1、第二节第二节 光合作用光合作用 第第 1 课时课时 光合作用的认识过程与光合色素光合作用的认识过程与光合色素 学习目标 1.说出光合作用的发现及研究历史。 2.说出叶绿体中的光合色素的种类和作用。 3.学会提取和分离叶绿体中的光合色素的方法。 一一、解开光合作用之谜解开光合作用之谜 时间 科学家 实验过程(方法)及现象 实验结论 17 世纪 中叶 比利时范 海 尔蒙特 用定量的方法研究植物的 营养来源 植物生长所需要的养 料主要来自水，而不 是土壤 1771 年 英国普利斯 特莱 小鼠绿色植物 密闭 小鼠 不易窒息死亡 植物生长需要吸收 CO2，同时释放出 O2 1779 年 荷兰扬 英根 豪
2、斯 把带叶的枝条放入水里， 这 些叶在阳光下产生 O2，在 黑暗处并不产生 O2 植物需要阳光才能制 造出 O2 1864 年 德国萨克斯 绿叶 暗处放置 几小时 一半曝光 一半遮光 碘液处理曝光处变蓝，遮光处 无颜色变化 确定叶片在光下能产 生淀粉 1940 年 美国鲁宾和 卡门 运用同位素标记法： 向小球 藻提供含 18O 的水和含18O 的 CO2，追踪 O2中氧的来 源和糖类中氢的来源 证明光合作用释放的 O2来自水，糖类中的 氢来自水 20 世纪 40 年代 美国卡尔文 用 14C 标记的 CO 2，供小球 藻进行光合作用， 然后追踪 检测其放射性 CO2被用于合成糖类 等有机物 1
3、.下图是萨克斯的实验，请分析： (1)把绿叶先在暗处放置 24 小时的目的是什么？ 答案 消耗掉叶片中原有的淀粉，防止干扰实验结果。 (2)该实验是如何形成对照的？ 答案 树叶一半遮光，一半曝光，形成了对照。 (3)为什么要用酒精脱色后再用碘液处理？ 答案 避免叶片颜色对实验结果的干扰。 (4)本实验的结论是什么？ 答案 光合作用的产物中有淀粉。 2.萨克斯实验跟鲁宾和卡门的实验对照设计方法相同吗？ 答案 不相同。萨克斯实验的对照方式为自身对照(一半曝光与另一半遮光)；而鲁宾和卡门 实验的对照方式为相互对照(通过标记不同的物质：H218O 和 C18O2)。 3.借鉴普利斯特莱和萨克斯的实验方
4、法，如何设计实验证明 CO2是光合作用的必要条件？ 答案 将绿色植物放在玻璃罩内，一组中加入盛有 NaOH 溶液的烧杯，一组加入盛有等量 蒸馏水的烧杯。暗处理一段时间后，再置于相同光照条件下，经碘蒸气处理，观察是否有蓝 色出现。 1.下列实验中，科学家使用的方法不同于其他的是( ) A.科学家对分泌蛋白的合成和分泌过程的研究 B.萨克斯证明光合作用的产物除氧气外还有淀粉 C.鲁宾和卡门证明光合作用过程中释放的氧气来自水 D.卡尔文探明 CO2中的碳在光合作用过程中的转化途径 答案 B 解析 科学家利用同位素标记法对分泌蛋白的合成和分泌进行了研究，发现 3H 标记的亮氨 酸在细胞内出现的先后顺序
5、；鲁宾和卡门用同位素标记法证明光合作用释放的氧气来自水； 卡尔文利用同位素标记法探明 CO2被用于合成糖类等有机物，上述三个实验都采用了同位 素标记法。萨克斯通过对绿叶的遮光与曝光处理，证明光合作用的产物除氧气外还有淀粉， 该实验没有采用同位素标记法。 2.如图是 20 世纪 40 年代美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究光合作用的示意图。 他们用氧的同位素(18O)分别标记 H2O 和 CO2，使它们分别成为 H218O 和 C18O2，然后按示意 图做实验。据图回答下列问题： (1)在小球藻进行光合作用过程中，向第一组提供的物质是_和_； 向第二组提供的物质是_和_； 向两组共同提供的
