第四節(jié)能量之源——光與光合作用一捕獲光能的色素和結構1．知識與技能(1)說出綠葉中色素的種類和作用。(2)說出葉綠體的結構和功能。2．過程與方法(1)自主與合作學習：利用各種媒體調查和收集資料，學會鑒別、選擇、運用和分享信息。(2)訓練表達能力：嘗試將你所獲得的信息表達出來。學習目標3．情感態(tài)度與價值觀通過光合作用發(fā)現(xiàn)史的學習，使學生受到科學家們崇高的精神境界的熏陶，并養(yǎng)成質疑、求實、創(chuàng)新及勇于實踐的科學精神和科學態(tài)度。捕獲光能的色素1．原理：綠葉中的色素能夠溶解在有機溶劑無水__________中，可用無水__________提取綠葉中的色素。色素能溶解在層析液中，它們在層析液中的溶解度不同：溶解度高的隨層析液在__________上擴散得__________；反之則__________。幾分鐘之后，綠葉中的色素就會隨著層析液在__________上的__________而__________。知識列表2．步驟：提取和分離綠葉中色素的實驗包括以下步驟：(1)提取綠葉中的__________；(2)制備__________；(3)畫__________細線；(4)分離綠葉中的__________；(5)__________與記錄。3．結果：綠葉中的色素包括兩類：__________和__________；在濾紙條上4種色素自上而下的順序是__________、__________、__________、__________。4．功能：綠葉中的4種色素對光的吸收有差別，__________和__________主要吸收紅光和藍紫光，__________和__________主要吸收藍紫光。因為葉綠素對__________吸收最少，所以葉片呈現(xiàn)綠色。5．葉綠體：(1)1817年，兩位法國科學家首次從植物中分離出__________；1865年，德國植物學家薩克斯發(fā)現(xiàn)葉綠素分布在植物細胞中一個個更小的結構里，后來人們稱之為__________。(2)在光學顯微鏡下觀察水稻等植物的葉綠體一般呈__________的__________或__________；在電子顯微鏡下觀察，可以看到葉綠體的外表有__________，內部有許多__________，之間充滿了__________。每個__________都是由許多囊狀結構堆疊而成，吸收光能的4種色素就分布在__________的__________上。(3)__________是進行光合作用的場所。它內部的巨大膜表面上，分布著吸收光能的__________分子和進行光合作用所必需的__________。答案：1．乙醇乙醇濾紙快慢濾紙擴散分離開2．(1)色素(2)濾紙條(3)濾液(4)色素(5)觀察3．葉綠素類胡蘿卜素胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b4．葉綠素a葉綠素b胡蘿卜素葉黃素綠光5．(1)葉綠素葉綠體(2)扁平橢球形球形雙層膜基?；|基粒類囊體薄膜(3)葉綠體色素酶1．原理(1)各種色素能溶解在有機溶劑(無水乙醇等)中形成溶液，使色素從生物組織中脫離出來。(2)各種色素都能溶解在層析液中，但在層析液中的溶解度不同：溶解度高的色素分子隨層析液在濾紙上擴散得快；反之則慢，因而不同色素分子可以在濾紙上擴散而分開，各種色素分子在濾紙上可形成不同的色素帶。難點解答難點1有關“綠葉中色素的提取和分離實驗”2．步驟、方法及原因綠葉中色素的提取和分離步驟方法原因提取綠葉中的色素①加入二氧化硅：有助于研磨充分；②加入碳酸鈣：防止研磨中色素被破壞；③加入無水乙醇：為了溶解、提取色素將研磨液迅速倒入基部墊有單層尼龍布的玻璃漏斗中過濾，濾液收集到試管中，及時用棉塞塞緊試管口①單層尼龍布：過濾葉脈及二氧化硅等；②試管口塞緊：防止乙醇揮發(fā)綠葉中色素的提取和分離步驟方法原因制備濾紙條①干燥濾紙：透性好、吸收濾液多；②剪去兩角：使層析液同步到達濾液細線畫濾液細線用毛細吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條細而直的濾液細線，吹干后再重復畫一兩次①畫得細而直：為防止色素帶重疊而影響分離效果；②畫一兩次：是為積累更多的色素，使分離后的色素帶明顯綠葉中色素的提取和分離步驟方法原因分離綠葉中的色素①層析液不能沒及濾液細線，以防止色素溶解于層析液中而得不到色素帶；②試管加塞是為了防止層析液中成分揮發(fā)觀察與分析特別提示：實驗成功的關鍵：①葉片要新鮮，顏色要深綠；②濾液收集后，要及時用棉塞將試管口塞緊，以免濾液揮發(fā)；③濾液細線要直、細而且含較多色素(待濾液干后，重復一兩次)；④研磨要迅速、充分：乙醇容易揮發(fā)；為了使葉綠體完全破裂，從而能提取較多的色素；葉綠素極不穩(wěn)定，能被活細胞中的葉綠素水解酶破壞。例1(2009·湖北)右圖是紙層析法分離葉綠體中色素的裝置圖，層析后會得到不同的色素帶，在暗室內用紅光照射四條色素帶，可以看到較暗的是 (

