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第18章 植物小实验(4)

知识延伸:

观察后,将各种典型导管各绘一图。

蒸腾拉力

操作难度:★★

实验方法:

下面我们做一个实验,来证明叶片蒸腾时产生很大的蒸腾拉力,它是植物体内水分沿导管上升的主要动力。

叶片蒸腾时,气孔下腔附近的叶肉细胞因蒸腾失水,水势下降。便从邻近细胞夺取水分。同理,这些细胞又可从其邻近细胞吸水。这样依次下去,便可从导管夺取水分,产生巨大的吸水力。又由于水和水银间有吸附力存在,水银即被牵引沿着玻管上升,根据水银上升的高度可知蒸腾拉力的大小。

做这个实验需如下材料和用具:侧柏(或棉花等)带叶枝条,长约50厘米,直径约0.5厘米玻璃管一根,铁架,滴定管夹,橡皮管,小烧杯,水银,氢氧化钠溶液。

我们可以按如下步骤做这个实验:

1.将玻璃管用氢氧化钠溶液洗净,再用水冲洗后备用。取长约8厘米粗细与玻璃管相当的橡皮管,洗净后一端套在玻管外面,另一端准备插枝条用。

2.选取枝叶生长旺盛的侧柏(或其他植物枝条),将基部一段的树皮剥去,并在水中将茎基部剪去一小段后,插在水中备用。

3.在玻管和相连的橡皮管内吸满冷开水,管下端用手指堵紧,将基部削皮的枝条插入上端的橡皮管内,再将下端插入盛有水银的烧杯中,移开手指,然后将其固定。也可以在水银上面加一层水,既可防止水银蒸气产生,又可使堵住玻管下端的手指只要伸入水层后即可移开,然后再继续将玻管插入水银层中。注意整个水柱内不能有气泡存在。

4.由于叶片的蒸腾作用,玻管内水柱不断上升,水银也随着上升。记录水银上升的高度和速度。

实验证明,叶片蒸腾时可产生很大的蒸腾拉力,一个小枝条即能使水银柱上升相当的高度。

知识延伸:

蒸腾拉力是植物被动吸水和转运水分的主要动力,如果没有蒸腾拉力的存在,恐怕世界上就不会这么多植物存在了!

水往高处流

操作难度:★★

实验方法:

这个题目是不是写错了?没有错。这里说的是大多数高等植物里面的水,被根上的根毛吸进来以后,慢慢运到上面的茎叶花果等部分,满足植物生活的需要。一部分水分又通过叶片散发到空气中去。可以这样说,根毛是植物水分的入口,叶片是植物水分的出口。对小草来说,水的出入口相距很近;对高大的乔木来说,水的出入口相差可达几十米。水为什么能不断地由下而上地流动,是什么力量迫使水在植物体内这样运行呢?

下面我们先做几个简易的实验,重复一些重要的科学结论,再弄清其中的道理。

选择好一枝杨树枝条(或用芹菜),应该是无伤、无病,生长正常的健壮枝条,像铅笔那么粗正好。用枝剪(或剪刀)把它从杨树上剪下来,立即插入盛有水的盆里或桶里。一定让切口浸泡在水里,这样可以防止空气从切口处进入植物导管而形成气栓。这是实验成败的关键。

然后,把枝条下部的老叶子摘掉一些,尖端只留3~7片叶子就行(大叶片留三四片,小叶片留六七片)。在水中把枝条的切口端再剪去一段(约5~10厘米),这样就可以保证切口处不会有空气进入导管了。

然后,你向盛有大半杯清水的茶杯里加入一点红墨水(清水量的1/20左右即可),茶杯里的水很快变红了。这时候,把准备好的枝条,从水里取出来,立即插入茶杯的红水里。最后,把茶杯放在向阳的窗台上。两三个小时以后,你就会发现:杨树枝的叶片,从叶脉开始到整个叶片逐渐都变红了。

同时你也能看到茶杯里的红水也减少了一些。很明显这红水是通过枝条上升到叶片,再经叶片蒸发出去了。水分减少了,留在叶片里的红色颗粒也就越来越多,叶片的颜色就越来越深了。如果放在阴凉不通风的地方,水蒸发得慢,叶片要经过很长时间才能变红。

水沿着枝条上升到叶片,跟叶片的蒸腾作用有关。水分上升,是由于叶片的蒸腾作用,有个向上拉的力量。蒸腾作用强,拉力就大,水在茎内运行就快。上面的实验就说明了这个问题。

那么,水分是从枝条的哪一部分上升的呢?你只要把枝条横切开,再竖切,看看哪个部位变红了,那就是水上升的路线。你也许猜想,准是整个枝条里面都是红色的。可是,切开以后,你会看到只有木质部的导管才是红色的,其余部分一点红色也不染,仍是杨树枝条本来的颜色,可见水是沿导管上升的。

再做一个实验:

找三根长短、粗细都一样的小玻璃管,分别装满土。A管装细土,B管装中等土粒的土,C管装大粒的土。

再找三个瓶盖或培养皿,分别倒入一定量的酒精。把玻璃管插在酒精里,然后,用火柴点燃玻璃管的上口。你马上会看到:A管的火焰最旺,C管的火焰最弱。

这是因为A管里土粒细,土粒和土粒之间的缝隙小而多,这些很小的缝隙上下连接起来,就形成了许许多多弯弯曲曲的毛细管了。酒精就会通过毛细管,上升到玻璃管的上端。土粒越大,它们之间的毛细管就越少,液体上升得就越少越慢,所以火焰就弱了。

