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[图文]光合作用的科学史可以这样讲           
光合作用的科学史可以这样讲
作者:罗新 文章来源:本站原创 点击数: 更新时间:2018/2/2 13:31:39

一、有个哥们儿叫普利斯特利

在1733年的英国有一个裁缝家诞生了一个小生命。

他叫普利斯特利。


 

人如其名。普利斯这个家真的出了一个特厉害的人。

在他没成年前就已经让人觉得这个小孩真不得了。

他有一个天赋技能:克死人。

因为家里穷。所以他在在出生后几年其实一直在外公外婆家居住。好景不常,几年后,母亲就去世了。母亲去世后,他被送到姑姑家住。因为姑姑家是农场主。且姑姑当时慧眼识人。觉得这孩子以后是要做牧师的节奏。所以在姑姑家,他


 

然而好景不常。几年之后,他姑父又死了。

到此,我真的想吐槽一句:你是上天派来的天煞孤星吗?生人勿近的节奏啊。


 

一下子他又从有钱有闲的资产阶级变成了无产阶级。

所以他姑姑迫于无奈,将他送到教会学校。

送到教会学校后,又将他送到姑父的朋友——一个啤酒厂工人的家中。

可能是这个啤酒厂工人的八字比较硬朗。没这么容易克死。相反,在这个啤酒厂工人的手中开始了他的科学探索之路。

因为他寄宿在一个啤酒厂工人的家中,有一次机缘巧合。他去参观啤酒厂时。发现,燃烧的木条在接近发酵车间内承啤酒的大桶中木条会立刻熄灭。

在日常生活中他发现了一些很有趣的事情。

譬如在封闭容器中的小老鼠,几天后就会死去。其实容器里面也有空气呀,那为什么小鼠有空气也会死?

然后他在想


 


然后他为寻找“空气是不是有不同的组成(总实验目的)=”答案做了一系列实验(因为这个问题没人提出来证明过,所以此乃探究性实验


实验1

将蜡烛和小鼠分别放入玻璃罩中。

 

ps:强烈抗议将长的如斯内普的大帅哥画成不可描述的丑。

过一会儿,蜡烛熄灭,老鼠死亡。

看到了这个过程。他提出了这样的假说:空气中大概存在着一种东西,当它燃烧时空气就会被污染,因而成为不能供动物呼吸,也不能使蜡烛继续燃烧的“受污染的空气”。

然后他就在想:污染的空气能不能被净化成能使蜡烛燃烧老鼠存活的空气呢?

对于使空气净化的物质,首先他想到的是水

为了探究污染的空气是否能被谁净化的问题(实验2的实验目的).他设计了以下实验


实验2


就这样让空气在水中来回过,然后将过好的空气再放到蜡烛的玻璃罩和有小鼠的玻璃罩中。

这个实验的实验假设是:水能净化空气,净化过的空气能使蜡烛燃烧,小鼠存活。若用水净化过的空气可以使蜡烛燃烧,小鼠存活。即可证明假设

自变量:用水净化过的空气和没有用水净化过的空气(空白对照

控制无关变量:玻璃罩大小相同,气体相同。实验用蜡烛同一批次。老鼠用同一窝的(意思就是除了自变量之外其他的东西都应该是相同的)。

然而,结果并不如预期。

用水净化过的空气和没用水净化过的空气都不能使蜡烛燃烧,小鼠存活(观察记录

所以,普利斯特利得出以下实验结论:水不能净化空气。


然而,普利斯特利并不灰心。他想:既然动物在受污染的空气中会死去,那么植物又会怎样呢?

尔后又设计了第3个实验:



 

实验目的:探究植物和动物一样会在受污染的空气中死去。

实验原理:蜡烛燃烧能污染空气

实验假设:植物和动物一样会在受污染的空气中死去。

自变量:植物和动物

控制无关变量:玻璃罩大小相同,蜡烛批次相同。动物植物重量相似。

然而,结果也是不如预期

观察记录:动物死了,植物却活的好好的。放到阳光下养,还能开花 -_-# 实验结论:植物不会像动物一样会在受污染的空气中死去。


真理的大门已经为他打开了一个小小的门缝了。

他推测:植物能净化空气?


