光合作用（第1课时）高一上学期生物人教版必修1

第5章

细胞的能量供应和利用第4节

光合作用与能量转换第1课时

捕获光能的色素和结构问题探讨

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。有的植物工厂完全靠LED灯等人工光源，其中常见的是红色、蓝色和白色的光源。讨论：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？要解决以上问题，就要通过《光合作用与能量转化》这章节的学习！

生物体的主要能源物质是糖类，细胞中的主要能源物质是葡萄糖，植物特有的储能物质是淀粉，动物特有的储能物质是糖原，生物体的直接的能源物质是ATP，生物体能量的最终来源是太阳能。在自然界中，万物生长靠太阳，光合作用是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径。那么，植物光合作用捕获光能要依靠哪些特定的物质和结构呢？一、捕获光能的色素事实推论:光能的捕获与叶片颜色有关提出假设：光能的捕获需要绿叶所含的色素

白化苗无法进行光合作用，待种子中贮存的养分耗尽就会死亡。

正常幼苗进行光合作用，制造有机养料。

思考：绿叶中究竟有哪些色素呢？它们分别是什么颜色呢？各种色素在绿叶中的含量相同吗？【探究·实践】绿叶中色素的提取和分离一、捕获光能的色素（一）实验原理1.提取色素的原理

根据化学中相似相溶的原理，绿叶中的色素是有机物，易溶于有机溶剂。绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，所以，可以用无水乙醇（或95%的乙醇加入适量无水碳酸钠）提取绿叶中的色素。其他有机溶剂如丙酮也可以用来提取绿叶中的色素，但丙酮有毒。2.分离绿叶中的色素（1）.分离色素的原理不同色素在层析液中的溶解度不同。溶解度高的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度快；溶解度低的色素，在滤纸上随层析液的扩散速度慢。层析液=20石油醚＋2丙酮＋1苯的混合液一、捕获光能的色素（2）.分离色素的方法：

层析法是利用待分离物质中不同组分的某些理化性质的差异而建立起来的一种分离技术。纸层析法

为什么不能用层析液提取色素，无水乙醇分离色素？

层析液对不同色素的溶解度差异较大，但整体溶解能力较弱，无法像无水乙醇那样高效溶解所有色素；层析液成分（如石油醚和苯）毒性较大、易挥发，操作时可能产生健康风险，且不适合用于保存提取后的色素；实验步骤要求先用提取液充分溶解色素，再用层析液分离，如果直接用层析液提取，杂质干扰多，色素浓度低，可能导致分离效果不理想。‌

无水乙醇对不同色素的溶解度相似，缺乏分离所需的溶解度差异，因此无法通过扩散实现色素分层；如果用乙醇作为层析液，色素会溶解其中但无法在滤纸上形成清晰的色素带，因为扩散速度差异不足。‌一、捕获光能的色素（二）目的要求1.进行绿叶中色素的提取和分离。2.探究绿叶中有几种色素。（三）材料用具见课本P98.步骤方法原因取材称取5g新鲜绿叶①新鲜绿色的叶片中色素含量高，从而使滤液中色素含量较高，实验效果明显。研磨剪碎，放入研钵中，再向研钵中加入少许二氧化硅和碳酸钙粉及5～10mL无水乙醇，进行迅速、充分的研磨①加入少许二氧化硅：有助于研磨得充分②加入碳酸钙：防止研磨过程中色素被破坏③加入无水乙醇：溶解、提取色素④叶绿素不稳定，易被破坏，因此研磨要迅速、充分，以保证提取较多的色素。过滤将研磨液迅速倒入基部垫有单层尼龙布的玻璃漏斗中进行过滤。将滤液收集到试管中，及时用棉塞塞紧试管口①单层尼龙布：过滤叶脉、叶渣及二氧化硅等②塞紧试管口：防止无水乙醇挥发和色素氧化一、捕获光能的色素（四）实验步骤:提取色素一、捕获光能的色素（四）实验步骤：提取色素一、捕获光能的色素问题1：已知色素存在于叶片的叶绿体中，提取色素时要破碎细胞及叶绿体，使色素充分释放。在酸性条件下，叶绿素分子卟啉环中的镁离子可以被氢离子取代，导致叶绿素被破坏，试分析色素提取时加入碳酸钙的作用是什么？