)A．①②B．②③C．③④D．①④答案：C解析：四條色素帶自上而下依次是胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a和葉綠素b，其中胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍紫光，葉綠素a和葉綠素b主要吸收紅光和藍紫光，用紅光照射，被葉綠素a和葉綠素b吸收，因此③、④呈暗色。變式訓練1在葉綠體色素的提取和分離實驗中，收集到的濾液綠色過淺，其原因可能是 (

)①未加石英砂、研磨不充分②一次加入大量的無水酒精提?、鄯执渭尤肷倭繜o水酒精提?、苁褂梅胖脭?shù)天的菠菜葉A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④答案：D解析：未加石英砂、研磨不充分；使用放置數(shù)天的菠菜葉，濾液中色素(葉綠素)太少，綠色過淺；一次加入大量的無水酒精提取，濃度太低。分次加入少量無水酒精提取色素是正確的方法，這樣獲取的濾液顏色正常。1．分布植物的葉肉細胞和幼嫩莖的表皮細胞。2．結構及功能(1)結構示意圖：(2)結構特點：①葉綠體的基質和基粒類囊體上含有與光合作用有關的酶。②類囊體的薄膜上分布有捕獲光能的色素。③葉綠體基質中還含有少量的DNA和RNA。④葉綠體中類囊體堆疊成基粒，增大了內部膜面積。(3)功能：吸收光能，是光合作用的場所。3．葉綠體中的色素(1)色素的種類：(2)不同色素的吸收光譜：圖示表明：葉綠素對紅光和藍紫光吸收量較大，而類胡蘿卜素對藍紫光的吸收量較大，對其他光吸收量較少，并非不吸收，可見對綠光吸收量最少。特別提示：①大棚膜的選擇：a．要想光合效率最高，選用無色大棚膜，日光中各種色光均可透過。b．要想生產特殊品質的蔬菜、水果，可選用有色大棚膜，此膜可透過同色光，如藍紫膜或紅橙膜，但一般不用綠色薄膜。②葉綠體不同部位發(fā)生的光合作用過程不同：原因是類囊體薄膜上分布光合色素，可以吸收光能，傳遞光能，同時具有轉化光能的酶?；|內分布合成有機物的酶。例2下列有關葉綠體的敘述中，正確的是 (

)A．植物細胞中都含有葉綠體B．葉綠體中含有少量的DNA和RNAC．葉綠體中的色素分布在葉綠體類囊體上和基質中D．葉綠體基質、線粒體基質和細胞質基質所含化合物和功能都相同答案：B解析：葉綠體主要分布在植物的綠色見光的部分，不是植物所有細胞均含有葉綠體，如根細胞。植物細胞中具有遺傳作用的DNA存在于細胞核、葉綠體和線粒體中。葉綠體中具有吸收光能作用的四種色素只分布在葉綠體的類囊體膜上，在葉綠體的基質中不含有色素。不同的基質中，所含化合物的成分不同，功能也不同。變式訓練2葉綠體是植物進行光合作用的細胞器。下列關于葉綠體及色素的敘述中正確的是 (

