第三节 光合作用（A）

教学目的

1．光合作用的发现过程（A：知道）。

2.叶绿体中色素的种类和作用（C：理解）。

教学重点

叶绿体中色素的种类和作用。

教学难点

光合作用发现过程的几个著名实验的设计思想。

教学准备 教学用具

课前，教师指导生物课外活动小组完成《验证植物更新空气实验》和《验证绿叶在光下产生淀粉的实验》。制备各个实验过程的投影片、叶绿体结构的投影片、色素吸收光谱的投影片。

教学方法

讲述法与科学探索活动相结合。

课时安排

1课时（不包括叶绿体中色素的提取和分离实验）。

板 书

教学过程

第三节

光合作用

一、光合作用的发现

二、叶绿体和其中的色素

1.由膜维成的囊状结构

2.色素的种类与作用

引言：通过初中生物课的学习，我们已经知道，植物的每一片绿叶就好像是一个“绿色工厂”源源不断地生产者有机物，绿色在植物生产有机物的过程是通过什么生理过程完成的呢？

（答：光合作用。）

提问：那么，什么是光合作用呢？

（答：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，并且释放出氧的过程。）

提问：那么，如果我们将绿叶比喻为绿色工厂，其中的厂房、动力、原料和产物各是什么？

（答：厂房是叶绿体，动力是光能，原料是二氧化碳和水，产物是有机物和氧。）

讲述：我们可以将光合作用的生理过程总结成这样一个化学反应式（板书化学式）。同学们是否想过，这个生理过程到底是怎样进行的呢？这就是我们今天要学习的内容。

在自然界中绿色植物随处可见，但是哪位同学曾观察到光合作用是怎样进行的呢？没有。那么，科学家们到底是怎样发现光合作用这一生理过程的呢？

这要追溯到很久很久以前。过去，人们一直以为，小小的种子之所以能够长成参天大树，完全依*于土壤。事情果真是这样？1648年，一位比利时的科学家海尔蒙特对此产生了怀疑，于是他设计了这样一个实验：他把一棵重2．5kg的柳树苗栽种到一个木桶里，木桶里盛有事先称过重量的土壤。以后，他每天只用纯净的雨水浇灌树苗。为防止灰尘落入，他还专门制作了桶盖。五年以后，柳树增重80多千克，而土壤却只减少了100g，海尔蒙特为此提出了建造植物体的原料是水分这一观点，但是当时他却没有考虑到空气的作用。是谁首先想到植物的生长与空气的作用有关的呢？是一位英国科学家普利斯特利。下面我们请生物课外活动小组的同学给大家介质绍有关这方面的内容。

[答：我们生物课外活动小组的同学们重复了普利斯特利在1771年所做的实验：（用幻灯或实物演示）在光线充足的地方，我们将一支点燃的蜡烛和一支小白鼠分别放到一个密闭的玻璃罩里，我们看到蜡烛不久熄灭了，小白 鼠也很快死去。我们又将蜡烛与绿色植物一起放在这个玻璃罩内，小白鼠也不容易窒息而死。后来，我们用一纸盒将玻璃罩罩住，使它不

接受光线，重复做两个实验不能得到上述的实验结果。]

提问：很好，请同学们思考一下，蜡烛燃烧和小白鼠呼吸需要的是什么气体呢？

（答：氧气。）

那么，这个实验说明了什么问题呢？

（答：绿色植物在光照下吸收了二氧化碳，产生了氧气。）

讲述：很好，但是当时由于科学发展水平的限制，普利斯特利紧紧联想到植物可以更新空，但不知道是空气中的哪种成分在起作用，也没有认识到光在其中的关键作用。后来，又经过许多科学家的实验，才逐渐发现了光和作用的场所、条件、原料和产物。下面我们再来介绍其中几个著名的实验。请同学们注意体会这些实验的设计思想。

我们请生物课外活动小组的同学给大家接介绍他们重做的“绿叶在光下制造淀粉的实验”。

[答：演示幻灯片。我们重做了德国科学家萨克斯在1864年做的实验：我们将盆栽天竺葵放到黑暗处一昼夜，然后让一个叶片一半暴光，另一半遮光。过一段时间后，把这个叶片放入盛有酒精的小烧杯里，隔水加热，除去叶片含有的叶绿素，再滴加碘酒，发现遮光部分无颜色变化，暴光一半则呈深蓝色，大家请看┈（展示试验结果。）]