6、是_。 (2)图中 a 和 b 分别代表_和_，它们的相对分子质量比是_。 (3)这个实验说明了_。 答案 (1)H2O C18O2 H218O CO2 光能和小球藻 (2)O2 18O 2 89 (3)光合作用产生的氧气中的氧全部来自水 解析 (1)通过图示可知， 提供给第一组的物质是H2O和C18O2， 提供给第二组的物质是H218O 和 CO2。(2)向两组共同提供的是光能、 小球藻。 虽然向每组提供的水和二氧化碳都含有氧， 但通过同位素的不同标记，使光合作用释放出的氧却为 a 和 b 两种。(3)两位科学家的实验 结果是 a 为 O2，而 b 为 18O 2。a 和 b 的相对分子质量
7、比是 323689。 二二、提取和分离叶绿体中的光合色素提取和分离叶绿体中的光合色素 1.实验原理 无水乙醇能够溶解绿叶中的各种光合色素； 色素在层析液中的溶解度不同， 因而在滤纸条上 的扩散速度有差异。 2.实验步骤 (1)提取色素：称取 5 g 新鲜的菠菜叶，剪碎后放入研钵中，加入少许二氧化硅、碳酸钙和 5 mL 无水乙醇，迅速而充分地研磨。将研磨液过滤到试管中，用棉塞塞紧试管口。 (2)制备滤纸条：将略短于烧杯高度、宽 1 cm 的干燥滤纸条剪去一端的两个角，在距该段大 约 1_cm 处用铅笔画一条细线。 (3)画滤液细线：用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线画一条细而直的滤液细线，吹干后重
8、 复画细线若干次。 (4)分离色素：将画好滤液细线的滤纸条轻轻地插入盛有 3 mL 层析液的烧杯中，用培养皿覆 盖烧杯。滤液细线不能触及层析液。 (5)观察结果：几分钟后取出滤纸条，观察滤纸条上色素的分布情况。 下图是提取和分离绿叶中色素的实验步骤，请分析： 1.提取色素时，加入剪碎的叶片后还需要加入三种物质，若 A 是二氧化硅，B、C 分别是什 么？A、B、C 各起什么作用？ 答案 A 是二氧化硅，作用是使研磨更充分；B 是碳酸钙，作用是防止研磨中色素被破坏； C 是无水乙醇，作用是溶解色素。 2.某实验小组得到的色素提取液颜色过浅，可能的原因有哪些？ 答案 研磨不充分，色素未能充分提取出来
9、；称取绿叶过少或加入无水乙醇过多，色素溶液 浓度小；未加碳酸钙或加入过少，色素分子部分被破坏。 3.制备滤纸条时，剪去两角的作用是什么？画滤液细线有什么要求？ 答案 防止色素带不整齐。画滤液细线的要求是细、齐、直，还要重复画几次。 4.色素分离时，关键应注意层析液不要没及滤液细线，为什么？ 答案 否则滤液细线会被层析液溶解，不能分离。 5.下图是分离到的色素在滤纸条上的分布情况，那么： (1)含量最多和最少的色素分别是叶绿素 a 和胡萝卜素。 (2)在层析液中溶解度最高和最低的色素分别是胡萝卜素和叶绿素 b。 (3)分子结构最相似的两种色素是叶绿素 a 和叶绿素 b。 归纳提升 从色素带的宽度
10、可知， 色素含量依次为： 叶绿素 a叶绿素 b叶黄素胡萝卜素。 从色素带的位置可知，在层析液中的溶解度大小依次为：胡萝卜素叶黄素叶绿素 a叶绿 素 b。 3.在做“提取和分离叶绿体中的光合色素”实验时，甲、乙、丙、丁四位同学对相关试剂的 使用情况如下表所示(“”表示使用，“”表示未使用)，其余操作均正常，他们所得的 实验结果依次应为( ) 甲 乙 丙 丁 无水乙醇 水 CaCO3 SiO2 A. B. C. D. 答案 B 解析 色素提取中，SiO2可使研磨充分，CaCO3可保护叶绿素免受破坏，无水乙醇用于溶 解色素，色素不溶于蒸馏水。因此，甲同学不能提取出色素；乙同学操作符合要求，提取的 色
11、素多；丙同学在提取色素时，因未加入 CaCO3，叶绿素会部分被破坏而导致含量减少， 色素带变窄，而类胡萝卜素受影响较小，色素带几乎无变化；丁同学因未加入 SiO2而导致 提取不充分，分离时各色素带都变窄。 4.如图表示某同学做“绿叶中色素的分离”实验的改进装置，请据图回答下列问题： (1)该实验采用的方法是_法，应将提取到的滤液滴在 a、b 中的_处，向培养 皿中倒入_，棉线灯芯下端应_中。 (2)实验结果得到四个不同颜色的同心圆(如图)， 则 1、 2、 3、 4 四条带依次表示_、 _、_、_。若采用的实验材料是秋季的黄叶，四个圆中颜色明显变浅 的是_。 答案 (1)纸层析 a 层析液 浸
