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第4节
光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
必修一
第1课时
捕获光能的色素和结构
第4节 光合作用与能量转化
第5章
捕获光能的色素
1
叶绿体的结构适于进行光合作用
2
目录
习题检测
3
一、学习目标
二、重难点
1.简述绿叶中色素的种类及功能。
2.解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。
1.色素的种类及特点。
2.影响叶绿素合成的三大因素。
3.叶绿体功能的实验验证。
捕获光能的色素
1
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。
1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
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可以调控，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
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。
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
捕获光能的色素
1
白化苗由于不能形成叶绿素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。
玉米（白化苗）
玉米（正常苗）
用 提取色素（色素能溶解在有机溶剂中）。
捕获光能的色素
1
一、绿叶中色素的提取和分离
1.实验原理
（1）提取原理
（2）分离原理
无水乙醇
可以用体积分数95%的乙醇加入适量无水碳酸钠来替代。
用 分离色素。
层析液
层析法
分离的方法
一、绿叶中色素的提取和分离
2.材料用具
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。
3.方法步骤
（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
1
2
①称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中。
②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
作用
作用
作用
作用
作用
防止乙醇挥发
有助于研磨充分
防止色素被破坏
溶解、提取色素
叶绿体能够被充分破坏，使得色素能充分被释放出来
（1）提取绿叶中的色素
3
4
③将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。
④将滤液收集到试管中，
及时用棉塞将试管口塞严。
盛放滤液的试管用橡胶塞塞紧，防止无水乙醇的挥发。
（1）提取绿叶中的色素
①制备滤纸条
干燥的定性滤纸
为什么要剪去两角？
避免层析液在边缘扩散过快（边缘效应），使其同步到达细线
1cm
铅笔线
剪去两角
（2）分离色素——层析法
②画滤液细线
为了积累更多的色素使分离色素带更明显。
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线画一条细线（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）。
★注意：细齐直，待滤液干后，再画一两次。
（2）分离色素——层析法
③分离色素
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——层析法
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
胡黄ab向前走
（3）观察与记录
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
（3）观察与记录
一、绿叶中色素的提取和分离
4.实验分析
（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
（4）滤纸条只呈现胡萝卜素、叶黄素色素带
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。
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”。
（2）滤纸条色素带重叠
（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
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
层析
1.如图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.色素乙在滤纸上的扩散速度最快
B.提取色素时加入乙醇是为了防止叶绿素分解
C.水稻在开花时节，叶片中色素量是(甲+乙)<(丙+丁)
D.四种色素都能溶解在层析液中，丁色素的溶解度最大
D
习题巩固
2.银杏是我国特有的珍稀植物，其叶片变黄后极具观赏价值。某同学用层析法探究银杏绿叶和黄叶的色素差别，下列实验操作正确的是（ ）
A.选择新鲜程度不同的叶片混合研磨
B.研磨时用水补充损失的提取液
C.将两组滤纸条置于同一烧杯中层析
D.用过的层析液直接倒入下水道
C
分开研磨
无水乙醇
层析液含有石油醚、丙酮和苯，不能直接倒入下水道
习题巩固
3.如图表示某同学做“绿叶中色素的提取和分离”实验的改进装置，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b处，而不能滴在a处
C.实验结果应是得到四个不同颜色的同心圆
D.实验得到的若干个同心圆中，最大的一个圆呈橙黄色
B
习题巩固
4.下列关于“提取和分离叶绿体色素”实验叙述合理的是 ( 　 )
A.用有机溶剂提取色素时，加入碳酸钙是为了防止类胡萝卜素
被破坏
B.若连续多次重复画滤液细线可累积更多的色素，
但易出现色素带重叠
C.该实验提取和分离色素的方法可用于测定绿叶中各种色素含量
D.用红色苋菜叶进行实验可得到5条色素带，
花青素位于叶绿素a、b之间
叶绿素
B
无法具体测定
花青素不溶于有机溶剂
习题巩固
光合色素与细胞液色素的比较
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。
捕获光能的色素
1
二、光合色素的吸收光谱
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。
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
二、光合色素的吸收光谱
1881年，德国科学家恩格尔曼(T. Engelmann,1843-1909)做了这样的实验。
恩格尔曼实验——示意图
水绵(叶绿体呈螺旋带状分布)
色素吸收用于光合作用的光都是 ，吸收蓝紫光最多，红光次之，绿光最少。
可见光
可见光的波长是400-760nm
二、光合色素的吸收光谱——实验验证
捕获光能的色素
1
三、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
叶绿素a: C55H72O5N4Mg