提问：很好，同学们思考三个问题：1．为什么对天竺葵先进行暗处理？ 2．为什么让叶片的一半曝光，另一半遮光呢？ 3．这个实验的说明什么问题？

（答。1．暗处理是为了将叶片内原有的淀粉运走耗尽。2．部分遮光部分曝光，是为了进行对照。3．碘遇淀粉变蓝，结果证明绿叶在光下制造了淀粉。）

讲述：这一实验成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。1880年，德国的又一位科学家恩吉尔曼也进行了一个光和作用的实验。他选用的实验材料是水绵。水绵是常见的淡水藻I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。同学们请看（幻灯演示该实验过程。）我们先将载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且黑暗的环境里，先用极细光束来照射水绵在显微镜下观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到部分附近。如果将上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位周围。

提问：同学们分析一下，好氧细菌集中于叶绿体所有受光部位的周围，这说明了什么问题呢？

（答：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。）

在这个实验中，同学们注意以下几个问题：

1．为什么选用水绵做为实验材料？2．为什么选用黑暗并且没有空气的环境？3．为什么先用极细光束照射水绵，而后又让水绵完全曝露在光下？

（引导学生讨论回答：1．选用水绵作为实验材料，是因为水绵不仅有细而长的带状叶绿体，而且螺旋分布于细胞中，便于进行观察和分析研究。2．先选用黑暗并且没有空气的环境，是为了排除实验前环境中光线和氧的影响，确保实验的准确性。3．先选极细光束，用好氧细菌检测，能准确判断水绵细胞中释放氧的部位；而后用完全曝光的水绵与之做对照，从而证明了实验结果完全是光照引起的，并且氧是由叶绿体释放出来的。）

讲述：恩吉尔曼的实验巧妙地证明了光合作用的场所是叶绿体。

由此可见，从1771年到1886年，随着科技手段的进步，人们对光合作用的认识也越来越深刻，到20世纪30年代，随着物理学和化学的发展，一些先进的科学技术手段被广泛采用，如用同位素标记法来研究光合作用的问题，这使人们对光合作用的认识更深入了一步。那么，什么是同位素标记法呢？请同学们阅读课本中的小资料。

（学生阅读）

20世纪30年代，美国科学家鲁宾和卡门，利用同位素标记去成功地进行了另一个光合作用的实验。（用幻灯演示。）这个实险的目的是为了弄清楚在光合作用中产生的氧到底是来自水还是二氧化碳？同学们考虑一下，应标记哪一种元素？如何设计这个实验呢？

（引导学生讨论，与学生共同完成实验设计，同时演示幻灯片。幻灯片显示：用氧的同位素¹⁸O分别标记 H₂O和CO₂，使它分别成为H₂¹⁸O和C¹⁸O₂，然后进行两组光合作用的实验：第一组向绿色植物提供H₂¹⁸O和CO₂；第二组向同种绿色植物提供H₂O和 C¹⁸O₂。在相同的条件下，对两组光合作用实验释放出的氧进行分析，结果表明，第一组释放的氧全部是¹⁸O₂，第二组释效的氧全部是O₂。）

这个实验证明了光合作用中释放的氧全部来自水。

由此可以看到。几代科学家历经二百多年，才对光合作用的生理过程有了比较清楚的认识。可见，科学的发展道路是很艰难，这里不仅包含着科学家们的艰辛劳动与智慧，还与社会科学技术的进步与发展密切相关。

过渡：前面我们已经了解了光合作用的发现过程，那么，在绿叶这个“绿色工厂”中，光合作用这一生理过程，到底是怎样进厅的呢？

在学习这个问题以前，我们还是先来认识一下它的“厂房”——叶绿体。

提问：我们在前面已经学习过叶绿体的有关知识，同学们回忆一下，叶绿体存在于植物的哪一个部位？它有什么功能？

（答：主要存在于绿色植物的叶肉细胞中，是进行光合作用的细胞器。）”

我们曾经学习过叶绿体的结构，哪位同学能说一下叶绿体的结构是怎样的？教师出示叶绿体结构解剖挂图或投影片，引导同学复习。

（答：光镜下，叶绿体呈扁平的棉球形或球形。电镜下观察有双层膜，使叶绿体与细胞基质隔开，叶绿体的膜还可以控制物质的进出。叶绿体内部充满了基质和绿色的基粒。）

我们在电子显微镜下观察叶绿体的超薄切片，看到的叶绿体的基粒，是不是一个单纯的圆柱体呢？

（答：不是，是由一层一层的结构重叠而成的。）

讲述：很好，这个圆柱体是由一个个囊状的结构垛叠而成的。（取出一硬币。）假如这就是一个由膜围成的囊状结构；将其一个个垛叠起来，就形成了一个圆柱体，也就是一个基粒。叶绿体内含有的几个到几十个基粒扩大了叶绿体内的膜面积，同学试想一想，这有什么作用呢？

