第5章細(xì)胞的能量供應(yīng)和利用第4節(jié)光合作用與能量轉(zhuǎn)化(第1課時(shí))

細(xì)胞呼吸是指有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，釋放能量并生成ATP的過程。細(xì)胞呼吸實(shí)質(zhì)是為生物體的生命活動(dòng)提供能量。知識(shí)回顧C(jī)6H12O6+6O2+6H2O6CO2+12H2O+能量酶C6H12O6酶C6H12O6酶2C3H6O3(乳酸)+少量能量2C2H5OH(酒精)+2CO2+少量能量？問題探討

你參觀或聽說過植物工廠嗎？植物工廠在人工精密控制光照、溫度、濕度、二氧化碳濃度和營養(yǎng)液成分等條件下，生產(chǎn)蔬菜和其他植物。有的植物工廠完全依靠LED燈等人工光源，其中常見的是紅色、藍(lán)色和白色的光源。1、靠人工光源生產(chǎn)蔬菜有什么好處？2、為什么要控制二氧化碳濃度、營養(yǎng)液成分和溫度等條件？

避免由于自然環(huán)境中光照強(qiáng)度不足導(dǎo)致光合作用強(qiáng)度低造成的減產(chǎn)。人工光源的強(qiáng)度和不同色光可以調(diào)控，可以根據(jù)植物生長情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，使蔬菜產(chǎn)量達(dá)到最大。

影響光合作用的因素很多，既有植物自身?xiàng)l件，也有外界環(huán)境條件。二氧化碳濃度、營養(yǎng)液和溫度是影響植物生長重要外部條件，因此要進(jìn)行控制，讓植物達(dá)到最佳的生長狀態(tài)。在植物工廠里，人工光源可以為植物的生長源源不斷地提供能量。在自然界，則是萬物生長靠太陽。太陽光能的輸入、捕獲和轉(zhuǎn)化是生物圈得以維持運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。光合作用是唯一能夠捕獲和轉(zhuǎn)化光能的生物學(xué)途徑。那么植物捕獲光能的特定物質(zhì)和結(jié)構(gòu)是什么？問題探討玉米(白化苗)玉米(正常苗)白化苗由于不能形成葉綠素，無法進(jìn)行光合作用，待種子中貯存的養(yǎng)分耗盡就會(huì)死亡。這說明光合作用需要色素去捕獲光能。白化苗不能進(jìn)行光合作用，無法制造有機(jī)養(yǎng)料正常幼苗能進(jìn)行光合作用制造有機(jī)養(yǎng)料太陽能是怎么轉(zhuǎn)變成生命活動(dòng)可以利用的能量的呢？一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)思考：細(xì)胞哪些結(jié)構(gòu)含有色素？液泡：花青素（水溶性）葉綠體：多種光合色素（脂溶性）為什么有些植物葉片不是綠色的？為什么有些植物的葉片在不同時(shí)期顏色不同呢？植物葉片中到底含有哪些色素？色素易溶于無水乙醇等有機(jī)溶劑中，可以用來提取綠葉中的色素。（丙酮中也可以溶解色素，但丙酮微毒，一般不用）（萃取法）實(shí)驗(yàn)原理：2、分離色素原理：1、提取色素原理：綠葉中的色素不止一種，都能溶解在層析液中，不同色素溶解度不同，溶解度高的色素隨層析液在濾紙上擴(kuò)散速度快，反之則慢。（紙層析法）實(shí)驗(yàn)

綠葉中色素的提取和分離探究?實(shí)踐①無水乙醇*可用體積分?jǐn)?shù)為95%的乙醇加入適量無水碳酸鈉來代替②層析液（石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1）*成分:20份__________________________、2份_____和1份___混合而成；在60-90℃下分餾出來的石油醚丙酮苯③二氧化硅:*有助于研磨得充分；④碳酸鈣:*防止研磨中色素(主要保護(hù)葉綠素)被破壞；*作用：溶解色素、提取色素；*作用：分離色素2.實(shí)驗(yàn)材料與試劑新鮮的綠葉（深綠，色素含量高。如菠菜的綠葉）綠葉中色素的提取和分離方法步驟：稱取5g左右新鮮綠葉（色素含量高），剪碎，放入研缽中。加少許的二氧化硅SiO2（有助于研磨充分）和碳酸鈣CaCO3(防止色素被破壞)與10ml無水乙醇（提取色素）。在研缽中迅速、充分研磨（減少揮發(fā)、充分溶解色素）。將研磨液倒入漏斗用單層尼龍布（不用濾紙，濾紙會(huì)吸附色素）過濾，及時(shí)用棉塞將試管口塞嚴(yán)（防止溶劑揮發(fā)和色素分子被氧化）。1、提取綠葉中的色素2、制備濾紙條將干燥的定性濾紙剪成寬度略小于試管直徑、長度略小于試管長度的濾紙條，再將濾紙條一端剪去兩角，并在距這一端底部1cm處用鉛筆畫一條細(xì)的橫線。剪去兩角鉛筆線1CM3、畫濾液細(xì)線用毛細(xì)吸管吸取少量濾液，沿鉛筆線均勻地畫出一條細(xì)線。待濾液干后，再重畫一到兩次。（增加色素含量，使色素帶更清晰）4、分離綠葉中的色素

