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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　必修1　分子与细胞·学案
班级：________　姓名：________　学号：________
一、学习目标
1．生命观念：说出叶绿体中色素的种类及颜色和吸收光谱，感受色素与叶绿体功能之间的关系。
2．科学探究：进行绿叶中色素的提取与分离探究实验，掌握无水乙醇提取法和纸层析分离技术。
3．社会责任：对“人工叶绿体”的可能与困难发表看法与观点，积极面对社会热点问题。
二、情境导入
植物的生长离不开光。叶片为什么大多数呈现绿色？植物又是通过什么结构将光能转化为化学能的呢？带着这些疑问，我们走进“捕获光能的色素和结构”，先探究绿叶中色素的种类与颜色，再认识进行光合作用的重要场所——叶绿体的结构与功能。
三、自主预学
（一）知识梳理
一、捕获光能的色素
1．绿叶中色素的提取和分离
(1)实验原理及方法
图1　绿叶中色素提取和分离的实验原理及方法
(2)方法步骤
①色素的提取
图2　绿叶中色素的提取步骤
②色素的分离
图3　绿叶中色素的分离（纸层析法）
(3)实验结果
图4　滤纸条上色素的分离结果
2．色素的种类及功能
图5　叶绿体中色素的种类、颜色及分布
二、叶绿体的结构适于进行光合作用
1．叶绿体的形态：一般呈扁平的椭球形或球形。
2．叶绿体的结构模式图
图6　叶绿体的结构模式图
(1)结构
(2)功能：进行光合作用的场所。
(3)恩格尔曼的实验：需氧细菌只分布在叶绿体被光束照射的部位。
3．叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础
(1)在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子。
(2)在类囊体膜上和叶绿体基质中，含有许多进行光合作用所必需的酶。
图7　捕获光能的色素与叶绿体结构知识框架图
（二）判断正误
判断下列说法是否正确，正确的填“√”，错误的填“×”。
(1)提取色素时加碳酸钙的目的是使研磨更充分。________
(2)绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上扩散得越快。________
(3)叶绿素a和叶绿素b只吸收红光和蓝紫光。________
(4)在干燥滤纸条一端1 cm处用钢笔画一条细的横线。________
(5)没有叶绿体的生物无法进行光合作用。________
(6)在真核细胞内，能进行光合作用的色素分布在叶绿体以及液泡中。________
四、课堂探究
探究一　绿叶中色素的提取和分离
[教材情境] 下图是教材P98～99“绿叶中色素的提取和分离”实验的部分步骤图解，结合图示，小组合作交流，探究以下问题。
图8　“绿叶中色素的提取和分离”实验部分步骤图解
1．提取色素时，加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质，A是二氧化硅，其作用是有助于研磨得充分；B是碳酸钙，作用是防止研磨中色素被破坏（氧化分解）；C是无水乙醇，作用是溶解色素。
2．制备滤纸条时，剪去两角的作用是防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细、齐、直，还要重复画1～2次。
3．在进行过滤操作时，能否用滤纸代替尼龙布进行过滤？
4．将滤纸条插入层析液时，需要注意不要让滤液细线触及层析液，为什么？
5．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？
6．色素的提取非常成功，但层析后滤纸条上色素带非常模糊，其原因可能有哪些？
归纳总结　绿叶中色素的提取和分离中的注意事项
注意事项 目的
材料 叶片要新鲜、深绿 使滤液中色素含量高
试剂 适量无水乙醇 溶解叶绿体中的色素
二氧化硅 利于研磨充分
碳酸钙 防止研磨过程中色素被破坏
层析液 分离色素
步骤 研磨要迅速、充分 提取较多色素、防止乙醇挥发
盛滤液的试管口加棉塞 防止乙醇挥发
用单层尼龙布过滤而不用滤纸 防止色素吸附在滤纸上
