5.4.1 光合作用与能量转化-捕获光能的色素和结构-2024-2025学年高一上学期生物人教版必修1

5.4 光合作用与能量转化 一、捕获光能的色素和结构 人们对于光合作用的认识最早是从研究植物生长开始的。 早在2000多年前，亚里士多德就提出 “植物是由土壤汁构成”，植物生长所需物质来自土壤。 植物生长所需要的物质来自哪里？ 17世纪初， 海尔蒙特的柳树实验。 实验证明：柳树重量的增加来自雨水而并非来自土壤 水分是植物建造自身的原料。 欢迎来到植物工厂 问题探讨 P97 1.靠人工光源生产蔬菜有什么好处？ ①避免由自然环境中光照强度不足导致光合作用强度低而造成减产 ②可根据植物生长情况调控人工光源强度和不同色光（光质），使蔬菜产量达到最大 2.为什么要控制CO2浓度、营养液成分和温度条件？ 影响植物光合作用的环境因素， 通过控制（外部条件）使植物达到最佳生长状态 生命活动的最终能量来源为光能 光合作用(photosynthesis)是唯一能够捕获和转化光能的生物学途径（p97） ——地球上最重要的化学反应 植物捕获光能要依靠特定的物质和结构 呈现绿色的原因：含绿色色素 白化苗/黄化苗： 不含绿色色素 待储存的养分耗尽就死去 说明叶片中的色素可能与光能的捕获有关 一、捕获光能的色素 植物的叶片中含有哪些色素呢？怎样提取、分离这些色素呢？ 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 1.实验原理： 提取原理: 分离原理: 色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中 各种色素在层析液中的溶解度不同 溶解度高的随层析液在滤纸条上的扩散更快,反之则慢 2.实验方法： 提取方法： 分离方法： 纸层析法 过滤法 3.实验材料： 新鲜的绿叶 （保证色素含量高） 剪碎 研磨 过滤 加试剂 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 4.提取色素的实验步骤： 收集 少许SiO2： 少许CaCO3： 5—10ml无水乙醇： 有助于研磨充分 防止研磨中色素（主要是叶绿素）被破坏 溶解、提取色素 剪碎 研磨 过滤 加试剂 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 4.提取色素的实验步骤： 收集 要求： 迅速： 充分： 防止乙醇挥发及色素被破坏 保证色素充分溶解 剪碎 研磨 过滤 加试剂 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 4.提取色素的实验步骤： 收集 过滤材料： 单层尼龙布 注意：不用滤纸、纱布（滤纸、纱布会吸收大量滤液） 剪碎 研磨 过滤 加试剂 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 4.提取色素的实验步骤： 收集 试管口塞严的原因： 防止无水乙醇挥发和色素氧化 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 5.提取色素实验结果异常现象分析： 收集到的滤液绿色过浅的原因分析： ①叶片放置过久，不新鲜等等 ②未加石英砂(二氧化硅)，研磨不充分 ③未加碳酸钙或加入过少，叶绿素分子被破坏 ④一次加入大量的无水乙醇，提取液浓度太低 (正确做法：分次加入少量无水乙醇) 剪碎 研磨 过滤 加试剂 收集 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 6.