深度读：滤纸条上的宽窄能代表绿叶中色素的含量吗？

今天读书内容：光合作用与能量转化。

本节问题探讨以植物工厂如何控制环境条件创设情境。植物工厂里，光的颜色、CO₂的浓度、温度等环境条件都可能会对蔬菜产量有影响，由此引导学生思考有关光合作用的问题。

教材安排了一个探究活动，提取和分离绿叶中的色素。这个实验简便易行，实验现象明显，学生通过亲身体验能够发现绿叶中有多种色素。然后在此基础上教材介绍了光合色素种类及其吸收光谱。教师可以在光合色素吸收光谱的基础让学生分析叶片为什么通常是绿色的。教材行文至此，来一个转折——这些光合色素在哪里？从而过渡到叶绿体结构的学习。

以下谈几个细节问题。

现行教材该实验的层析液有两种选择：92号汽油，或者是石油醚、丙酮和苯按比例混合。这些年国家对危化品的管控很严格。购买危化品需要报公安机关审批；加油站也不允许非车辆加油。但相对来说，你找人从加油站偷偷弄点汽油不合规矩；报公安机关审批走程序虽然麻烦一些，但是合法合规。新教材此处不再建议用92号汽油做层析液，可能有这方面的考量。

为了应试，我会要求学生记住层析结果，也就是滤纸条上色素带的顺序是：橙黄色、黄色、蓝绿色和黄绿色。甚至还有人根据色素带的宽窄去判断色素的含量。却很少有人思考这样做有没有道理。

先来说色素带的顺序。教材在分离（层析）原理中提到：在层析液中溶解度大的色素，在滤纸条上扩散得快（原理应该从分配系数的角度考虑，为了一致性，下述都用溶解度）。上述滤纸条上色素带的顺序是在特定层析液中获得的，如果我们更换层析液，使得光合色素在另一种层析液中的溶解度出现差异，那么色素带的位置也会随之发生改变。

再来看色素带宽窄能不能代表色素的含量。首先，这个实验并没有对光合色素都进行完全提取。胡萝卜素微溶于乙醇，因此，无水乙醇不能充分提取胡萝卜素；与之相反，叶绿素在无水乙醇中的溶解度较高，提取也比较充分。这种情况下，色素带上的叶绿素基本反映了其在绿叶内的含量情况；而色素带上的胡萝卜素只是绿叶中胡萝卜素一部分的反映，色素带上的色素含量不能反映色素在绿叶中的实际含量。

最后引用Biological Science 6th （by Scott Freeman）一书中的层析结果。从中能看到使用的固定相和层析液（展开剂）不同，最终色素带的顺序和宽窄都和教材实验的结果不同。

胡萝卜素有多种类型（如α型、β型、γ型），此处提取的胡萝卜素是混合物，由于性质相似在本实验中不能分开。新教材此处将叶黄素也说成一种色素，由于新教材没有提供术语对应的英语，我无法判断教材的意思是Lutein（单纯的叶黄素）还是Xanthophylls（叶黄素类物质）。教材实验结果显示一条黄色的色素带（叶黄素类均显黄色或棕色），由于叶黄素类物质的性质相近，本实验也难以将叶黄素类物质分开，理论上色素带上呈现的应该是Xanthophylls（叶黄素类物质）而不仅仅是Lutein（单纯的叶黄素）。

新教材此处加入了光谱和吸收光谱的知识介绍，这样的小变化有助于学生理解光合色素的吸收光谱，也体现了学科间的联系。

小标题这句话源自新教材旁栏中的学科交叉。与现行教材相比，这一部分的叙述有小改动，即不再讲“光合作用所利用的光都是可见光”，而是在前面加了一个限定“一般情况下”，这是因为科学家发现一些植物在光合作用时能利用紫外光，新教材此处改动是为了更严谨。

与现行教材相比，新教材此处将标题从“叶绿体的结构”改为“叶绿体的结构适宜进行光合作用”，这个改动主要是为了突出结构和功能观。

教材先介绍了显微镜下叶绿体的结构。吸收色素的结构位于类囊体薄膜上，叶绿体中的类囊体能够扩大受光面积。行文至此，教材都是在强调叶绿体的结构适合进行色素的吸收，实际上叶绿体还有其他作用。教材通过一个转折用思考与讨论的形式呈现叶绿体的功能（行文至此，虽然已明确了叶绿体能够吸收光能，但是叶绿体吸收的光能也可能传递给其它部分用于光合作用。在明确了叶绿体能够吸收光能后，还需要确定叶绿体可以释放氧气，并且能产生有机物，才能说叶绿体是光合作用的场所）。思考与讨论用恩格尔曼的两个实验，说明了叶绿体主要吸收红光和蓝紫光，并最终释放出氧气。结合其它实验结果，科学家确认了叶绿体是光合作用的场所。