滤纸条的一端剪去两角 防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快
滤液细线重复画一到两次，且要求细、直、齐 使分离的色素带清晰
滤液细线不能触及层析液 防止色素溶解到层析液中
探究二　绿叶中色素的提取和分离实验中异常现象分析
图9　绿叶中色素提取和分离实验的异常现象分析
对练
1．某兴趣小组对教材中色素提取和分离的实验步骤进行了改进，采用水浴法提取叶绿体中的色素，主要操作如下图所示。下列叙述错误的是（　　）
图10　水浴法提取叶绿体色素的实验操作示意图
A．加入碳酸钙的作用是防止色素被破坏
B．可以用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素
C．水浴加热时用玻璃棒搅拌可加快色素的溶解
D．用纸层析法分离色素时，画好的滤液细线不能触及层析液
2．某兴趣小组在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，为了确定无水乙醇、CaCO3和SiO2的作用，进行了4组实验来验证，4组实验结果如图所示，第④组是进行了正确操作的对照组。下列相关分析错误的是（　　）
图11　探究无水乙醇、CaCO3、SiO2作用的4组实验结果示意图（装置）
图12　探究无水乙醇、CaCO3、SiO2作用的4组实验结果示意图
A．①可能是未加CaCO3而得到的实验结果
B．②可能是用水取代了无水乙醇而得到的实验结果
C．③可能是未加SiO2而得到的实验结果
D．叶绿体中的色素都能够溶解在层析液中，4种色素的溶解度相同
探究三　叶绿体的结构和功能
[教材情境] 资料1：下图为不同色素的吸收光谱。
图13　不同色素的吸收光谱
资料2：下图为教材P100～101恩格尔曼探究“叶绿体的功能”的实验图示。
图14　恩格尔曼探究“叶绿体的功能”的实验图示（一）
图15　恩格尔曼探究光合作用作用光谱的实验结果示意图
1．由资料1可知，叶绿素对蓝紫光和红光的吸收量大；类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量大，植物色素对绿光吸收量小，所以叶片呈现绿色。
2．秋天叶片变黄的原因：低温使叶绿素遭到破坏，叶片呈现出类胡萝卜素的颜色。
3．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？
4．温室或大棚种植蔬菜，应选用什么颜色的玻璃或塑料薄膜？
5．恩格尔曼实验①中先选用黑暗并且没有空气的环境的目的是什么？
6．实验①中先选极细光束，用需氧细菌检测，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做对照，从而证明了实验结果完全是由光照引起的，氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是光合作用的场所。
7．恩格尔曼实验②中为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域？
8．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装片上的水绵，一段时间后，水绵周围需氧细菌分布无显著变化，请分析其原因。
图16　恩格尔曼实验装置改装示意图
归纳总结　叶绿体的结构与功能相适应
1．叶绿体的结构与功能相适应
(1)色素分布在类囊体薄膜上，叶绿体内有众多的基粒，极大地扩展了叶绿体的受光面积。
(2)光合作用的酶位于类囊体薄膜和叶绿体基质中。
(3)色素易溶于有机溶剂而不溶于水，生物膜的成分主要有脂质，因此色素分布在叶绿体的膜上而不是基质中。
2．恩格尔曼实验之巧
图17　恩格尔曼实验的设计巧思总结
(1)并不是所有的植物细胞都含有叶绿体，只有能进行光合作用的植物细胞才含有叶绿体。
(2)色素不只分布于叶绿体中，也可分布于液泡中，如花青素，但是液泡中的色素不能用于光合作用。
(3)叶绿体不是细胞进行光合作用的唯一场所，如蓝细菌细胞没有叶绿体。
对练
3．图甲为叶绿体结构模式图，图乙所示结构是图甲的部分放大图。下列有关叙述错误的是（　　）
图18　叶绿体结构模式图及类囊体放大示意图
A．图乙所示结构取自图甲中的③
B．图乙结构上分布有与光合作用有关的酶
C．吸收光能的色素分布在①②③的薄膜上