分离色素的实验步骤： 制备滤纸条 纸层析分离色素 画滤液细线 要求： 干燥： 剪去两角： 铅笔画细线（距底部1cm处） 使层析液在滤纸条上快速扩散 防止层析液在滤纸条的边缘扩散过快而使形成的色素带不整齐 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 6.分离色素的实验步骤： 制备滤纸条 纸层析分离色素 画滤液细线 要求： 细直齐： 重复1—2次（干后）： 使分离的色素带平整不重叠 积累更多色素，使分离的色素带清晰分明 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 6.分离色素的实验步骤： 制备滤纸条 纸层析分离色素 画滤液细线 要求： 滤液细线不能触到层析液： 烧杯要盖上培养皿、试管要塞上棉塞： 防止色素溶解在层析液中而无法分离 防止层析液挥发 层析液 培养皿 滤液细线 实验：绿叶中色素的提取和分离 ：胡萝卜素＞叶黄素＞叶绿素a＞叶绿素b 7.分离色素的实验结果和结论： 插滤纸条 层析液 培养皿 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 4条色素带： 代表有四种色素 排列顺序： 代表色素的溶解度及扩散速度 色素带宽窄： 代表色素含量 : 叶绿素a ＞ 叶绿素b ＞叶黄素＞胡萝卜素 探究.实践 绿叶中色素的提取和分离 8.分离色素实验结果异常现象分析： (1)滤纸条无色素带： ①忘记画滤液细线 ②滤液细线接触到层析液 ③误将蒸馏水当作提取液和层析液 ④研磨时未加无水乙醇 (2)滤纸条色素带不整齐： ①滤纸不干燥等 ②滤纸未剪去两角 ③滤液线画得不细、直、齐 二氧化硅 碳酸钙 无水乙醇 光 合 色 素 的 提 取 称取5g的绿叶 1、提取绿叶的色素 （二氧化硅有助于研磨得充分， 碳酸钙可防止研磨中色素被破坏。） 少许二氧化硅和碳酸钙 再放入5-10mL无水乙醇 迅速、充分的研磨 将研磨液迅速倒入玻璃漏斗中进行过滤。 收集滤液,封口。 2、制备滤纸条 光 合 色 素 的 分 离 铅笔线 画铅笔细线 3、画滤液细线 纸层析法 细、直、齐 重复2—3次 4、分离绿叶中的色素 层析液 培养皿 原理：不同色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，从而分离色素。 色素在层析液体中溶解度大，扩散速度快；溶解度小，扩散速度慢。 注意：层析液不能没及滤液线 （石油醚） 实验结果： 结论: 叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧，是进行光合作用的场所，它内部的巨大膜表面上，不仅分布着许多吸收光能的色素分子，还有许多进行光合作用所必需的酶。 延伸思考：实验装置的改进 在滤纸的中央滴一滴色素提取液，再滴一滴层析液，会出现什么现象？ 会出现四个同心圆的色素带，从外往里依次为： 胡萝卜素（橙黄色）、叶黄素（黄色）、叶绿素a（蓝绿色）、叶绿素b（黄绿色） 旧知回顾：绿叶中色素的提取和分离 实验材料或试剂 作　用 无水乙醇 _________ 层析液 _________ 二氧化硅 ___________ 碳酸钙 _____________________ ___________ 过滤叶片研磨液,获得滤液 _______ 使色素在其上分离,便于观察 提取色素 分离色素 使研磨充分 防止研磨时色素被破坏 单层尼龙布 滤纸条 操作内容 操作目的 滤纸条的一端剪去两角 ___________________________________，使色素扩散均匀 滤液细线重复画若干次, 且要求细、直、齐 ___________________ 滤液细线不能触及层析液 ______________________ 防止层析液在滤纸条的边缘处扩散过快 使分离的色素带清晰 防止色素溶解到层析液中 旧知回顾：绿叶中色素的提取和分离 叶绿素 类胡萝卜素 （含量约3/4） （含量约1/4） 叶绿素a（蓝绿色） 叶绿素b（黄绿色） 胡萝卜素（橙黄色） 叶黄素（黄色） 叶绿体中的色素 绿叶中色素的种类和功能 四种色素对光的吸收是否有差别？ 