Деннис Тейлор – Биология. В 3-х томах. Т. 1 (страница 78)

Интенсивность фотосинтеза проще всего оценить, измерив скорость выделения кислорода у какого-нибудь водного растения.

Опыт 9.7. Изучение влияния интенсивности света на скорость фотосинтеза

Аппарат для сбора газа (рис. 9.26)

Пробирка

Стакан на 400 мл

Термометр

Ртутная лампа или лампа от проектора

Гидрокарбонат натрия

Линейка с метрической шкалой

Источник света типа настольной лампы

Элодея, предварительно несколько часов выдержанная на ярком свету

Детергент (моющее средство)

Мы рекомендуем взять элодею, выставить ее на яркий свет и удостовериться в том, что она активно фотосинтезирует. Если не видно пузырьков газа, то можно добавить по 2-10 г гидрокарбоната натрия на каждый литр воды. Это стимулирует фотосинтез, так как увеличивается содержание СО₂ в воде. Кроме того, можно перед опытом проаэрировать воду в течение часа.

1. Острым скальпелем отрежьте веточку элодеи длиной около 5 см (веточка должна быть покрыта пузырьками) и поместите ее срезом вниз в пробирку с той же водой, в которой она была до этого.

2. Поставьте пробирку в стакан с водой комнатной температуры. Запишите начальную температуру воды и регулярно проверяйте ее во время эксперимента. Вода здесь играет роль защитного теплового экрана. Температура ее должна быть все время постоянной; если будет нужно, смените воду.

3. Налейте в аппарат для сбора газа водопроводной воды, проследите, чтобы в ней не было пузырьков воздуха, и дожмите до упора поршень шприца (рис. 9.26).

Рис. 9.26. Аппарат для определения скорости выделения кислорода при фотосинтезе у водного растения

4. Выключите свет в комнате, закройте окна шторами. Поставьте яркий источник света в 5 см от растения.

5. Дайте растению 2-3 мин "привыкнуть" к такой интенсивности света (т. е прийти к состоянию равновесия). Убедитесь, что скорость образования пузырьков достаточна (более 10 пузырьков в минуту). Иногда добавляют чуть-чуть детергента, чтобы понизить поверхностное натяжение и облегчить выход пузырьков.

6. Поставьте веточку так, чтобы пузырьки газа собирались в капиллярной трубке системы. Засеките время.

7. Соберите подходящий объем газа за определенное время (например, за 5-10 мин). Медленно прокачайте пузырек газа шприцем через капиллярную трубку, измерьте длину пузырька, подав его к тому месту, где находится линейка.

8. Чтобы пузырек не мешал последующим измерениям, прокачайте его дальше в соединительную трубку и повторите все манипуляции несколько раз, постепенно увеличивая расстояние между элодеей и источником света, скажем, до 10, 15, 20, 30, 40 и 80 см. Каждый раз давайте растению некоторое время "привыкнуть" к изменившейся освещенности. После каждого изменения условий нужно зарегистрировать а) расстояние между растением и источником света; б) время, в течение которого шел сбор газа; в) длину собранных газовых пузырьков (эта величина прямо пропорциональна объему, и ее используют как меру объема).

Интенсивность света, падающего на данный объект, обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника света. Другими словами, если вы увеличите вдвое расстояние между растением и лампой, то освещенность растения уменьшится не в два, а в четыре раза:

где I — интенсивность света, a d — расстояние между объектом и источником света. Постройте график, отложив по вертикальной оси скорость фотосинтеза (ее оценивают по длине пузырька газа, собранного за единицу времени), а по горизонтальной оси I (в виде 1/d² или, что удобнее, 1000/d²).

9.31. а) Сформулируйте, какую зависимость между образованием газа и интенсивностью освещения вы получили, б) Для чего затемняют комнату и почему нужно поддерживать постоянную температуру?

9.32. Каковы основные источники погрешностей в лом опыте?

9.33. Если собрать выделяемый газ и проанализировать его состав, то окажется, что это не чистый кислород. Можете ли вы объяснить, почему?

9.34. Почему рекомендуется аэрировать воду перед началом эксперимента?

Если нужен более простой, хотя и менее точный метод, скорость выделения кислорода можно определять, просто подсчитывая число пузырьков, выходящих из среза стебля элодеи за определенный промежуток времени. Это дает вполне удовлетворительные результаты, хотя возможны и ошибки, связанные с неодинаковыми размерами пузырьков. Такой проблемы практически не возникает, если понизить поверхностное натяжение, добавив чуть-чуть детергента (см. пункт 5 выше). Если понадобится, то элодею можно закрепить на дне пробирки пластилином.

9.7. Точки компенсации

В результате фотосинтеза поглощается двуокись углерода и выделяется кислород. Одновременно в процессе дыхания кислород используется, а СО₂, наоборот, выделяется. Если постепенно увеличивать интенсивность света, начиная с нуля, то соответственно будет возрастать и скорость фотосинтеза (см. рис. 9.22). Со временем наступит такой момент, когда фотосинтез и дыхание будут точно уравновешивать друг друга, так что видимый обмен кислорода и СО₂ прекратится. Такое состояние называется точкой компенсации или точнее световой точкой компенсации. Это такая интенсивность света, при которой суммарный газообмен равен нулю.