然后他又做了第4个实验:


实验目的:植物是否能净化空气

实验原理:植物净化空气使小鼠存活

实验假设:植物可净化空气使小鼠存活

自变量:玻璃罩内是否有植物(空白对照

控制无关变量:玻璃罩大小相同,老鼠用同一窝。

这次,功夫不负有心人。结果符合预期

甲组老鼠像前面几次一样很快就嗝屁了。乙组老鼠活的好好的。

最后,普里斯特利给出了以下结论:


 


好哒,普里斯特利的故事就讲到这。


一个重要科学发现公开发表后后面必定会有很多人重复这些实验。

然而有些人能够重复出来。有些人却得出了实验4中已的老鼠也是会嗝屁。得出与普里斯特利完全相反的结论:植物也跟动物一样使空气变污浊。因为当时普里斯特利认为只要植物生长就可以净化空气。而不需要光。

他将光这一个无关变量没控制好,导致他的实验重复性不佳。

在他发现以上的结论8年后(1779年),有一个荷兰哥儿们:英格豪斯。他在家里(in the house——英格豪斯.此乃大误)


 

重复了500次普里斯特利的实验发现了一个重要的变量:光照。只有在有光照的情况下普里斯特利的实验才能被重复。


这个故事再次告诉大家:控制无关变量是多么的重要


ps:此系列所有的名字后面的解释均为瞎扯。意为容易记忆,千万不要当真。


二、不会吹萨克斯的萨克斯


过了差不多一百年光合作用都没有什么进展。

主要是因为在18世纪时对于燃烧的主要解释是燃素说。燃素说认为燃烧是一个分解的过程。而不是氧化还原的过程。更没有能量转化这个概念。


第一个提出能量转化和守恒定律是德国的梅耶。


不知道大家有没有发现,欧洲的科学家都是跨界王。

牛顿除了是个物理学家之外还是一个数学家。

他的数学发现还是在他度假时闲着没事搞出来的。


 

跟大多数欧洲科学家一样。他也是一个跨界王。

度娘天天说他是植物学家。


其实他是一个正儿八经的医生。


他在1842年发表了一篇论文《论无机自然界的力》。这是一篇关于能量守恒和转化定律论文这样他就从一个内科医生变成了一个物理学家😅。


他变成“植物学家”。是因为在1845年。他看到普利斯特利和英格豪斯的结论扯了一个推论:




果然,不会物理学的植物学家不是一个好医生。

看来上天真的很眷顾他。他的瞎扯居然是真的。


19年后的1864年。同样是德国的不会吹🎷的萨克斯


他不是跨界王。而是正尔八经的植物学家。

且是一个很掉臂的植物生理学家。他被称为现代植物生理学的创始人。

在高考生物的很多实验题都是出于他的手笔。

如:种子发芽时贮存物质的转化;根的生长,以及植物的向光,向地性。

但是,他不是读生物出身的。他的第一个博士学位是哲学。嗯(一本正经脸)。

虽然他是哲学博士,但是让他功臣名就的还是植物生理学。靠着植物生理学的卓越的研究赢取了白富美走向人生巅峰


包括但不限于:拿到各种学校给的名誉博士学位(名誉XX在学界的意思是送这个名衔给你,连9毛9都不用);好多机构请他做院士和名誉会员;得到了德国皇室的贵族封奖。


他做了一个很重要的实验证明了梅耶的结论。

这个实验设计精巧。他对于对照的设置,无关变量的控制到了非常高的水平。体现了作为一个理科科学家严谨的科学思维。


实验目的:探究植物光照后生成的物质

实验原理:植物在光照条件下,将光能转化成物质储存起来。碘蒸汽能将淀粉染成深蓝色。

实验假设:在光照条件下,植物可将光能转化为淀粉,用碘蒸汽可将淀粉染成深蓝色。

自变量:是否有光照(自身对照)

控制无关变量:用同一株植物同一个叶片;先暗处理消耗叶片中的淀粉。在做碘蒸汽染色前先对叶片行脱色处理避免叶片本身的颜色干扰实验结果。

实验过程:将植物(实验对象)放在黑暗中12小时,然后将其中一片叶子用锡纸将一半的叶子避光。然后将整个植物放到阳光下若干小时。然后将处理的叶子剪下放入酒精脱色后进行碘蒸汽处理。


 

观察记录:被锡纸遮住的一半无着色,没有被锡纸遮住的一半显深蓝色。 实验结论:植物叶片在光照的情况下会产生淀粉。


三、鹰钩鼻不明显的Englmann(恩格尔曼)


时间来到了19世纪。还是一个德国佬。叫恩格尔曼(T.Engelmann).