绿叶中色素的种类和功能 阳光是由不同波长的光组成组合成的复合光，在穿过三棱镜时，不同波长的光会分散开，形成不同颜色的光带，称为光谱 物理上牛顿著名的光的色散实验：让太阳白光通过三棱镜，最后发现太阳光被分解成为红、、、、、、、七条连续的光谱带， 绿叶中色素的种类和功能 叶绿素 让不同颜色的光照射色素提取液，有些波段的光被色素吸收了，在光谱上出现黑线带，这种光谱叫色素吸收光谱 物理上牛顿著名的光的色散实验：让太阳白光通过三棱镜，最后发现太阳光被分解成为红、、、、、、、七条连续的光谱带， 叶绿素溶液 绿叶中色素的种类和功能 叶绿素主要吸收 . 类胡萝卜素主要吸收 . 蓝紫光和红光 蓝紫光 对其他波段吸收量较少 吸收最少的是绿光 不吸收红、橙、黄光 叶绿素和类胡萝卜素的吸收光谱 绿叶中色素的种类和功能 2.色素的吸收光谱： 注意：光合色素只吸收可见光，而对红外光和紫外光等不吸收 解释生活现象 1.为什么有些植物春夏叶子翠绿，而深秋则叶片金黄呢？ 呈绿色原因： 1.叶片中叶绿素的含量大大超过类胡萝卜素 2.绿光吸收最少反射回来 变黄的原因： 由于叶绿素比类胡萝卜素易受到低温的破坏，秋季低温使叶绿素大量破坏，而使类胡萝卜素的颜色显示出来 拓展提升 SZ-LWH 解释生活现象 枫叶变红 紫叶李 变红原因： 秋天降温时，植物体为适应寒冷，体内积累了较多的可溶性糖，有利于形成红色的花青素，而叶绿素因寒冷逐渐降解，叶子呈现红色 花青素的积累使叶子呈现紫色 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：菜汤出色，因为是水溶性的花青素。 胡萝卜：菜汤不出色，因为是脂溶性的胡萝卜素。 知识拓展 植物色素 解释生活现象 2.冬季时，为了增加蔬菜的产量，应该选择选择什么颜色(红色/蓝色/无 色)的大棚塑料薄膜？为什么？ 白光 ↓ ↓ 红光 红色玻璃 白光 ↓ ↓ 绿光 绿色玻璃 白光 ↓ ↓ 白光 无色玻璃 无色透明大棚能透过日光中各种色光，有色大棚主要透过同色光，其他光被其吸收，所以无色透明的大棚中植物的光合效率最高。 拓展提升 SZ-LWH 解释生活现象 3.阴天时，为了增加蔬菜的产量，在功率相同的情况下，应该选择什么 颜色(蓝紫光或红光或白光)的照明灯为蔬菜补充光源？为什么？ 蓝紫光或红光 在照明灯功率相同的情况下，用发蓝紫光或红光的照明灯，植物利用光能的效率最高 拓展提升 SZ-LWH 红光和 蓝紫光 （蓝绿色） 叶绿素a （黄绿色） 叶绿素b （橙黄色） 胡萝卜素 叶黄素 （黄色） 叶绿素 (约占3/4) 类胡萝卜素 （约占1/4） 蓝紫光 这些捕获光能的色素存在于细胞中的什么部位呢？ 叶绿体的结构适于进行光合作用 光合色素的储存位置—叶绿体 叶绿体膜 内膜 外膜 叶绿体的结构适于进行光合作用 叶绿体基粒 类囊体 基粒由许多圆饼状的囊状结构堆叠而成 光合色素 光合作用相关酶 叶绿体类囊体薄膜上有色素以及酶 叶绿体膜 内膜 外膜 叶绿体的结构适于进行光合作用 叶绿体基粒 类囊体 叶绿体内有如此众多的基粒和类囊体，增大叶绿体内的膜表面积； 极大地扩展了受光的面积； 光合色素 光合作用相关酶 叶绿体膜 内膜 外膜 叶绿体的结构适于进行光合作用 叶绿体基粒 类囊体 光合色素 光合作用相关酶 叶绿体基质 （光合作用相关酶、DNA、RNA、核糖体） 叶绿体的结构适于进行光合作用 小结： 叶绿体适应于光合作用的结构特点： 1.叶绿体众多的基粒和类囊体，增大叶绿体内的膜表面积； 极大地扩展了受光的面积 2.类囊体薄膜上分布了吸收光能的4种色素 3.