如何正確地利用光源來提高光合作用效率

在人教版高中生物教科書必修一第五章第4節《能量之源——光與光合作用》一開始的問題探討提出這樣一個問題來引入新課：有些蔬菜大棚內懸掛發紅色或藍色光的燈管，并且在白天也開燈（如右上圖）。這種做法有什么好處？不同顏色的光對植物的光合作用有什么影響？為什么不用發綠色光的燈管？通過葉綠體中的色素的吸收光譜就可以找到問題的答案。從下圖的吸收光譜可以看出，在紅光區和藍紫光區有兩個高峰而綠光區吸收較低，所以對植物應該選用吸收高的紅光和藍紫光而避免使用吸收差的綠光。白天開燈的原因是通過增強光照強度提高光合作用的效率。教材根據這一知識在“與社會的聯系”一覽中提出了“溫室、大棚應該選用什么顏色的玻璃、塑料薄膜或補充光源”的問題。按照教材的提問意圖，答案顯而易見就是選用紅色或藍紫色的玻璃、塑料薄膜或補充光源，使植物的光合作用效率更高。

我所在的學校是一所美術特色學校，在一次聽美術課時，當教師講到美術中的調色關系后引起了我的關注，仔細學習了一些相關知識同時請教了部分專業人士，我發現上述教材中關于這一段的描述似乎有些不妥。如果我們對光的本質進行仔細地研究，我們就會得出與上面的結論不同的答案。光是人類眼睛可以看見的一種電磁波，也稱可見光譜。在科學上的定義，光是指所有的電磁波譜。光是由光子為基本粒子組成，具有粒子性與波動性，稱為波粒二象性。光可以在真空、空氣、水等透明的物質中傳播。對于可見光的范圍沒有一個明確的界限，

一般人的眼睛所能接受的光的波長在400~700毫米之間。人們看到的光來自于太陽或借助于產生光的設備，包括白熾燈泡、熒光燈管、激光器、螢火蟲等。白光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫等各種色光組成的，叫做復色光。紅、橙、黃、綠等色光叫做單色光。復色光分解為單色光的現象叫光的色散．牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散，把白光分解為彩色光帶。太陽光是由紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色組成的，光線中包含不同頻率的光，則為復合光。太陽光、白熾燈光和熒光燈光等都是復合光，而單色光是指單一頻率(或波長)的光，不能產生色散，激光和發光二極管（LED）可以產生單色光。

顏色的產生有兩種情況，一就是物體本身能發出光，如太陽、白熾燈、熒光燈、激光發射器、LED燈等，能發射出紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七種顏色的就是白光即復色光，能發射出其中一種的就是單色光，我們使用的CRT顯示器就是使用這種原理。另一種情況就是不透明的物體，它的顏色是由其反射的色光決定的，比如紅顏色的衣服是因為衣服只反射紅光，其他色光都被吸收了，如果物體把所有的單色光都反射出去，物體就呈現出白色，如果都不反射出去呈現黑色。了解了這些知識，不用綠色光源的問題就解決了，葉綠體之所以是綠色的，因為它吸收其他單色光而只把綠光反射出來，所以它對綠光吸收最少。

但是上述教材中開始的問題探討就存在一定的錯誤。我們仔細觀察圖片的紅色日光燈發現，其是在普通的日光燈外加了一層紅色的塑料或玻璃來獲得紅光，這就是一個明顯的錯誤。有色玻璃有什么作用呢？大多數有色玻璃又名吸熱玻璃，能夠吸收太陽可見光，減弱太陽光的強度，玻璃在吸收太陽光線的同時自身溫度提高，容易產生熱脹裂，這就是所謂的吸收式濾光鏡。當然還有一種有色玻璃是在鏡片表面鍍上一層折射率比鏡片本身折射率高的材料膜層，就會增大光線的反射，減少光線的透過光強，這就是反射式濾光鏡。所以有色玻璃的作用是只讓一種頻率的光通過，而其他頻率的光或被吸收或被反射不能通過。例如紅色玻璃的作用是只讓紅光通過而其他顏色的光不能通過。使用紅玻璃可以把復色光過濾為單色光，如果使用上述教材中所展示的產生紅色光源的設備等于就是把普通的日光燈或白熾燈產生的復色光中的其他單色光都過濾了，只有紅光可以照射到植物。當然紅光對于光合作用相對來說效率較高，但是其他單色光或多或少也可以被葉綠體中的色素吸收并用于光合作用，對同一光源而言“紅光+其他單色光>紅光”這個道理是顯而易見的，所以使用紅色玻璃或薄膜來獲得紅色光的做法不僅沒有提高光合作用的效率，過濾了其他單色光，減少了其他單色光對光合作用的貢獻，反而降低了光合作用的效率。

那么不用在外部有紅色玻璃或薄膜的燈而直接使用紅色的白熾燈或紅色日光燈是否可行呢？答案也是否定的，紅色的白熾燈的原理就是使用紅色玻璃作為燈泡外殼，早期還有用紅色油漆涂抹普通白熾燈來獲得紅色光源，紅色日光燈的原理是在燈管內壁的熒光粉中加入紅色染料，兩者都是使用吸光玻璃的原理過濾其他單色光，對于植物光合作用反而不如普通白熾燈和普通日光燈的效果好。

現在只剩下兩類光源那就是激光和LED光源，這兩類光都可以發出單色光，但是激光光束的發散度極小，大約只有0.001弧度，接近平行。1962年，人類第一次使用激光照射月球，地球離月球的距離約38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照燈光柱射向月球，其光斑直徑將覆蓋整個月球，所以激光無法像普通光源一樣向四面八方發光。同時激光和LED光源的成本很高，一個3W的LED燈價格接近90元，從實際情況和成本角度考慮，一般溫室和大棚等都不應該使用上述兩類光源。

綜上所述，正確的做法應該是，在溫室和大棚中使用的光源是普通的白熾燈和普通日光燈，讓其發出的各種單色光都可以對植物的光合作用做出應有的貢獻，溫室、大棚應該選用透明的玻璃、塑料薄膜，讓盡可能多的各類單色光都能通過，這樣做既可以降低成本（紅色的白熾燈或紅色日光燈的價格都比相同功率的普通白熾燈或日光燈貴），又可以提高光合作用的效率。

同時我認為對教材進行一定的修改，或許把教材100頁，恩格爾曼的第二個實驗即好氧細菌多集中在紅光區域和藍光區域作為問題探討能更好地引入《能量之源——光與光合作用》。首先介紹恩格爾曼的第二個實驗的實驗過程、具體做法和光的色散的知識，然后提出為什么好氧細菌會在紅光區域和藍光區域聚集這個問題，從而引出葉綠體中的色素以及葉綠體中的色素的吸收光譜。這樣一來更能吸引學生的注意力，激發學生的學習興趣，二來從實驗現象得出理論的過程更加符合科學探索的基本規律。

(責任編輯 廖銀燕）