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第4节 第1课时
捕获光能的色素和结构
叶子概念车
叶子概念车是一款能够充分利用太阳能、风能以及空气中的二氧化碳从而产生电能驱动的新能源汽车。车顶的大叶子是一个光电转化器，能把太阳能转化为电能。
情景材料
智慧植物工厂（视频）
情景视频
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
问题1: 靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
可以避免由于自然环境中光照强度不足而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。
问题探讨
问题2: 为什么要控制二氧化碳浓度、营养液成分和温度等条件
影响光合作用的因素很多，既有植物自身条件也有外界条件，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。
问题探讨
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密的控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分条件下，生产蔬菜和其他植物。有的蔬菜工厂完全依赖LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色光源。
一、捕获光能的色素
一、捕获光能的色素
白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料。
叶片作为高等植物进行光合作用的主要器官，通常都是绿色的，说明其中有绿色的色素。
可见，叶片中的色素与光能的捕获有关。绿叶中有哪些色素呢？
绿叶中色素的提取和分离
提取原理
用 提取色素（色素能溶解在有机溶剂中）。
无水乙醇
用 分离色素。
层析液
脂溶性色素(液泡中的花青素不溶于有机溶剂)
（体积分数95%乙醇+无水碳酸钠或丙酮）
分离原理
绿叶中色素在层析液中的 不同，随层析液在滤纸上 不同，溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。
扩散速度
溶解度
纸层析法
分离的方法:
20份石油醚2份丙酮和1份苯
1.实验原理（2个）
绿叶中色素的提取和分离
新鲜的绿叶（如菠菜的绿叶：色素含量高）、干燥的定性滤纸、研钵、无水乙醇、层析液、二氧化硅、碳酸钙等。
（1）提取绿叶中的色素
（2）分离色素
（3）观察与记录
①制备滤纸条
②画滤液细线
③分离绿叶中的色素
2、实验材料
3、方法步骤
绿叶中色素的提取和分离
a
b
a.称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中。
b.放入少许二氧化硅和碳酸钙，再放入10mL无水乙醇，迅速、充分地研磨。
SiO2
CaCO3
无水乙醇
迅速
充分
防止乙醇挥发
有助于研磨充分
防止色素被破坏(主要是叶绿素）
溶解、提取色素
使得色素能充分被释放出来
（1）提取绿叶中的色素
绿叶中色素的提取和分离
c.将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。
用 过滤，过滤叶脉及二氧化硅等并且不吸附色素。
单层尼龙布
不用滤纸：滤纸吸附能力强，会吸附叶绿素而影响实验结果。
d.将滤液收集到试管中，及时用棉塞将试管口塞严。
目的是防止乙醇挥发和色素氧化。
c
d
（1）提取绿叶中的色素
绿叶中色素的提取和分离
干燥的定性滤纸
防止层析液在边缘扩散过快，使色素在滤纸上扩散均匀。
1cm
铅笔线
剪去两角
——纸层析法
①制备滤纸条
干燥滤纸
剪滤纸条
铅笔划线
将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，并在 。
在距剪去两角的一端1cm处用铅笔画一条细的横线
色素均匀扩散，更好地分离
笔墨中的色素会也能随层析液扩散，污染从绿叶中提取的色素
一端剪去两角
（2）分离色素
绿叶中色素的提取和分离
②画滤液细线
用毛细吸管吸取少量滤液
画线
重复画线
沿铅笔线画出一条细线
，重复画细线1~2次
注意：细、直、齐
使分离的色素带平整、不重叠
积累更多的色素，使分离出的色素带清晰
待滤液干后
绿叶中色素的提取和分离
（2）分离色素
③分离绿叶中的色素
防止色素溶解在层析液中
为何要盖上培养皿？
防止层析液挥发，因其易挥发且有毒。
插滤纸条
层析液
培养皿
将适量的层析液倒入烧杯中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）插入层析液（细线不能浸入）中，观察色素带及其颜色并记录。
（2）分离色素
绿叶中色素的提取和分离
（2）分离色素
绿叶中色素的提取和分离
0.5 秒延迟符，无
意义，可删除.
