探究沉水植物光合作用多個要素的實驗方案

戚智河 溫金環 蘇金燕 黃活靈

（1 廣州市從化區城郊中學 廣東廣州 510925 2 廣州市從化區第五中學 廣東廣州 510920）

植物進行光合作用時，原料是CO2和水，需要光和適宜的溫度，場所是葉綠體，及產物是有機物和O2等。在人教版7年級教材中，將光合作用的多個要素分成3 個實驗進行探究，即“綠葉在光下制造有機物”“CO2是光合作用必需的原料”和“光合作用能產生O2”［1］。其中，前2 個是學生實驗，后1 個是教師演示實驗。這3 個實驗的方法、材料和裝置都不盡相同，并且有的實驗操作有一定的難度，容易出現實驗失誤。

筆者對實驗室固液反應實驗中的發生裝置進行改裝，使其成為探究植物光合作用的實驗裝置。改裝后的裝置將發生裝置和收集裝置合二為一。利用該裝置進行光合作用的實驗，可將上述多個實驗整合在一起，也可單獨進行實驗探究。

1 實驗策略與實驗裝置

1.1 實驗策略 首先，在溫度和光照良好的條件下，設置對照實驗：增加和減少養殖沉水植物黑藻（Hydrilla verticillata）的水中的CO2含量，探究光合作用產生氣泡的速度是否相同？如果增加水中CO2的含量，光合作用產生氣泡的速度加快，說明CO2是光合作用的原料。水中的CO2是否會被吸收利用而減少甚至消失？如果是，則再次證明CO2是光合作用的原料［2］。

其次，在光照下，當沉水植物的莖、葉或根的斷截面連續不斷地排出氣泡時（沉水植物的根、莖、葉內存在著輸送氣體的通道），將裝置移至陰暗處；如果觀察到排出氣泡的速度減慢甚至停止，再將實驗裝置移回光照下；如果沉水植物又恢復連續不斷地排出氣泡，且重復操作亦然，即可證明光合作用需要光。

再次，將收集實驗產生的氣泡，用帶火星的木條進行檢驗。如果帶火星的木條復燃，則說明光合作用產生的氣泡是O2。

最后，上述實驗結束后，取黑暗組、光下對照組和實驗組中沉水植物的一段帶葉的、長約5 cm的莖，放入小燒杯中，加入無水乙醇，隔水加熱，除去葉綠素的干擾。取出葉片，滴入碘液。如果黑暗組的莖和葉片都不變藍色，光下對照組的都變淺藍色或藍色，而實驗組的都變藍色，則證明綠葉在光下能制造有機物淀粉［3］。

1.2 實驗裝置

材料與試劑：新鮮的沉水植物黑藻（250 g；涼開水、自來水、澄清石灰水、無水乙醇、碘液、500 mL CO2、火柴等。

儀器：500 mL 錐形瓶2 只、帶玻璃導管的雙孔活塞2 個，30 mL 長頸漏斗2 只、500 mL 礦泉水瓶1 只、500 mL 和100 mL 量筒各1 只、溫度計、500 mL 燒杯、小燒杯、酒精燈、石棉網、三腳架、剪刀、小試管、30 mL 針筒、玻璃棒等。

實驗裝置由一個500 mL 錐形瓶和帶導管的雙孔活塞，長頸漏斗，帶玻璃珠的橡皮管、玻璃導管等組成（圖1）。

圖1 實驗裝置

2 實驗方法與步驟

組裝如圖1所示實驗裝置，用帶玻璃珠的橡皮管與2 個玻璃導管連接好，注意導管不要伸入瓶內，確保瓶內氣體全部排出。長頸漏斗要伸到瓶的底部，防止實驗時產生的氣體被排出。然后塞上帶導管和長頸漏斗的活塞，檢查氣密性并確保氣密性良好后，按以下實驗方案進行實驗：

①將250 g 新鮮的沉水植物黑藻放黑暗處用水培養24 h，使葉片中原有的有機物淀粉消耗掉。實驗前將水草的莖剪斷成為長10～15 cm的小段后，放回黑暗處備用。②用石灰石與稀鹽酸反應制取500 mL CO2，用向上排空氣法收集滿一礦泉水瓶。加入100 mL 自來水，密封后振蕩，使CO2充分溶于水形成100 mL 碳酸水飽和溶液。在常溫常壓下，CO2溶于水的體積比為1∶1。將100 mL 飽和碳酸水溶液倒入裝有400 mL自來水的大燒杯中，用玻璃棒攪拌均勻，配制成500 mL 碳酸水稀溶液，即CO2與水的體積比為1∶5。③用油性筆在2 個500 mL 錐形瓶中標記A 和B。然后分別加入經過暗處理并被剪斷的水草50～100 g。將A 瓶加滿涼開水，B 瓶加滿碳酸水稀溶液，然后用手拍打瓶身產生震動，或用玻璃棒挑動水草，排除瓶內空氣氣泡。④分別塞上帶導管和長頸漏斗的活塞。這時，導管內是一小段空氣，長頸漏斗內是一段水柱，而瓶內沒有空氣。⑤將A、B 2 個裝置移至光下照射4～5 h。當長頸漏斗內被溶液填滿后，用30 mL 針筒抽去溶液，共4 次。請按表1中的“實驗方法與步驟”完成實驗內容。注意觀察實驗現象，并將實驗數據填入表中。