)A．植物細胞都有葉綠體，葉綠體普遍分布在植物細胞的整個細胞中B．葉綠素在高等植物體內有兩種，葉綠素a呈藍綠色，葉綠素b呈黃綠色C．同線粒體一樣，葉綠體的內膜極大地擴展了受光面積D．葉綠體中的色素只吸收紅光和藍紫光進行光合作用答案：B解析：不是所有的植物細胞都有葉綠體，一般地講，葉綠體分布在綠色植物的綠色部分，主要存在于葉肉細胞中；葉綠體中的色素分為兩大類：葉綠素和類胡蘿卜素。其中，葉綠素又包括藍綠色的葉綠素a和黃綠色的葉綠素b；類胡蘿卜素包括橙黃色的胡蘿卜素和黃色的葉黃素；葉綠體的內膜光滑，其內部的基粒和類囊體一方面擴大了膜面積，供色素和酶分布；另一方面極大地擴展了受光面積。而線粒體的內膜上含有許多與有氧呼吸有關的酶；葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍紫光，并非不吸收其他顏色的光，只不過吸收量較少。1．葉綠體色素的吸收光譜太陽光不是單一的光，到達地表的光波長大約從300nm的紫外光到2600nm的紅外光。其中只有波長大約在390nm～760nm之間的光是可見光。當光束通過三棱鏡后，可把白光分為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七色連續(xù)光譜，這就是太陽的連續(xù)光譜。知識延伸難點3綠葉中色素的吸收光譜葉綠素吸收光譜的最強吸收區(qū)有兩個：一個在波長為640nm～660nm之間的紅光部分，另一個在波長為430nm～450nm的藍紫光部分。對綠光的吸收最少。由于葉綠素對綠光吸收最少，所以葉綠素的溶液呈綠色。2．用三棱鏡觀察葉綠體中色素的吸收光譜采用葉綠體中色素的提取方法提取色素，按下圖所示進行觀察，要設置對照實驗，以便比較說明最后的結果。通過葉綠素的丙酮提取液的光線，經三棱鏡分色后，會發(fā)現(xiàn)在紅光和藍紫光區(qū)域的光線變暗，說明這部分光線被葉綠素吸收掉了。3．反射光與透射光下觀察濾液猜一猜，按照下面的方式來觀察濾液，會看到什么現(xiàn)象？A裝置稱為在透射光下觀察，B裝置稱為在反射光下觀察。A裝置看到的現(xiàn)象為濾液呈綠色，B裝置看到的現(xiàn)象為濾液呈紅色。我們把這種葉綠素溶液在透射光下呈綠色，在反射光下呈紅色的現(xiàn)象稱為熒光現(xiàn)象。因為光波是一種電磁波，各種電磁波的波長不同，對光合作用有效的可見光的波長在400nm～700nm之間。光同時又是一粒一粒地運動著的粒子流，這些粒子叫做光子。每個光子所具有的能量叫做光量子或量子。量子的數(shù)值和光的波長成反比，所以長光波(如紅光)的量子的能量比短光波(如藍紫光)的量子的能量要少。當葉綠素分子吸收量子后，就由最穩(wěn)定、最低能量的基態(tài)提高到一個不穩(wěn)定、高能狀態(tài)的激發(fā)態(tài)。由于激發(fā)態(tài)極不穩(wěn)定，發(fā)射光波，消失能量，迅速由激發(fā)態(tài)降回到基態(tài)。這時發(fā)射的光波就稱為熒光。熒光的壽命很短，為10－8s～10－9s。因為葉綠素分子吸收的光能有一部分消耗于分子內部振動上，輻射出的能量就小，根據(jù)波長與光子能量成反比的規(guī)律，反射光的波長比入射光的波長要長一些。所以葉綠素溶液在反射光下呈紅色，而在透射光下，由于紅光和藍紫光被色素吸收掉，其他顏色的光也有少量吸收，而綠光幾乎不吸收，被完全透過，所以看到的顏色呈綠色。例3陽光通過三棱鏡能顯示出七種顏色的連續(xù)光譜。如果將一瓶葉綠素提取液放在光源和三棱鏡之間，連續(xù)光譜中就會出現(xiàn)一些黑色條帶，這些條帶應位于 (