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）
色素含量(色素带宽度):
叶绿素a＞叶绿素b＞叶黄素＞胡萝卜素
溶解度(扩散速度):
胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b
距离最远:
距离最近：
叶黄素和胡萝卜素
叶绿素a和叶绿素b
（3）观察与记录
绿叶中色素的提取和分离
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
色素种类 色素含量 色素带宽度 溶解度 扩散速度
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素ａ
叶绿素ｂ
最窄
较窄
最宽
较宽
最少
较少
最多
较多
最高
较高
较低
最低
最快
较快
较慢
最慢
色素的功能：
吸收、传递、转化光能
色素的颜色是由其反射的光所决定
绿叶中色素的提取和分离
（3）观察与记录
拓展：色素分离的改进——灯芯法
圆形滤纸打孔
色素提取液
笔帽
滤液细线
棉线
(灯芯)
蘸取
盖
穿过中间孔
盖
层析液
结果
橙黄色
黄色
蓝绿色
黄绿色
避免了滤液细线触及层析液
1
2
3
4
6
5
层析
（1）收集到的滤液绿色过浅的原因分析
a.未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分。
b.使用放置数天的菠菜叶，滤液色素(叶绿素)太少。
c.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提取色素)。
d.未加碳酸钙或加入过少，色素分子被破坏。
绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
绿叶中色素的提取和分离
没经干燥处理，滤液线不能达到细、齐的要求，使色素扩散不一致造成的。
（2）滤纸条色素带重叠
（4）滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带
a.忘记画滤液细线。
b.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。
忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。
（3）滤纸条看不到色素带
绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
绿叶中色素的提取和分离
比较项目 光合色素 细胞液色素
存在部位 叶绿体 液泡
溶解性 脂溶性 水溶性
代表种类 类胡萝卜素和叶绿素 花青素
颜色 橙黄、黄、绿 红、蓝、紫
颜色变化 不随pH改变变化颜色 随pH改变变化颜色
红苋菜：炒菜菜汤出色，因为是水溶性的花青素。
胡萝卜：炒菜菜汤不出色，因为是脂溶性的胡萝卜素。
光合色素与细胞液色素的比较
一、捕获光能的色素
光合色素的功能
吸收、传递（四种色素）
转化（只有少数特殊状态的叶绿素a）光能
功能：
吸收、传递和转化光能
叶绿素a: C55H72O5N4Mg
叶绿素b: C55H70O6N4Mg
胡萝卜素：C40H56
叶黄素：C40H56O2
镁是叶绿素的组成元素之一，但类胡萝卜素中无镁元素。
一、捕获光能的色素
影响叶绿素合成的三大因素：
①光照：
②温度：
③矿质元素：
一般需要光照才能合成叶绿素。
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，低温时叶绿素分子易被破坏。
叶绿素中含N、Mg等矿质元素。
一、捕获光能的色素
光谱：阳光是由不同波长的光组合成的复合光，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。
一、捕获光能的色素——光合色素的吸收光谱
太阳光是由不同波长的光组合成的复合光，不同波长的光，颜色不同，可见光的波长是400-760nm；波长小于400nm的光是紫外光；波长大于760nm的光是红外光。
问题: 四种光合色素吸收的是什么光？四种光合色素对光的吸收有什么差别吗？
情景材料
叶绿素溶液
叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
色素提取液
四种色素对光的吸收
一、捕获光能的色素——光合色素的吸收光谱
类胡萝卜素
色素提取液
类胡萝卜素主要吸收蓝紫光
一、捕获光能的色素——光合色素的吸收光谱
四种色素对光的吸收
A.叶绿素主要吸收红光和蓝紫光
B.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同
C.类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，
不吸收红光
学科交叉：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
色素的吸收光谱实验结果
一、捕获光能的色素——光合色素的吸收光谱
正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为3∶1，叶绿素对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。