有濾液細(xì)線的一端朝下插入層析液中，濾紙上的濾液細(xì)線不能觸到層析液，否則濾液細(xì)線中的色素就會(huì)被層析液溶解，而不能在濾紙上擴(kuò)散。也可用小燒杯代替試管，用培養(yǎng)皿蓋住小燒杯。（防止層析液揮發(fā)）實(shí)驗(yàn)結(jié)果①5g新鮮綠葉→剪碎置研缽中3.方法步驟：②加入少許二氧化硅和碳酸鈣，再放入10ml無水乙醇色素含量多有助于研磨得充分防止色素被破壞提取色素(1)提取綠葉中的色素：①研磨★要求：要迅速、充分減少溶劑（無水乙醇）揮發(fā)，充分溶解色素②過濾：獲取色素濾液★注意用棉塞將試管口塞嚴(yán)防止濾液揮發(fā)和色素分子被氧化單層尼龍布：濾紙會(huì)吸附色素①制備濾紙條：干燥的定性濾紙(2)色素的分離（紙層析法）1cm鉛筆線要剪去兩角減少邊緣效應(yīng)，使層析液在濾紙條上擴(kuò)散均勻②畫濾液細(xì)線★要求：細(xì)、直、齊注意：待濾液干后，再畫一兩次。為防止色素帶重疊而影響分離效果用毛細(xì)吸管，吸取少量濾液，沿著鉛筆線均勻地畫（積累更多的色素）使色素帶更清晰③分離色素：層析液培養(yǎng)皿（防止層析液揮發(fā)，因其易揮發(fā)且有毒）

