捕获光能的色素和结构必修生物解析

第四节能量之源——光与光合作用一捕获光能的色素和结构1．知识与技能(1)说出绿叶中色素的种类和作用。(2)说出叶绿体的结构和功能。2．过程与方法(1)自主与合作学习：利用各种媒体调查和收集资料，学会鉴别、选择、运用和分享信息。(2)训练表达能力：尝试将你所获得的信息表达出来。学习目标3．情感态度与价值观通过光合作用发现史的学习，使学生受到科学家们崇高的精神境界的熏陶，并养成质疑、求实、创新及勇于实践的科学精神和科学态度。捕获光能的色素1．原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水__________中，可用无水__________提取绿叶中的色素。色素能溶解在层析液中，它们在层析液中的溶解度不同：溶解度高的随层析液在__________上扩散得__________；反之则__________。几分钟之后，绿叶中的色素就会随着层析液在__________上的__________而__________。知识列表2．步骤：提取和分离绿叶中色素的实验包括以下步骤：(1)提取绿叶中的__________；(2)制备__________；(3)画__________细线；(4)分离绿叶中的__________；(5)__________与记录。3．结果：绿叶中的色素包括两类：__________和__________；在滤纸条上4种色素自上而下的顺序是__________、__________、__________、__________。4．功能：绿叶中的4种色素对光的吸收有差别，__________和__________主要吸收红光和蓝紫光，__________和__________主要吸收蓝紫光。因为叶绿素对__________吸收最少，所以叶片呈现绿色。5．叶绿体：(1)1817年，两位法国科学家首次从植物中分离出__________；1865年，德国植物学家萨克斯发现叶绿素分布在植物细胞中一个个更小的结构里，后来人们称之为__________。(2)在光学显微镜下观察水稻等植物的叶绿体一般呈__________的__________或__________；在电子显微镜下观察，可以看到叶绿体的外表有__________，内部有许多__________，之间充满了__________。每个__________都是由许多囊状结构堆叠而成，吸收光能的4种色素就分布在__________的__________上。(3)__________是进行光合作用的场所。它内部的巨大膜表面上，分布着吸收光能的__________分子和进行光合作用所必需的__________。答案：1．乙醇乙醇滤纸快慢滤纸扩散分离开2．(1)色素(2)滤纸条(3)滤液(4)色素(5)观察3．叶绿素类胡萝卜素胡萝卜素叶黄素叶绿素a叶绿素b4．叶绿素a叶绿素b胡萝卜素叶黄素绿光5．(1)叶绿素叶绿体(2)扁平椭球形球形双层膜基粒基质基粒类囊体薄膜(3)叶绿体色素酶1．原理(1)各种色素能溶解在有机溶剂(无水乙醇等)中形成溶液，使色素从生物组织中脱离出来。(2)各种色素都能溶解在层析液中，但在层析液中的溶解度不同：溶解度高的色素分子随层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢，因而不同色素分子可以在滤纸上扩散而分开，各种色素分子在滤纸上可形成不同的色素带。难点解答难点1有关“绿叶中色素的提取和分离实验”2．步骤、方法及原因绿叶中色素的提取和分离步骤方法原因提取绿叶中的色素①加入二氧化硅：有助于研磨充分；②加入碳酸钙：防止研磨中色素被破坏；③加入无水乙醇：为了溶解、提取色素将研磨液迅速倒入基部垫有单层尼龙布的玻璃漏斗中过滤，滤液收集到试管中，及时用棉塞塞紧试管口①单层尼龙布：过滤叶脉及二氧化硅等；②试管口塞紧：防止乙醇挥发绿叶中色素的提取和分离步骤方法原因制备滤纸条①干燥滤纸：透性好、吸收滤液多；②剪去两角：使层析液同步到达滤液细线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细而直的滤液细线，吹干后再重复画一两次①画得细而直：为防止色素带重叠而影响分离效果；②画一两次：是为积累更多的色素，使分离后的色素带明显绿叶中色素的提取和分离步骤方法原因分离绿叶中的色素①层析液不能没及滤液细线，以防止色素溶解于层析液中而得不到色素带；②试管加塞是为了防止层析液中成分挥发观察与分析特别提示：实验成功的关键：①叶片要新鲜，颜色要深绿；②滤液收集后，要及时用棉塞将试管口塞紧，以免滤液挥发；③滤液细线要直、细而且含较多色素(待滤液干后，重复一两次)；④研磨要迅速、充分：乙醇容易挥发；为了使叶绿体完全破裂，从而能提取较多的色素；叶绿素极不稳定，能被活细胞中的叶绿素水解酶破坏。例1(2009·湖北)右图是纸层析法分离叶绿体中色素的装置图，层析后会得到不同的色素带，在暗室内用红光照射四条色素带，可以看到较暗的是 (