（答：有利于光合作用的一系列化学反应的进行。）

提问：同学们思考这样一个问题：为什么春夏两季植物的叶子翠绿醉人，而深秋树叶则金黄斑斓呢？

讲述：（教师与学生讨论，总结出色素的种类、颜色。）叶绿体中的色素分为两大类：叶绿素和类胡萝卜素。叶绿素又分为两类：叶绿素a，呈蓝绿色；叶绿素b，呈黄绿色。类胡萝卜素也分为两类：胡萝卜素，呈橙黄色；叶黄素，呈黄色。

由于叶绿素含量约占总量的四分之三，而类胡萝卜素仅占四分之一，所以通常植物的叶子总是翠绿醉人的。这是由于叶绿素掩盖了类胡萝卜素颜色的缘故。

但是，叶绿素很容易被破坏。秋天叶绿素会因为“忍受”不了气温下降等因素的影响而分解消失；胡萝卜素和叶黄素则比较稳定，终于在没有叶绿素干扰时“重见天日”。（教师在这里可简要介绍黄栌、枫树“霜叶红于二月花”的原因，指出是由于叶绿素分解时，叶中的糖分大量转变成红色的花青素造成的。）

囊状结构上存在的这些色素有什么作用呢？可以吸收、传递和转化光能。

叶绿体中4种色素的颜色是与它们吸收光的情况相关的，这可以通过下面的实验来说明。我们可将提取出的叶绿体中的4种色素溶液分别放在可见光与三棱镜之间，可以看到连续光谱中有些波长的光被吸收了。（演示色素吸收光谱投影片。）

提问：同学们观察哪些波长的光吸收量大，哪些波长的光吸收量最少？

（答：主要吸收红橙光和蓝紫光，而对绿光吸收量最少。）

讲述：色素吸收的光，都能用于光合作用。由于色素对绿光的吸收量最少，绿光会被反射出来，所以叶绿体才呈现出绿色。

提问：色素不仅能够吸收光能，还能传递和转化光能。根据结构与功能的统一，同学们可以想一想：光合作用中与光有关反应会发生在什么部位？为什么？

（答：发生在囊状结构的薄膜上。因为吸收、传递和转化光能的色素分布于薄膜上。）

讲述：细胞内的任何化学反应都需要酶来催化。科学家发现在囊状结构薄膜上不仅分布有色素，还分布有大量的酶。同时在叶绿体内的基质中也分布有多种酶。那么，光合作用是否只在囊状结构的薄膜上进行呢？

（答：不是，根据还有一些酶分布在基质中这一结论，肯定光合作用还可以在与光无关的部分即基质中进行。）

很好，通过以上学习我们可以看到，叶绿体这个厂房，不仅为光合作用的进行在结构方面做好了准备，同时也为光合作用的进行做好了物质上的准备。当我们了解这一切时，不得不赞叹大自然的神奇！

今天这节课里，我们首先介绍了光合作用的发现历程。对于这部分内容，同学们不要只记住结论，更重要的是理解科学家们的设计思想。同时，同学们应该从结构与功能相统一的观点出发，掌握第二个大问题——叶绿体和其中的色素。下面我们用提问的方式总结一下我们所学的内容：

1．叶绿体中有哪几种色素？它们有什么作用？

（答：略。）

2．为什么说叶绿体的结构是与它进行光合作用这一功能相适应？

（答：1．双层膜，可以控制物质进出。2．基质中分布有几个到几十个由囊状结构垛叠而成的基粒，增大了叶绿体内的膜面积，利于化学反应的进行。3．分布有进行光合作用必需的色素和酶，为光合作用的进行做好了物质上的准备。）

3．自己设计实验。通过实验验证（1）植物在进行光合作用时，可以产生氧；（2）植物在进行光合作用时需要吸收二氧化碳。

（教师可提示：如氧使余烬木条复燃；氢氧化钠溶液能吸收二氧化碳等知识，但最好不要过多限制学生思路。学生回答问题后及时表扬富于创新的设计。）

（回答：略。）