D．叶绿体以图甲中③的形式扩大受光面积
4．某同学从杨树叶片中提取并分离得到4种色素样品，经测定得到下列吸收光谱图，其中属于叶绿素b的是（　　）
图19　四种色素样品的吸收光谱图（甲）
图20　四种色素样品的吸收光谱图（乙）
A．甲图　　B．乙图　　C．丙图　　D．丁图
探究四　葡萄黄叶病
某葡萄园种植的葡萄叶片发黄，葡萄的产量和品质明显受到影响，甚至出现了一些葡萄植株死亡的现象，而该地区的其他葡萄园却没有出现这一现象。某校的生物学兴趣小组针对这一现象进行了研究。
题号 能力考查 素养考查
(1) 信息获取与加工能力 生命观念
(2) 演绎与推理能力 生命观念
(3) 实验结果分析与论证能力 科学探究
(1)植物的颜色主要由位于________中与光合作用有关的色素和位于________中的花青素有关。
(2)根据叶片颜色的变化，推测可能是发黄叶片中的________（填色素名称）含量减少或者________（填色素名称）的含量增多导致的。
(3)为探究叶片发黄与哪种色素含量减少有关，选取正常叶片A组和发黄叶片B组进行了色素的提取与分离实验，请根据预期实验结果得出相应结论：
预期结果 实验结论（说明黄叶病的原因是）
A组叶绿素a和叶绿素b色素带宽度都大于B组
A组叶绿素a色素带宽度大于B组，A组叶绿素b色素带宽度和B组一致
A组叶绿素a色素带宽度与B组一致，A组叶绿素b色素带宽度大于B组
五、分层训练
课后分层练(二十)　捕获光能的色素和结构
（选择题每题5分，非选择题每题15分）
【基础巩固练】
考点一　捕获光能的色素
1．分别在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个研钵中加2 g剪碎的新鲜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色、几乎无色。
处理 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
SiO2(少量) ＋ ＋ ＋
CaCO3(少量) － ＋ ＋
无水乙醇(10 mL) ＋ － ＋
蒸馏水(10 mL) － ＋ －
注：“＋”表示加，“－”表示不加。
则Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个研钵中的溶液颜色分别是（　　）
A．几乎无色、黄绿色、深绿色
B．深绿色、几乎无色、黄绿色
C．黄绿色、深绿色、几乎无色
D．黄绿色、几乎无色、深绿色
2．为研究强光照对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用乙醇提取叶绿体色素，用石油醚进行纸层析，如图所示为滤纸层析的结果（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素带）。下列叙述正确的是（　　）
图21　强光照对移栽幼苗光合色素影响的滤纸条层析结果
A．画滤液细线时，滤液在点样线上只能画一次
B．色素Ⅲ、Ⅳ在石油醚中的溶解度大于色素Ⅰ、Ⅱ
C．强光照导致了该植物类胡萝卜素含量增加
D．色素Ⅲ、Ⅳ主要吸收蓝紫光
3．为探究土鸡蛋蛋黄颜色一般比饲料鸡蛋蛋黄深的原因，有人做了绿叶和两种蛋黄中色素提取与分离的实验，另外还比较了两种蛋黄中色素提取物质的吸收光谱，结果如图所示。据此可知土鸡蛋与饲料鸡蛋蛋黄中所含有的色素种类及含量的关系是（　　）
图22　绿叶与两种蛋黄中色素提取分离结果
图23　绿叶与两种蛋黄中色素提取物质的吸收光谱
A．色素种类不同，但总的含量相同
B．色素种类相同，但总的含量不同
C．色素种类和含量均不相同
D．色素种类和含量均相同
考点二　叶绿体的结构和功能
4．如图为叶绿体结构的示意图，下列叙述不正确的是（　　）
图24　叶绿体结构示意图
A．①具有选择透过性
B．吸收光能的色素分布在②上
C．与光合作用有关的酶只分布在③中
D．叶绿体具有双层膜
5．叶绿素是由谷氨酸分子经过一系列酶的催化作用，在光照条件下合成的。叶绿素a的分子结构如图所示，其头部和尾部分别具有亲水性和亲脂性。下列分析错误的是（　　）
图25　叶绿素a的分子结构示意图
A．尾部对于叶绿素a分子在类囊体膜上的固定起重要作用
B．叶绿素a的元素组成说明无机盐能构成复杂的化合物
C．叶绿素a分子、催化其合成的酶及胆固醇共有的元素有四种