2.叶片呈现绿色的原因是？
3.许多植物到秋天叶子变黄？红叶是怎么回事呢？
1.大棚种蔬菜时，应选择什么颜色玻璃或塑料薄膜？补充光源呢
①叶绿素不稳定，低温使其分解，叶片呈类胡萝卜的颜色；
②红叶是由叶子的花青素和胡萝卜素引起的。
思考：
白色最好；
红光或蓝紫光。
无色透明；
这些捕获光能的色素存在于细胞中的什么部位？
一、捕获光能的色素——光合色素的吸收光谱
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
外膜
内膜
基质
核糖体
DNA
类囊体
基粒
（1）叶绿体的形态（光镜下）
一般呈扁平的椭球形或球形。
（2）叶绿体的结构（电镜下）
光合作用的酶分布在基粒的类囊体薄膜上和基质中。
众多的基粒和类囊体，极大得扩展了受光面积，扩大色素和酶的附着位点。
叶绿体除了吸收光能以外，还有什么功能吗？
1.叶绿体的结构和形态
（1）实验者
（2）实验材料
水绵
易于观察，作为释放氧气的观察指标。
注：水绵的叶绿体呈螺旋带状分布，
细菌为需氧菌，可以运动。
2.叶体功能的实验验证
德国科学家恩格尔曼
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
（3）实验过程及现象
极 细 光 束
均匀光照
水绵
好氧细菌
极细光束照射
完全曝光
黑暗 无空气
好氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位
好氧细菌分布于叶绿体所有受光部位
叶绿体光合作用释放氧气，叶绿体是进行光合作用的场所。
结论：
2.叶体功能的实验验证
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
恩吉尔曼在选材、实验设计上有什么巧妙之处？
①实验材料选择 和 。
②没有空气的黑暗环境排除了 和 干扰。
③用极细的光束照射，叶绿体上可分为 和
的部位，相当于一组 实验。
水绵的优点是 ；
需氧细菌的优点是 。
④临时装片暴露在光下的实验再一次 。
水绵
需氧细菌
叶绿体呈螺旋式带状，便于观察
可确定释放氧气多的部位
氧气
光
有光照
无光照
对照
验证实验结果
2.叶体功能的实验验证
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
大量好氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，说明什么？
说明光合作用主要吸收的是红光和蓝紫光用于光合作用，释放氧气。
综上所述：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。
进一步实验：用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
注意：蓝细菌、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用。
2.叶体功能的实验验证
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
问题1: 为什么大多植物的叶片是绿色的？
正常叶片中叶绿素和类胡萝卜素含量的比例为3∶1，且对绿光吸收最少，绿光被反射出来，所以正常叶片总是呈现绿色。
秋天温度降低，叶绿素分子在低温下易被破坏，而类胡萝卜素较稳定，叶片显示出类胡萝卜素的颜色，叶片变黄。
问题2: 为什么许多植物到了秋天叶子会变黄？
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。（ ）



练习与应用
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
练习与应用
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？
绿藻
褐藻
红藻
不同藻类的吸收光谱
反射绿光，吸收红、蓝紫光
红藻
绿藻
褐藻
反射红光，吸收蓝紫光较多
波长长
波长短，能到达深海区域
反射黄光，吸收蓝紫光、绿光
波长适中
拓展应用
藻类 色素种类 含量最多的色素
绿藻 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
褐藻 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
红藻 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
扩展：藻类都必须含有的光合色素是叶绿素a，因为叶绿色a是转化光能的色素。其他色素主要是吸收和传递光能。
拓展应用
海洋中的藻类垂直分布是海洋群落垂直结构的体现，有效的避免的竞争，充分利用了光能。
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。
拓展应用
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。
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。
拓展应用
谢谢观看！

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