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第4节 光合作用与能量转化
（第1课时）捕获光能的色素和结构
高中生物学
第五章 细胞的能量供应和利用
目录
课堂小结
04
课堂练习
情境导入
02
03
素养目标
01
05
探究新知
一、捕获光能的色素和结构
二、光合色素的吸收光谱
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
学习目标 核心素养
1.理解“绿叶中色素的提取和分离”实验的原理，学会探究实 验的设计思路。
2.采用对比分析的方法，分析不同色素吸收光谱的差别。
3.认同叶绿体的结构特点与其作为光合作用的场所相适应。 1.运用结构与功能相适应的生命观念,解释叶绿体适于进行光合作用的结构特点。(生命观念)
2.尝试提取和分离绿叶中的色素，简述绿叶中色素的种类和功能，提高实验操作和实验结果分析的能力。（科学探究）
3.尝试应用所学生物学知识解决生产、生活中的实际问题，关注生物科学技术与社会的关系。（社会责任）
素养目标
情境导入
植物工厂
思考
靠人工光源生产蔬菜有什么好处？
可以根据植物生长的情况调控光源的强度和不同色光，以使蔬菜进行光合作用，产量达到最大。光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
无论是在植物工厂还是自然界，植物捕获光能要依靠特定的物质和结构。
？
玉米（白化苗）
玉米（正常苗）
白化苗由于不含绿色色素，无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。可见光合作用与叶片中的色素有关。
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中究竟有哪些色素呢？
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取和分离
1
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）
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
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）
1
2
称取5g的绿叶，剪碎，放入研钵中。
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(主要是叶绿素)
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取材
②研磨
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取
2
2.实验步骤
3
4
将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。
将滤液收集到试管中， 及时用棉塞将试管口塞严。
用 过滤，过滤叶脉及二氧化硅等并且不吸附色素。
目的是防止乙醇挥发和色素氧化。
③过滤
④收集
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的提取
2
2.实验步骤
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。
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
分离色素——层析法
①制备滤纸条
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
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
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
②画滤液细线
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
待滤液干后
将适量的层析液倒入试管中，将滤纸条（有滤液细线的一端朝下）轻轻插入层析液中，随后用棉塞塞紧试管口
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
滤纸条上的色素带有四条，如右图所示
防止层析液中的成分挥发(丙酮、苯等有毒)
不能让滤液细线触及层析液：防止色素溶解在层析液中，导致实验失败观察不到色素带。
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
2.实验步骤
③分离绿叶中的色素
④观察结果
色素种类 色素颜色 色素含量 溶解度 扩散速度
_____ _____ _____
较少 较高 较快
_____ 较低 较慢
较多 _____ _____
最少
最高
最快
最多
最低
最慢
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素b
橙黄色
黄色
黄绿色
1.滤纸条上四条色素带位置以及色素带宽窄有什么含义？
溶解度的高低
含量的多少
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
3.实验结果分析
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：
胡萝卜素
叶绿素b
绿叶中的色素
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
3.实验结果分析
如果在圆形滤纸的中央点开始，对叶绿体的色素进行层析，会看到什么现象？
会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为
；
胡萝卜素橙黄色、叶黄素黄色、叶绿素a蓝绿色、叶绿素b黄绿色
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素的分离
3
拓展实验
（1）滤纸条上未得到色带
①滤液细线浸没到层析液中
②用清水代替乙醇进行提取
①研磨不充分(未加入SiO2)
②提取时加入的乙醇过多
④未加CaCO3，色素分子被破坏
⑤所取的绿叶不新鲜
③滤液细线画的次数不够
①滤液细线画得过粗或不整齐
②滤纸条没经干燥处理
（2）滤纸条上的色带颜色较浅
（3）滤纸条上的色带重叠
①忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏
②所用叶片为“黄叶”
（4）滤纸条上只出现黄色
一、捕获光能的色素和结构
绿叶中色素提取和分离实验异常现象分析
4
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。
一、捕获光能的色素和结构
光合色素与细胞液色素的比较
5
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
1.功能：
一、捕获光能的色素和结构
光合色素的功能
6
拓展
镁是叶绿素的组成元素之一，但类胡萝卜素中无镁元素。
2.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。
吸收、传递和转化光能
1.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。
二、光合色素的吸收光谱
2.分别让不同颜色的光照射色素溶液就可以得到色素溶液的吸收光谱。
绿叶中色素的作用：吸收光能
图：自然光通过三棱镜
图：自然光经过色素提取液后通过三棱镜
现象：光屏出现明显的色光带
现象：色光带变暗，
且蓝紫光和红光大部分被吸收
①叶绿素主要吸收 和 。
②.叶绿素a和叶绿素b的吸收峰值不同
③类胡萝卜素主要吸收 ，不吸收红光
可见光
色素的吸收光谱实验结果
二、光合色素的吸收光谱
红光
蓝紫光
蓝紫光
注意：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：400~760nm; 紫外光：小于400nm; 红外光：大于760nm
④绿叶中的色素几乎不吸收绿光（但不是不吸收）
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。
二、光合色素的吸收光谱
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？
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？
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体的结构和形态
1
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。
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体功能的实验验证
2
德国科学家恩格尔曼
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。
结论：
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体功能的实验验证
2
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
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体功能的实验验证
2
大量需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，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
叶绿体功能的实验验证
2
注意：蓝细菌、光合细菌等没有叶绿体也能进行光合作用。
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？
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
绿藻
褐藻
红藻
不同藻类的吸收光谱
总结 ：不同颜色的藻类吸收不同波长的光，藻类本身的颜色是它们______的光，到达深水层的光线主要是_______光
反射
蓝紫
三、叶绿体的结构适于进行光合作用
分类
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a
叶绿素b
叶黄素
胡萝卜素
结构
功能：吸收、传递、转化光能。
含量占1/4
含量占3/4
（蓝绿色）
（黄绿色）
（橙黄色）
（黄色）
分布位置：叶绿体类囊体薄膜。
双层膜：内膜和外膜。
基粒：由类囊体堆叠而成，含有与光合作用有关的色素和酶。
基质：含有多种酶，核糖体和DNA。
捕获光能的色素和结构
课堂小结
1.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
B
课堂练习
花青素不溶于有机溶剂
叶绿素
无法具体测定
2. 恩格尔曼利用需氧细菌和水绵为材料，探究叶绿体的功能。
下列有关恩格尔曼实验的叙述，错误的是（　　）
A. 水绵具有螺旋带状叶绿体，便于实验观察
B. 恩格尔曼的实验直接证明叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
C. 将载有水绵和需氧细菌的临时装片放在充满空气的小室内，进行实验
D. 用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在 红光和蓝紫光区域
为排除空气中氧气的干扰，将载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，进行实验。
C
课堂练习

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