表1 沉水植物光合作用實驗數據表

圖2 黑暗組、對照組和實驗組沉水植物與碘反應的變色情況

3 實驗結果與分析

實驗結束后，讓學生填寫以下內容：通過實驗探究得知，CO2是光合作用的原料；植物光合作用需要光；光合作用能產生O2；綠葉在光下會制造有機物淀粉；黑藻的體內有輸送氧氣的通道；溫度會影響植物的光合作用。

為什么B 錐形瓶里的CO2會減少甚至完全消失？從光合作用的公式：6CO2+6H2OC6H12O6+6O2中得知，水中的CO2作為光合作用的原料被沉水植物吸收利用了，且在光合作用過程中，植物吸收CO2的體積與產生O2的體積是相等的。實驗前，在B 瓶中加入100 mL 左右的CO2，實驗結束后收集到的O2也是100 mL 左右（CO2能溶于水，而O2不易溶于水），這樣的實驗結果是合理的。如果一個教學班驗證O2的實驗需要15～20 mL 的O2，則100 mL 左右的O2可以滿足5～6 個教學班驗證O2實驗的需要。這樣，教師在課前無需再準備多套相同的實驗。

沉水植物在涼開水、自來水和碳酸水溶液中進行光合作用5 h 消耗CO2和產生O2的情況見表2。

表2 沉水植物光合作用消耗CO2 產生O2 情況的比較

4 實驗反思

反思1：實驗結束后，A、B 2 個裝置內收集到的O2分別為約5 mL 和110 mL，但如果用自來水進行實驗，一天內只能收集到15 mL 左右的O2。原因是涼開水、自來水和碳酸水溶液中所含有的CO2的量不同，且含量分別為基本無、很少和充足。因此，僅依靠沉水植物自身呼吸作用產生的CO2，或依靠天然水中含有的少量的CO2作為光合作用的原料制取氧氣，獲得氧氣的量必然很少。為了完成多班教學演示實驗的任務，教師在課前需要準備好多套的實驗。因此，改進實驗裝置和增加水中光合作用的原料CO2，能很好地實現教學目的。

反思2：使用CO2作為原料進行光合作用實驗，優于使用碳酸氫鈉或碳酸鈉。其一，前者是光合作用必需的原料，學生容易接受，后者不是光合作用必需的原料，學生不容易理解。其二，飽和的CO2水溶液為弱酸性，pH=4，且實驗時使用的是CO2與水的體積比為1 ∶5 的碳酸水稀溶液。這對植物的傷害不大，自然界中的水也含有CO2。但是，碳酸氫鈉和碳酸鈉的水溶液均為堿性，pH 值分別為8和11，隨著光合作用的進行，碳酸氫根或碳酸根離子被吸收利用，而溶液的堿性會逐漸增強；并且它們的腐蝕性對沉水植物的傷害較大，不利于連續多日重復實驗的需要［4-5］。經過反復試驗，400 mL 水與100 mL 飽和碳酸水溶液混合后（pH 值＞4），用于沉水植物黑藻的光合作用實驗，對它的生長影響不大，且可多次重復使用。

是否CO2的含量越高就越好？答案是否定的。有資料顯示，在常溫常壓下，CO2溶于水的體積比為1∶1。CO2含量過高時，碳酸水溶液很不穩定，易分解出CO2，導致收集到的O2氣體不純凈。如此導致實驗失敗，不能使帶火星的木條復燃。

反思3：實驗過程中發現，當黑藻的植株完整無損時，其根、莖和葉的表面均有氣泡排出。但當其根、莖或葉被截斷時，氣泡主要是從斷截口中排出的。因為其根、莖、葉內存在著輸送氣體的通道；輸氣通道既有單通道，也有雙通道（圖3）。將沉水植物的莖剪斷成10～15 cm 的小段，使沉水植物光合作用產生的O2集中在它的輸氣通道中“連續不斷地排出”，實驗現象更明顯，特別適合于“光合作用需要光”和“光合作用能產生O2”的探究實驗。直觀性、可操作性和可重復性增強，同時增加了實驗的趣味性。

圖3 黑藻莖斷截面排出氣泡示意圖

反思4：用100 mL 無色的碳酸飲料與400 mL自來水混合配制成碳酸水稀溶液（pH 值＞4），代替實驗室制取CO2進行實驗，也可以收到同樣的實驗效果。但是，碳酸飲料中除了含有CO2之外，還含有糖、酸和其他物質，這樣做會影響學生對光合作用的原料是CO2的判斷。