將濾紙條有濾液細(xì)線的一端插入層析液。防止色素溶解于層析液中而無法分離注意：不能讓濾液細(xì)線觸及層析液為何要蓋上培養(yǎng)皿？過程操作內(nèi)容操作目的提取色素材料葉片要新鮮、深綠試劑二氧化硅碳酸鈣無水乙醇關(guān)鍵步驟研磨要迅速、充分盛濾液的試管口加棉塞用單層尼龍紗布過濾而不用濾紙分離色素試劑層析液關(guān)鍵步驟濾紙條的一端剪去兩角濾液細(xì)線重復(fù)畫若干次，且要求細(xì)、直、齊濾液細(xì)線不能觸及層析液使濾液中色素含量高有助于研磨的充分防止研磨過程中色素（葉綠素）被破壞溶解（提?。┥胤乐谷軇]發(fā)、充分溶解色素防止濾液揮發(fā)和色素分子被氧化防止色素吸附在濾紙上分離色素防止層析液在濾紙條的邊緣處擴(kuò)散過快積累更多的色素，使色素帶更清晰防止色素溶解到層析液中要點(diǎn)提示胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b4、觀察與記錄（黃綠色）（橙黃色）（黃色）（藍(lán)綠色)*色素的寬窄可以表示色素的含量??！相鄰最近ab相鄰最遠(yuǎn)胡黃含量（寬度）：葉綠素ａ＞葉綠素ｂ＞葉黃素＞胡蘿卜素濾紙上色素帶說明了綠葉中色素有4種，它們?cè)趯游鲆褐腥芙舛炔煌?，隨層析液在濾紙條上擴(kuò)散的快慢也不同；同時(shí)由于4種色素的顏色不同，也說明不同色素吸收了不同波長的光。胡蘿卜素最少最高最快黃色葉綠素a藍(lán)綠色最多葉綠素b黃綠色最低最慢葉綠素類胡蘿卜素（含量約3/4）（含量約1/4）葉綠素a（藍(lán)綠色）葉綠素b（黃綠色）胡蘿卜素（橙黃色）葉黃素（黃色）色素含量(色素帶寬度):葉綠素a＞葉綠素b＞葉黃素＞胡蘿卜素溶解度(擴(kuò)散速度):胡蘿卜素＞葉黃素＞葉綠素a＞葉綠素b距離最遠(yuǎn):距離最近：胡蘿卜素葉綠素b綠葉中的色素5、實(shí)驗(yàn)結(jié)論綠葉中含有四種色素：拓展延伸類胡蘿卜素（含量約1/4）胡蘿卜素胡蘿卜素主要有α、β、γ三種形式，其中最為重要的為β-胡蘿卜素。它是自然界中最普遍存在也是最穩(wěn)定的天然色素。它是一種最常見的維生素A補(bǔ)充劑。維生素A對(duì)于人體視覺發(fā)育至關(guān)重要。葉黃素葉黃素在蔬菜、水果、花卉等植物中廣泛存在，也是存在于人眼視網(wǎng)膜黃斑區(qū)的主要色素。人類等哺乳動(dòng)物不能自行合成葉黃素，外來食物是唯一的葉黃素?cái)z入來源。組成元素為C、H、O組成元素為C、H拓展延伸葉綠素（含量約3/4）1.組成元素：C、H、O、N、Mg2.影響葉綠素合成的三大因素光照溫度必需元素韭黃，同屬于韭菜的一種，韭黃是韭菜通過培土，遮光等在黑暗環(huán)境中軟化栽培后產(chǎn)生的黃化韭菜。秋天葉片變黃柑橘缺鎂，葉面黃化知識(shí)拓展影響葉綠素合成的因素：（1）光照：光照是影響葉綠素合成的主要因素，植物在黑暗一般不能合成葉綠素，因而葉片發(fā)黃；（2）溫度：溫度可影響與葉綠素合成有關(guān)的酶的活性，進(jìn)而影響葉綠素的合成；另外，低溫時(shí)葉綠素分子易被破壞，因?yàn)榍锾烊~片變黃；（3）礦質(zhì)元素：葉綠素中含有N、Mg等礦質(zhì)元素，若缺乏將導(dǎo)致葉綠素?zé)o法合成；1.若色素提取液顏色過淺，其原因有：①選取的葉片顏色不是深綠色或稱取的綠葉過少或放置數(shù)天的菠菜葉，色素含量少；②一次加入大量的無水乙醇，色素溶液濃度??；③未加碳酸鈣或加入的過少，色素分子部分破壞；④研磨不充分，色素未能充分提取出來。3.濾紙條無色素帶①忘記畫濾液細(xì)線

②濾液細(xì)線接觸到層析液，且時(shí)間較長，色素全部溶解到層析液中

提取液色素帶異?，F(xiàn)象的分析：2.濾紙條色素帶重疊①濾液細(xì)線不直②濾液細(xì)線過粗③濾紙條一端兩角剪得不對(duì)稱思考:

請(qǐng)小組合作分析以下異常情況原因：收集的濾液綠色過淺、濾紙條色素帶重疊、濾紙條看不到色素帶等。四位同學(xué)，利用新鮮綠色菠菜葉進(jìn)行葉綠體中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，得到了四種不同的層析結(jié)果。下列分析錯(cuò)誤的是A.甲可能誤用蒸餾水作提取液和層析液B.乙可能是因?yàn)檠心r(shí)加入無水乙醇過多C.丙可能是正確操作得到的理想結(jié)果D.丁可能是研磨時(shí)未加入CaCO3鞏固練習(xí)【拓展實(shí)驗(yàn)】思考：如果在圓形濾紙的中央點(diǎn)開始，對(duì)葉綠體的色素進(jìn)行層析，會(huì)看到什么現(xiàn)象？會(huì)出現(xiàn)四個(gè)同心圓的色素帶，從外往里依次為____________________________________________；胡蘿卜素橙黃、葉黃素黃、葉綠素a藍(lán)綠、葉綠素b黃綠（一）捕獲光能的色素1.色素的種類：葉綠素a和葉綠素b、胡蘿卜素和葉黃素3.光譜和色素的吸收光譜2.色素的功能：吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能太陽光是由不同波長的光組合成的復(fù)合光，在穿過三棱鏡時(shí)，不同波長的光會(huì)分散開，形成不同顏色的光帶稱為光譜。分別讓不同顏色的光照射色素溶液，可以得到色素的吸收光譜。一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)葉綠素和類胡蘿卜素的吸收光譜葉綠素a和葉綠素b主要吸收