色素提取时，研磨叶片会导致液泡中的有机酸释放，破坏叶绿素，碳酸钙可以中和酸性物质，保护叶绿素。问题2：研磨时应注意什么？原因是什么？研磨时要迅速、充分。这样可以保证色素释放得更加充分且挥发量少。问题3：过滤时漏斗基部的尼龙布能否用滤纸替代？原因是什么？不能用滤纸替代。因为滤纸的吸附性强，会导致滤液中色素的浓度过低。一、捕获光能的色素问题5：某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，请结合实验步骤分析可能的原因有哪些？(1)未加入二氧化硅或研磨不充分，色素未能充分提取出来；(2)称取绿叶过少或加入的无水乙醇过多，色素溶液浓度小；(3)未加入碳酸钙或加入过少，部分色素分子被破坏；(4)研磨不充分或研磨速度太慢，乙醇挥发，色素未能充分提取出来问题4：色素提取时所用试剂及作用？二氧化硅——有助于研磨得更充分；碳酸钙——防止研磨中色素被破坏；无水乙醇——溶解、提取色素。步骤方法原因制备滤纸条①干燥的滤纸：透性好、吸收滤液多②剪去两角：防止色素随层析液在边缘扩散过快，使层析液同步到达滤液细线，随后形成的色素带整齐、平行画滤液细线用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均匀地画出一条直的滤液细线，待滤液干后再重复画一两次①画得细、直、齐：防止色素带重叠而影响分离效果②画两三次：积累更多的色素，使分离后的色素带明显分离色素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①层析液不能触及滤液细线：防止色素溶解于层析液中而无法分离②塞紧试管口：防止层析液中的成分挥发1cm铅笔线剪去两角一、捕获光能的色素（四）实验步骤：分离色素一、捕获光能的色素（四）实验步骤：分离色素一、捕获光能的色素问题1：制备滤纸条时为什么要减去两角？问题2：滤液细线的划线原则是什么？待滤液干后，再重画一到两次的目的是什么？

减少边缘效应，使滤液同时到达滤液细线，防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快。

画滤液细线的原则是细、直、齐，保证色素均匀分布；待滤液干后，再重画一到两次可以增加滤液细线中色素的含量。问题3：为何滤液细线不能触及层析液？

防止色素溶解在层析液中。胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b（橙黄色）（黄色）（蓝绿色）（黄绿色）类胡萝卜素（含量约占1/4）叶绿素（含量约占3/4）绿叶中光合色素的种类一、捕获光能的色素（五）实验结果1/122/123/169/16色素种类色素颜色色素含量色素带宽度溶解度扩散速度胡萝卜素橙黄色最少最窄最高最快叶黄素黄色较少较窄较高较快叶绿素a蓝绿色最多最宽较低较慢叶绿素b黄绿色较多较宽最低最慢上下叶绿素由C、H、O、N、Mg构成，不稳定，低温易分解，叶绿素合成需要光。类胡萝卜素不含Mg，比较稳定，合成不需要光。光合色素都可以吸收、传递光能，只有少数叶绿素a可以转化光能。一、捕获光能的色素（五）实验结果实验异常现象的分析：一次划线后，没等干后再划线等造成滤液线不能达到细、直、齐的要求，使色素扩散不一致造成的。1.滤纸条色素带重叠：2.滤纸条看不到色素带：a.忘记画滤液细线。b.滤液细线接触到层析液，色素全部溶解到层析液中。3.滤纸条只正常呈现胡萝卜素、叶黄素色素带，叶绿素的色素带偏窄：提取色素时忘记加碳酸钙导致叶绿素被破坏或所用叶片为“黄叶”。一、捕获光能的色素（五）实验结果4.滤纸条上4条色素带都比正常的窄：滤液线中色素总量偏少a.画滤液细线没有重复画。b.提取色素时忘记加碳酸钙或无水乙醇加过多。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123465层析色素分离的其他方法一、捕获光能的色素问题：秋天大多数叶片会变黄，韭黄种植在黑暗条件下，试分析哪些因素会影响叶绿素的合成？光照、温度、Mg2+等因素影响叶绿素的合成。一、捕获光能的色素花青素，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。一、捕获光能的色素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。一、捕获光能的色素1.采用新鲜菠菜叶片开展“叶绿体色素的提取和分离”实验，下列叙述错误的是（

）A．提取叶绿体色素时可用无水乙醇作为溶剂B．研磨时加入CaO可以防止叶绿素被氧化破坏C．研磨时添加石英砂有助于色素提取D．画滤液细线时应尽量减少样液扩散随堂检测B【解析】A、绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，因而可以用无水乙醇提取绿叶中的色素，A正确；B、研磨时需要加入碳酸钙（CaCO3），可防止研磨时色素被破坏，B错误；C、研磨时加入少许石英砂（SiO2）有助于充分研磨，利于破碎细胞使色素释放，C正确；D、画滤液细线时应尽量减少滤液扩散，要求细、直、齐，才有利于色素均匀地分离，D正确。2.在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的使用情况如下表所示（“+”表示使用，“-”表示未使用），其余操作均正常，他们所得到的实验结果依次应为图中的（） A.①②③④