而植物体内的导管是由长形的管状细胞上下连接起来组成,形成了许多毛细管,从而形成引水上升的现象。

这样看,由于根毛细胞内的溶液浓度大于土壤溶液的浓度,水通过细胞膜进入细胞,又进入导管。那么,水从导管源源不断地上升到叶片又是靠的什么力量呢?除上面讲的叶片具有蒸腾作用和毛细现象以外,还有一个最主要的动力就是根压。什么是根压呢?

你再做个观察实验就明白了。把一株向日葵的小苗(其他植物幼苗也可以),剪去紧贴地面的幼茎。过一会儿,就看到茎端冒出液滴(也叫做伤流)。可见根部有压力,水才能由下向上走。如果有条件的话,你向老师借个压力计,用小橡皮管把茎端和一个压力计连接起来,就会看到在压力计上有一定的压力指示,这就是根压。

知识延伸:

一般植物的根压是一两个大气压,树木和葡萄的根压可达到几个大气压。

水进入根毛细胞以后,沿导管在植物体内向上运行的过程,也是经过200多年的探索才弄清楚的。

200多年前,英国的谷鲁用显微镜系统地观察了植物的组织。他发现植物的茎可以分成髓部和木质部,而水分的上升是在木质部,由于许多毛细管的作用而完成的。直到200年后,魏士脱美耶才用实验证明了谷鲁的这个结论。

1727年生理学家海尔士发现植物的叶子有蒸发水分的作用,并且研究了叶蒸发水的量同根吸水的量的关系。他认为水的上升跟叶的蒸腾有关。

1735年,植物生理学家德拉贝士用有色的液体来培育花,或把植物枝条放在有色的液体中进行实验,证明了叶片具有蒸腾作用。

叶绿体色素

操作难度:★★★

实验方法:

下面我们介绍一下叶绿体色素的提取和分离方法,并了解一下叶绿体色素的种类。

叶绿体中一般含有绿色素(叶绿素a和b)和黄色素(胡萝卜素和叶黄素)。这两类色素均不溶于水,而溶于有机溶剂中。因此,常用酒精或丙酮来提取。

色素分离方法很多,纸层析是最简便的一种。当溶剂不断地从滤纸上流过时,由于混合物中各成分在固定相和流动相间具有不同的分配系数,因此,它们的移动速度不同,便可将混合取液中的各种色素分离开。

实验所需要的材料和用具:菠菜叶片(或其他新鲜绿叶)、一台天平、研钵、量筒、漏斗、试管、试管架、色层分析滤纸、细玻棒、大培养皿两个(底和盖直径相等)、95%酒精、碳酸钙、汽油(纯净无色的)、小酒杯(或平底短玻管)1个、剪刀、滴管。

实验步骤如下:

1.选取鲜绿的菠菜叶片,擦净、剪碎后称取3克鲜叶,放入研钵中,加少许碳酸钙(可中和细胞中的有机酸,避免形成去镁叶绿素)和5毫升酒精,研磨成糨糊状。再加酒精5毫升,研匀后用漏斗过滤,滤液即为叶绿体色素提取液,内含有叶绿素a、叶绿素b及叶黄素和胡萝卜素。

2.取色层分析滤纸,剪成圆形,其直径应略大于培养皿的直径(如无层析滤纸,也可用圆形定性或定量滤纸)。在滤纸圆心戳一圆形小孔。另取同样的滤纸,剪成长5厘米、宽1.5厘米的窄条,用细玻棒沿长度方向卷成1.5厘米长的纸捻,抽出玻棒后再进一步搓成均匀、紧密的纸捻。

3.用细口滴管吸取叶绿体色素提取液,滴在纸捻的一端,风干(或用电吹风吹干),再滴,再风干,如此重复3~5次。

4.将滴有色素的纸捻端插入圆形滤纸中心小孔中,使纸捻与圆形滤纸紧密接触,且与纸面平齐,切勿高出纸面。

5.取两个直径相等的干燥培养皿,在一个培养皿内放一小酒杯(或平底短玻管),杯内加入适量的汽油(或石油醚)作为扩散剂。把插有纸捻的圆形滤纸平放在培养皿上,使纸捻下端浸入汽油中,迅速盖上另一培养皿,两培养皿周边对齐。

6.小杯内的汽油沿纸捻扩散到圆形滤纸上,并推动叶绿体色素也向滤纸四周扩散。待汽油扩散到培养皿边缘时。取出滤纸,即可看到四种色素分离成四个同心圆环。用铅笔标出各种色素的位置和名称。

知识延伸:

由于各种色素在扩散剂中的溶解度不同,以及滤纸对各色素的吸附能力不同,而达到分离的目的。扩散最快的是胡萝卜素,为橙黄色;其次是叶黄素,为鲜黄色;再次是叶绿素a,为蓝绿色;扩散最慢的是叶绿素b,为黄绿色。

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