2013.12.30——2014.1.2能量之源——光与光合作用

什么是光合作用？
条件 场所
光合作用是指绿色植物通过叶 绿体，利用光能，把二氧化碳 和水转化成储存着能量的有机 物，并且释放出氧气的过程。
原料
产物
人们得出这一认识经历了漫长的探索历程， 科学家们用了200多年的时间，经过无数 次的实验才对光合作用有了一个比较清楚 的认识。现在我们就沿着科学家们探寻的 足迹，去体验他们认识问题的思维过程和 科学探索的乐趣。
(含量约占3/4)
币
叶绿素b（黄绿色）
色素种类 胡萝卜素 叶黄素
色素颜色 橙黄色 黄色
色素含量
滤纸带宽窄
溶解度 最高 较高
扩散速度
滤纸带由上到下
最少 较少
最快（胡） 较快（黄）
叶绿素a
叶绿素b
蓝绿色
黄绿色
最多
较多
较低
最低
较慢(a)
最慢(b)
分析：为什么植物春夏叶子翠绿，而深秋则叶片金 黄呢？
由于叶绿素的含量大大超过类 胡萝卜素，而使类胡萝卜素的 颜色被掩盖，只显示出叶绿素 的绿色
以防止色素溶解于层析液中而无法分离），
用培养皿盖住（防止层析液挥发）。
培养皿
层析液
插滤纸条
5.观察与记录
实验结果：
讨论：1.滤纸条上有几条不同颜色的色带？其排序怎样？ 宽窄如何？这说明了什么？
二、色素的种类
胡萝卜素（ 橙黄色） 类胡萝卜素
(含量约占1/4)
胡 爷
叶黄素（黄 色）
爱
叶绿素a(蓝绿色) 叶绿素
4 ．下图所示“叶绿体中色素的提取和分离”实验的 装置 B 正确的是 ( )
5 ．纸层析法分离叶绿体色素时 , 滤纸上最下端的色素 D 名称和颜色分别是 ( ) A．橙黄色的胡萝卜素 B．黄色的叶黄素 C．蓝绿素的叶绿素a D．黄绿色的叶绿素b 6 ．在圆形滤纸的中央，滴上叶绿体的色素滤液进行 A 色素分离，会看到近似同心的四圈色素环，排在最外 圈的色素是 ( )
实验原理：
1.提取：绿叶中的色素都能溶解于有机溶剂无水乙醇
中，所以可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。 2.分离：纸层析法
绿叶中的色素不止一种，它们都能溶解在层析液中。
然而，它们在层析液中的溶解度不同。溶解度高的随
层析液在滤纸上扩散得快；反之则慢。这样滤液中不 同的色素就随着层析液在滤纸上的扩散而分离开。
叶肉细胞
亚显微结构模式图
叶绿体亚显微 结构模式图
分布： 主要分布在绿色植物的叶肉细胞 形态： 一般呈扁平的椭球形或球形 双层膜,有与光合作用有关的酶 类囊体增大膜面积的结构 有少量的DNA和RNA
外膜
内膜
基质
叶绿体
(含有酶)
基粒
类囊体
(有色素和酶)
光合作用的场所究 竟在什么地方呢？
早在100多年前美国科学家恩格尔 曼就以水绵和好氧细菌为实验材 料，很好地解答了这个问题！
光能 叶绿体
反应物、条件、 场所、生成物
CO2＋H2O
（CH2O）＋O2
糖类
1．研磨绿叶时要加入碳酸钙，其目的是 ( C ) A．使各种色素溶解在丙酮中 B．使研磨充分 C．防止色素分子被破坏 D．加速研磨 2．对“叶绿体中色素的提取和分离”实验中，下列描 述 D 正确的是 ( ) A．将5g新鲜完整的菠菜叶，放入研钵中，加入丙酮、 石英砂、CaCO3以后，迅速研磨 B．用毛细吸管吸取少量滤液；沿铅笔线处小心均匀地 划出一条滤液细线，并连续迅速地重复划2～3次 C．把划好细线的滤纸条插入层析液中，并不断摇晃， 以求加快色素在滤纸条上的扩散 D．色素分子是有机物，不溶于水，所以研磨过程中加

（3）过滤：将研磨液迅 速倒入玻璃漏斗（基部放 置单层尼龙布 单层尼龙布 ），获 取绿色滤液，及时用棉塞 将试管口封严。
