 。
可见光：400~760nm
紫外光：小于400nm
红外光：大于760nm
光合作用所利用的光都是可见光。
蓝紫光和红光
蓝紫光
叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
色素的功能：吸收大部分的可见光，用于光合作用。类胡萝卜素还有保护叶绿素免遭强光伤害的作用
思考：这些色素存在于细胞中的什么部位呢？
下图为不同色素的吸收光谱，请据图回答下列有关问题：
(1)从图中可以读出：叶绿素对____光和______光的吸收量大；类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大；光合色素对绿光吸收量较少，所以叶片呈现绿色。
红
蓝紫
情境探疑
(2)温室内自然光照射的情况下，给植物人工补充哪些单色光对增产有利？
提示：红光、蓝紫光属于对植物光合作用最有效的光，因此可以补充这两种光达到增产的目的。
白光灯泡
红光灯泡
蓝紫光灯泡
情境探疑
(3)温室或大棚种植蔬菜，应选用什么颜色的玻璃或塑料薄膜？(透明物体的颜色是由它透过的色光决定的；不透明物体的颜色是由它反射的色光决定的。)
提示：无色的玻璃或塑料薄膜。
红色薄膜
蓝色薄膜
无色薄膜
白光
情境探疑
(1)叶绿体中的色素很少吸收绿光，绿光被反射，所以大多数叶片看起来呈绿色。
(2)秋天叶片变黄的原因：低温破坏了叶绿素，呈现出了类胡萝卜素的颜色。
(3)部分植物叶片变红的原因：这类植物叶片中除了叶绿素和类胡萝卜素外，其液泡中还有大量水溶性的色素，如花青素，其呈现出液泡中的花青素的颜色。
归纳提升
1.绿叶中色素分离的原理是色素能溶解在有机溶剂无水乙醇中。( )
2.叶绿体中色素吸收的可见光用于光合作用。( )
3.吸收光能的有关色素分布在叶绿体的内膜上。( )
4.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光。( )
5.叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光。( )
×
√
×
×
√
自查自纠
A.提取色素时加入二氧化硅是为了加速研磨，
加入碳酸钙是为了防止滤液挥发
C.四种色素都能溶解在层析液中，丁色素的溶解度最小
D.镁元素缺乏会影响甲、乙、丙、丁四种色素的含量
例1 如图为新鲜菠菜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(　　)
B.甲、乙、丙和丁分别为叶绿素b、叶绿素a、叶黄素和胡萝卜素
典例应用
例2 实验操作不规范可能导致实验失败。下列关于“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验的叙述，错误的是 (　　)
A.无水乙醇加入量太多可能导致所有色素带颜色变浅
C.滤液细线浸没到层析液中导致滤纸条上无色素带
D.滤液细线过粗可能导致色素带之间无法分离
B.未加CaCO3可能导致滤纸上黄色和橙黄色两条色素带的颜色变浅
典例应用
例3 关于叶绿体结构和功能的叙述，正确的是 (　　)
A.叶片呈现绿色是因为叶绿体吸收了绿光
B.与光合作用有关的酶都分布在叶绿体基质中
D.在光学显微镜下可见叶绿体内部由类囊体堆叠形成的基粒
C.叶绿体的类囊体巨大的膜面积有利于充分吸收光能
典例应用
例4 德国科学家恩格尔曼用水绵和好氧细菌做了两个经典实验，下列对实验叙述正确的是(　　)
A.他用同位素标记法发现光合作用的场所是叶绿体
B.选用水绵作材料是因为其叶绿体大且呈球形便于观察
C.他用透过三棱镜的光照射水绵临时玻片，发现好氧细菌大多数聚集在绿光区域
D.恩格尔曼实验证明了光合作用放氧部位是叶绿体
典例应用
思维导图 晨读必背
1.无水乙醇等有机溶剂能溶解绿叶中的各种光合色素。
2.色素在层析液中的溶解度不同，因而在滤纸上的扩散速度也有差异。
3.层析后滤纸条自上而下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b。
4.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。
5.光合色素分布于叶绿体类囊体膜上，而与光合作用有关的酶则分布于类囊体膜和叶绿体基质中。
课堂小结
1.北方秋季，银杏、黄栌、红枫等树种的叶片由绿变黄或变红，一时间层林尽染，分外妖娆。低温造成叶肉细胞中含量下降最显著的色素是 (　　)
A.叶黄素 B.花青素
D.胡萝卜素
C.叶绿素
随堂检测
2.关于“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验，下列叙述正确的是(　　)
A.常用层析液提取
C.提取色素时加入的CaCO3能使研磨更加充分
D.滤纸条上扩散速度最快的色素是叶绿素a
B.收集滤液后应及时用棉塞将试管口塞严
随堂检测
3.如图中①代表新鲜菠菜叶的光合色素纸层析结果示意图，则如图②所示结果最有可能来自于(　　)
D.秋冬季节的银杏落叶
A.清水培养的水仙叶片
B.盆栽的天竺葵的叶片
C.大蒜发芽长出的绿叶
随堂检测
4.恩格尔曼用极细的光束照射载有水绵和好氧细菌的临时玻片①，将临时玻片②暴露在光下，结果如图所示。关于该实验的叙述错误的是(　　)
A.实验开始前，临时玻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.临时玻片中好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玻片①，会得到与该图示不同的结果
随堂检测
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