)A．①②B．②③C．③④D．①④答案：C解析：四条色素带自上而下依次是胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b，其中胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光，叶绿素a和叶绿素b主要吸收红光和蓝紫光，用红光照射，被叶绿素a和叶绿素b吸收，因此③、④呈暗色。变式训练1在叶绿体色素的提取和分离实验中，收集到的滤液绿色过浅，其原因可能是 (

)①未加石英砂、研磨不充分②一次加入大量的无水酒精提取③分次加入少量无水酒精提取④使用放置数天的菠菜叶A．①②③ B．②③④C．①③④ D．①②④答案：D解析：未加石英砂、研磨不充分；使用放置数天的菠菜叶，滤液中色素(叶绿素)太少，绿色过浅；一次加入大量的无水酒精提取，浓度太低。分次加入少量无水酒精提取色素是正确的方法，这样获取的滤液颜色正常。1．分布植物的叶肉细胞和幼嫩茎的表皮细胞。2．结构及功能(1)结构示意图：(2)结构特点：①叶绿体的基质和基粒类囊体上含有与光合作用有关的酶。②类囊体的薄膜上分布有捕获光能的色素。③叶绿体基质中还含有少量的DNA和RNA。④叶绿体中类囊体堆叠成基粒，增大了内部膜面积。(3)功能：吸收光能，是光合作用的场所。3．叶绿体中的色素(1)色素的种类：(2)不同色素的吸收光谱：图示表明：叶绿素对红光和蓝紫光吸收量较大，而类胡萝卜素对蓝紫光的吸收量较大，对其他光吸收量较少，并非不吸收，可见对绿光吸收量最少。特别提示：①大棚膜的选择：a．要想光合效率最高，选用无色大棚膜，日光中各种色光均可透过。b．要想生产特殊品质的蔬菜、水果，可选用有色大棚膜，此膜可透过同色光，如蓝紫膜或红橙膜，但一般不用绿色薄膜。②叶绿体不同部位发生的光合作用过程不同：原因是类囊体薄膜上分布光合色素，可以吸收光能，传递光能，同时具有转化光能的酶。基质内分布合成有机物的酶。例2下列有关叶绿体的叙述中，正确的是 (

)A．植物细胞中都含有叶绿体B．叶绿体中含有少量的DNA和RNAC．叶绿体中的色素分布在叶绿体类囊体上和基质中D．叶绿体基质、线粒体基质和细胞质基质所含化合物和功能都相同答案：B解析：叶绿体主要分布在植物的绿色见光的部分，不是植物所有细胞均含有叶绿体，如根细胞。植物细胞中具有遗传作用的DNA存在于细胞核、叶绿体和线粒体中。叶绿体中具有吸收光能作用的四种色素只分布在叶绿体的类囊体膜上，在叶绿体的基质中不含有色素。不同的基质中，所含化合物的成分不同，功能也不同。变式训练2叶绿体是植物进行光合作用的细胞器。下列关于叶绿体及色素的叙述中正确的是 (