B.②④①③C.④②③①

D.③②①④【解析】无水乙醇用于溶解绿叶中的色素，甲同学未加无水乙醇，其滤纸条上应无色素带，对应②。乙同学操作正确，其滤纸条上的色素带应是正常的，对应④。碳酸钙能够防止研磨时色素被破坏，丙同学未加碳酸钙，其滤纸条上叶绿素a、叶绿素b对应的色素带应较窄，对应①。二氧化硅能够使研磨更充分，丁同学未加二氧化硅，其滤纸条上的四条色素带均应较窄，对应③。【答案】B B一、捕获光能的色素

【资料1】当阳光穿过三棱镜时，阳光会被分散成不同颜色的光带。阳光是由不同波长的光组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光被分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱。

【资料2】光是一种电磁波，分为可见光和不可见光。可见光的波长是400~760nm。不同波长的光，颜色不同。

一般情况下，光合作用能利用的光都是可见光。不同波长的光，颜色不同一、捕获光能的色素

【资料3】科学家分别用不同颜色的光照射色素溶液，得到色素溶液的吸收光谱。结果：蓝紫光和红光色带很暗。结果：蓝紫光色带很暗。叶绿素提取液类胡萝卜素提取液一、捕获光能的色素

实验结果表明：①叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光；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蓝紫光。绿叶中的色素的功能：吸收、传递、转化光能。一、捕获光能的色素【思考·讨论】1.温室或大棚种蔬菜时，应该选红色、蓝色还是无色的大棚塑料薄膜？为什么？

应选无色的大棚塑料薄膜。因为太阳光由七色光组成，所以用无色的大棚塑料薄膜，植物可以获得更多的光能。2.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应选择什么颜色(“蓝紫光和红光”或“白光”)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？

应选择蓝紫光和红光。因为在照明灯功率相同的情况下，选用蓝紫光和红光的照明灯补充光源，植物利用光能的效率更高。一、捕获光能的色素【思考·讨论】3.叶片呈绿色的原因？秋天叶片变黄的原因？

叶子呈绿色的是因为叶片体内含有叶绿素，叶绿素吸收红光和蓝紫光，几乎不吸收绿光，反射绿光，因此呈现绿色。

秋天时，叶绿素降解，同时枫叶液泡内的花青素在酸性环境下变红，使叶片显现出红色。4.枫叶秋天变红色的原因？

秋天时，天气逐渐变凉，叶片内的叶绿素受到天气的影响，叶绿素逐渐被分解。使叶片呈现出黄色。随堂检测3.如图是绿色植物光合作用过程中叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱图。据图分析下列叙述正确的是（

）DA．c为类胡萝卜素，它在红光区吸收的光能可用于光反应中ATP的合成B．叶绿素主要吸收蓝紫光和红光，而不吸收绿光，绿光被反射出来，所以叶片呈绿色C．可根据绿叶中的色素在层析液中的溶解度不同来提取色素D．胡萝卜素在层析液中的溶解度最大，叶绿素b在层析液中的溶解度最小二、叶绿体的结构适于光合作用外膜内膜基粒基质由类囊体堆叠形成的，类囊体薄膜上，分布着许多吸收光能的色素分子和与光合作用有关的酶。含有与光合作用有关的酶、少量的DNA和RNA,少量核糖体。基粒类囊体

叶绿体含有众多的基粒和类囊体,极大地扩展了生物膜面积，体现了“结构与功能”相适应的生命观念。1.叶绿体的结构2.探究叶绿体的功能二、叶绿体的结构适于光合作用资料：1881年德国科学家恩格尔曼的实验实验一：细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中细菌分布在叶绿体所有受光的部位

水绵为多细胞丝状结构个体，叶绿体呈带状，有真正的细胞核，含有叶绿素可进行光合作用。极细光束照射黑暗无空气完全暴露在光下需氧细菌水绵二、叶绿体的结构适于光合作用

分析叶绿体的功能：1.实验选择水绵和需氧细菌作为实验材料的优点：水绵的叶绿体呈___________分布，便于观察；用需氧细菌可确定

的部位。2.为何要除去小室中原有的空气？螺旋带状释放氧气多

选用没有空气的环境，可排除空气中氧气的干扰。3.在黑暗中用极细的光束照射水绵有何巧妙之处？

用极细的光束照射，使叶绿体形成有光和无光部位，相当于一组对比实验。4.为何把载有水绵的临时装片又暴露于光下？

和黑暗条件下用极细的光束照射进行对照，进一步明确实验结果完全是由光照射到叶绿体引起的。2.探究叶绿体的功能二、叶绿体的结构适于光合作用实验二：

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，适于需氧细菌在此区域分布。5.为什么大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域呢？6.综合上述分析，你认为叶绿体具有什么功能？

叶绿体