)A．綠光區(qū)B．紅光區(qū)和綠光區(qū)C．藍紫光區(qū)和綠光區(qū) D．紅光區(qū)和藍紫光區(qū)答案：D解析：本題考查葉綠素吸收光譜的基礎知識，但是換了一種新的情景，將葉綠素溶液置于光源和三棱鏡之間。從物理知識中應該知道陽光通過三棱鏡可以顯示出七種顏色的連續(xù)光譜，在生物學中已學過葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，不吸收綠光。把這兩方面知識結合起來思考，光線通過葉綠素溶液時，紅光和藍紫光被吸收，再通過三棱鏡以后所顯示的連續(xù)光譜中缺乏紅光和藍紫光，就會在這些區(qū)域出現(xiàn)黑色條帶，所以選項D是正確選項，其他各項都是錯誤的。變式訓練3把載有新鮮水綿和細菌的臨時裝片，置于顯微鏡載物臺上觀察。光線從反光鏡反射上來后，可看到細菌從分散狀態(tài)逐漸向水綿方向運動，水綿附近細菌的密度增加。如果在反光鏡上方放置一個三棱鏡，使七種不同顏色的光束照射水綿的不同部位，這時看到細菌逐漸聚集成明顯的兩堆(如下圖所示)請回答：(1)根據(jù)上述實驗可以判斷這類細菌的異化作用類型是____________。作出這一判斷的依據(jù)是____________。(2)放置三棱鏡后，細菌聚集成兩堆的原因____________。答案：(1)需氧型(有氧呼吸型)水綿光合作用放出氧氣(2)葉綠素主要吸收紅光和藍紫光，葉綠體被紅光和藍紫光照射部位光合作用較強，放出的氧氣多解析：植物光合作用吸收CO2，放出O2；根據(jù)異化作用類型，細菌有需氧細菌和厭氧細菌之分；考生只要具備這兩點基本知識和平時使用顯微鏡觀察的實踐能力，就可根據(jù)題目所示的現(xiàn)象對第(l)問作出正確的分析、判斷；這類細菌的異化作用類型是需氧型，因為光合作用放出氧氣。對于第(2)問，需要考生在對顯微鏡和三棱鏡的構造和性能有所了解的基礎上，根據(jù)光合作用利用的光能主要是葉綠素吸收的紅光和藍紫光這一概念，就可得出，葉綠體被紅光和藍紫光照射部位的光合作用最強，放出的氧氣最多，需氧細菌聚集在放出氧氣最多的部位，即紅光和藍紫光照射處，因而分成兩堆。易錯點：光質與植物生長分析：紅光具有促進器官伸長的作用，藍光被類胡蘿卜素吸收后，進而使葉綠體移動，并沿側壁分布，避開直射光，接受散射光。藍光還能使器官向光一側的生長素被破壞，造成背光一側生長素相對分布較多，因而器官(莖)向光彎曲生長。青光、藍紫光和紫外光通過抑制生長素形成，破壞生長素或抑制生長素的活性，從而抑制植物的伸長生長。易錯解析1．葉綠體中色素的提取和分離的實驗目的是(

)A．觀察各種色素的吸收光譜B．驗證葉綠體中色素的種類和各種色素的顏色C．提取高等植物葉綠體中的色素D．用紙層析法將色素進行分離答案：B課堂練習2．在圓形濾紙的中央點上葉綠體色素提取液，對葉綠體的色素進行色素層析，會得到近似同心的四個色素環(huán)，排列在最里圈的色素呈 (