)A．植物细胞都有叶绿体，叶绿体普遍分布在植物细胞的整个细胞中B．叶绿素在高等植物体内有两种，叶绿素a呈蓝绿色，叶绿素b呈黄绿色C．同线粒体一样，叶绿体的内膜极大地扩展了受光面积D．叶绿体中的色素只吸收红光和蓝紫光进行光合作用答案：B解析：不是所有的植物细胞都有叶绿体，一般地讲，叶绿体分布在绿色植物的绿色部分，主要存在于叶肉细胞中；叶绿体中的色素分为两大类：叶绿素和类胡萝卜素。其中，叶绿素又包括蓝绿色的叶绿素a和黄绿色的叶绿素b；类胡萝卜素包括橙黄色的胡萝卜素和黄色的叶黄素；叶绿体的内膜光滑，其内部的基粒和类囊体一方面扩大了膜面积，供色素和酶分布；另一方面极大地扩展了受光面积。而线粒体的内膜上含有许多与有氧呼吸有关的酶；叶绿体中的色素主要吸收红光和蓝紫光，并非不吸收其他颜色的光，只不过吸收量较少。1．叶绿体色素的吸收光谱太阳光不是单一的光，到达地表的光波长大约从300nm的紫外光到2600nm的红外光。其中只有波长大约在390nm～760nm之间的光是可见光。当光束通过三棱镜后，可把白光分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色连续光谱，这就是太阳的连续光谱。知识延伸难点3绿叶中色素的吸收光谱叶绿素吸收光谱的最强吸收区有两个：一个在波长为640nm～660nm之间的红光部分，另一个在波长为430nm～450nm的蓝紫光部分。对绿光的吸收最少。由于叶绿素对绿光吸收最少，所以叶绿素的溶液呈绿色。2．用三棱镜观察叶绿体中色素的吸收光谱采用叶绿体中色素的提取方法提取色素，按下图所示进行观察，要设置对照实验，以便比较说明最后的结果。通过叶绿素的丙酮提取液的光线，经三棱镜分色后，会发现在红光和蓝紫光区域的光线变暗，说明这部分光线被叶绿素吸收掉了。3．反射光与透射光下观察滤液猜一猜，按照下面的方式来观察滤液，会看到什么现象？A装置称为在透射光下观察，B装置称为在反射光下观察。A装置看到的现象为滤液呈绿色，B装置看到的现象为滤液呈红色。我们把这种叶绿素溶液在透射光下呈绿色，在反射光下呈红色的现象称为荧光现象。因为光波是一种电磁波，各种电磁波的波长不同，对光合作用有效的可见光的波长在400nm～700nm之间。光同时又是一粒一粒地运动着的粒子流，这些粒子叫做光子。每个光子所具有的能量叫做光量子或量子。量子的数值和光的波长成反比，所以长光波(如红光)的量子的能量比短光波(如蓝紫光)的量子的能量要少。当叶绿素分子吸收量子后，就由最稳定、最低能量的基态提高到一个不稳定、高能状态的激发态。由于激发态极不稳定，发射光波，消失能量，迅速由激发态降回到基态。这时发射的光波就称为荧光。荧光的寿命很短，为10－8s～10－9s。因为叶绿素分子吸收的光能有一部分消耗于分子内部振动上，辐射出的能量就小，根据波长与光子能量成反比的规律，反射光的波长比入射光的波长要长一些。所以叶绿素溶液在反射光下呈红色，而在透射光下，由于红光和蓝紫光被色素吸收掉，其他颜色的光也有少量吸收，而绿光几乎不吸收，被完全透过，所以看到的颜色呈绿色。例3阳光通过三棱镜能显示出七种颜色的连续光谱。如果将一瓶叶绿素提取液放在光源和三棱镜之间，连续光谱中就会出现一些黑色条带，这些条带应位于 (

)A．绿光区B．红光区和绿光区C．蓝紫光区和绿光区 D．红光区和蓝紫光区答案：D解析：本题考查叶绿素吸收光谱的基础知识，但是换了一种新的情景，将叶绿素溶液置于光源和三棱镜之间。从物理知识中应该知道阳光通过三棱镜可以显示出七种颜色的连续光谱，在生物学中已学过叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，不吸收绿光。把这两方面知识结合起来思考，光线通过叶绿素溶液时，红光和蓝紫光被吸收，再通过三棱镜以后所显示的连续光谱中缺乏红光和蓝紫光，就会在这些区域出现黑色条带，所以选项D是正确选项，其他各项都是错误的。变式训练3把载有新鲜水绵和细菌的临时装片，置于显微镜载物台上观察。光线从反光镜反射上来后，可看到细菌从分散状态逐渐向水绵方向运动，水绵附近细菌的密度增加。如果在反光镜上方放置一个三棱镜，使七种不同颜色的光束照射水绵的不同部位，这时看到细菌逐渐聚集成明显的两堆(如下图所示)请回答：(1)根据上述实验可以判断这类细菌的异化作用类型是____________。作出这一判断的依据是____________。(2)放置三棱镜后，细菌聚集成两堆的原因____________。答案：(1)需氧型(有氧呼吸型)水绵光合作用放出氧气(2)叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，叶绿体被红光和蓝紫光照射部位光合作用较强，放出的氧气多解析：植物光合作用吸收CO2，放出O2；根据异化作用类型，细菌有需氧细菌和厌氧细菌之分；考生只要具备这两点基本知识和平时使用显微镜观察的实践能力，就可根据题目所示的现象对第(l)问作出正确的分析、判断；这类细菌的异化作用类型是需氧型，因为光合作用放出氧气。对于第(2)问，需要考生在对显微镜和三棱镜的构造和性能有所了解的基础上，根据光合作用利用的光能主要是叶绿素吸收的红光和蓝紫光这一概念，就可得出，叶绿体被红光和蓝紫光照射部位的光合作用最强，放出的氧气最多，需氧细菌聚集在放出氧气最多的部位，即红光和蓝紫光照射处，因而分成两堆。易错点：光质与植物生长分析：红光具有促进器官伸长的作用，蓝光被类胡萝卜素吸收后，进而使叶绿体移动，并沿侧壁分布，避开直射光，接受散射光。蓝光还能使器官向光一侧的生长素被破坏，造成背光一侧生长素相对分布较多，因而器官(茎)向光弯曲生长。青光、蓝紫光和紫外光通过抑制生长素形成，破坏生长素或抑制生长素的活性，从而抑制植物的伸长生长。易错解析1．叶绿体中色素的提取和分离的实验目的是(

