高中生物人教版 (2019)必修1《分子与细胞》第5章 细胞的能量供应和利用第4节 光合作用与能量转化一 捕获光能的色素和结构第1课时学案

5.4 光合作用和能量转化（1）

1.通过设计和实施绿叶中色素提取和分离实验，了解色素提取和分离的原理，说明绿叶中色素的有四种。

2.通过对恩格尔曼光合作用实验的分析讨论，了解叶绿体吸收光能进行光合作用的证据，理解恩格尔曼实验设计的巧妙之处。

3.通过分析叶绿体亚显微结构图解，说明叶绿体中存在光合作用色素和光合作用的酶，说明色素存在于类囊体薄膜上。

知识点01  绿叶中色素的提取和分离

1.实验原理：绿叶中的色素能够溶解在有机溶剂无水乙醇中，可以用无水乙醇提取绿叶中的色素。不同的色素溶解度不同。溶解度高的随层析液在滤纸上扩散得快，反之则慢。这样，绿叶中的色素就会随着层析液在滤纸上的扩散而分开。

2.提取绿叶中的色素：称取5g绿叶，剪去主叶脉，剪碎, 放入研钵中→向研钵中放入少许二氧化硅和碳酸钙，再加入5～10mL无水乙醇，迅速、充分地进行研磨→将研磨液迅速倒入玻璃漏斗进行过滤。

3.分离绿叶中的色素：制备滤纸条→画滤液细线→分离绿叶中的色素→观察记录分离结果。

4.色素分离结果分析

知识点02  恩格尔曼光合作用实验

1.德国科学家恩格尔曼把载有水绵和需氧细菌的临时装片放在没有空气的小室内，在黑暗中用极细的光束照射水绵，发现细菌只向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果把装置放在光下，细菌则分布在叶绿体所有受光的部位。直接证明了叶绿体能吸收光能用于光合作用放氧。结合其他的实验证据，科学家们得出叶绿体是光合作用的场所这一结论。

2.恩格尔曼用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，发现大量的需氧细菌聚集在红光和蓝紫光区域。这说明叶绿体主要利用红光和蓝紫光。

知识点03  叶绿体的结构适于进行光合作用

1.电子显微镜下可以看到叶绿体由双层膜包被，内部有许多基粒。每个基粒都由类囊体堆叠而成。吸收光能的4种色素分布在类囊体的薄膜上。在叶绿体内部巨大的膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。

2.叶绿素a和叶绿素b主要吸收蓝紫光和红光，胡萝卜素和叶黄素主要吸收蓝紫光o这 4种色素吸收的光波长有差别，但是都可以用于光合作用。

考法01 色素提取和分离实验注意事项

【特别提醒】SiO2有助于研磨充分；CaCO3可以防止研磨时色素被破坏。

【典例1】关于“绿叶中色素的提取和分离”实验的叙述，不正确的是（    ）

A．该实验结果表明，叶绿素a在层析液中溶解度最大

B．用无水乙醇作溶剂，提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素

C．若研磨时不加二氧化硅，则滤纸条上各色素带均变窄

D．将滤液细线画粗些并不能增强实验效果

【答案】A

【解析】纸层析法分离叶绿体色素的实验结果表明，胡萝卜素在层析液中溶解度最大，A错误；用丙酮、无水乙醇等有机溶剂溶解和提取叶绿体中色素，提取的叶绿体色素中含有胡萝卜素，B正确；加入SiO2的目的是为了研磨充分，不加二氧化硅，则滤纸条上各色素带均变窄，C正确；用毛细管吸少量滤液，沿铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线，待晾干后再重复2-3次，太粗色素带会重叠，D正确。
【解题必备】绿叶中色素的提取和分离实验中知识点总结：

