實驗十:光合作用

一、                前言:

光合作用:指植物、藻類或一些細菌，利用光能將二氧化碳及水變成碳水化合物，並產生氧氣、能量的過程。植物之所以被稱為生產者，是因為職務能透過光合作用將無機物轉成有機物，又稱自營生物。

以下是光合作用的反應式:

12H₂O + 6CO₂ +陽光→ C₆H₁₂O₆  + 6O₂ + 6H₂O

而光合作用又可以細分成光反應與碳反應
光反應:
1.場所:葉綠餅的內囊體進行。

2.目的:葉綠素吸收光能，利用光能使水光解，並將光能轉變為化學能儲存於ATP和NADPH中，提供能量以供碳反應固定二氧化碳。
3.條件:光反應必須在光照下才能進行。
4.步驟:
(1)葉綠素a為主要色素，其餘色素(葉綠素b、葉黃素、胡蘿蔔素)為輔助色素協助吸收光能傳遞給葉綠素a。

(2)當葉綠素a接受足夠的光能後，便會釋放出電子。

(3)電子經由電子傳遞鏈的過程會產生ATP，並在最後傳給NADP⁺而形成NADPH。

(4)在葉綠素a釋出電子的同時，也會使水分解產生氧氣、質子、電子。
電子:補回給失去電子的葉綠素a。

質子:與NADP⁺與電子傳遞鏈傳來的電子形成NADPH。

氧氣:是光反應的副產物，以氣體狀態釋出至大氣中。

碳反應:又稱為卡爾文循環 Calvin cycle

1.     場所:在基質中進行。

2.     目的:利用光反應所提供的ATP和NADPH，固定二氧化碳，以合成醣類。

3.     條件:不需要光直接參與，故白天、晚上皆可進行，但大部分仍需在白天進行，因為受到光反應限制。

4.     步驟:
(1)第一階段:二氧化碳的固定(羧化)
當二氧化碳過散進入基質時，在特殊酵素的催化下先和一種五碳醣結合形成一種不穩定的六碳化合物，隨即分解為兩分子的甘油酸。
(2)第二階段:甘油醛的合成(還原)
利用光反應所產生的ATP和NADPH，使甘油酸還原成甘油醛(三碳醣)。
(3)第三階段:五碳醣的合成(再生)
其中大部分的甘油醛會經一連串的反應再形成五碳醣，以便再用於固定二氧化碳；少部分的甘油醛則會為六碳醣，就是光合作用的初產物。
(4)六碳的葡萄糖可以和果糖轉變為蔗糖，藉由韌皮部送離葉片，或在葉綠體內轉變成澱粉而貯存。

(三)光合作用色素的抽取與分離:
展開液:
石油醚:90%丙酮=9:1
固定相:吸附在濾紙中的水(極性)。

移動相:一種或數種混合的有機溶劑(非極性)。
光合作用的色素包刮葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿蔔素等，為脂溶性化合物，容易溶於有機溶劑。
葉綠素b、葉黃素:親水性較大，所以容易溶於甲醇中。
葉綠素a、類胡蘿蔔素:脂溶性較大，易溶於石油醚中。
利用此差異可以將各種色素分離。

二、                材料與方法:

實驗材料:
水蘊草、菠菜。
實驗藥品:
丙酮、展開液、95%酒精、碘液。
實驗器具:
500ml燒杯、試管、大漏斗、燈架、燈泡、加熱板、研缽、濾紙、玻璃培養皿、線香、剪刀、鑷子。

(一)收集氣泡法:
1.選取一些水蘊草幼枝，裝入含有500ml清水的A、B兩大燒杯。
2.將漏斗套住水蘊草，並將裝滿水的試管倒蓋，使步驟應避免空氣進入試管。
3.A燒杯照光，B燒杯進入黑暗處，一小時候比較哪組燒杯產生的小氣泡較多。
4.將試管從水中取出，大拇指緊壓管口，取出後倒轉過來。
5.點一根線香，當大拇指移開管口時迅速插入管口，觀察線香變化。

6.重複相同裝置，將水蘊草放入燒杯，用吸管在水中吹氣1分鐘，此為C燒杯。

7.重複相同裝置，將水蘊草放入燒杯，跑步2分鐘後，用吸管在水中吹氣1分鐘，此為D燒杯。

8.將漏斗套住水蘊草，並將裝滿水的試管倒蓋，此步驟應避免空氣進入試管。
9.C、D燒杯皆照光1小時。

10.重複步驟4&5，觀察線香變化。

(二)彩葉草實驗:
1.一片彩葉草為正常照光(對照組)，另一片彩葉草遮光1~2天(實驗組)。

2.繪圖並記錄葉片個部分顏色。
3.將葉片投入95%酒精後隔水加熱溶去葉綠素。
4.滴1~2滴碘液，觀察葉片個部分有何反應?