)A．观察各种色素的吸收光谱B．验证叶绿体中色素的种类和各种色素的颜色C．提取高等植物叶绿体中的色素D．用纸层析法将色素进行分离答案：B课堂练习2．在圆形滤纸的中央点上叶绿体色素提取液，对叶绿体的色素进行色素层析，会得到近似同心的四个色素环，排列在最里圈的色素呈 (

)A．橙黄色 B．蓝绿色C．黄绿色 D．黄色答案：C3．对绿色植物的光合作用最有效的一组光是(

)A．红光和黄绿光 B．黄光和蓝紫光C．红光和橙光 D．红光和蓝紫光答案：D4．温室或大棚种植蔬菜时，应选择何种颜色的玻璃、塑料薄膜 (

)A．无色 B．红色C．蓝紫色 D．绿色答案：A5．早在一百多年前(1883年)德国生物学家C.Engelmann用巧妙的实验研究了光合作用光谱。他将棱镜产生的光谱投射到丝状绿藻上，并在丝状绿藻的悬液中放入一些细菌，然后在显微镜下观察细菌在丝状绿藻各部分的聚集情况。请分析：(1)细菌聚集多的部分表示__________的浓度高，即该部位丝状绿藻的__________强度高。(2)这位生物学家在丝状绿藻的悬液中放入的细菌的异化作用类型是__________。(3)从细菌大量聚集的区域可以看出：主要作用光谱为__________区和__________区。(4)如果将该丝状绿藻长期放在500nm～551nm的波长下照射，丝状绿藻将会__________，原因是______________________。(5)什么情况下丝状绿藻周围的细菌呈均匀分布？__________。(6)太阳辐射中的红外光和紫外光能否被丝状绿藻利用？______________________________________________________________________。答案：(1)氧气光合作用(2)需氧型(3)红光蓝紫光(4)死亡500nm～551nm为绿光区，绿光区不能进行光合作用(5)正常的可见光均匀照射(6)不能备课信箱光合作用是生物界乃至整个自然界最基本的物质代谢和能量代谢，光合作用也真实地显示出生命系统的自主性和高度有序性。初中阶段，学生通过一系列探索性实验，初步形成光合作用的概念。高中生物学课本将为学生提供光合作用的研究史料，期望学生不仅能从光合作用的发现过程中深化对概念的理解，而且能受到科学家崇高的精神境界的熏陶，领悟科学探究的方法。教学总结因此，教学中要组织学生认真学习和讨论这一部分史料。光合作用内容的学习始于绿叶中色素吸收和转化光能，教学中要指导学生做好《绿叶中色素的提取和分离》的探究性实验，并借助投影机、三棱镜和新鲜菠菜叶片滤液和新鲜胡萝卜滤液等材料做好绿叶中色素吸收光谱的演示实验，通过叶绿体结构的学习让学生进一步体会到生物体结构与功能的相统一。一、练习(课本P100)(一)基础题1．(1)×(叶绿体中的色素有4种，都能吸收光能)(2)√(叶绿体内含有许多基粒，而每个基粒都含有2个以上，甚至高达100个以上的类囊体，极大地扩展了细胞内的膜面积)2．B3．结论：叶绿体主要吸收红光和蓝光用于光合作用，放出氧气。习题解析(二)拓展题1．植物吸收光能的色素，还存在于植物幼嫩的茎和果实等器官的一些含有光合色素的细胞中。2．有关。不同颜色的藻类吸收不同波长的光。藻类本身的颜色是反射出来的光，即红藻反射出红光，绿藻反射出绿光，褐藻反射出黄色光。水层对光波中的红、橙部分吸收显著多于对蓝、绿部分的吸收，即达深水层的光线是相对的富含短波长的光，所以吸收红光和蓝紫光较多的绿藻分布于海水的浅层，吸收蓝紫光和绿光较多的红藻分布于海水深的地方。二、问题探讨(课本P97)1．用这种方法可以提高光合作用强度。因为叶绿素吸收最多的是光谱中的蓝紫光和红光。不同颜色的光照对植物的光合作用会有影响。2．因为叶绿素对绿光吸收最少，所以不使用绿色的塑料薄膜或补充绿色光源。