1．色素提取和分离过程中几种化学物质的作用：

（1）无水乙醇作为提取液，可溶解绿叶中的色素。

（2）层析液用于分离色素。

（3）二氧化硅破坏细胞结构，使研磨充分。

（4）碳酸钙可防止研磨过程中色素被破坏。

2．分离色素原理：各色素随层析液在滤纸上扩散速度不同，从而分离色素。

3．滤纸条从上到下依次是：胡萝卜素（最窄）、叶黄素、叶绿素a（最宽）、叶绿素b（第2宽），色素带的宽窄与色素含量相关。

考法02  恩格尔曼光合作用实验

1.恩格尔曼选择水绵和好氧细菌为实验材料的原因是：水绵的叶绿体呈螺旋式带状，便于观察；好氧细菌向氧气丰富的地方移动，可以确定释放氧气多的部位。

2.恩格尔曼先将载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的黑暗环境中，这样做的目的是作对照。环境中没有空气有利于排除了氧气的干扰，在黑暗环境中进行有利于排除了光的干扰。

3.极细的光束使叶绿体上可分为有光和无光部位形成对照实验，还可使叶绿体上分为光多和光少的部位形成对比实验。

4.临时装片要重新暴露在光下，反过来再一次验证实验结论。

【典例2】为证实叶绿体有放氧功能，可利用含有水绵与好氧细菌的临时装片进行实验，装片需要给与一定的条件，这些条件是（    ）

A.光照、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液

B.黑暗、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液

C.黑暗、有空气、临时装片中无NaHCO3稀溶液

D.光照、无空气、临时装片中有NaHCO3稀溶液

【答案】D

【解析】若要证明叶绿体进行光合作用有释放氧气的功能，则需要在有光照的条件、没有空气（排除空气中氧气的干扰）、有NaHCO3稀溶液（提供二氧化碳），故D正确。

考法03  叶绿体的结构特点适于进行光合作用

叶绿体中的基粒和类囊体极大地扩展了受光面积；在类囊体薄膜上分布着与光合作用有关的酶和色素，在基质中分布着与光合作用有关的酶。

【典例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与光合作用有关的酶

C．③和④中都有与光合作用有关的酶

D．有叶绿体的细胞才能进行光合作用

【答案】D

【解析】①②表示叶绿体的双层膜，它们具有选择透过性功能。③为叶绿体的基粒，其上含有进行光合作用的色素和酶。④基质也是进行光合作用的场所，也具有与光合作用有关的酶。色素和酶是进行光合作用的必要条件，具有上述条件而不具有叶绿体的蓝藻等也能进行光合作用，故D错误。

