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光合作用速率探究實驗 指南

生物中級閱讀時間: 3 分鐘

概述

萬物生長靠太陽。光合作用是地球上最偉大的化學反應，它將太陽能轉化為化學能，為幾乎所有生命提供能量。本實驗利用「氣泡觀察法」，帶你深入微觀世界，探究光照、溫度、二氧化碳等環境因子是如何共同決定植物生長速率的。你將親自找到那個讓植物合成效率最高的「黃金組合」。

背景知識

光合作用的發現歷經了兩個多世紀。1771 年，英國科學家普利斯特里 (Joseph Priestley) 發現植物能「淨化」被蠟燭燒壞的空氣；隨後，荷蘭醫生英格豪斯 (Jan Ingenhousz) 實驗發現，這種「淨化」作用只有在光照下才能發生。19 世紀，由於能量守恆定律的建立，人們才意識到光合作用的本質是能量的轉化。從普利斯特里的「小鼠實驗」到現代的人造葉片，人類對光的探索從未停止。

核心概念

光合作用 (Photosynthesis)

綠色植物利用光能，把二氧化碳和水轉化成儲存能量的有機物（如葡萄糖），並釋放出氧氣的過程。

氣泡觀察法

通過觀察水生植物（如金魚藻）在光照下釋放出的氣泡（氧氣）速率，來間接測量光合作用強度的實驗方法。

限制因子 (Limiting Factor)

在多種共同作用的因素中，那個最不足、從而限制了整體速率的因素（類似於木桶效應中最短的那塊板）。

公式與推導

光合作用總反應式

6CO2+6H2O→光, 葉綠體C6H12O6+6O26CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{光, 葉綠體}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2
二氧化碳和水在光能和葉綠素的共同作用下，合成了葡萄糖並釋放出氧氣。

實驗步驟

  1. 1

    建立基準

    設置環境參數為中等水平：光照 50%50\%、溫度 25∘C25^\circ\text{C}、CO2\text{CO}_2 50%50\%。點擊「開始」，觀察金魚藻產生的氣泡速度和葡萄糖合成量。
  2. 2

    探究光照強度

    緩慢增加「光照強度」，觀察氣泡產生速率有什麼變化？繼續增加到一定程度後，速率的變化趨勢如何？思考：當光照不再有效時，什麼因素可能成了新的「限制因子」？
  3. 3

    探究溫度敏感性

    改變「溫度」滑塊，觀察 30∘C30^\circ\text{C} 附近與兩端的速率差異。溫度與光合速率呈現怎樣的關係？想一想，作為生物體內的特殊蛋白質，「酶」在不同溫度下的表現如何？
  4. 4

    模擬溫室增施 CO2\text{CO}_2

    保持光照充足，嘗試提高「CO2\text{CO}_2 濃度」。在農業生產中，這被稱為「二氧化碳施肥」，它如何影響蔬菜的最終產量？

學習目標

  • 深刻理解光合作用的原料（CO2\text{CO}_2、H2O\text{H}_2\text{O}）與產物（有機物、O2\text{O}_2）
  • 掌握溫度、光照、濃度對光合速率影響的變化曲線特徵
  • 能夠識別在特定環境下的「限制因子」並提出優化方案
  • 理解生物體內的生化反應（酶促反應）對環境的高度依賴性

生活應用

  • 溫室大棚：通過增加光照時長、控溫和增施 CO2\text{CO}_2（如燃燒農作物秸稈或使用氣肥機）來提高坐果率和產量
  • 空間站維生系統：利用藻類或植物進行光合作用，吸收航天員呼出的 CO2\text{CO}_2 並再生 O2\text{O}_2
  • 生物質能源：將光合作用固定的化學能轉化為生物柴油或燃料乙醇，開發綠色替代能源
  • 垂直農業：在城市樓宇中，利用精準調控的 LEDLED 光譜和養分系統，實現全天候、高產量的糧食生產

常見誤區

誤區
植物只在光下進行呼吸作用
正解
錯誤。植物 2424 小時都在進行呼吸作用（消耗有機物）。光合作用只在有光時進行。當光合速率大於呼吸速率時，植物才能積累有機物生長。
誤區
光照越強，光合作用效率就一直無上限增加
正解
錯誤。存在「光飽和點」。當光照強度達到一定值後，受限於內部酶的含量或二氧化碳濃度，光合速率不再增加。

延伸閱讀

準備好了嗎？

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