过滤叶片残 渣及二氧化 硅等
防止无水乙醇 挥发
2.制备滤纸条
将干燥的定性滤纸剪成稍小于试管长与直径的滤纸条， 将一端减去两角，并在距这一端1厘米处用铅笔画一 条细线。
铅笔线
画铅笔细线
鲁宾
卡门
光合作用释放的氧来自水。
探明了CO2转化成有机物的途径即 卡尔文循环
卡尔文
光合作用原料、产物、条件、场所各是什么？
CO2和H2O、（CH2O）和O2 、 光、叶绿体
CO2 + H2O
光能
叶绿体
(CH2O) + O2
绿色植物通过叶绿体，利用光能，把 CO2和H2O转化成储存能量的有机物，并 释放出O2的过程。
1939年，鲁宾和卡门的实验
1939年（美国） 鲁宾和卡门实验
提出问题 作出假设 光合作用产生的氧是来自于水还是二氧化碳？ 光合作用产生的氧是来自于水（或者是二氧化碳）。
设计实验
A B
结果分析
同 位 素 标 记 法
A中气体无放射性，B中气体具有放射性
得出结论
光合作用产生的氧气来自于水，而不 是来自于二氧化碳。
追根溯源，对于绝大多数生物来
说，活细胞所需能量的最终源头是太
阳能。将光能转换成细胞能够利用的
化学能的是光合作用。进行光合作用 的细胞，首先Hale Waihona Puke 能够捕获光能。捕获光能的色素

我们知道，玉米中有时会出现白化苗。 白化苗由于不能进行光合作用，待种子中贮 存的养分耗尽就会死亡。可见光合作用与细 胞中的色素有关。
8．分别在A、B、C三个研钵中加2克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（或褐色），几乎无色。 处理 SiO2（少量） CaCO3（少量） A ＋ － B ＋ ＋ C ＋ ＋
95％乙醇（10毫升）
蒸馏水（10毫升）
＋
－
－
＋
＋
－
注：“＋”表示加；“－”表示不加。试回答： 部分叶绿素受到破坏 （1）A处理得到的溶液颜色是_黄绿色 ___，原因是________________ 。 叶绿素不溶于水 。 （2）B处理得到的溶液颜色是___ __，原因是_______________ 深绿色 大量叶绿素溶于乙醇中 （3）C处理得到的溶液颜色____ __，原因是 ________________。
小结：
叶绿体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。
恩格尔曼在证明了光合作用的放氧部位是叶绿 体后，紧接着又做了一个实验：他用透过三棱镜的 光照射水绵临时装片，结果见下图：
如何解释好氧细菌主要聚集在红光和蓝紫光照 射的水绵细胞附近？
人们对于光合作用的认识最早是从研究 植物的生长开始的。 植物生长所需要的物质来自哪里？ 早在2000多年前，亚里士多德就提出 “植物是由土壤汁构成”，即植物生长所 需物质来自土壤。 17世纪初， 海尔蒙特的柳树实验。
海尔蒙特的实验证明：柳树重量的增加 来自雨水而并非来自土壤。
1771年，普利斯特利的实验
英格豪斯发现：普利斯特利的实验只有在有光照 射下才能成功，植物只有绿叶才能更新空气。 由于当时的科学界尚未发现空气的成分，所以当 时的人们并不知道植物更新了空气的什么成分。直到 1785年，由于发现了空气的组成，人们才明确绿叶在 光下吸收二氧化碳，放出氧气。
经过了100多年的探索，人们才发现植物吸收二 氧化碳和水，在阳光的照射下，产生了氧气。
今天，下面的这个实验，主要目的是探究 绿叶中含有几种色素和学习对色素进行提取 和分离的方法，并设法将这些色素分离开。 绿叶中有哪些色素呢？
.
