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5.4 光合作用与能量转化
第5章 细胞的能量供应和利用
01
捕获光能的色素和结构
02
光合作用的原理和应用
1
捕获光能的色素和结构
问题探讨
补充光源：常见的是红色、蓝色和白色
植物工厂
你参观或听说过植物工厂吗？植物工厂在人工精密控制光照、温度、湿度、二氧化碳浓度和营养液成分等条件下，生产蔬菜和其他植物。有的植物工厂完全依靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。
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？
植物工厂
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。
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。
光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。
正常苗
白化苗不能进行光合作用，无法制造有机养料。
白化苗
白化苗由于不能进行光合作用，待种子中的营养成分消耗完后就会死亡，这说明光合作用离不开色素的作用。
无绿色色素的白化苗
正常幼苗能进行光合作用制造有机养料。
有绿色色素的正常苗
思考：细胞哪些结构含有色素？
液泡：花青素（跟颜色有关）
叶绿体：多种光合色素（跟光合作用有关）
只有叶绿体中的色素可以捕获光能
液泡中的色素：不能进行光合作用
思维拓展
花青素，是自然界一类广泛存在于植物中的水溶性天然色素。水果、蔬菜、花卉中的主要呈色物质大部分与之有关。在植物细胞液泡不同pH条件下，花青素使花瓣、叶片等呈现五彩缤纷的颜色。
绿叶中究竟有哪些种类的色素呢？
1. 色素提取和分离的原理分别是什么？
2. 研磨过程中加入无水乙醇、SiO2、CaCO3的作用是什么？
3. 将滤液收集到试管中后，为什么要用棉塞将试管口塞严？
4. 滤纸条一端为什么要剪去两角？
5. 画滤液细线时应注意什么？
6. 为什么不能让滤液细线触及层析液？
自主学习：阅读课本P97-98，并思考以下几个问题
一、捕获光能的色素
提取:
分离:
提取和分离绿叶中的色素，探究绿叶中色素的种类
用层析液分离色素
用无水乙醇提取色素
（色素能溶解在无水乙醇中）
（色素在层析液中溶解度不同，溶解度高的随层析液扩散得快）
探究：绿叶中色素的提取和分离
（纸层析法）
实验目的
实验原理
选新鲜，幼嫩绿叶：叶绿素含量高
无水乙醇（可用体积分数95%的乙醇，加入适量无水碳酸钠，除去乙醇中水分）
层析液（20份石油醚、2份丙酮、1份苯混合而成）
二氧化硅和碳酸钙
实验材料用具
探究：绿叶中色素的提取和分离
新鲜的绿叶（深绿色）（如菠菜的绿叶）
无水乙醇的作用：溶解色素，提取色素
层析液的作用：分离色素
二氧化硅的作用：使研磨充分
碳酸钙的作用：防止色素被破坏
1.提取绿叶中的色素
a.研磨:
材料:5g新鲜绿叶
药品
SiO2
CaCO3
无水乙醇
使研磨充分
防止色素（叶绿素）破坏
溶解色素
★要求：要迅速、充分
实验步骤
b.过滤：获取绿色滤液
单层尼龙布：
滤纸、纱布会吸收色素
★注意用棉塞将试管口塞严：
防止溶剂挥发和色素被氧化
迅速：防止无水乙醇挥发
a、制备滤纸条：
干燥的定性滤纸
2.色素的分离（纸层析法）
1cm
铅笔线
为什么要剪去两角？
有利于得到整齐的色素带。
实验步骤
b、画滤液细线
★要求：细、直、齐
注意：待滤液干后，再画一两次。
实验步骤
有利于得到整齐的色素带。
C、分离色素：
插滤纸条
层析液
培养皿
实验步骤
注意:
滤液细线不能触到层析液
烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞
（防止色素溶解在层析液中）
（防止层析液挥发，因其易挥发且有毒）
观察与记录：
滤纸上色带的排列顺序如何？宽窄如何？说明什么？
插滤纸条
层析液
培养皿
胡萝卜素
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
分离色素：纸层析法
溶解度大，扩散速度快
溶解度小，扩散速度慢
★扩散速度与色素在层析中的溶解度的关系：
实验结果
【拓展实验】
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；叶黄素；叶绿素；叶绿素b
思维拓展
在滤纸的中央滴一滴色素提取液，再滴一滴层析液，色素随层析液扩散，会得到近似同心环的4个色素圈，由外向内依次是什么色素？分别是什么颜色？
（橙黄色）
（黄 色）
（蓝绿色）
（黄绿色)
叶黄素
叶绿素a
叶绿素b
胡萝卜素
提取液
色素带
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）
绿叶中的色素
影响叶绿素的因素：
光照是影响叶绿素合成的主要因素,一般植物在黑暗环境中不能合成叶绿素，因而叶片发黄。
(1 )光照
(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。低温时，叶绿素分子易被破坏，因而叶片变黄。
(3)必需元素
叶绿素中含有N、Mg等矿质元素缺乏这些元素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 （2）温度 （3）必需元素
光照
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
正常韭菜
韭黄
你知道韭菜与韭黄的区别吗？
【联系生活】
韭菜是直接暴露在阳光下生长，充分的吸收了阳光和雨露，因此，韭菜的绿色素较多，叶子也更绿。
韭黄是在没有阳光的黑暗的环境下生长的，几乎没有叶绿素产生，因此，呈现黄白颜色。
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）
绿叶中的色素
叶绿素：低温下易分解。
类胡萝卜素：较稳定。
分析：为什么植物春夏叶子翠绿 而深秋则叶片金黄呢？
由于叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素，而使类胡罗卜素的颜色被掩盖，只显示出叶绿素的绿色。