)A．橙黃色 B．藍綠色C．黃綠色 D．黃色答案：C3．對綠色植物的光合作用最有效的一組光是(

)A．紅光和黃綠光 B．黃光和藍紫光C．紅光和橙光 D．紅光和藍紫光答案：D4．溫室或大棚種植蔬菜時，應選擇何種顏色的玻璃、塑料薄膜 (

)A．無色 B．紅色C．藍紫色 D．綠色答案：A5．早在一百多年前(1883年)德國生物學家C.Engelmann用巧妙的實驗研究了光合作用光譜。他將棱鏡產生的光譜投射到絲狀綠藻上，并在絲狀綠藻的懸液中放入一些細菌，然后在顯微鏡下觀察細菌在絲狀綠藻各部分的聚集情況。請分析：(1)細菌聚集多的部分表示__________的濃度高，即該部位絲狀綠藻的__________強度高。(2)這位生物學家在絲狀綠藻的懸液中放入的細菌的異化作用類型是__________。(3)從細菌大量聚集的區(qū)域可以看出：主要作用光譜為__________區(qū)和__________區(qū)。(4)如果將該絲狀綠藻長期放在500nm～551nm的波長下照射，絲狀綠藻將會__________，原因是______________________。(5)什么情況下絲狀綠藻周圍的細菌呈均勻分布？__________。(6)太陽輻射中的紅外光和紫外光能否被絲狀綠藻利用？______________________________________________________________________。答案：(1)氧氣光合作用(2)需氧型(3)紅光藍紫光(4)死亡500nm～551nm為綠光區(qū)，綠光區(qū)不能進行光合作用(5)正常的可見光均勻照射(6)不能備課信箱光合作用是生物界乃至整個自然界最基本的物質代謝和能量代謝，光合作用也真實地顯示出生命系統(tǒng)的自主性和高度有序性。初中階段，學生通過一系列探索性實驗，初步形成光合作用的概念。高中生物學課本將為學生提供光合作用的研究史料，期望學生不僅能從光合作用的發(fā)現(xiàn)過程中深化對概念的理解，而且能受到科學家崇高的精神境界的熏陶，領悟科學探究的方法。教學總結因此，教學中要組織學生認真學習和討論這一部分史料。光合作用內容的學習始于綠葉中色素吸收和轉化光能，教學中要指導學生做好《綠葉中色素的提取和分離》的探究性實驗，并借助投影機、三棱鏡和新鮮菠菜葉片濾液和新鮮胡蘿卜濾液等材料做好綠葉中色素吸收光譜的演示實驗，通過葉綠體結構的學習讓學生進一步體會到生物體結構與功能的相統(tǒng)一。一、練習(課本P100)(一)基礎題1．(1)×(葉綠體中的色素有4種，都能吸收光能)(2)√(葉綠體內含有許多基粒，而每個基粒都含有2個以上，甚至高達100個以上的類囊體，極大地擴展了細胞內的膜面積)2．B3．結論：葉綠體主要吸收紅光和藍光用于光合作用，放出氧氣。習題解析(二)拓展題1．植物吸收光能的色素，還存在于植物幼嫩的莖和果實等器官的一些含有光合色素的細胞中。2．有關。不同顏色的藻類吸收不同波長的光。藻類本身的顏色是反射出來的光，即紅藻反射出紅光，綠藻反射出綠光，褐藻反射出黃色光。水層對光波中的紅、橙部分吸收顯著多于對藍、綠部分的吸收，即達深水層的光線是相對的富含短波長的光，所以吸收紅光和藍紫光較多的綠藻分布于海水的淺層，吸收藍紫光和綠光較多的紅藻分布于海水深的地方。二、問題探討(課本P97)1．用這種方法可以提高光合作用強度。因為葉綠素吸收最多的是光譜中的藍紫光和紅光。不同顏色的光照對植物的光合作用會有影響。2．因為葉綠素對綠光吸收最少，所以不使用綠色的塑料薄膜或補充綠色光源。三、本節(jié)聚焦(課本P97)1．捕獲光能的色素有胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a和葉綠素b4種。2．葉綠體一般呈扁平的橢球形或球形，其結構包括外膜、內膜、基粒和基質。3．葉綠體的雙層膜是透明的，有利于光照的透過；葉綠體中的每個基粒由2～100個類囊體組成，可增大葉綠體內的膜表面，擴大色素的附著面，有利于提高光能的利用效率；葉綠體內的類囊體上和基質中含有多種與光合作用有關的酶，有利于光合反應高效地進行。四、實驗(課本P98)1．濾紙條上有4條不同顏色的色帶，從上往下依次為：胡蘿卜素(橙黃色)、葉黃素(黃色)、葉綠素a(藍綠色)、葉綠素b(黃綠色)。葉綠素a最寬，胡蘿卜素最窄，這說明綠葉中的色素有4種，它們在層析液中的溶解度不同，隨層析液在濾紙條上擴散的快慢也不一樣。2．濾紙條上的濾液細線如果觸及層析液，細線上的色素就會溶解到層析液中，就不會在濾紙上擴散開來，實驗就會失敗。五、與社會的聯(lián)系(課本P99)可選擇紅色或藍色的塑料薄膜(或玻璃)代替普通塑料薄膜(或玻璃)；補充光源可選擇在溫室內懸掛發(fā)紅色或藍色光的燈管。六、資料分析(課本P100)1．恩格爾曼實驗結論：氧氣是葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進行光合作用的場所。2．提示：實驗材料選擇水綿和好氧細菌，水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察，用好氧細菌可確定釋放氧氣多的部位；沒有空氣的黑暗環(huán)境可排除了氧氣和光的干擾；用極細的光束照射，葉綠體上可分為光照多和光照少的部位，相當于一組對比實驗；臨時裝片暴露在光下的實驗再一次驗證實驗結果等。3．葉綠體是光合作用的場所。例1某同學在做“綠葉中色素的提取和分離”實驗時，結果濾紙條上的色素帶顏色很淺，效果不明顯，他認為有可能是下列原因引起的，你覺得他的觀點有誤的是(