叶绿素b: C55H70O6N4Mg
胡萝卜素：C40H56
叶黄素：C40H56O2
影响叶绿素合成的三大因素
叶绿素中含N、Mg等矿质元素，若缺乏将导致叶绿素无法合成，老叶先变黄；Fe是叶绿素合成过程中某些酶的辅助成分，缺Fe也会导致叶绿素合成受阻，幼叶先变黄。
1.光照
光照是影响叶绿素合成的主要因素，植物在黑暗中一般不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
2.温度
温度可影响与叶绿素合成有关的酶的活性，进而影响叶绿素的合成；另外，低温时叶绿素分子易被破坏，因而秋天叶片变黄。
3.矿质元素
1.银杏的叶秋季为什么变黄了？
秋季，叶片的叶绿素分子在低温下易被破坏，而类胡萝卜素较稳定，所以显出类胡萝卜素的颜色。
2.秋天枫叶变红色的原因是什么？
秋天降温时，植物体为适应寒冷环境，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，叶片呈现红色。
3.叶片呈绿色？
正常叶片的叶绿素和类胡萝卜素的比例为3∶1，
且对绿光吸收最少，所以正常叶片总是呈现绿色。
习题巩固
4.用这种方法有什么好处？不同
颜色的光照对植物的光合作用
会有什么影响？
5.为什么不使用绿色的塑料薄膜
或补充绿色光源？
选无色透明的塑料薄膜，为了让各种波长的太阳光都穿过塑料薄膜，即让植物吸收更多的光能；大棚内照明灯在功率相同的情况下，最好选红光和蓝紫光。
红光是长波更容易被吸收。
习题巩固
这些捕获光能的色素存在于细胞中的什么部位？
捕获光能的色素
1
叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体的结构适于进行光合作用
2
一、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？
叶绿体的结构适于进行光合作用
2
二、叶绿体功能的实验验证
1.实验者
德国科学家恩格尔曼
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。
3.实验过程及现象
极 细 光 束
均匀光照
水绵
需氧细菌
极细光束照射
完全曝光
黑暗 无空气
需氧细菌集中于叶绿体被光束照射的部位
需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。
选用黑暗并且没有空气的环境，
可排除光线和氧的干扰。
结论
二、叶绿体功能的实验验证
三棱镜
结论：叶绿体主要吸收红光和蓝紫光
恩格尔曼实验二
综合上述两个实验可以得出：
照射水绵
需氧细菌聚集在
红光和蓝紫光的区域
叶绿体主要吸收红光与蓝紫光用于光合作用放出O2。
二、叶绿体功能的实验验证
实验分析——恩格尔曼实验设计的巧妙之处
1.实验材料的选择：选择水绵——具有细而长的螺旋带状叶绿体
便于观察。
2.排除干扰的方法：没有空气的黑暗环境
排除了环境中氧气和光的干扰。
3.观察指标的设计：通过检测需氧细菌的分布，
准确地判断出释放氧气的部位。
4.实验对照的设计：
用极细的光束照射，获得光照部位和无光照部位的对照实验；
进行黑暗条件下局部光照和完全暴露在光下的对照实验，
明确实验结果是由光照引起的。
1.植物光合作用的作用光谱是通过测量光合作用对不同波长光的反应(如O2的释放)来绘制的。下列叙述错误的是(　　)
A.类胡萝卜素在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成
B.叶绿素的吸收光谱可通过测量其对不同波长光的吸收值来绘制
C.光合作用的作用光谱也可用CO2的吸收速率
随光波长的变化来表示
D.叶片在640～660 nm波长光下释放O2是由叶绿素
参与光合作用引起的
A
习题巩固
2.植物工厂是通过光调控和通风控温等措施进行精细管理的高效农业生产系统，常采用无土栽培技术。下列有关叙述错误的是（ ）
A.可根据植物生长特点调控光的波长和光照强度
B.应保持培养液与植物根部细胞的细胞液浓度相同
C.合理控制昼夜温差有利于提高作物产量
D.适时通风可提高生产系统内的CO2浓度
B
培养液浓度略小于细胞液浓度，有利于根吸收水。
习题巩固
蓝紫光
3．叶绿体内的类囊体薄膜上色素可以分为两类：一类是绝大多数的叶绿素a以及全部的叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素，主要是完成吸收和传递光能的作用；另一类是少数处于特殊状态的叶绿素a，这种叶绿素a能够捕获光能，并将受光能激发的电子传送给相邻的电子受体。下列相关叙述错误的是( 　 )
A.通常用无水乙醇提取叶绿体内的色素
B.叶黄素和胡萝卜素主要吸收红光和蓝紫光
C.处于特殊状态的叶绿素a实现了光能的转变
D.植物生长过程中缺P会导致光合速率下降
B
习题巩固
4.叶绿体结构模式图如图甲所示，图乙是从图甲中取出的部分结构放大图。下列叙述正确的是(　 )
A.图甲中生物膜面积的增大主要依靠内膜向内腔折叠成嵴
B.图乙来自甲中的③，上面只有色素分子而没有酶分子
C.④中CO2固定过程要消耗③上产生的ATP中的化学能
D.恩格尔曼实验证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
D
习题巩固
绿叶中色素的
提取和分离
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
叶绿体中类囊体的薄膜
位置
功能
吸收、传递、转化光能
课堂总结
捕获光能的结构——叶绿体
1.分布：
主要在叶肉细胞，少数分布在幼嫩的茎、果实中。
2.形态：
呈扁平的椭球形或球形
可根据光照强弱来改变自己的状态
外界光照较强，叶绿体以侧面接收光照
外界光照较弱，叶绿体以正面接收光照
保证接收到充分的光照，又可避免被强光灼伤。
3.结构：
叶绿体
外膜
内膜
基粒:由两个以上的类囊体组成含有色素和与光反应有关的酶
基质：含多种与暗反应有关的酶，是暗反应的场所。
透明
有利于光照的透过
扩展了膜的受光的面积，扩大色素和酶的附着位点，是光反应的场所。
课堂总结
习题检测
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。
（ ）
习题检测



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
习题检测
A
3.海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻、红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象是如何造成的？
习题检测
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。
习题检测
藻类 含量最多的色素 水层及主要存在的光
绿藻 叶绿素
主要吸收红光和蓝紫光，
反射绿光 浅水层：存在红光和蓝紫光。
褐藻 某种叶黄素
主要吸收绿光和蓝紫光，
反射红黄光 中水层：存在绿光、蓝紫光
红藻 藻红素
主要吸收蓝紫光,
反射红光 深水层：存在蓝紫光
习题检测
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。
习题检测
习题检测
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。

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