提取和分离叶绿体中光合色素的实验探究与拓展

江苏省南京市雨花台中学(210012) 朱慧娟

1 实验教学背景

在以往实验中,学生按教材方法进行操作时会出现以下问题:用毛细吸管画滤液细线不齐,用教材层析装置时滤纸翘起、或紧贴烧杯壁、或变软后触及层析液,造成实验效果不好。另外,学生在实验中提出了一些问题:①能否用其他的叶片做实验材料,叶子出现黄色和红色的原因是什么;②能否用水代替无水乙醇提取色素;③能否用酒精隔水加热法提取色素。为了让实验现象更明显,同时让学生自己探究解决疑惑,笔者改变了实验内容和实验方法,达到了预期的教学目标。

2 实验教学目标

知识目标:理解色素提取和分离的原理和方法,归纳出绿叶中色素的组成、描述各试剂在实验中的作用。

能力目标:通过对色素提取和分离操作方法的改进,提高分析和解决问题的能力。

情感态度与价值观目标:通过探究各种叶片的色素种类,认同生物界的统一性;通过探究活动,养成交流与合作的意识,具备严谨的科学态度。

3 实验内容设计

为了解决学生疑问,本实验设计为3个探究活动,即探究实验材料、试剂和其他可行的实验方法。通过不同植物的叶片和同种植物不同叶龄的光合色素比较,理解叶片变红变黄的原因;通过用水和无水乙醇进行实验的比较,深刻理解实验原理;通过不同提取方法比较,学会知识的迁移。

4 实验方法设计与实施

4.1 实验方法的改进

开展探究活动之前,先进行预备实验比较,改进实验的部分操作。

4.1.1 研 磨

通过对二氧化硅和白河沙的比较,发现白河沙研磨后过滤,不会进入滤液,滤液更清,因此研磨时改用白河沙。含水多的叶片研磨时,加入少量无水硫酸钠。

4.1.2 画滤液细线

多次实验证明,将绿叶晾干,研磨时加入3 m L左右的无水乙醇,充分研磨后,在铅笔画线处对折,直接接触研磨液的方法效果最佳,滤液细线既细直浓度又高,但此方法对用水浴法得到的提取液不适用。通过多种方法比较,最终发现采用用完的眼线笔芯和盖玻片两种方法画线效果都不错。考虑到盖玻片在实验室取材方便,确定用盖玻片画滤液细线。

4.1.3 层析液种类

对6种层析液分析比较,发现2种效果最佳,分别是石油醚∶丙酮∶苯＝20∶2∶1或石油醚∶苯＝10∶1。实验中确定用石油醚∶苯＝10∶1的层析液。

图1 层析装置

4.1.4 层析液装置

选用如图1所示的装置,将滤纸用工字钉固定于橡皮塞上,放置于广口瓶中,滤纸条不会脱落,同时也能防止层析液的挥发。

4.2 分组实验,实施探究

4.2.1 探究实验材料

4.2.1.1 探究不同种叶的光合色素

(1)材料:黑藻、绿萝、构树、菠菜、青菜、韭菜、红叶李、三叶草。

(2)滤液比较结果如图2所示。

(3)色素带比较结果如图3所示。

(4)结论:构树可以代替菠菜用来做演示实验的材料,具有取材方便、叶片含水量少、实验效果明显的优点。红色叶子中也有叶绿素等光合色素,叶片为红色的原因是液泡中含有一种水溶性的色素——花青素。

图2 各种叶片研磨滤液比较

图3 色素带比较(第8条色素带为红叶李用水作为层析液结果)

4.2.1.2 比较同种植物不同叶龄的光合色素

(1)材料:不同叶龄的绿萝,如图4所示。优点是短时间内可同时获取幼嫩、成熟、发黄3种不同的叶片。

图4 不同叶龄的绿萝

(2)滤液比较结果如图5所示。

图5 绿萝滤液比较

(3)色素带比较结果如图6所示。

图6 绿萝色素带比较

(4)结论:叶子变黄是由于叶绿素分解。

4.2.2 探究提取方法

(1)实验材料与方法见表1。

表1 实验材料与方法1

(2)滤液比较如图7所示。

图7 不同提取方法构树滤液比较

(3)色素带比较如图8所示。

图8 不同提取方法构树色素带比较(左:水浴;右:研磨)

(4)实验结论

水浴法也能提取色素。

4.2.3 探究提取试剂

4.2.3.1 A 组

(1)实验材料与方法见表2。

表2 实验材料与方法2

(2)滤液比较结果如图9所示。

图9 不同提取试剂构树滤液比较

(3)色素带比较结果如图10所示。

图10 不同提取试剂构树色素带比较(左:水;右:无水乙醇)

(4)结论:色素不溶于水,溶于有机溶剂无水乙醇。

4.2.3.2 B 组

(1)实验材料与方法见表3(黑藻优点:可以直观观察提取前后叶绿体的变化)。

表3 实验材料与方法3

(2)滤液比较结果如图11所示。

图11 黑藻滤液比较

(3)色素带比较结果如图12所示。

图12 黑藻色素带比较(左:加无水乙醇;右:加水)

(4)细胞前后比较结果如图13所示。

图13 黑藻细胞前后对比图(左:无水乙醇做提取液;右:水做提取液)

(5)结论:色素不溶于水,溶于有机溶剂无水乙醇。通过细胞的观察,发现用无水乙醇提取后,叶绿体中色素消失,证明提取的色素来自叶绿体。

5 实验延伸

利用实验所得滤液,通过光盘小盒(用牙膏盒制造暗室和狭缝)观察色素吸收光谱。

5.1 实验背景

用三棱镜做实验效果不佳,教室难以创造暗室条件,对平行光要求高;由于光源面积大,需要大量滤液才能保证光线全部透过滤液。改进后,采用光盘小盒实验时无论光线来源是什么,全部通过小狭缝进入盒内,排除了周围环境的干扰,实验现象非常明显。

5.2 光盘小盒的制作

在牙膏盒的一端用裁纸刀划一小狭缝,确保有光线能进入,再在牙膏盒两侧划出放置光盘的狭缝,与牙膏盒长边形成约45°夹角,小心地将光盘插入两侧狭缝中,在光盘反光面对应的牙膏盒面上开一个小孔,用于观察;再用剪刀将多余的光盘边缘剪去;将不透光的纸包裹住整个装置,只留上方的小狭缝,确保光线只来源于此,一个光盘光谱仪就制作完成,如图14所示。使用时,将狭缝对准日光灯下,在光盘处可见按波长排列的单色光。再在狭缝上端放置滤液,继续观察、比较,即可得出滤液的吸收光谱。

图14 光盘小盒

5.3 观察结果

实验结果如图15所示。

图15 日光灯光谱(左)和经过滤液吸收后的日光灯光谱(右)

5.4 实验结论

光合色素主要吸收红光和蓝紫光。

6 教学反思与自我评价

本实验设计的优点如下。

(1)对实验内容的创新:问题来源于学生,因此实验内容设计符合学生需求,让学生自己设计实验解决问题,体验科学探究的过程。

(2)对实验操作的创新,从研磨、画滤液细线、层析的装置上进行改进,让实验现象更加明显清晰。

(3)材料易得,光盘、牙膏盒等都来自于生活中的废弃物,有效利用身边的资源。

在探究中,学生或许因结果不同而相互质疑,或许因实验失败而反复尝试,然而实验的魅力就在于探索未知。