 

循例我在这又扯扯这个人。这个老头是正儿八经的读生物出家的。是个正经的科班出生。不像是前面的都是跨界王。他拿到博士学位后就留校任教评教授。终于出现了一个正常画风的男子学渣表示很欣慰。

他的代表作就是水绵实验。

实验目的:探究细胞的那个部位是光合作用的场所

实验原理:光合作用能产生氧气。氧气能使好氧菌聚集

实验假设:在光照条件下植物可进行光合作用。进行光合作用的部位会放出氧气使好氧菌在此部位聚集。

自变量:光照向植物细胞的不同地方

控制无关变量:光束大小亮度一致。光照向同一个细胞的不同点。

实验过程:把载有水绵和好氧细菌临时装片放在没有空气的黑暗环境里,然后用极细的光束照射水绵。


实验现象:好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中。若将临时玻片放在光下发现细菌分布在叶绿体所有受光部位中。

实验结论:氧是由叶绿体释放出来的,叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。


他发现了这个结论后紧接着又思考了另一个问题:既然叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。那么不同波长(颜色)的光会不会影响光合作用?


紧接着他又做了第二个实验

实验目的:探究不同波长(颜色)的光对光合作用效率的影响

实验原理:三棱镜能将不同波长(颜色)的光分开。光合作用能产生氧气。氧气能使好氧菌聚集。

实验假设:在不同波长(颜色)的光下植物的光合作用效率不同。光合作用效率高的部位会放出氧气使好氧菌在此部位聚集。

自变量:不同波长(颜色)的光。

控制无关变量:光源一致,光束大小亮度一致。光照向同一个细胞的不同点。

实验过程:将光透过三棱镜光照射水绵临时装片。


实验结果:好氧菌聚集在红光和蓝光区域中。

实验结论:叶绿体中色素吸收红光、蓝紫光,用于光合、放出氧气。


其实今天的内容到这就已经完了。

大家不觉得我上面的逻辑有点奇怪吗?我上一回都没说谁发现了叶绿体怎么这一篇通篇叶绿体前叶绿体后捏?


嗯。。。

其实叶绿体在1832年已经被发现了。只是没有人将它叫做叶绿体。在此之前所有人认为只要是”绿色植物细胞“就可以进行光合作用。

恩格尔曼确实没有命名叶绿体。命名叶绿体的人还是另有他人。

这个人是一个出生于法国的德国人,他叫席姆佩尔。这是一个连百度都没将他的照片放到百度百科的一个植物学家。



他在1881年证明淀粉在植物细胞的特定部位形成,1883年他把这些实体命名为叶绿体,同年还证明新的叶绿体是仅从已存的叶绿体分裂产生的。

至于叶绿体的尊容是在过了差不多60年后的1940年,德国人G.A.Kausche和H.Ruska发表了世界第一张叶绿体的电镜照片。大家才知道叶绿体里面也有这么多结构。



四、不漂流的鲁宾擅长卡门最后认识了卡尔文


跟呼吸作用一样。人们也是对光合作用产生出的氧气和有机物是从哪来的科学家也有非常大的兴趣。

当时基本上有两派:二氧化碳派和水派。

但是因为科技手段的不成熟。这个问题基本上是属于两家打嘴仗,谁也不服谁。

直到20世纪初人们发现了同位素。这个当时的“黑科技”生物科学仿佛打开了新世纪大门。它像是一个钥匙打开了很多未解之谜。

前面我介绍的科学家基本都是欧洲帮的。到20世纪之后。美国帮开始雄起。美国的科学家开始各种创新发明作为诺贝尔奖常客登上生物科学史的舞台。

作为光合作用水派其中两员的鲁宾和卡文发表了一系列的科研结果证明了水派才是真理。贯彻了我们一般直接动手,不吵吵”的实用主义(误)。

       本想在这放照片,但是却找不到照片。但是八卦还是有的。

鲁宾的人生也是一个活脱脱的屌丝逆袭记呀。他的正职是一个搞无线电的。然后遇到一个贵人然后带他去哥伦比亚大学旁听。在旁听的过程中受到了专业的科学训练,然后做研究,功成名就。

与之相反,卡文是一个科班出身的人。在大学时拿的是化学学位,博士拿的是生化学位。其实他在生物上的贡献真的不算什么。他最牛的地方是——他是做核科学的专家。嗯。。。通俗来说就是他会做原子弹。