在叶绿体内部巨大膜表面上，分布着许多吸收光能的色素分子，在类囊体膜上和叶绿体基质中，还有许多进行光合作用所必需的酶。这是叶绿体捕获光能、进行光合作用的结构基础。

首先需要明确教材只分析了真核生物的光合作用，不涉及蓝细菌。

学生在初中已大致了解了光合作用的研究历史和基本过程，因此新教材此处直接呈现了光合作用的总反应式，然后在此基础上进一步提出：光能如何转化为化学能储存在有机物中？光合作用释放的氧气来自于原料中的水还是二氧化碳？带着这些疑问进入思考与讨论，分析光合作用原理的部分实验。根据科学家的实验明确地将光合作用分为两个阶段，随后即转入光合作用两个阶段的介绍。

教材在呈现科学史实验时做了拆分，这样做的原因是先介绍是光反应，思考讨论中呈现的实验也以光反应为主，而卡尔文的经典实验则是选择在暗反应（碳反应）部分进行介绍。不管是光反应还是暗反应，都是先呈现实验证据，然后再进行讲述。

光合作用时，CO₂分子的C和O分开，O₂被释放，C与H₂O结合形成甲醛，然后甲醛分子缩合成糖。这个说法今天看来挺荒谬的，但实际上这个假说来自化学上的研究，并非没有任何依据的臆想。另一方面，有些学生或教师可能看不懂为什么科学家会觉得甲醛能缩合成糖，这其实可以从甲醛的分子式（CH₂O）中去找原因，甲醛从分子式上看和糖类一样都可以视作碳和水构成的化合物。

希尔反应在光反应研究中具有重要的地位，此处思考与讨论还让其承担另一个任务：将光合作用中氧的释放（光反应）和糖的合成（暗反应）区分开，引导学生认识到光合作用是分阶段的。我自己上课的话，应该会在此处加入F. F. Blackman的实验。Blackman研究了光照强度、二氧化碳浓度和温度对光合作用的影响。研究发现：光照强度很弱时，增大光照强度可以提高光合速率，但是增加二氧化碳浓度或者升高温度却很难提高光合速率。在光照强度较高时，升高温度和增大二氧化碳浓度均可以提高光合速率。Blackman根据实验结果提出：光合作用存在一个依赖于光的阶段（主要受光照强度限制）和一个不依赖于光的阶段（主要受温度和二氧化碳含量限制）。

教材对鲁宾和卡门的实验进行了简化。简化之后，这个实验很容易被爱思考的学生质疑。其实原始实验其实也不难理解（这个实验后面还会用到）。先介绍一点基础知识，自然界氧有三种同位素形式：¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，¹⁸O的相对丰度是0.205%，鲁宾实验时取0.20%，其含义是指在自然界常态水中的氧有0.20%是¹⁸O；同理常态K₂CO₃和KHCO₃中的氧也有0.20%是¹⁸O。鲁宾和卡门当时没有能力获得纯净的H₂¹⁸O和C¹⁸O₂，他们只是通过一定方法将化合物中¹⁸O的含量提高。为叙述方便，化合物中¹⁸O的含量我都在括号内标注。实验共分三组（KHCO₃＋K₂CO₃的作用是提供CO₂）：

第一组：【H₂O（0.85%）】＋【0.09M KHCO₃＋0.09M K₂CO₃（0.20%）】

第二组：【H₂O（0.20%）】＋【0.06M KHCO₃＋0.14M K₂CO₃（0.85%）】

第三组：【H₂O（0.20%）】＋【0.14M KHCO₃＋0.06M K₂CO₃（0.85%）】

实验最长持续了近6h（350min），结果发现：第一组收集到的氧气中¹⁸O的含量是0.85%，第二组和第三组收集到的氧气中¹⁸O的含量是0.20%，也就是说产物氧气中¹⁸O的含量和原料水中保持一致；与此同时，随着实验持续，三组实验水中¹⁸O的含量都保持稳定不变；KHCO₃＋K₂CO₃中¹⁸O的含量却不断发生变化。这样的实验结果表明：产物氧气中的氧完全来自于水。

与现行教材相比，新教材在光反应的描述中有些许变动。

首先为了和细胞呼吸中的[H]区分，新教材将现行教材中的[H]写成了NADPH（还原型辅酶Ⅱ）。改写之后，一方面，术语使用更加准确；另一方面也能够强化光反应和暗反应之间的联系——光反应利用暗反应产生的NADP⁺合成NADPH，光反应合成的NADPH再供应给暗反应生成NADP⁺。其次，新教材明确了NADPH也携带能量，参与暗反应时，NADPH不仅仅供氢同时还能供能。

新教材一方面明确了暗反应也可以叫碳反应。另一方面，新教材明确了暗反应过程中存在C₅→C₃→C₅的循环。这一点很重要，虽然现行教材正文部分，已经明确了CO₂被C₅固定之后生成两分子C₃，C₃接受NDAPH和ATP后被还原，还原产物有两条去路：一条生成糖类等有机物；一条再生成C₅，用以维持卡尔文循环的持续进行。但是受现行教材课后练习题的影响，教辅和模拟题中仍坚持认为被还原的C₃只有一条去路：生成糖类等有机物，而不能再生成C₅。新教材这里把话清清楚楚说明白了，就不会再存在误解。