题组A  基础过关练

1.下列有关“提取和分离叶绿体色素”实验的叙述正确的是（　 　）

A.加入碳酸钙防止滤液挥发

B.用50%的酒精溶液提取叶片中的色素

C.用无水乙醇或丙酮分离滤液中的色素

D.加入二氧化硅（石英砂）有利于充分研磨

【答案】D

【解析】色素的提取实验中加入二氧化硅（石英砂）的作用是使得研磨更充分,加入碳酸钙的作用为保护色素不被破坏;用无水乙醇或丙酮等有机溶剂提取色素。

2.叶绿体是植物进行光合作用的细胞器，下面有关叶绿体的叙述正确的是（　 　）

A．叶绿体中的色素都分布在囊状结构的膜上

B．叶绿体中的色素分布在外膜和内膜上

C．光合作用的酶只分布在叶绿体基质中

D．光合作用的酶只分布在外膜、内膜和基粒上

【答案】A

【解析】　叶绿体中的色素都分布在囊状结构的薄膜上。

3.下列有关“提取和分离叶绿体色素”实验的叙述正确的是（　 　）

A.加入碳酸钙防止滤液挥发

B.用50%的酒精溶液提取叶片中的色素

C.用无水乙醇或丙酮分离滤液中的色素

D.加入二氧化硅（石英砂）有利于充分研磨

【答案】D

【解析】色素的提取实验中加入二氧化硅（石英砂）的作用是使得研磨更充分,加入碳酸钙的作用为保护色素不被破坏;用无水乙醇或丙酮等有机溶剂提取色素。

4.某同学在做叶绿体色素的提取和分离的实验中,观察到的色素带颜色较浅,其可能原因是（　 　）

①无水乙醇加入量太多   　②未加CaCO3　     ③未加SiO2

④使用放置了两天的菠菜叶　     ⑤只画了一次滤液细线

A.2种 B.3种 C.4种 D.5种

【答案】D

【解析】无水乙醇加入量过多,会造成乙醇中的叶绿素含量浓度小,导致色素带颜色浅;不加CaCO3,研磨时会使叶绿素遭到破坏,提取到的叶绿素少,导致色素带颜色浅;未加SiO2导致研磨得不充分,使色素带颜色浅;菠菜叶失绿,导致色素带颜色浅;画滤液细线次数少,导致色素带颜色浅。

5.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】根据图中吸收波峰分析色素A吸收红光和蓝紫光,表示叶绿素;色素B吸收波峰只有蓝紫光,则表示类胡萝卜素。

6.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错误的是（　 　）

A.植物细胞都有叶绿体,叶绿素普遍分布于植物的每个细胞中

B.与光合作用有关的酶分布于类囊体和基质中

C.叶绿体内有许多类囊体,极大地扩大了受光面积

D.叶绿体中的色素分布于类囊体上,且都能吸收蓝紫光

【答案】A

【解析】植物的根尖细胞没有叶绿体,因此植物的根尖细胞中没有叶绿素分布。

题组B  能力提升练

7.下列关于叶绿素的叙述,错误的是（　 　）

A.叶绿素a和叶绿素b都含有镁元素

B.被叶绿素吸收的光可用于光合作用

C.叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同

D.植物呈现绿色是由于叶绿素能有效地吸收绿光

【答案】D

【解析】镁是合成叶绿素a和叶绿素b的必需元素;叶绿素主要吸收红光和蓝紫光,用于光合作用的光反应过程;叶绿素a和叶绿素b在红光区的吸收峰值不同;叶绿素不能有效地吸收绿光,绿光被反射出去,使植物呈现绿色。

8．下列有关叶绿体色素的提取、分离及功能验证实验中，叙述正确的是（　　）

A．叶绿体色素之所以能够在滤纸上分离开的原因是不同的色素分子大小不同

B．实验中要注意不能让层析液没及滤液细线，目的是避免色素扩散进入层析液中

C．将叶绿体色素提取液装入试管，让一束白光穿过该滤液后再经三棱镜对光进行色散，光谱的颜色明显减弱的是绿光

D．提取的叶绿素溶液，给予适宜的温度、光照和CO2可进行光合作用

【答案】B　

【解析】不同色素在层析液中的溶解度不同，溶解度大的色素在滤纸上扩散的速度快，故叶绿体色素能够在滤纸上分离开；实验中不能让层析液没及滤液细线，否则滤液细线中的色素会扩散进入层析液中；叶绿体色素对绿光吸收最少，白光穿过该滤液后再经三棱镜对光进行色散，则绿光强度基本不变；光合作用需要多种色素的参与，且需叶绿体类囊体薄膜上多种酶的参与，因此仅仅有叶绿素，光合作用是无法进行的。

9.某科研人员为了研究石油醚、苯、丙酮在分离色素中的各自功能,分别用标准层析液（石油醚∶丙酮∶苯=20∶2∶1）、石油醚、苯、丙酮等4种液体来分离菠菜叶中的叶绿体色素。分离时间为140秒,实验结果如图所示。下列分析有误的是（　 　）

A.标准层析液组为对照组,其他三组为实验组

B.层析液中石油醚的功能是分离菠菜叶中的胡萝卜素

C.层析液中丙酮的功能是分离菠菜叶中的叶黄素

D.层析液中苯的功能是分离菠菜叶中的叶绿素a和叶绿素b

【答案】C

【解析】与对照组相比,使用丙酮的实验组四种色素在层析液中几乎没有分离开来,说明丙酮可以溶解色素,但是不能分离色素。

10.下图表示叶绿体中色素的吸收光谱（颜色深、浅分别表示吸收量多、少）。甲、乙两图分别是（　　）

A．胡萝卜素、叶绿素的吸收光谱

B．叶绿素、胡萝卜素的吸收光谱

C．叶黄素、叶绿素的吸收光谱

D．叶黄素、胡萝卜素的吸收光谱

【答案】B

【解析】叶绿素主要吸收红光和蓝紫光，在光谱上有两个吸收区域；胡萝卜素主要吸收蓝紫光，在光谱上有一个吸收区域，据此可作出正确判断。

11.关于提取和分离叶绿体色素实验:

（1）某同学在做“提取和分离叶绿体色素”实验时,操作情况如下表述:

①将5 g新鲜完整的菠菜叶,放在研钵中,加入适宜无水乙醇、二氧化硅、碳酸钙以后,迅速研磨。

②用毛细吸管吸取少量滤液,沿滤纸上的铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线,并连续迅速地重复画2～3次。

③把画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。

实验结果失败,请指出其错误并改正:

①　                                        。 

②　                                        。 

③　                                        。 

（2）某兴趣小组同学想探究蔬菜不同叶片在叶绿素含量上的区别,选择了新鲜菠菜的“绿叶”“嫩黄叶”做“提取和分离叶绿体色素”实验,色素层析结果如图,请根据实验结果回答:

①绿叶组的滤纸条是　　　　（填字母）,判断依据是　 　。 

②嫩黄叶组的滤纸条是　　　　（填字母）,判断依据是　 　。 

【答案】（1）①不应该用完整叶片，而应将叶片剪去主叶脉、剪碎

②不应该连续迅速重复画线,而应待滤液细线干燥后再重复画线

③不应该摇晃,以免层析液没及滤液细线

（2）①A　叶绿素a带和叶绿素b带较宽

②B　叶绿素a带和叶绿素b带较窄

【解析】（1）①应将5 g新鲜菠菜叶将叶片剪去主叶脉、剪碎放在研钵中,加入适宜无水乙醇、二氧化硅、碳酸钙以后,迅速研磨。

②用毛细吸管吸取少量滤液,沿滤纸上的铅笔线处小心均匀地画出一条滤液细线,不应该连续迅速重复画线,而应待滤液细线干燥后再重复画线。

③把画好细线的滤纸条插入层析液中,不应该摇晃,以免层析液没及滤液细线。

（2）某兴趣小组同学想探究蔬菜不同叶片在叶绿素含量上的区别,选择了新鲜菠菜的“绿叶”“嫩黄叶”做“提取和分离叶绿体色素”实验,色素层析结果如图,请根据实验结果回答:

①绿叶组的滤纸条是叶绿素a带和叶绿素b带较宽。 

②嫩黄叶组的滤纸条是叶绿素a带和叶绿素b带较窄。

12.在光合作用的发现过程和研究过程中有许多著名的实验，其中美国科学家恩格尔曼用水绵进行光合作用的实验就是其中之一。请根据该实验回答问题：

（1）恩格尔曼选择水绵为实验材料，该材料的优点是______________________。

（2）将水绵和好氧性细菌制作成临时装片，为排除外界干扰，必须放在_______   环境中。

（3）用极细的光束照射到水绵的某部位，通过显微镜观察到的现象是：_____________     。

（4）如果临时装片完全暴露在光下，好氧细菌的分布特点是：________________          。

（5）该实验证明了：__________________________________________。

【答案】（1）带状叶绿体，大而明显，可指示氧气释放的部位

（2）没有空气的黑暗

（3）好氧细菌积聚在叶绿体被光束照射的部位

（4）分布在叶绿体所有受光部位的周围

（5）氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所

【解析】（1）水绵含有带状叶绿体，大而明显，可指示氧气释放的部位。

（2）该实验的自变量是光照的有无，因变量是好氧细菌的分布，为避免外界干扰，将临时装片放在没有空气的黑暗环境中。

（3）极细的光束照射到水绵，水绵叶绿体进行光合作用释放氧气，所以好氧细菌积聚在叶绿体被光束照射的部位。

（4）临时装片完全曝光，水绵叶绿体进行光合作用释放氧气，所以好氧细菌分布在叶绿体所有受光部位的周围。

（5）该实验证明了氧气是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

题组C  培优拔尖练

13.(2016·全国卷Ⅱ)关于高等植物叶绿体中色素的叙述，错误的是(　　)