 

本来他是为曼哈顿计划工作的牛人。然而后来却被炒了。原因是提供核弹技术给苏联。


       毫无意外的,他就被打入冷宫。没人敢招他,也没人敢发表他做的东西。过差不多10年后,华盛顿大学才敢招他。当然,他也就只能从做原子弹的优秀boy转行研究生物。然而他对于叶绿素的研究发表时间却是在做曼哈顿计划前。虽然读书经历很普通。但是他工作的经历也是作的没谁了。

这两人的科研成果写进了高中生物教科书。说明学界还是肯定他们的科研贡献的。但我估计鲁宾和卡门知道我们中国生物教材这样写他们的成果估计都要气活- -。

因为,教材写的实验方法都是错的


所以也就从侧面说明,鲁宾和卡门的实验肯定不是重点。因为连教材都是错的怎么考大家?


 

唉~我都不知道说什么好

为了科学的严谨性。我还专门查了了卡文在1944年在PNAS发表的文章


 


他们是以小球藻为实验对象。而不是课本写的“植物”。另外他们用同位素标记18O的地方是水和碳酸氢盐。然后碳酸氢盐在水中本身就会处于会分解成二氧化碳的动态平衡状。以此种方式来间接标记二氧化碳。而不是像下图一样做。


乃们要知道,标同位素是好贵哒。我花了大价钱标了一堆二氧化碳和水。然后将水和二氧化碳提纯到只有同位素标记的。然后将标记的二氧化碳打到水中。然后大部分二氧化碳都没融到水里。而是变成小泡泡弥散在空气之中。

你这是在炫耀自己有钱你知道不?

 


实验目的:探究光合作用氧气的来源

讲他们的实验之前,先说说他们的实验原理

他们在此之前已经将光合作用的化学式配好平写出来了。长得跟课本写的一样。


所以,他们认为用同位素标好的水和碳酸氢盐以不同的浓度混合。然后放入能光合作用的生物。

若放出同位素氧气的浓度与同位素水的浓度相同。即认为氧气是通过水产生的。反之则认为是二氧化碳产生的(实验假设)。


所以,他们用同位素标好的水和碳酸氢盐以3种不同的浓度混合。然后放入小球藻,最后测出放出氧气的同位素氧气的浓度。(实验过程)得出以下结果



我们发现氧气的18O的百分比始终跟水的18O百分比相似。(实验结果

所以得出实验结论:光合作用释放的氧气来自水。

是不上面的实验比在课本上写的实验感觉简单靠谱好多捏?


解决了光合作用产生氧气的来源问题后。人们对于光合作用如何产生有机物更有兴趣了。


这时,也是一个美国人卡尔文看到了上文同位素标记如此的神通广大后。他也想用同位素标记来研究一下二氧化碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。



 

他将标注好14C的碳酸氢盐放入藻类后让其进行光合作用。破碎细胞提取总裂解液后,利用了双向纸层析技术分开各种各样的组分。

简单来说,就像做绿叶色素的提取和分离一样,不一样的地方在于双向纸层析只在层析液在横纵向各泡一次,一共需要泡两次。而叶绿素提取只需要才层析液中泡一次即可。

就像是下图一样

 


然后我们就可以认为每一个点对应的是每一种在藻类裂解液中的化合物。

最后再将感兴趣的点挖出来研究一下里面是否有14C的化合物。就可知道二氧化碳在光合作用中转化成哪些有机物。

二氧化碳先变成一种化合物肯定这种化合物在早期收集的藻类裂解液中就会有14C。然后通过不同时间收集藻类分别重复以上的实验。就可知道二氧化碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。


最后,他画出了个这样的图


这就是光合作用暗反应的过程。当然也有一个很洋气的名字:卡尔文循环。 然后卡尔文就凭借着这个发现
在1961年获得了诺贝尔化学奖。

暗反应主要分为三部分:固定,还原,再生

光合作用暗反应的过程主要重点有:

1.场所:叶绿体基质

2.碳的固定

化学式:CO2+C5→2C3

需要酶的参与

3.C3还原与再生的化学式:C3→(CH2O)+C5

4.C3的还原

需要酶,2个[H],2个ATP的参与

5.再生过程需要酶,1个ATP的参与

6.暗反应的实质:将活跃的化学能转化为稳定的化学能。

 

文章录入:罗新    责任编辑:admin 
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