5.4.1光合作用與能量轉(zhuǎn)化一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)你參觀或聽(tīng)說(shuō)過(guò)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(yíng)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(jiàn)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(yíng)養(yǎng)液成分和溫度等條件？用人工光源可以避免由于自然環(huán)境中光照強(qiáng)度不足導(dǎo)致的減產(chǎn)。同時(shí)，人工光源的強(qiáng)度和不同色光是可以調(diào)控的，可以根據(jù)植物生長(zhǎng)的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使蔬菜產(chǎn)量達(dá)到最大。二氧化碳濃度、營(yíng)養(yǎng)液成分和溫度是影響植物生長(zhǎng)的重要外部條件，因此要進(jìn)行控制，以便讓植物達(dá)到最佳的生長(zhǎng)狀態(tài)。問(wèn)題探討討論在植物工廠里，人工光源可以為植物的生長(zhǎng)源源不斷地提供能量，在自然界，萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)。太陽(yáng)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。因此，有人稱光合作用是“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”。那么，植物捕獲光能需要依靠的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)是什么呢？H2OCO2C6H12O6O2綠色植物能夠捕獲光能一、捕獲光能的色素植物的葉片多數(shù)是綠色的，說(shuō)明其中有綠色的色素。玉米中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)白化苗。白化苗由于不能進(jìn)行光合作用，待種子中貯存的養(yǎng)分耗盡就會(huì)死亡。證明：光合作用需要色素；綠葉中的色素可能與光能的捕獲有關(guān)綠葉中的色素究竟有哪些呢？都參與植物的光合作用嗎？玉米苗正常玉米植株和白化玉米植株綠葉中色素的提取和分離（1）提取：色素能溶解在有機(jī)溶劑無(wú)水乙醇中（2）分離：紙層析法。

綠葉中的色素都能溶解在層析液中。

不同色素在層析液中的溶解度不同：溶解度高的隨

層析液在濾紙上擴(kuò)散得快；反之則慢。實(shí)驗(yàn)原理：材料用具：新鮮的綠葉（如菠菜葉）、定性濾紙等、無(wú)水乙醇、層析液、二氧化硅、碳酸鈣等（體積分?jǐn)?shù)95%乙醇+無(wú)水碳酸鈉）方法步驟：1.提取綠葉中的色素（2）加入少許SiO2和CaCO3，

再加入10mL無(wú)水乙醇，研磨（3）將研磨液迅速倒入玻璃漏斗（漏斗基部放一塊單層尼龍布）進(jìn)行過(guò)濾。將濾液收集到試管中，及時(shí)用棉塞將試管口塞嚴(yán)。(防止乙醇揮發(fā)和色素氧化)SiO2有助于研磨充分CaCO3防止色素被破壞無(wú)水乙醇溶解色素（1）稱取5g菠菜葉，剪去主葉脈，

剪碎，放人研缽中。剪碎加乙醇研磨過(guò)濾濾液綠葉中色素的提取為什么要剪去兩角？2.制備濾紙條方法步驟：避免層析液在邊緣擴(kuò)散過(guò)快（邊緣效應(yīng)），使其同步到達(dá)細(xì)線1cm鉛筆線剪去兩角將干燥的定性濾紙剪成寬度略小于試管直徑、長(zhǎng)度略小于試管長(zhǎng)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(huà)一條細(xì)的橫線。干燥的定性濾紙綠葉中色素的分離要求：細(xì)而齊，

重復(fù)2—3次，待濾液干后，再畫(huà)一兩次。

方法步驟：3.畫(huà)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(huà)出一條細(xì)線(也可將濾液倒入培養(yǎng)皿,再用蓋玻片蘸取濾液，在橫線處按壓出均勻的細(xì)線).待濾液干后,再重畫(huà)一到兩次。(使色素帶平整、不重疊)

（為了積累更多的色素使分離色素帶更明顯）綠葉中色素的分離為什么層析液不能浸沒(méi)濾液細(xì)線？防止色素溶解在層析液中為何要蓋上培養(yǎng)皿？防止層析液揮發(fā)，因其易揮發(fā)且有毒插濾紙條層析液培養(yǎng)皿方法步驟：4.分離色素將適量層析液倒入小燒杯(試管)中，將濾紙條輕輕插入層析液中，隨后用用培養(yǎng)皿蓋住燒杯口（棉塞塞緊試管口）。綠葉中色素的分離胡蘿卜素葉黃素葉綠素a葉綠素b方法步驟：5.觀察和記錄下（橙黃色）（黃色）（藍(lán)綠色）（黃綠色）（含量約占3/4）（含量約占1/4）類胡蘿卜素葉綠素思考：1.色素帶的位置說(shuō)明什么問(wèn)題？2.色素帶的寬窄說(shuō)明什么問(wèn)題？綠葉中色素的提取和分離上過(guò)程注意事項(xiàng)操作目的提取色素1選鮮嫩、深綠色的葉片2研磨時(shí)加無(wú)水乙醇3加少量SiO2和CaCO34迅速、充分研磨5盛濾液的試管管口加棉塞分離色素1濾液細(xì)線：直、細(xì)、均勻2濾液細(xì)線干燥后重復(fù)畫(huà)一兩次3濾液細(xì)線不觸及層析液使濾液中色素含量高溶解葉綠體中的色素研磨充分和保護(hù)葉綠素防止乙醇蒸發(fā)，并充分溶解色素防止乙醇揮發(fā)和色素氧化使分離的色素帶平整、不重疊積累更多的色素使分離色素帶更明顯防止色素直接溶解到層析液中實(shí)驗(yàn)中的注意事項(xiàng)和操作目的歸納實(shí)驗(yàn)分析：(1)收集到的濾液綠色過(guò)淺的原因分析①使用放置數(shù)天的菠菜葉，濾液色素(葉綠素)太少。②一次加入大量的無(wú)水乙醇提取濃度太低(分次加入少量無(wú)水乙醇提取色素)③未加石英砂二氧化硅，研磨不充分。④未加碳酸鈣或加入過(guò)少，色素分子被破壞。（2）若色素帶顏色較淺，其原因有⑤劃濾液細(xì)線的次數(shù)太少，濾紙條上的色素含量少⑥層析時(shí)，部分濾液細(xì)線已觸及層析液同上4點(diǎn)6.實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與思考