A.叶绿体中的色素能够溶解在有机溶剂乙醇中

B.构成叶绿素的镁可以由植物的根从土壤中吸收

C.通常，红外光和紫外光可被叶绿体中的色素吸收用于光合作用

D.黑暗中生长的植物幼苗叶片呈黄色是由于叶绿素合成受阻引起的

【答案】C

【解析】　叶绿体中的色素能够溶解在包括无水乙醇在内的有机溶剂中，A正确；叶绿素分子中含有镁元素，可以离子状态由植物的根从土壤中吸收，进而参与叶绿素的合成，B正确；一般情况下，光合作用所利用的光都是可见光，可见光不包括红外光和紫外光，C错误；叶绿素的合成需要光，黑暗中生长的植物幼苗，因没有光照而导致叶绿素合成受阻，使类胡萝卜素的颜色显现出来，因而叶片呈黄色，D正确。

14.（2016·江苏卷）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.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；即使菜中叶剪碎不够充分，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。

15.(2015·江苏卷)为研究高光强对移栽幼苗光合色素的影响，某同学用乙醇提取叶绿体色素，用石油醚进行纸层析，下图为滤纸层析的结果(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ为色素条带)。下列叙述正确的是(多选)(　　)

A.强光照导致了该植物叶绿素含量降低

B.类胡萝卜素含量增加有利于该植物抵御强光照

C.色素Ⅲ、Ⅳ吸收光谱的吸收峰波长不同

D.画滤液线时，滤液在点样线上只能画一次

【答案】ABC　

【解析】本题主要考查光合色素的提取与分离，意在考查生物实验的相关知识，考查理解能力和综合运用所学知识分析问题的能力，难度较大。A项对，由图示可知，强光下，Ⅲ、Ⅳ表示的叶绿素色素带变窄，说明叶绿体含量降低；B项对，类胡萝卜素可保护叶绿素免受强光降解；C项对，Ⅲ是叶绿素a，Ⅳ是叶绿素b，都是主要吸收蓝紫光和红光，但吸收光谱的吸收峰波长不同；D项错，画滤液线时，滤液在点样线上画2－3次。

16.1880年，美国科学家恩格尔曼用水绵进行了光合作用的实验：把载有水绵和好氧细菌临时装片放在没有空气的黑暗环境里，然后用极细的光束照射水绵，通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。如图（一）所示：

（1）恩格尔曼的实验所用材料中，水绵叶绿体中含有的4种色素分别为：______，好氧细菌与酵母菌相比，在结构上主要的区别为______，本实验得出的结论有：______。（至少答两点）
（2）科学家恩格尔曼后来又做了一个实验：他用透过三棱镜的光照射水绵临时装片，惊奇地发现好氧细菌大量聚集在如图（二）所示区域．本实验的自变量为：______，本实验得出的结论是：______。

【答案】（1）叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素     没有由核膜包围而形成的细胞核     氧是由叶绿体释放出来的、叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所、光合作用需要光等
（2）不同波长的光       叶绿体进行光合作用主要吸收红光和蓝紫光

【解析】（1）水绵叶绿体中含有的4种光合色素分别为：叶绿素a、叶绿素b、胡萝卜素、叶黄素，好氧细菌是原核生物，与酵母菌相比，在结构上主要是没有由核膜包围而形成的细胞核．用极细的光束照射水绵，好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围，由此说明了氧是由叶绿体释放出来的、叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所、光合作用需要光等。
（2）由于用不同波长光照射，好氧细菌大量聚集在如图（二）所示区域，本实验说明叶绿体进行光合作用主要吸收红光和蓝紫光。