D．叶片变黄可能是光照不足导致叶绿素合成减少造成的
【综合提升练】
6．科学家用水绵进行了如下实验：把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气和光照的条件下一段时间，然后用极细的光束照射水绵不同部位，观测到一些部位有需氧细菌积聚，另一些部位则没有需氧细菌积聚（如图所示）。由此得出的结论是（　　）
图26　恩格尔曼水绵实验示意图
A．光合作用产生淀粉，场所是叶绿素
B．光合作用产生氧气，场所是叶绿体
C．光合作用产生淀粉，需要水
D．光合作用产生氧气，需要二氧化碳
7．沃柑是喜光植物，需要充足的光照，长期的阴雨天气会导致叶片发黄，某科研小组通过纸层析法对比了阴雨天气和充足光照条件下的自上至下四条色素带。下列对过程和结果的描述正确的是（　　）
A．纸层析过程中滤液细线接触层析液会加快分离速度
B．推测充足光照条件下滤纸第三条的黄绿色条带最宽
C．阴雨天气叶片发黄，推测第一和第二色素条带颜色会变深
D．剪下滤纸条的某个条带浸泡在无水乙醇中可以收集色素
8．(2023·海南高考·改编)海南是我国火龙果的主要种植区之一，由于火龙果是长日照植物，冬季日照时间不足导致其不能正常开花，在生产实践中需要夜间补光，使火龙果提前开花，提早上市。某团队研究了同一光照强度下，不同补光光源和补光时间对火龙果成花的影响，结果如图。
图27　不同补光光源和补光时间对火龙果成花的影响实验结果
回答下列问题：
(1)光合作用时，火龙果植株能同时吸收红光和蓝光的光合色素是________；用纸层析法分离叶绿体色素获得的4条色素带中，以滤液细线为基准，按照自下而上的次序，该光合色素的色素带位于第________条。
(2)本次实验结果表明，三种补光光源中最佳的是________，该光源的最佳补光时间是________小时/天，判断该光源是最佳补光光源的依据是________。
六、参考答案
（一）自主预学·判断正误
（1）×　（2）×　（3）×　（4）×　（5）×　（6）×
解析：（1）提取色素时加二氧化硅的目的是使研磨更充分，加碳酸钙的目的是防止研磨中色素被破坏。
解析：（2）绿叶中含量越多的色素，其在滤纸条上越宽，溶解度越大的色素在滤纸条上扩散得越快。
解析：（3）叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，对其他波段的光也吸收，只是吸收得少。
解析：（4）在干燥滤纸条一端1 cm处用铅笔画一条细的横线。
解析：（5）蓝细菌没有叶绿体也可以进行光合作用。
解析：（6）液泡中不含能进行光合作用的色素。
（二）课堂探究·探究一（绿叶中色素的提取和分离）
探究3　不能。若用滤纸过滤色素提取液，会导致色素吸附在滤纸上，滤液中的色素含量过低，影响实验结果。
探究4　若滤液细线触及层析液，色素会直接溶解在层析液中，不会在滤纸上形成分离后的色素带。
探究5　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；所用材料叶绿素含量少或不新鲜；未加碳酸钙或加入过少，色素部分被破坏等。
探究6　画滤液细线的次数太少；滤液细线触及层析液，或层析时间较长，色素溶解到层析液中。
（三）课堂探究·对练（绿叶中色素的提取和分离）
对练1　B
解析：叶绿体中的色素易溶于无水乙醇等有机溶剂，不溶于水，不能用蒸馏水代替无水乙醇提取叶绿体中的色素，B错误；加入碳酸钙的作用是防止研磨过程中色素被破坏，A正确；水浴加热时用玻璃棒搅拌可加快色素的溶解，C正确；用纸层析法分离色素时，画好的滤液细线不能触及层析液，否则色素就溶解在层析液中，不会随层析液在滤纸条上扩散，D正确。
对练2　D
解析：选D。
（四）课堂探究·探究三（叶绿体的结构和功能）
探究3　蓝紫光、红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。
探究4　无色的玻璃或塑料薄膜。
探究5　排除实验前环境中光线和O2的影响，确保实验的准确性。
探究7　大量的需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。
探究8　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，因此需氧细菌分布无显著变化。