(引自Biological Science 6th by Scott Freeman，有改动）

为了澄清误解，新教材在暗反应部分旁栏设置了两个相关信息。一个信息明确暗反应中的C₃是指3-磷酸甘油酸，C₅是指核酮糖-1,5-二磷酸。另一信息明确了光合作用最终合成的糖类一部分是淀粉，一部分是蔗糖，而不是教辅和模拟题中的葡萄糖（离开卡尔文循环的初产物是3-磷酸甘油醛，随后用于合成其他糖类。即使是合成淀粉和蔗糖的过程中，也只生成了磷酸化的葡萄糖，并没有葡萄糖的生成）。

教材在此处设计了一个思考与讨论让学生分析光合作用中物质和能量的变化过程。该设计有助于学生形成生物学的物质和能量观。

在光反应阶段，光能被叶绿体内类囊体上的色素捕获后，将水分解为O₂和H⁺等，形成ATP和NADPH，于是光能转化成ATP和NADPH中的化学能；ATP和NADPH驱动在叶绿体基质中进行的暗反应，将CO₂转为为储存化学能的糖类等。

在教师用书中，可能是顾及教师的习惯，仍然写到光反应过程是将光能转变化为ATP和NADPH中活跃的化学能，暗反应过程是把ATP和NADPH中活跃的化学能转变为有机物中稳定的化学能。

从化学角度看，能量并没有稳定和不稳定的区别，而物质作为能量的载体倒是可以区分稳定性。我们知道ATP和NADPH化学性质活泼，它们是不稳定的；而糖类等有机物化学性质则相对稳定。因此，光反应是将光能转变为不稳定化合物（ATP和NADPH）中的化学能，暗反应是将不稳定化合物中的化学能转变为稳定化学物中的化学能。

教材光合作用的总反应式写成：

对于这个式子，很多老师是不满意的，总觉得这东西不方便分析光合作用中的原子去向，也不方便计算。教辅和某些书籍就更直接了，直接把光合作用的反应式写成（只示意反应物和产物以及原子去向）：

这个式子在解决模拟题中功能强大。但是这个式子是有问题的：

首先，光合作用并没有直接生成葡萄糖，但这个式子生成了葡萄糖。

其次，这个式子表明CO₂中的氧会有相当一部分转移到产物H₂O中，如果这种情况真实存在，那么鲁宾和卡门的实验就涉嫌学术行为不端了。我们可以再回顾一下前述鲁宾和卡门的实验，以【H₂O（0.85%）】＋【0.09M KHCO₃＋0.09M K₂CO₃（0.20%）】这一组为例，如果CO₂中的氧大量转移到H₂O中，那么随着反应持续进行，水中¹⁸O的含量应该不断降低，但是鲁宾和卡门的实验进行了近6个小时，水中¹⁸O的含量都稳定在0.85%,这一实验结果不支持光合作用时CO₂中的氧转移到H₂O中。

最后，光反应生成ATP时会产生水。从这个式子来看，产物H₂O中所有的O均来自于CO₂，CO₂参与的反应属于暗反应，或者说这个式子表明产物中所有的水都是暗反应阶段生成的，这也和事实矛盾。

教材此处先安排了一个探究实践活动，探究环境因素对光合作用强度的影响。这个活动是培养学生科学探究能力的重要载体。通过探究活动了解到影响光合作用的影响因素之后，新教材正文再从理论上分析影响光合作用的因素，新教材此处理论分析得点赞，因为它不是直接告知式的说教，而是引导学生从光合作用的反应式（物质基础）和叶绿体（结构基础）的角度出发，让学生明确哪些因素会影响植物的光合作用。

新教材通过旁栏设问，让学生明确总光合和净光合的区别，实践中我们关注净光合作用更多一些。此处教师可以带着学生再次回到本节的问题探讨，尝试用所学光合作用的原理进行解释。

化能合成作用并属于课标要求的内容，教材这里用小字呈现出来，能扩宽学生视野，有利于学生体会生物是复杂多样的。

学习本节内容后，学生能够明确：光合作用在植物细胞的叶绿体中进行。叶绿体类囊体的薄膜上有捕获光能的色素，在类囊体薄膜上和叶绿体基质中还有许多进行光合作用所必须的酶。光合作用的过程分为光反应和暗反应两个阶段。光反应阶段发生在类囊体薄膜上，负责将光能转化为储存在ATP中的化学能；暗反应发生在叶绿体基质中，负责将ATP和NADPH中的化学能转化为储存在糖类等有机物中的化学能。

光合作用内容本身就包含生物学的物质和能量观，通过本节的学习，学生可以从物质和能量的视角，阐明细胞生命活动中贯穿着物质和能量的变化。教材在标题和行文中注意引导学生体会到叶绿体的结构和功能相适应。光合作用过程的介绍中，先呈现科学史中的实验，反映了人们对光反应和暗反应过程的认识都是基于实验证据和逻辑。教材还设置了绿叶中色素的提取与分离实验，以及探究环境因素对光合作用强度的影响实验，让学生提升科学探究方面的素养。教材在分析光合作用的影响因素时，注重从光合作用的物质和结构基础出发，具有思维训练的价值。