Поскольку концентрация СО₂ тоже влияет на скорость фотосинтеза, существует и углекислотная точка компенсации. Это такая концентрация СО₂, при которой суммарный газообмен равен нулю (при данной интенсивности освещения). Чем выше концентрация СО₂( вплоть до 0,1%, или 1000 ч. на млн., т. е. 1000 частей на миллион), тем больше скорость фотосинтеза. У большинства растений умеренного пояса углекислотная точка компенсации, т. е. та точка, выше которой фотосинтез протекает быстрее, чем дыхание, составляет примерно 50-100 ч. на млн., если свет не является лимитирующим фактором. Концентрация СО₂ в атмосфере обычно находится в пределах 300-400 ч. на млн., и поэтому при нормальных условиях освещения и нормальных атмосферных условиях она всегда выше точки компенсации.

Опыт 9.8. Изучение газообмена в листьях

Четыре пробирки, тщательно вымытые и с точно подобранными резиновыми пробками

Пинцет

Штатив для пробирок

Шприц на 2 мл

Алюминиевая фольга

Вата-сырец

Сверло для пробок № 12

Водяная баня с "лапками" для пробирок

Настольная лампа

Только что сорванные листья

Гидрокарбонатный (бикарбонатный) индикатор

Раствор гидрокарбонатного индикатора следует перед самым опытом уравновесить с окружающим воздухом, продувая через него воздух до тех пор, пока жидкость не станет вишнево-красной. Гидрокарбонатный индикатор продается в виде конценрированного раствора, и для использования в опытах его следует развести в 10 раз. Для установления равновесия с атмосферной двуокисью углерода через раствор надо прокачать воздух, приходящий с улицы; для этого можно налить раствор индикатора в чистую стеклянную промывалку, затем на носик промывалки надеть шланг и другой конец его выставить в окно. Такую систему подсоединяют к водоструйному насосу и пропускают через раствор воздух до тех пор, пока цвет раствора не перестанет меняться. На этой стадии индикатор имеет темно-красный цвет, но в пробирках он будет казаться оранжево-красным. Вся процедура требует времени, и это следует учесть, запланировав определенное время перед началом опыта (100 мл раствора индикатора нужно аэрировать по меньшей мере 20 мин).

1. Подпишите четыре пробирки: А, Б, В и Г.

2. Промойте пробирки и шприц на 2 мл небольшим количеством раствора индикатора.

3. В каждую пробирку перенесите шприцем по 2 мл раствора индикатора. Не берите пробирки за края, так как кислота, которая содержится в поте, может повлиять на индикатор. Кроме того, постарайтесь дышать в сторону, чтобы выдыхаемый вами воздух не попал в пробирку.

4. Оберните пробирки А и В алюминиевой фольгой.

5. Подготовьте пробирки так, как показано на рис. 9.27. Положите в две из них по два кружочка, только что вырезанных из свежего листа сверлом для пробок № 12 (такие кружочки называют высечками).

Рис. 9.27. Опыт по изучению газообмена в высечках из листьев

6. Поставьте пробирки так, чтобы они одинаково освещались настольной лампой.

7. Чтобы температура во время опыта не повышалась, поместите между пробирками и источником света тепловой фильтр, которым может служить прямоугольный стеклянный резервуар с водой, или просто поставьте пробирки в водяную баню, закрепив их зажимами.

8. Обратите внимание на цвет индикатора в каждой из пробирок.

9. Время от времени осторожно встряхивайте пробирки. После этого оставьте их хотя бы на два часа, а еще лучше — на ночь. Запишите, как изменился цвет индикатора в разных пробирках к концу опыта (рассматривать их следует на белом фоне).

Оценить результаты можно, пользуясь такой схемой[33]:

Если раствор подкисляется, это можно истолковать как результат образования двуокиси углерода и растворения ее в воде; если же раствор защелачивается, это указывает на снижение концентрации двуокиси углерода.

9.35. Какие выводы можно сделать из полученных вами результатов и для чего нужны контроли?

9.36. Как называется точка равновесия, при которой нет ни чистого поглощения, ни чистого образования СО₂ в пробирке Б с высечками из листа?

1. Сравнение скоростей фотосинтеза. С высечками из листа можно провести ряд различных сравнительных исследований, используя разную интенсивность света, старые и молодые листья с одного и того же растения, желтые и зеленые участки пятнистых листьев или листья разных растений (скажем, С₃- и С4-растений — см. ниже о С₄-фотосинтезе). Скорость фотосинтеза можно оценивать по окраске раствора индикатора либо во время эксперимента, либо по его завершении. Если вы хотите выяснить влияние интенсивности света, следует взять ртутную лампу. Очень интересно сравнить какое-нибудь тенелюбивое растение, например двулепестник (Circaea lutetiana), с другими видами и узнать, могут ли они фотосинтезировать при низкой освещенности (определить, насколько ниже у них находится световая точка компенсации).