)A．綠葉不新鮮B．研磨時未加CaCO3C．畫濾液細線時重復次數(shù)少D．濾液細線浸沒到層析液中答案：D習題延伸例2如圖為某同學對植物葉綠體中色素分離的結果，其中所標記的色素名稱或顏色正確的是 (

)答案：B例3如圖為葉綠體結構示意圖，下列有關葉綠體結構與功能的敘述錯誤的是 (

)A．①和②具有選擇透過性功能B．③上既有光合色素又有光合作用有關的酶C．③和④上都有光合作用有關的酶D．有葉綠體的細胞才能進行光合作用答案：D例4如圖為“綠葉中色素的提取和分離”實驗的部分材料和用具。請據(jù)圖回答：(1)分別在A、B、C三個研缽中加入5g剪碎的新鮮菠菜綠葉，并按下表所示添加試劑，經研磨、過濾得到三種不同顏色的溶液，即：深綠色、黃綠色、幾乎無色。試回答：處理ABC二氧化硅(少量)＋＋＋碳酸鈣(少量)－＋＋無水乙醇(10mL)＋－＋蒸餾水(10mL)－＋－注：“＋”表示加，“－”表示不加。①A處理得到的溶液顏色是__________，原因是

。②B處理得到的溶液顏色是__________，原因是

。③C處理得到的溶液顏色是__________，原因是

。(2)圖中步驟c畫濾液細線的要求是

。(3)圖中步驟d中關鍵應注意

；加蓋的目的是

。(4)色素分離的結果是：相鄰色素帶間距離最寬的是__________和__________，它們的顏色分別是__________和__________，它們主要吸收__________光。答案：(1)①黃綠色部分葉綠素受到破壞②幾乎無色葉綠體色素不溶于水③深綠色大量葉綠體色素溶于無水乙醇中(