12、入层析液 (2)胡萝卜素 叶黄素 叶绿素a 叶绿素b 3 和 4 三三、光合色素与光能的捕获光合色素与光能的捕获 1.恩吉尔曼的实验 (1)实验材料：水绵和好氧细菌。 (2)过程及现象 (3)结论：叶绿体中的光合色素能有效地吸收和利用红光和蓝光。 2.色素对光的吸收 (1)叶绿素 a 和叶绿素 b 主要吸收蓝光和红光。 (2)胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光。 下图是恩吉尔曼探究叶绿体功能的实验示意图，据图思考： 甲 乙 1.该实验选择水绵和好氧细菌作为实验材料，有什么优点？ 答案 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。 2.甲组是在黑暗环境中用极细的光束点状投射
13、叶绿体，好氧细菌的分布是怎样的？说明什 么？ 答案 好氧细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中。说明氧气是由叶绿体在光照条件下 释放出来的。 3.乙组是完全暴露在光照下，好氧细菌分布于叶绿体所有的受光部位，这组实验的设计目的 是什么？ 答案 和甲组进行对照，明确实验结果完全是由光照引起的。 4.两组实验都要求在隔绝空气的条件下进行，为什么？ 答案 排除空气中的氧气对实验结果的干扰。 关键点拨 (1)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。 (2)没有空气的黑暗环境：排除了氧气和光的干扰。 (3)用极细的光束点状投射： 叶绿体上可分为光照
14、多和光照少的部位， 相当于一组对比实验。 (4)进行黑暗(局部光照)和曝光对照实验：明确实验结果完全是由光照引起的。 5.红枫是一种木本观赏植物，在生长季节叶片呈红色，下列关于该植物的叙述，正确的是 ( ) A.红枫叶片不含叶绿素 B.红枫叶片呈红色是因为吸收了红光 C.红枫叶片能吸收光能进行光合作用 D.液泡中的色素吸收的光能可用于光合作用 答案 C 解析 红枫叶片能进行光合作用，一定含有叶绿素，故 A 错误；红枫叶片呈红色是因为其 对红光吸收最少，反射最多，故 B 错误；红枫叶片能吸收光能进行光合作用，故 C 正确； 液泡中没有与光合作用有关的酶， 液泡中的色素吸收的光能不能进行光合作用，
15、 故 D 错误。 6.为探究叶绿体吸收光能后是否有氧气产生，某学者设计了以下实验：制作载有水绵和好氧 细菌的临时装片，用极细光束照射水绵，同时放在显微镜下观察。下列关于该实验的分析， 不正确的是( ) A.在光束照射到水绵之前，应该加三棱镜将混合光分解成连续光谱 B.临时装片应放置在没有空气的黑暗环境中 C.好氧细菌起指示作用 D.水绵的带状叶绿体有利于设置对照实验 答案 A 解析 本实验的目的是验证叶绿体在光照下能够产生氧气，而与光照的颜色种类没有关系， 不需要用三棱镜将混合光分解成连续光谱； 为了防止空气对实验结果的影响， 应该将装片放 置在没有空气的黑暗环境中；好氧细菌的分布密疏，表示了
16、氧气产生的多少；水绵的带状叶 绿体便于观察，有利于设置对照实验。 1.下列叙述，正确的打“”，错误的打“”。 (1)分离色素时，在层析液中溶解度越高的，则在滤纸条上的扩散速度越慢( ) (2)研磨绿叶时，要加入二氧化硅、碳酸钙和无水乙醇( ) (3)色素分离后，滤纸条上从上而下的四条色带分别是叶黄素、胡萝卜素、叶绿素 a 和叶绿 素 b( ) (4)叶绿素和类胡萝卜素都主要吸收蓝紫光和红光( ) (5)叶绿体是通过基粒中的类囊体膜扩大生物膜面积的( ) (6)叶绿体是光合作用的场所，蓝藻虽然没有叶绿体但也可以进行光合作用( ) (7)没有叶绿体的植物细胞不能进行光合作用( ) (8)普利斯特莱
