从萨克斯实验谈光合作用的产物以及运输问题

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1864年德国科学家萨克斯做了这样一个实验:把绿色叶片放在暗处几小时,目的是让叶片中的营养物质消耗掉,然后把这个叶片一半曝光,另一半遮光。过一段时间后,用碘蒸汽处理叶片,发现遮光的那一半叶片没有发生颜色变化,曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功的证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。
(2002广东河南高考题)将两个枝条分别置于营养液中。其中一枝仅保留一张叶片(甲),另一枝保留两张叶片(乙、丙),叶片置玻璃盒中密封(玻璃盒大小足以保证实验顺利进行),在甲叶和乙叶的盒中注入14CO2(装置如图)。照光一段时间后,可以检测到放射性的叶片(答案D)
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A
仅在甲中
要解决这个问题,要从光合作用的产物以及运输问题谈起。
光合作用的产物主要是糖类,包括单糖、二糖和多糖,其中主要以蔗糖和淀粉最为普遍。不同作物的主要光合产物不同。大多数高等植物的光合产物是淀粉,有些植物(如洋葱、大蒜)的光合产物是葡萄糖和果糖,不形成淀粉。
淀粉是在叶绿体内形成的,而蔗糖是在细胞质内形成的。磷酸丙糖是光合作用合成的最初糖类,它既可形成淀粉,暂时储存在叶绿体中,又可被运到细胞质中合成蔗糖。因此,在叶绿体里的淀粉合成和在细胞质里的蔗糖的合成会竞争磷酸丙糖。光合作用强时,叶绿体内形成较多磷酸丙糖,运输到细胞溶质会形成较多的蔗糖,光合速率慢或者黑暗时,磷酸丙糖形成较少,减慢蔗糖的合成速度,保留在叶绿体里的磷酸丙糖就流向淀粉的合成,形成较多淀粉。
有机物的运输途径是韧皮部,在韧皮部内,主要运输组织是筛管和韧皮薄壁细胞。证明有机物运输途径的准确方法是示踪法。用14CO2饲喂叶片进行光合作用之后,在叶柄或茎的韧皮部发现含14C的光合产物。
有机物的运输方向具有双向运输的特点,即有机物进入韧皮部后,可向上运输到正在生长的茎枝顶端、嫩叶或正在成熟的果实;也可以沿着茎部向下运输到根部或地下储藏器官。在有机物运输时,蔗糖是糖类运输的主要形式。原因在于:(1)蔗糖有很高的水溶性,有利于在筛管中运输。(2)具有很高的稳定性适于从源运输到库。(3)蔗糖具有很高的运输速率,如蔗糖在生长12天的菜豆叶中的运输速度可达107cm/h。所以在进行植物组织培养时提供的碳源既不是葡萄糖也不是淀粉而是蔗糖!
了解了上述光合作用的产物以及运输的知识,那么关于萨克斯实验的疑问也就迎刃而解:用放射性标记的二氧化碳可被植物的叶片通过关合作用合成有机物,所以在甲、乙中都含有放射性标记的有机物。丙通入无二氧化碳的空气,且玻璃盒中原有的二氧化碳又被NaOH吸收,丙叶不能进行关合作用、处于“饥饿”状态。植物体是一个统一的有机整体,所以丙叶片进行呼吸作用消耗有机物只能来自乙叶片光合作用产生的、含放射性的有机物。由此可见,甲、乙、丙三叶均能检测到放射性。值得注意的是在萨克斯实验中,曝光的一半进行光合作用产生了淀粉,所以淀粉遇碘变蓝;遮光部分不能进行光合作用,进行生命活动所需要的有机物由曝光部分来提供,但是运输出来的是蔗糖,所以遇碘不变蓝。