應用陸生植物葉片進行光合作用實驗的研究

陳桂添

摘要研究了橫切不同寬度的同一種陸生植物葉在不同濃度碳酸氫鈉溶液下光合作用釋放出氧氣量和橫切相同寬度的不同陸生植物葉在相同濃度的碳酸氫鈉溶液中光合作用釋放氧氣量，對比得出可以用陸生植物葉代替金魚藻做“檢驗光合作用釋放氧氣”實驗，實驗結果和研究方法具一定的有參考價值。

關鍵詞陸生植物葉片 光合作用釋放氧氣 實驗研究

初中生物“檢驗光合作用釋放氧氣”實驗的做法是，用排水法收集光照下金魚藻在質量分數為0.1%的碳酸氫鈉溶液中產生的氣體，并用帶火星的衛生香檢驗證明收集到的氣體是氧氣。該實驗原理簡單易于操作，但實際教學中開出率很低，原因是各地學校很難找到金魚藻。通過實驗，發現某些常見陸生植物葉橫切后葉浸入適當濃度的碳酸氫鈉溶液中光照下也可以釋放出較多的氧氣，因此可以用常見的陸生植物葉代替金魚藻做“檢驗光合作用釋放氧氣”實驗，解決了難找到金魚藻的難題。

1用陸生植物葉做“檢驗光合作用釋放氧氣”實驗的理論依據

陸生植物在水中為什么不能正常光合作用，而沉水植物卻能呢？這是因為陸生植物與沉水植物具有各自適應環境的結構特點：沉水植物表皮細胞沒有氣孔，沒有角質層和蠟質層，葉綠體大且多，排列在細胞外圍，能直接吸收水分和溶于水中的二氧化碳進行光合作用；陸生植物表皮細胞有角質層或同時有蠟質層，有氣孔，二氧化碳要經過氣孔進入細胞后才能到達葉綠體進行光合作用。當陸生植物沒入水中時，二氧化碳受角質層和蠟質層的阻隔和氣孔關閉的影響不能很好進入到葉綠體，也就不能正常進行光合作用。綠色植物只要具備有葉綠體（含有葉綠素）、光、水、二氧化碳就能進行光合作用，就能釋放氧氣。同樣，如果用人為的方法將陸生植物的角質層、蠟質層和氣孔除去或將其破壞，讓葉綠體暴露出來，那么理論上陸生植物在水中也是能正常光合作用，也能釋放氧氣。