17、发现植物可以更新空气，他还发现植物只有在光下才能更新空气( ) 答案 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) 2.普利斯特莱把一只小白鼠和一盆植物一同放到一个玻璃罩内， 结果小白鼠和植物都能存活 很长时间。但后来有人重复这个实验，有的成功，有的却不能成功。以下关于这一现象的说 法，不正确的是( ) A.该实验并不科学，没有可重复性 B.该实验说明光合作用需要的 CO2与小白鼠呼出的 CO2达到了平衡 C.该实验的成败与否，要看是否将实验装置置于阳光下 D.该实验说明光合作用释放的 O2与小白鼠需要的 O2达到了平衡 答案 A 解析 普利斯特莱实验成功的关键是把实验装置置
18、于阳光下。 普利斯特莱的实验虽然把实验 装置置于阳光下取得了成功， 但他没有明确地说明将实验装置置于阳光下是实验成功的必要 条件。所以后来的科学工作者重复该实验时，置于阳光下的取得了成功，未置于阳光下的失 败。 3.如图为新鲜菠菜叶中 4 种色素的相对含量及在滤纸条上的分离情况。下列有关说法不正确 的是( ) A.4 种色素在层析液中溶解度最高的是丁 B.4 种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中 C.4 种色素在层析液中溶解度最高的是甲 D.发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是甲和乙 答案 C 解析 据图可知，甲、乙、丙、丁分别是叶绿素 b、叶绿素 a、叶黄素、胡萝卜素，层析液 中溶解度最高的是丁，A
19、 正确，C 错误；4 种色素均可溶于有机溶剂无水乙醇中，故可用无 水乙醇提取色素， B 正确； 发黄菠菜叶中色素含量显著减少的是叶绿素 a(乙)和叶绿素 b(甲)， D 正确。 4.如图为用分光光度计测定叶片中两类色素吸收不同波长光波的曲线图，请判定 A 和 B 分 别为何种色素( ) A.叶绿素、类胡萝卜素 B.类胡萝卜素、叶绿素 C.叶黄素、叶绿素 a D.叶绿素 a、叶绿素 b 答案 A 解析 叶绿素能吸收短波的蓝光和长波的红光，类胡萝卜素主要吸收短波的蓝紫光。 5.下列用鲜菠菜进行色素提取、分离实验的叙述，正确的是( ) A.应该在研磨叶片后立即加入 CaCO3，防止酸破坏叶绿素 B.
20、即使菜叶剪碎不够充分，也可以提取出 4 种光合作用色素 C.为获得 10 mL 提取液，研磨时一次性加入 10 mL 乙醇研磨效果最好 D.层析完毕后应迅速记录结果，否则叶绿素条带会很快随溶液挥发消失 答案 B 解析 CaCO3可防止酸破坏叶绿素，应在研磨时加入，A 错误；即使菜叶剪碎不够充分，但 色素并没有减少，也可提取出 4 种光合作用色素，B 正确；由于研磨时乙醇挥发，故为获得 10 mL 提取液，研磨时加入多于 10 mL 乙醇，C 错误；叶绿素条带不会随层析液挥发消失， D 错误。 6.德国科学家恩吉尔曼利用一种绿藻(这种绿藻具有呈螺旋状的叶绿体)，研究光对光合作用 的效应。 他将该
21、种绿藻放在一张载有好氧细菌悬浮液的玻片上， 这些细菌会移往氧浓度高的 区域。他观察细菌在不同光照下的分布情况，结果如图所示。请回答下列问题： (1)描述 B 情况下细菌的分布情况如何？_，如此分布是因为光合作用释 放_。 (2)该实验证实了光合作用的场所是_，吸收光能的色素和催化反应的酶分别分布 在_、_。 (3)恩吉尔曼进行装置 C 的实验，其目的是什么？_，在 _区域的细菌特别多。 答案 (1)细菌集中在叶绿体周围 O2 (2)叶绿体 类囊体膜上 类囊体膜上和叶绿体基质中 (3)找出不同颜色的光对光合作用的影响 红光 和蓝光 解析 (1)白光的光质较为均匀， 好氧细菌主要分布在能进行光合作用产生O2的叶绿体周围。 (2)通过螺旋状的叶绿体与好氧细菌的关系可以看出进行光合作用的场所是叶绿体，色素分 布在叶绿体的类囊体膜上，而酶有的分布在类囊体膜上，有的分布在叶绿体的基质中。(3) 在 C 实验中的自变量是光质，主要有红、绿、蓝三区，而在红光和蓝光区域的好氧细菌远 远多于绿光区域。