2011年10月16日

用浮沈葉錠測量光合作用和呼吸作用

這個經典實驗,可以追溯到 1985 年 American Biology Teacher上的這篇文章
Steucek, Guy L. Robert J. Hill and Class/Summer 1982. 1985. Photosynthesis I: An Assay Utilizing Leaf Disks. The American Biology Teacher, 47(2):96-99.

這是利用一些簡單的裝置就可以進行的實驗,而且不用什麼太複雜的儀器,要定性也行,要定量也行,就看老師要帶學生做到什麼程度的探究。

基本原理
如果是研究"二氧化碳對光合作用的影響"。那麼實驗的基本步驟是用打孔器打出許多葉錠,把葉錠泡在有二氧化碳的水裡抽真空,另外一組是放在清水裡抽真空。再把兩組葉錠都放在光照下,看哪組的葉錠會先浮起來。

因為抽真空的時候,葉肉海綿組織內的空隙會被充滿液體,所以本來會浮起的葉錠會因此而沈下去。在進行光合作用的時候,產生的氧氣,又可以讓葉錠浮起。


材料
含二氧化碳的水的作法可以是拿著吸管對水裡吹氣,或是用 2g 碳酸氫鈉 加到 1000 ml的水中。

如果根據最初的實驗設計,其實還要配置緩衝溶液。
緩衝溶液 (pH 6.8)的配法是182 ml 0.1M 檸檬酸 + 618 ml 0.2 M Na2HPO4 +200 ml 水。
各材料的配法 :
19.2g的檸檬酸加水加到 1000 ml
28.4g的Na2HPO4 加水加到1000 ml。

為了讓水更容易進入葉錠內,可以在水中再滴入滴幾滴洗碗精。

過程
使用打孔器打出許多葉錠



把葉錠裝在針筒裡抽真空,用手指頭壓住針筒出口,然後活塞往後拉數秒,重複數次,直到葉錠都沉入水底。如果拉了幾次還是沒辦法讓葉錠沈下去,可以再多滴幾滴洗碗精。



實驗目的"有無提供二氧化碳對光合作用速率的影響",把兩組裝置都放在光源下照光。這次實驗,在5.5min之內,有二氧化碳的那組,葉錠全部都浮起。



或是也可以把材料直接簡化成用一個針筒就完成。針筒既作為抽真空的工具,也當作進行反應的裝置。要讓針筒穩穩的立在桌面,可以在底下黏一小塊黏土。


要看光合作用進行的快慢,最簡單的方式,就是看哪個裝置內的葉錠全部浮起。這個實驗也可以延伸看呼吸作用的影響,當葉錠全部浮起之後,準備一張鋁箔紙包住整個裝置,看看黑暗處理之後,葉錠會怎樣?葉錠在黑暗時,只能進行呼吸作用,因此會耗掉葉錠內的氧氣而下沈。

定量實驗
如果要做更精確一點的定量實驗,例如目的是"計算光合作用和呼吸作用的速率比"時,則需要計時和一些數學計算。

以此例來說


圖表來源:Photosynthesis/Respiration in Leaf Disks

實驗的設計是先進行光照,等到葉錠都上浮了之後,在第30分鐘的時候,開始進行黑暗處理,讓葉錠開始下沈。所得到的數據是在第11.5分鐘時,有半數葉錠上浮,而第40分鐘的時候有半數葉錠下沈。

半數葉錠浮起的時間,是為ET50light,當光合作用的速率愈快,則ET50light愈小。
ET50light= 11.5 min
1/ET50light = 1/11.5 min  = 0.09 min-1


另外還要計算黑暗時半數葉錠下沈的時間減去開始遮光的時間,記為ET50resp。例如30分鐘時開始遮光,40分鐘的時候有半數葉錠下沈,意即50%的葉錠在10分鐘內下沈,記為ET50rep,而表示呼吸作用的速率時,可以取其倒數  1 / ET50rep
 ET50rep = 10 min
 1 / ET50rep = 0.1 min-1


由於光照時,光合作用和呼吸作用會同時發生,所以若要計算行光合作用的速率(1/ET50ps )時 ,則要考慮呼吸作用的影響。
1/ET50light = 1/ET50ps - 1/ET50resp
1/ET50ps  = 1/ET50light + 1/ET50resp  = 0.09 min-1 + 0.1 min-1 = 0.19 min-1

而計算光合作用和呼吸作用的效率比,則是 0.19 / 0.1 =1.9


延伸實驗1:測量光度對光合作用速率的影響。改變裝置和光源(檯燈)的距離,看葉錠浮起的速度改變如何?
延伸實驗2:改變葉錠的面積
延伸實驗3:改變反應時的溫度

其實這個裝置可以做成療癒性小玩具,用愛心形狀打孔器,將紅色的葉子打出愛心小葉錠,放在窗邊的容器裡,早上就可以看到愛心小葉錠慢慢浮起,晚上不照光,愛心小葉錠再度沈沒,這真是太有人性了。


參考資料
The Floating Leaf Disk Assay for Investigating Photosynthesis
Photosynthesis/Respiration in Leaf Disks

後記:我房間內的黛粉葉太可憐了,先後三篇文章都拿它開刀,包括兩把刀切片法看氣孔吹泡泡還有這篇。因為我都用同一片葉子,所以它呈現了奇妙的缺刻狀。我想黛粉葉如果會講話的話,大概會對我大喊「不要再寫blog啦」

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