低温使叶绿素大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来。
当温度低于7 ℃时，树叶中会生成花青素。
色素的作用:
叶绿体色素具有吸收、传递、转化光能的作用
阳光是由不同波长的光组成组合成的复合光，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。
光谱
三棱镜
叶绿素溶液
色素溶液
色素的吸收光谱
叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱
叶绿素a和叶绿素b主要吸收 ；
胡萝卜素和叶黄素主要吸收 。
蓝紫光和红光
蓝紫光
因为对绿光吸收最少，绿光被反射回来，所以叶片才呈现绿色。
叶片才呈现绿色的原因？
注：叶绿素和类胡萝卜素对绿光不是不吸收，只是吸收量较少；但是类胡萝卜素对红光是不吸收的。
注：
光合作用所利用的光都是可见光。不能利用红外光，紫外光。
叶绿体色素具有吸收、传递、转化光能的作用
1.根据色素对不同波长光吸收的特点，想一想温室或大棚种植蔬菜时，应选择什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源？
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，最好选蓝紫光和红光。
与生活的联系：
叶绿素
类胡萝卜素
叶绿素a
叶绿素b
胡萝卜素
叶黄素
蓝绿色
黄绿色
橙黄色
黄 色
占3/4
主要吸收蓝紫光和红光
主要吸收蓝紫光
占1/4
捕获光能的色素
小结：捕获光能的色素
这些色素存在于细胞中的什么部位呢？
02
叶绿体的结构适于进行光合作用
色素存在的位置
—— 叶 绿 体
1817年，两位法国科学家首次从植物中分离出叶绿素。
1865年，德国植物学家萨克斯研究叶绿素在光合作用中的功能，发现叶绿素并非普遍分布在植物的整个细胞中，而是集中在一个个更小的结构里，即叶绿体。
（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)
叶绿体—
双层膜（外膜、内膜）、基粒（类囊体膜上有
光合色素）、叶绿体基质
光合作用的场所。
植物细胞
一、细胞器之间的分工
扁平的椭球形或球形。
5.分布：
2.结构：
4.功能：
1.形状：
“养料制作车间”和“能量转换站”
类囊体堆叠形成基粒，增大了膜面积
3.成分：
与光合作用有关的酶，少量DNA、RNA等。
1.并不是所有植物细胞都有叶绿体，例如植物根尖细胞无叶绿体。
2.没有叶绿体也可以进行光合作用，例如蓝细菌。
结构：
外膜
内膜
基粒
类囊体
基质
（吸收光能的4种色素分布在类囊体薄膜上）
（由类囊体堆叠形成，增大膜面积）
光合作用有关酶分布在 。
类囊体薄膜和叶绿体基质
透明，有利于光的透过，具有选择性。
线粒体与叶绿体有哪些不同点和相同点？
恩格尔曼的实验1
水绵
+
需氧细菌
黑暗中
极细的光束
放在光下
无空气
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部位
黑暗
结论1：叶绿体是进行光合作用的场所
结论2：光合作用产生氧气
叶绿体吸收光能用于光合作用放氧。
1.通过本实验，你能得出什么结论？
2.恩格尔曼在选材实验设计上有什么巧妙之处？
1.材料：
2.条件：
3.操作：
水绵：螺旋带状叶绿体，便于观察。
好氧细菌：可以确定氧气释放的部位。
没有空气的黑暗环境排出了环境中氧气和光的干扰
用极细的光束点投射，叶绿体上分为获得光照部位和无光照部位，相当于一组对照实验。
完全暴露在光下的实验，明确实验结果是由光照引起的。
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。
恩格尔曼的实验2
叶绿体是光合作用的场所
叶绿体内部巨大的膜表面（类囊体薄膜）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，还有很多进行光合作用所必需的酶。
科学家们证明：在叶绿体基质中，含有多种进行光合作用所必需的酶
恩格尔曼的实验证明：叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧
3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域，为什么
4.综合上述资料，你认为叶绿体具有什么功能
这是因为水绵叶绿体上的光合色素主要吸收红光和蓝紫光，在此波长光的照射下，叶绿体会释放氧气,适于好氧细菌在此区域分布。
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。
课堂小结
练习与应用
.
1.水和无机盐是细胞的重要组成成分。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。 （ ）
1.1 概念检测
×
√
×
.
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
A
1.1 概念检测
.
1.2 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？
有关，不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出了红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色的光。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水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方维持在稳定的状态。
.
1.2 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。
与传统生产方式相同，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、需要掌握各种同蔬菜的生理特性等问题。
谢谢聆听!
同学们辛苦啦！

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