胡蘿卜素、葉黃素、葉綠素a、葉綠素b四個(gè)同心圓的色素帶,從外往里依次為:在濾紙的中央滴一滴色素提取液，再滴一滴層析液，色素隨層析液擴(kuò)散，會(huì)得到近似同心環(huán)的4個(gè)色素圈，由外向內(nèi)依次是什么色素？分別是什么顏色？思考：四種色素對(duì)光的吸收有什么差別呢？陽(yáng)光是由不同波長(zhǎng)的光組合成的復(fù)合光，在穿過(guò)三棱鏡時(shí)，不同波長(zhǎng)的光會(huì)分散開(kāi)，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就可以得到色素溶液的吸收光譜。綠葉中色素只能吸收可見(jiàn)光能自然光經(jīng)過(guò)色素提取液后通過(guò)三棱鏡現(xiàn)象：光屏出現(xiàn)明顯的色光帶現(xiàn)象：色光帶變暗，且藍(lán)紫光和紅光大部分被吸收光合作用與能量轉(zhuǎn)化(共80張PPT)自然光通過(guò)三棱鏡一、捕獲光能的色素光是一種電磁波；可見(jiàn)光的波長(zhǎng)是400-760nm；不同波長(zhǎng)的光，顏色不同；波長(zhǎng)小于400nm的光是紫外光；波長(zhǎng)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(jiàn)光；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：葉綠素a和葉綠素b主要吸收藍(lán)紫光和紅光，

胡蘿卜素和葉黃素主要吸收藍(lán)紫光，這4種色素吸收的光波長(zhǎng)有差別，但是都可以用于光合作用。綠葉中色素幾乎不吸收綠光，綠光反射入眼，人們看到的是綠色。一、捕獲光能的色素光合色素功能：吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能葉綠素a:C55H72O5N4Mg葉綠素b:C55H70O6N4Mg胡蘿卜素：C40H56葉黃素：C40H56O2一、捕獲光能的色素和結(jié)構(gòu)小結(jié)：色素與吸收光譜1.色素吸收用于光合作用的光都是可見(jiàn)光，吸收藍(lán)紫光最多，紅光次之，綠光最少。2.葉綠素主要吸收藍(lán)紫光和紅光，類胡蘿卜素主要吸收藍(lán)紫光。3.白光是一種復(fù)合光，比任何單一種顏色光的光合作用的效果都要好。4.光能不能儲(chǔ)存，要通過(guò)光合作用固定下來(lái)，轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在有機(jī)物中。5.吸收光能的色素包括葉綠素、類胡蘿卜素、藻藍(lán)素，水溶性的花青素與光合作用無(wú)關(guān)。6.葉綠素不穩(wěn)定，在低溫下易被破壞，故秋天葉片會(huì)變黃。那么，這些色素存在于細(xì)胞中的什么部位呢？顯微鏡下的葉綠體類囊體色素酶②葉綠體由雙層膜包被，內(nèi)部有基許多基粒。每個(gè)基粒都由一個(gè)個(gè)圓餅狀的囊狀結(jié)構(gòu)堆疊而成，這些囊狀結(jié)構(gòu)稱之為類囊體。①每個(gè)基粒都含有兩個(gè)以上的類囊體，多的可達(dá)100個(gè)以上，葉綠體內(nèi)有如此眾多的基粒和類囊體，極大的擴(kuò)展了受光面積，提供了酶的附著位點(diǎn)。葉綠體除吸收光能外，還有什么功能呢？③吸收光能的4種色素就分布在類囊體的薄膜上，基粒與基粒之間充滿了基質(zhì)。(一)葉綠體的結(jié)構(gòu)二、葉綠體的結(jié)構(gòu)適于進(jìn)行光合作用資料1：1881年，恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)1：把載有水綿和需氧細(xì)菌的臨時(shí)裝片放在沒(méi)有空氣的小室內(nèi)，在黑暗中用極細(xì)的光束照射水綿，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌只向葉綠體被光束照射到的部位集中；如果把裝置放在光下，細(xì)菌則分布在葉綠體所有受光部位。注：水綿的葉綠體呈螺旋帶狀分布，