（五）课堂探究·对练（叶绿体的结构和功能）
对练3　C
解析：图甲表示叶绿体的结构，①是叶绿体内膜，②是叶绿体外膜，③是类囊体，④是叶绿体基质，吸收光能的色素分布在③类囊体的薄膜上，图乙所示结构是类囊体的薄膜，来自③，A正确，C错误；光合作用所需的酶分布在类囊体的薄膜上和叶绿体基质中，B正确；叶绿体内含有大量基粒，一个基粒由很多类囊体堆叠而成，以此扩大受光面积，D正确。
对练4　A
解析：植物叶绿体中的色素分为叶绿素和类胡萝卜素，其中叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类胡萝卜素主要吸收蓝紫光，400～500 nm为蓝紫光区，600～700 nm为红光区，叶绿素b是叶绿素的一种，A正确。
（六）课堂探究·探究四（葡萄黄叶病）
解析：植物的颜色既受叶绿体中光合色素的影响，也和液泡中含有的花青素有关。叶片发黄有可能是叶绿素含量减少，也可能是类胡萝卜素含量增多，呈现出黄色。色素带的宽窄表示色素的含量，越宽代表含有的色素越多，A组是正常叶片，B组是发黄叶片，哪条色素带变窄说明哪种色素减少。
（1）叶绿体　液泡　（2）叶绿素a和叶绿素b　胡萝卜素和叶黄素　（3）叶绿素a和叶绿素b含量都减少　叶绿素a含量减少　叶绿素b含量减少
（七）课后分层练(二十)
1　D
解析：研钵Ⅰ中未加入CaCO3和蒸馏水，CaCO3可保护色素免受破坏，因缺少CaCO3导致部分色素被破坏，提取液呈黄绿色；研钵Ⅱ中未加入无水乙醇，无水乙醇用于溶解色素，色素不溶于蒸馏水，因而溶液几乎无色；研钵Ⅲ中未加入蒸馏水，可得到正常的提取液，故溶液呈深绿色。
2　C
解析：画滤液细线时，需要重复画线，增加色素量，但操作应在前一次画线晾干后再进行，A错误；色素Ⅲ、Ⅳ在石油醚中的溶解度小于色素Ⅰ、Ⅱ，所以扩散速度慢，B错误；强光照和正常光照相比，叶绿素含量降低，类胡萝卜素含量增加，说明强光照导致了该植物类胡萝卜素含量增加，C正确；色素Ⅲ是叶绿素a、色素Ⅳ是叶绿素b，主要吸收红光和蓝紫光，D错误。
3　B
解析：图甲中色素带由下到上依次是叶绿素b、叶绿素a、叶黄素、胡萝卜素，图乙、丙中色素带均对应图甲中叶黄素的位置，但色素带的宽度不一样，结合图丁、戊可知两种蛋黄中所含色素的种类相同，但总的含量不同，B正确。
4　C
解析：叶绿体由双层膜构成，①表示叶绿体外膜，具有选择透过性，A、D正确；吸收光能的色素分布在②（类囊体薄膜）上，B正确；与光合作用有关的酶分布在②（类囊体薄膜）上和③（叶绿体基质）中，C错误。
5　C
解析：叶绿素a的尾部具有亲脂性，而生物膜的基本骨架由磷脂双分子层构成，故叶绿素a的尾部有利于其固定在类囊体膜上，A正确；叶绿素a中含有Mg，Mg属于无机盐，叶绿素a的元素组成说明无机盐能构成复杂的化合物，B正确；胆固醇属于固醇类物质，其组成元素是C、H、O，含有3种元素，C错误；叶片变黄可能是光照不足导致叶绿素合成减少造成的，也有可能是温度下降导致叶绿素降解加快引起的，D正确。
6　B
解析：由题图可知，需氧细菌主要集中分布在极细光束照射的叶绿体附近，说明该部位产生了O2，即进行了光合作用，由此可推知光合作用的场所为叶绿体，光合作用产生氧气。题述实验未体现光合作用产生淀粉和光合作用所需要的原料。
7　D
解析：纸层析过程中滤液细线接触层析液会导致色素溶解，无法得到实验结果，A错误；充足光照条件下叶绿素a最多，其颜色是蓝绿色，B错误；阴雨天气叶片发黄是由于叶绿素含量减少，推测第三和第四色素条带颜色会变浅，C错误；色素易溶于有机溶剂，剪下滤纸条的某个条带浸泡在无水乙醇中可以收集色素，D正确。
8（1）　叶绿素（或叶绿素a和叶绿素b）　一和二
8（2）　红光＋蓝光　6　不同的补光时间条件下，红光＋蓝光光源组平均花朵数均最多
解析：（1）火龙果植株能同时吸收红光和蓝光的光合色素是叶绿素a和叶绿素b，二者统称为叶绿素。用纸层析法分离叶绿体色素获得的4条色素带中，以滤液细线为基准，按照自下而上的顺序，叶绿素b和叶绿素a的色素带位于第一条和第二条。（2）根据实验结果，三种补光光源中最佳的是红光＋蓝光，因为在不同补光时间条件下，红光＋蓝光组平均花朵数都最多，该光源的补光时间是6小时/天时，平均花朵数最多。

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