(三)光合作用色素的抽取與分離:
1.將2g烘乾的菠菜與10ml之丙酮一起研磨，至菠菜磨碎為止。

2.組好實驗裝置。

3.以濾紙過濾，將濾液倒入試管中。
4.將展開液倒入玻璃培養皿，蓋上一層濾紙。

5.用剪刀由濾紙邊緣剪兩刀(互相平行，約0.5cm)

6.將剪出來的紙條向下折，使紙條碰到培養皿底部。

7.以滴管吸取色素抽取液，點在濾紙的中央，待乾後再滴一次。

8.待乾後將此濾紙紙條垂入裝有展開液的玻璃培養皿。

9.蓋上培養皿上蓋，帶展開液到達培養皿邊緣時取出，記下濾紙上各色環的顏色與位置。

三、                結果:

(一)   收集氣泡法:

處理	圖	試管水下降高度(cm)	平均氣泡顆數/分鐘
A 光照一小時		0.1cm	2顆氣泡/分鐘
B 黑暗1小時		0cm	無
C 吹氣1分鐘+ 光照一小時		0.2cm	2顆氣泡/分鐘
D 運動後吹氣1分鐘+光照1小時		0.3cm	3顆氣泡/分鐘

試管下降高度D>C>A>B
試管之所以下降是因為水蘊草受到光造行光合作用，把水跟二氧化碳轉化成氧氣、葡萄糖、水；而試管中新增的氣體就是氧氣；實驗中可以發現，有光照的水蘊草產生的氧氣都比較多(D、C、A)，而如果在水中的二氧化碳濃度更高的話，光合作用的效率會更好，產生更多的氧氣，因此可以知道，光合作用的反應物有氧氣，而經過光的照射，產生的氧氣會更多，因此光合作用還需要光來供給反應的進行，而D組中:運動後吹氣，吹入水中的二氧化碳更多，因此產生的氧氣最多，而後是C組，沒運動直接吹氣，因為水中二氧化碳不像運動後的那麼多，因此產生的氧氣略少於D組，接下來，A組雖然沒有在水中吹入二氧化碳，但是水蘊草利用本身水中就含有的二氧化碳進行光合作用，當然，因為水中的二氧化碳沒有像直接吹氣的濃度那麼高，因此雖有產生氧氣，但產生的量就不如D、C組那麼多了，最後，B組因為完全沒有照射陽光，因此沒有足夠的能量進行光合作用，也就沒辦法產生氧氣了。
而線香的實驗中，因為在拿起試管時有些微漏氣，因此各組線香放入試管中並沒有預期的助燃效果，且在使用D試管時，因為線香不小心碰到試管管口，因此沾濕了，這是實驗的疏失，會記得線香要拿穩，且因為拿線香的人跟拿試管的人是不同人，因此在操作上有些許不便，下次應當拿線香跟拿試管是同一個人，而另一個則是輔助幫忙點燃線香。

(二)彩葉草實驗:

	彩葉草正常照光(對照組)	彩葉草遮光1~2天(實驗組)
原來照片
原來手繪圖
酒精隔水加熱後滴1~2滴碘液照片
酒精隔水加熱後滴1~2滴碘液手繪圖

彩葉草照光組與避光組以結果上沒有分別，兩片葉片的碘液都呈現深黑色，理論上來說，照光組的彩葉草因為受到光合作用的影響，葉片會產生許多澱粉，因此遇到碘液呈現藍黑色，而沒照光的彩葉草因為無法行光合作用，因此滴上去的碘液應該不變色，呈現黃褐色，估計彩葉草要待在暗室多幾天，才可以把葉片上的澱粉消耗掉。

(三)光合作用色素的抽取與分離:

 

在固定相是水，移動相是展開液的濾紙色層分析中，照移動距離的長短，

是胡蘿蔔素>葉黃素>葉綠素a>葉綠素b，因此以實驗結果來說，四種光和色素的極性由大到小應是:葉綠素b>葉綠素a>葉黃素>胡蘿蔔素，但經由資料查證，四種分子的極性大小應是:葉黃素>葉綠素b>葉綠素a>胡蘿蔔素，推測應該是本組當初在加入萃取色素時滴上濾紙後，上一滴溶液還沒乾，因此產生的實驗誤差。

四、                問題討論:

1.      碘液遇澱粉液，產生何種變化?
碘液原本呈黃褐色，遇到澱粉呈現藍黑色。

2.      完成下列表格與問題。

處理	圖	試管水下降高度(cm)	平均氣泡顆數/分鐘
A 光照一小時		0.1cm	2顆氣泡/分鐘
B 黑暗1小時		0cm	無
C 吹氣1分鐘+ 光照一小時		0.2cm	2顆氣泡/分鐘
D 運動後吹氣1分鐘+光照1小時		0.3cm	3顆氣泡/分鐘

3.       

a.      氣泡的成分為何?
氧氣。

b.      此實驗步驟的結果，證明了什麼重要的事情?
植物行光合作用需要光與二氧化碳與水，且光照是不可或缺的重要因素，而光合作用的產物之一是氧氣。

c.       向燒杯吹氣的目的何在?
增加水中溶解的二氧化碳。證明二氧化碳的增加會有利於光合作用。

3.

a.請繪出彩葉草葉片試驗圖。

	彩葉草正常照光(對照組)	彩葉草遮光1~2天(實驗組)
原來照片
原來手繪圖
酒精隔水加熱後滴1~2滴碘液照片
酒精隔水加熱後滴1~2滴碘液手繪圖

b.顏色的變化

試劑   彩葉草           葉片	綠色部分	紅色部分	黃或白部分
碘液	藍黑色	藍黑色	黃褐色

如果依照理論，彩葉草滴碘液變成藍黑色的程度應該是:綠色部分>紅色部分>黃或白色部分，因為綠色的葉片中含有許多的葉綠素，應當是光合作用最旺盛的地方。本次實驗可能彩葉草的黑暗時間還不夠長，因此遮光組的葉片中還是含有許多未消耗完的澱粉。

五、                參考資料:

光合作用-維基百科:
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%85%89%E5%90%88%E4%BD%9C%E7%94%A8
濾紙色層分析-建中生物筆記:
http://www.ck.tp.edu.tw/~bio/pdf/02020004.pdf


參考範本:
https://drive.google.com/file/d/0B47iEkRcBESqWEhyWW44OGZQdG8/view?usp=sharing