細(xì)菌為需氧菌，可以運(yùn)動(dòng)。1.恩格爾曼第一個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？氧氣是葉綠體釋放出來(lái)的，葉綠體是綠色植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所。(二)葉綠體的功能1.選材：（1）水綿具有細(xì)長(zhǎng)的帶狀葉綠體，易于觀察現(xiàn)象。

（2）好氧細(xì)菌的利用，準(zhǔn)確顯示出氧氣產(chǎn)生的部位。2.設(shè)計(jì)：黑暗無(wú)空氣的設(shè)計(jì)，排除了氧氣和光的干擾。

4.進(jìn)行黑暗(局部光照)和曝光對(duì)比實(shí)驗(yàn),從而明確實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全是光照引起。3.極細(xì)的光束照射：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)。2.恩格爾曼在選材、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上有什么巧妙之處？思考1：實(shí)驗(yàn)材料為什么選擇水綿和需氧細(xì)菌？

思考2：為何要除去小室中原有的空氣？

思考3：在黑暗中用極細(xì)光束照射水綿有何巧妙之處？

水綿的葉綠體呈螺旋式帶狀，便于觀察。需氧細(xì)菌可確定釋放O2的部位。選用黑暗并且沒(méi)有空氣的環(huán)境，可排除光線和氧的干擾葉綠體上有光照多和光照少的部位，相當(dāng)于一組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。葉綠體的色素主要吸收紅光和藍(lán)紫光進(jìn)行光合作用放出氧氣。實(shí)驗(yàn)二現(xiàn)象：分析：思考：這一巧妙的實(shí)驗(yàn)說(shuō)明了什么？葉綠體中的色素主要吸收紅光與藍(lán)紫光，幾乎不吸收綠光(二)葉綠體的功能用透過(guò)三棱鏡的光照射水綿臨時(shí)裝片，大量的需氧細(xì)菌聚集在紅光和藍(lán)紫光區(qū)域。資料2在類囊體膜上和葉綠體基質(zhì)中，含有多種進(jìn)行光合作用所必需的酶。光合作用的場(chǎng)所是葉綠體葉綠體能吸收光能用于光合作用釋放氧氣恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)其他實(shí)驗(yàn)證據(jù)（如有機(jī)物的合成部位在葉綠體）不能說(shuō)明說(shuō)明說(shuō)明1954年科學(xué)家才確認(rèn)光合作用全過(guò)程均發(fā)生在葉綠體

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，在類囊體薄膜上和葉綠體基質(zhì)中，還有許多進(jìn)行光合作用所必需的酶。這是葉綠體能進(jìn)行光合作用的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)?？偨Y(jié)課堂小結(jié)與生活的聯(lián)系1.為什么有些植物葉片在不同時(shí)期顏色不同呢？春夏：由于葉綠素的含量大大超過(guò)類胡蘿卜素，

而使類胡蘿卜素的顏色被掩蓋，只顯示出葉綠素的綠色。秋天：由于秋季低溫使葉綠素被大量破壞，

而使類胡蘿卜素的顏色顯示出來(lái)，葉片變黃。2.植物工廠里為什么不用發(fā)綠光的光源？葉綠體中的色素幾乎不吸收綠光。3.大棚種植蔬菜時(shí)，選擇什么顏色的塑料薄膜最好？白色或無(wú)色植物色素比較項(xiàng)目光合色素細(xì)胞液色素存在部位葉綠體液泡溶解性脂溶性水溶性代表種類類胡蘿卜素和葉綠素花青素顏色橙黃、黃、綠紅、藍(lán)、紫顏色變化不隨pH改變變化顏色隨pH改變變化顏色海洋中的藻類，習(xí)慣上依其顏色分為綠藻、褐藻和紅藻，它們?cè)诤Ｋ械拇怪狈植即笾乱来问菧\、中、深。這種現(xiàn)象與光能的捕獲有關(guān)嗎？拓展應(yīng)用

綠藻褐藻紅藻不同波長(zhǎng)的光穿透深度藻類含量最多的色素水層及主要存在的光綠藻褐藻紅藻主要吸收紅光和藍(lán)紫光，反射綠光主要吸收綠光藍(lán)紫光，反射紅黃光主要吸收藍(lán)紫光,反射紅光存在紅光和藍(lán)紫光淺水層存在綠光和藍(lán)紫光中水層存在藍(lán)紫光深水層D在做綠葉中色素的提取和分離實(shí)驗(yàn)時(shí)，甲、乙、丙、丁四位同學(xué)對(duì)相關(guān)試劑的使用情況如下表所示(“＋”表示使用，“－”表示未使用)，其余操作均正常，他們所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果依次應(yīng)為(

)項(xiàng)目甲乙丙丁無(wú)水乙醇－＋＋＋水＋－－－CaCO3＋＋－＋SiO2＋＋＋－A．①②③④

B．②④①③C．④②③①

D．③②①④BD