类囊体薄膜和线粒体基质中含有与光合作用有关的酶 → 叶绿体功能： 捕获光能、进行光合作用 P101最后一段 【思考·讨论】探究叶绿体的功能(P100) 恩格尔曼的实验一 恩格尔曼的实验二 讨论： 1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 2.恩格尔曼在选材、实验设计上有何巧妙之处？ 3.在第二个实验中，大量的需氧细菌聚集在红 光和蓝紫光区域，为什么？ 阅读恩格尔曼的两个实验过程与现象，讨论完成讨论题1—3：2min 【思考·讨论】探究叶绿体的功能(P100) 需氧细菌集中分布在叶绿体被光束照射到的部位 需氧细菌分布在叶绿体所有受光部位 恩格尔曼的实验一 叶绿体能吸收光能用于光合作用释放氧气 2.恩格尔曼在选材、实验设计上有何巧妙之处？ 设计： 选材： 水绵：叶绿体螺旋带状，易观察 好氧细菌：可确定氧气产生部位 无空气的黑暗环境：排除O2和光的干扰 对照设置： 讨论： 1.恩格尔曼第一个实验的结论是什么？ 极细的光束：有光与无光对照 暴露阳光下：局部有光与完全曝光对照 恩格尔曼的实验二 用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧型细菌聚集在红光和蓝紫光区域 讨论： 3.为何细菌集中在红光和蓝紫光区域？ 光合色素主要吸收红光和蓝紫光 在此波长照射下，叶绿体会释放氧气多 4.综上所述，你认为叶绿体有何功能？ 捕获光能、进行光合作用 物质和结构基础： 类囊体薄膜上——色素分子 类囊体膜和叶绿体基质——光合酶 【思考·讨论】探究叶绿体的功能(P100) 练习与应用（P101） 1.基于对叶绿体的结构和功能的理解，判断下列相关表述是否正确 （1）叶绿体只有叶绿素吸收的光能才能用于光合作用 （ ） （2）叶绿体类囊体上有巨大膜面积，利于吸收光能 （ ） （3）植物绿叶之所以呈绿色，因为叶片中叶绿体吸收了绿光（ ） A 2.下列关于高等植物细胞内色素的叙述，错误的是（ ） A.所有植物细胞中都含有4中色素 B.有些植物细胞的液泡中也含有色素 C.叶绿素和类胡萝卜素都可以吸收光能 D.植物细胞内的光合色素主要包括叶绿素和类胡萝卜素两大类 光合色素功能：吸收、传递（4种色素）、转化光能（只有少数特殊状态的叶绿素a） 练习与应用（P101） 1.海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？ 红藻 绿藻 褐藻 不同颜色的藻类吸收不同波长的光。 藻类本身的颜色是 出来的光所形成，即红藻反射出 ，绿藻反射出 ，褐藻反射出 。 红光 绿光 黄色 反射 水对红、橙光的吸收比对蓝、绿光的吸收多，即到达深水层的光线是 波长的光。 短 吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的褐藻分布于中层，吸收蓝紫光较多的红藻分布于深层。 不同波长的光被吸收的程度不一样，波长短的光穿透能力强，易被吸收 练习与应用（P101） 1.海洋中的藻类，习惯上依其颜色分为绿藻、褐藻和红藻，它们在海水中的垂直分布大致依次是浅、中、深。这种现象与光能的捕获有关吗？ 反射绿光，吸收红、蓝紫光 红藻 绿藻 褐藻 反射红光，吸收蓝紫光较多 波长长， 分布在浅层 波长短， 能到达深海区域 反射黄光，吸收蓝紫光、绿光 波长适中， 分布在中层 不同波长的光被吸收的程度不一样，波长短的光穿透能力强，易被吸收 知识拓展 影响叶绿素合成因素的分析 游离的叶绿素不稳定： 光、酸、碱、氧、氧化剂等都会使其分解 促使叶绿素分解的因素 Lavf57.84.100 EVCapture4.2.1软件录制 Lavf57.25.100 本视频由湖南一唯信息科技开发的EV录屏软件录制，www.ieway.cn $$