三、本节聚焦(课本P97)1．捕获光能的色素有胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a和叶绿素b4种。2．叶绿体一般呈扁平的椭球形或球形，其结构包括外膜、内膜、基粒和基质。3．叶绿体的双层膜是透明的，有利于光照的透过；叶绿体中的每个基粒由2～100个类囊体组成，可增大叶绿体内的膜表面，扩大色素的附着面，有利于提高光能的利用效率；叶绿体内的类囊体上和基质中含有多种与光合作用有关的酶，有利于光合反应高效地进行。四、实验(课本P98)1．滤纸条上有4条不同颜色的色带，从上往下依次为：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)。叶绿素a最宽，胡萝卜素最窄，这说明绿叶中的色素有4种，它们在层析液中的溶解度不同，随层析液在滤纸条上扩散的快慢也不一样。2．滤纸条上的滤液细线如果触及层析液，细线上的色素就会溶解到层析液中，就不会在滤纸上扩散开来，实验就会失败。五、与社会的联系(课本P99)可选择红色或蓝色的塑料薄膜(或玻璃)代替普通塑料薄膜(或玻璃)；补充光源可选择在温室内悬挂发红色或蓝色光的灯管。六、资料分析(课本P100)1．恩格尔曼实验结论：氧气是叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。2．提示：实验材料选择水绵和好氧细菌，水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察，用好氧细菌可确定释放氧气多的部位；没有空气的黑暗环境可排除了氧气和光的干扰；用极细的光束照射，叶绿体上可分为光照多和光照少的部位，相当于一组对比实验；临时装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果等。3．叶绿体是光合作用的场所。例1某同学在做“绿叶中色素的提取和分离”实验时，结果滤纸条上的色素带颜色很浅，效果不明显，他认为有可能是下列原因引起的，你觉得他的观点有误的是(

)A．绿叶不新鲜B．研磨时未加CaCO3C．画滤液细线时重复次数少D．滤液细线浸没到层析液中答案：D习题延伸例2如图为某同学对植物叶绿体中色素分离的结果，其中所标记的色素名称或颜色正确的是 (

)答案：B例3如图为叶绿体结构示意图，下列有关叶绿体结构与功能的叙述错误的是 (

)A．①和②具有选择透过性功能B．③上既有光合色素又有光合作用有关的酶C．③和④上都有光合作用有关的酶D．有叶绿体的细胞才能进行光合作用答案：D例4如图为“绿叶中色素的提取和分离”实验的部分材料和用具。请据图回答：(1)分别在A、B、C三个研钵中加入5g剪碎的新鲜菠菜绿叶，并按下表所示添加试剂，经研磨、过滤得到三种不同颜色的溶液，即：深绿色、黄绿色、几乎无色。试回答：处理ABC二氧化硅(少量)＋＋＋碳酸钙(少量)－＋＋无水乙醇(10mL)＋－＋蒸馏水(10mL)－＋－注：“＋”表示加，“－”表示不加。①A处理得到的溶液颜色是__________，原因是

。②B处理得到的溶液颜色是__________，原因是

。③C处理得到的溶液颜色是__________，原因是

。(2)图中步骤c画滤液细线的要求是

。(3)图中步骤d中关键应注意

；加盖的目的是

。(4)色素分离的结果是：相邻色素带间距离最宽的是__________和__________，它们的颜色分别是__________和__________，它们主要吸收__________光。答案：(1)①黄绿色部分叶绿素受到破坏②几乎无色叶绿体色素不溶于水③深绿色大量叶绿体色素溶于无水乙醇中(