2用陸生植物葉做光合作用釋放氧氣的實驗研究

2.1實驗一

將10.0 g生長旺盛的金魚藻浸入1.4 kg質量分數為0.1%的碳酸氫鈉溶液中在中等強度光照下光合作用。

本實驗采納了北師大版生物學七年級上冊“檢驗光合作用釋放氧氣”的實驗建議，要同時做兩組相同條件的實驗，實驗結果取平均值。目的是要確定實驗結果的對比目標。

實驗結果是：光照1.5 h收集到2.9 mL（兩組平均值）。

2.2實驗二

將橫切成不同寬度羽裂的非洲茉莉葉浸入1.4 kg質量分數為4.2%的碳酸氫鈉溶液中在中等強度光照下進行光合作用。

實驗器材（以下實驗器材類似）：質量分數4.2%的碳酸氫鈉溶液生長旺盛的非洲茉莉全葉、3 L可口可樂瓶、漏斗、量筒、精度0.01 g電子稱、剪刀、溫度計。

實驗設置：每個實驗取10.0 g非洲茉莉全葉，分別以葉脈為中軸兩側剪成約0.3、0.6、1.2、2.4、4.8 cm羽裂和不作處理共6個實驗組。

實驗步驟：

（1）取6個3 L可口可樂瓶把上部剪去，分別標記葉片處理方法。

（2）每個瓶內裝入1.4 kg質量分數為4.2%的碳酸氫鈉溶液。

（3）分別稱10.0g非洲茉莉全葉按設計要求剪成羽裂，浸入相應瓶中并將葉片分散均勻不重疊。

（4）用漏斗反扣罩住全部葉片。

（5）將裝滿清水的量筒倒扣入漏斗嘴。

（6）在陽光下光照。

（7）每隔0.5 h記錄一次收集到的氧氣量。實驗結果見表1。

實驗結果：

首先，從實驗數據可以知道剪成0.3 em寬度羽裂的非洲茉莉葉在碳酸氫鈉溶液濃度為4.2%時放出氧氣量最多。其次，可以看出葉片剪成的寬度越窄放出氧氣越多的趨勢。究其原因是：①葉片剪成的寬度越窄從切面暴露出來的葉綠體就越多，能直接吸收到二氧化碳的葉綠體就多，光合作用放出氧氣就多；②葉片剪成的寬度越窄，通過擴散作用進入葉肉細胞內的二氧化碳也越多，光合作用也得到增強。由此可以推測出相同質量的葉片寬度剪得越窄光合作用釋放氧氣也會越多。以主葉脈為中軸橫切成羽狀的目的則是利用主葉脈為支撐將葉片展開，讓每片葉都得到充分光照。

2.3實驗三

分別將10 g剪成寬度約0.3 cm羽裂的非洲茉莉葉浸入1.4 kg不同濃度碳酸氫鈉溶液中在中等強度光照下光合作用。

實驗結果見圖1。

實驗結果：

從圖1可以看出，碳酸氫鈉溶液在0.3%～4.2%范圍內隨著濃度的增加光合作用放出的氧氣量逐漸增加，在4.2%～4.8%范圍內放出氧氣量達到最大，在4.8%～6.0%范圍內隨著濃度的增加光合作用放出的氧氣量逐漸減少。光合作用需要的二氧化碳來源于碳酸氫鈉溶液的分解。碳酸氫鈉溶液在20℃時開始分解出二氧化碳，且隨著濃度和溫度升高分解速度加快，放出的二氧化碳也增多。光合作用在二氧化碳飽和點前隨濃度的增加而增強；當超過飽和點后，二氧化碳的濃度再增加光合強度不再增加反而會下降。在實際應用時，最好不要取較高碳酸氫鈉溶液濃度，因為碳酸氫鈉溶液濃度大于植物細胞液濃度時會造成細胞失水，使植物萎蔫失去生命力，縮短葉片能進行光合作用的時間。

2.4實驗四

將10 g剪成寬度約0.3 cm羽裂的不同植物葉浸入1.4 kg不同濃度碳酸氫鈉溶液中在中等強度光照下光合作用放出氧氣實驗。

實驗結果見表2。

實驗結果：

從表2中可以看出，相同質量橫切成0.3 cm羽裂的不同陸生植物葉在4.2%碳酸氫鈉溶液中光合作用1.5 h放出的氧氣量不同。大體規律是葉片綠色濃、生長速度快的陸生植物光合作用放出氧氣多。葉綠素是光合作用的條件，它能夠吸收光能和轉化光能。葉綠素越多吸收光能就強，光合作用放出的氧氣就多。

3實驗結論

在光照強度和水溫接近、光照時間均為1.5 h條件下，10種陸生植物葉橫切成0.3 cm羽裂后浸入在4.2%的碳酸氫鈉溶液中光合作用產生的氧氣量都多于金魚藻在0.1%的碳酸氫鈉溶液中光合作用產生的氧氣量。陸生植物葉只要經過適當寬度的剪裂處理后浸入1.0%～4.8%的碳酸氫鈉溶液就可以代替金魚藻做“光合作用釋放氧氣”實驗。但是用金魚藻和陸生植物葉做光合作用釋放氧氣實驗還是有區別的：金魚藻是水生沉水植物適應了水中環境，在水中可以同時進行光合作用和呼吸作用而不會死，因此可以重復利用；陸生植物葉在水中不能正常呼吸而很快死亡，所以不能像金魚藻一樣連續光合作用釋放氧氣，也就不能重復利用。在實際應用時需要每次更換葉片。