正常苗
正常幼 苗能进 行光合 作用制 造有机 养料
白化苗
白化苗 不能进 行光合 作用， 无法制 造有机 养料
说明色素与光合作用有关
一、绿叶中色素的提取和分离
海尔蒙特 普利斯特利 英格豪斯
结论
水分是植物建造自身的原料 植物可以更新空气 植物只有绿叶在光照下才可以更 新空气
1845
1864 1880
R.梅耶
萨克斯 恩格尔曼
植物在光合作用时把光能转变成 了化学能储存起来
绿色植物叶片光合作用产生淀粉 氧气由叶绿体释放出来。叶绿体 是光合作用的场所。
1939
20世纪40代
7．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．红橙光区和绿光区( D )
C．蓝紫光区和绿光区 D．红橙光区和蓝紫光区 8．用下述容积相同的玻璃罩分别罩住大小、生长状况 相同的天竺葵，光照相同时间后，罩内O2最多的是 (C ) A．绿色罩 B．黑色罩 C．无色罩 D．蓝紫色罩
剪角的目的：防止两侧色素扩散快，色素带不整齐
3.画滤液细线
用毛细吸管吸取少量滤液，沿铅笔线均
匀划出一条细线，要求：细、齐、直。
目的：防止色素带重叠而影响分离结果。
• 待滤液干后，重复1-2次， 目的：积累更多色素，使色素分离效 果更明显。
滤液细线
4.分离色素：取适量层析液倒入烧杯中，将滤 纸条轻插入层析液中（滤液细线不能触及层析液，
光合作用产生的有机 物又是怎样合成的呢？
20世纪40年代，美国科 学家卡尔文利用放射性 同位素14C标记的14CO2做 实验研究这一问题。最 终探明CO2中的碳在光合 作用中转化成有机物中 1961年诺贝 的碳的途径，这一途径 尔化学奖得主 称为卡尔文循环。
年代 1664 1771 1779
科学家
三、色素的作用
三棱镜分光演示
绿叶色素吸收光谱演示
光谱仪测定的叶绿素的吸收光谱
叶 绿 素 和 类 胡 萝 卜 素 的 吸 收 光 谱
实验表明：叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，类 胡萝卜素主要吸收蓝紫光。色素对绿光吸收最少。
这些捕获光能的色素存在于细 胞中的什么部位呢？
二、叶绿体的结构
绿叶
叶片中的叶肉细胞
（1）用水绵作实验材料，有细而长的带状叶绿体， 螺旋状分布在细胞中，便于观察和分析研究。
（2）将临时装片置于黑暗且没有空气的环境中， 排除了环境中光线和O2的影响，从而确保实验 能顺利进行。 （3）用好氧菌进行检测，能准确的判断水绵 细胞中放O2 部位。 （4）用极细的光束照射，叶绿体上分为光照多 和光照少的部位，相当于一组对照实验，临时 装片暴露在光下的实验再一次验证实验结果等。
暗处理一晚上
植物叶片中本来就有淀粉，如何解决？
问题1：萨克斯的实验目的是什么？
验证光合作用的产物
问题2：为什么对植物进行一昼夜的暗处理？ 为了将叶片中原有的淀粉运走耗尽 问题3：为什么让叶片的一半曝光，另一半遮 光呢？ 进行对照 问题4：酒精脱色是脱掉绿叶中什么成分? 色素
经过前面的研究，我们已经知道绿色植物 的叶片在光照下，吸收二氧化碳和水，产生 氧气和有机物。 问题：光合作用产生的氧气中的氧来自 CO2 还是H2O？
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
叶绿体色素分离带
胡黄ab向前走；橙黄蓝黄颜色留； 叶绿素ab手拉手；萝卜素儿最纤细； 叶绿素a最宽厚，胡黄之间最大留。
（可以表达叶绿体中色素的分离带，从上
到下分别为胡萝卜素、叶黄素、叶绿素a 和叶绿素b；它们的颜色分别为橙黄色、 黄色、蓝绿色、黄绿色；叶绿素ab挨得 很近；胡萝卜素含量最小，色素带最细； 叶绿素a含量最多，色素带最宽，胡萝卜 素和叶黄素之间距离最大。）
普利斯特利认为：植物可以更新因蜡烛燃烧或小白 鼠呼吸而变浑浊的空气。 当时有人重复了普利斯特利的实验，有的成功了， 有的却失败了。
1779年，英格豪斯3个月里做了500多次植物更新 空气的实验。有一天晚上，他把植物和小白鼠用玻璃 罩密封后，由于太困了就睡着了，用来照明的蜡烛也 燃尽了，第二天早上他发现小鼠死掉了。
方法步骤： 1.提取绿叶中的色素 2.制备滤纸条 3.画滤液细线 4.分离绿叶中的色素 5.观察与记录
方法步骤： 1.提取绿叶中的色素
（1）称取绿叶五克，剪碎，放在研钵中 （2）加入少许SiO2 、CaCO3， 再加入10毫升无水乙醇， 进行快速、充分的研磨 SiO2——使研磨充分 CaCO3 ——防止色素被破坏 无水乙醇——溶解色素 进行迅速：防止无水乙醇挥发 研磨要充分：使色素充分释放
水绵是常见的淡水藻类
每条水绵由许多个结构相
同的长筒状细胞连接而成。 水绵很明显的特点是：叶 绿体呈带状，螺旋排列在 细胞里。
恩格尔曼实验
恩格尔曼的实验说明了什么问题？
1、结论:
氧气是叶绿体释放出来的。 叶绿体是光合作用的场所。 光合作用需要光能
2、讨论：恩格尔曼实验在设计上有什么巧 妙之处？
在这一过程中，光能哪去了？
1845年，梅耶依据能量的转化与守恒定律，植 物在这一过程中把光能转化成其他形式的能量储存 起来。
储存在什么物质中呢？
土豆是变态的茎，含有大量的淀粉。 马铃薯的叶片中有淀粉吗？ 先用热酒精使叶片脱色，后滴加碘液。
植物叶片中的淀粉是光合作用产生的吗？
1864年萨克斯的实验