；胡蘿卜素和葉黃素主要吸收

。藍(lán)紫光和紅光藍(lán)紫光

實(shí)驗(yàn)表明：葉綠素a和b在藍(lán)紫光和紅光部分都有很高的吸收峰。色素的吸收光譜葉綠素溶液類胡蘿卜素溶液思考樹葉為什么是綠色？因?yàn)槿~綠素對(duì)綠光吸收最少，綠光被反射回來，所以葉片才呈現(xiàn)綠色。葉綠素主要吸收紅光和藍(lán)紫光類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光【知識(shí)拓展】光是一種電磁波；可見光的波長是400-760nm；不同波長的光，顏色不同；波長小于400nm的光是紫外光；波長大于760nm的光是紅外光；一般情況下，光合作用所利用的光都是可見光；總結(jié)：捕獲光能的色素葉綠素類胡蘿卜素葉綠素a葉綠素b胡蘿卜素葉黃素藍(lán)綠色黃綠色橙黃色黃

色占3/4主要吸收藍(lán)紫光和紅光主要吸收藍(lán)紫光占1/4捕獲光能的色素【與生活的聯(lián)系】選無色透明的塑料薄膜，為了讓各種波長的太陽光都穿過塑料薄膜，即讓植物吸收更多的光能。1.根據(jù)色素對(duì)不同波長的光的吸收的特點(diǎn)，想一想溫室或大棚種植蔬菜時(shí)，應(yīng)選擇什么顏色的玻璃、塑料薄膜或補(bǔ)充光源？選藍(lán)紫光和紅光，因?yàn)樵谡彰鳠艄β氏嗤那闆r下，選用藍(lán)紫光和紅光的照明燈補(bǔ)充光源，植物利用光能的效率更高。2.陰天時(shí)，為了增加蔬菜的產(chǎn)量，在功率相同的情況下，應(yīng)選擇什么顏色(“藍(lán)紫光和紅光”或“白光”)的照明燈為蔬菜補(bǔ)充光源？為什么？3.銀杏的葉秋季為什么變黃了？

秋季，葉片的葉綠素分子在低溫下被破壞，而類胡蘿卜素較穩(wěn)定，所以顯出類胡蘿卜素的顏色。4.秋天楓葉變紅色的原因是什么？

秋天葉綠體內(nèi)的色素主要類胡蘿卜素，呈橙黃色和黃色；液泡內(nèi)的色素主要是花青素，在酸性條件下呈紅色；1．如圖表示某同學(xué)做“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)裝置。應(yīng)將濾液滴在a處還是b處？實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)會(huì)出現(xiàn)四個(gè)不同顏色的同心圓，最外層應(yīng)是什么顏色？a處橙黃色2.用紙層析法分離葉片的光合色素，

（能/不能)得到各種色素具體含量為多少，理由是不能利用紙層析法只能在濾紙條上觀察到色素的種類和相對(duì)含量，不能定量分析層析液3.正常葉片顏色為

色，原因是

。4.寒冷條件下葉片一般為

色，原因是

。5.秋天葉片變紅色的原因是

。6.給色素提取液提供適宜的光照、CO2等外界條件

（能/不能）進(jìn)行光合作用，原因是

。7.大棚種植蔬菜時(shí)，選擇什么顏色的塑料薄膜最好？綠正常葉片的葉綠素和類胡蘿卜素的比例為3∶1，且對(duì)綠光吸收最少，所以正常葉片總是呈現(xiàn)綠色黃寒冷時(shí)，葉綠素分子易被破壞，類胡蘿卜素較穩(wěn)定，葉片顯示出類胡蘿卜素的顏色而變黃

秋天降溫時(shí)，體內(nèi)形成紅色的花青素，

葉綠素因寒冷逐漸降解不能色素提取液中只有光合作用相關(guān)的色素，沒有與光合作用相關(guān)的酶等白色或無色捕獲光能的色素存在于哪里呢？綠葉葉片中的葉肉細(xì)胞葉肉細(xì)胞亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖葉綠體亞顯微結(jié)構(gòu)模式圖內(nèi)膜外膜基?；|(zhì)類囊體色素酶這些囊狀結(jié)構(gòu)稱為類囊體。吸收光能的四種色素就分布在類囊體薄膜上。

想一想：葉綠體內(nèi)有如此多的基粒和類囊體，有什么作用？極大地?cái)U(kuò)展了受光的面積。

吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能。（只有特殊狀態(tài)下的葉綠

素a可以轉(zhuǎn)化光能）色素的功能？（二）.葉綠體的結(jié)構(gòu)適于進(jìn)行光合作用胡蘿卜素：C40H56葉黃素：C40H56O2葉綠素a:C55H72O5N4Mg葉綠素b:C55H70O6N4Mg拓展延伸色素的功能？

吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能。（只有特殊狀態(tài)下的葉綠素a可以轉(zhuǎn)化光能）1.形態(tài)結(jié)構(gòu)：一般呈扁平的橢球形或球形。膜外膜內(nèi)膜基粒構(gòu)成：由囊狀結(jié)構(gòu)的類囊體堆疊而成（增大膜面積）成分：含與光合作用有關(guān)的色素和酶基質(zhì)：含少量DNA、RNA、與光合作用有關(guān)的酶2.功能：進(jìn)行光合作用的場所。小結(jié)：捕獲光能的結(jié)構(gòu)——葉綠體1.分布：主要在葉肉細(xì)胞，少數(shù)分布在幼嫩的莖、果實(shí)中。2.形態(tài)：呈扁平的橢球形或球形可根據(jù)光照強(qiáng)弱來改變自己的狀態(tài)外界光照較強(qiáng)，葉綠體以側(cè)面接收光照外界光照較弱，葉綠體以正面接收光照保證接收到充分的光照，又可避免被強(qiáng)光灼傷。3.結(jié)構(gòu)：葉綠體外膜內(nèi)膜基粒:由兩個(gè)以上的類囊體組成

含有色素和與光反應(yīng)有關(guān)的酶基質(zhì)：含多種與暗反應(yīng)有關(guān)的酶，是暗反應(yīng)的場所。透明有利于光照的透過擴(kuò)展了膜的受光的面積，擴(kuò)大色素和酶的附著位點(diǎn)，是光反應(yīng)的場所。葉綠體含有色素和光合作用必需的酶，是光合作用的基礎(chǔ)。隔絕空氣黑暗，用極細(xì)光束照射完全暴露在光下水綿和好氧細(xì)菌的裝片有關(guān)葉綠體的功能的實(shí)驗(yàn)：（1）恩格爾曼第一實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？

氧是由葉綠體釋放出來的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場所，光合作用需要光照。極細(xì)光束照射完全曝光好氧細(xì)菌集中于葉綠體被光束照射的部位好氧細(xì)菌分布于葉綠體所有受光部位水綿好氧細(xì)菌黑暗無空氣1880年恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)(一)極細(xì)光束(2)恩格爾曼在選材、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上有什么巧妙之處？水綿：葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察。好氧細(xì)菌：確定釋放氧氣多的部位。無空氣黑暗環(huán)境：排除氧氣和光的干擾。極細(xì)光束：葉綠體上可分為光照多和光照少的部位，相當(dāng)于一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。暴露于光下：驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。（3）在第二個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用透過三棱鏡的光照射水綿臨時(shí)裝片，發(fā)現(xiàn)大量的需氧細(xì)菌聚集在紅光和藍(lán)紫光區(qū)域，為什么？因?yàn)樗d葉綠體上的光合色素主要吸收紅光和藍(lán)紫光，在此波長光照射下，葉綠體會(huì)釋放氧氣，適于好氧細(xì)菌在此區(qū)域分布。1881年恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)(二)三棱鏡好氧細(xì)菌聚集在紅光和藍(lán)紫光的區(qū)域照射水綿（4）綜合上述資料，你認(rèn)為葉綠體具有什么功能？葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所，并且能夠吸收特定波長的光。光合作用的場所只能是葉綠體嗎？

藍(lán)細(xì)菌、光合細(xì)菌等沒有葉綠體也能進(jìn)行光合作用。恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)直接證明了葉綠體能吸收光能用于光合作用放氧。

結(jié)合其他的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，科學(xué)家們得出葉綠體是光合作用的場所這一結(jié)論。

在葉綠體內(nèi)部巨大的膜表面上，分布著許多吸收光能的色素分子，在類囊體膜上和葉綠體基質(zhì)中，還有許多進(jìn)行光合作用所必需的酶。這是葉綠體捕獲光能、進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。1864年，（德）薩克斯的實(shí)驗(yàn)結(jié)論:植物在

通過光合作用制造了

。用碘液檢驗(yàn)遮光曝光暗處理

設(shè)置對(duì)照（曝光對(duì)遮光）用酒精水浴脫色光下淀粉①設(shè)置了

對(duì)照（

）自變量：

（實(shí)驗(yàn)組）和

（對(duì)照組），因變量：

。②饑餓處理的目的：

。

一半曝光

.

黑暗中饑餓處理的綠葉一半遮光

.

1864年，（德）薩克斯的實(shí)驗(yàn)碘蒸氣熏蒸分析變藍(lán)不變藍(lán)自身有無光照無光有光是否產(chǎn)生了淀粉耗盡葉片中原有的有機(jī)物1、研磨綠葉時(shí)要加入碳酸鈣，其目的是