主題3:生物體的營養方式

單元參:植物如何獲得養分

一、  植物如何獲得養分
三百多年前,比利時人范黑蒙(Van Helmont),在花盆中種了一棵柳樹,5年後,柳樹的重量增加約75公斤,但土壤只減少了約60公克。范黑蒙覺得很特別,他認為5年中除了澆水之外,並沒有加入其他物質,所以推測柳樹增加的重量應來自水。這樣的想法,你覺得合理嗎?
從養分功能的觀點來檢視這個觀點,水雖然是生物體內最多的物質,但是水並無法被細胞分解來產生能量,沒有能量對於柳樹的生長是不可能的,所以范黑蒙的想法只對了一半,柳樹內除了有水之外,尚含有能夠提供能量的養分物質,而這種物質的產生經科學家的研究後發現,是由植物體進行光合作用後自己所產生的養分。
綜合以上所述,植物體獲得養分的途徑有以下二種:
1)植物根部從土壤中吸收水分及礦物質(主要為氮、磷、鉀 
    
三類)。
2)植物進行光合作用,自行合成的養分(剛合成時為醣類,
    
而後再轉化為蛋白質及脂質)。
本單元要探討的即是植物如何透過光合作用來產生養分的過程。


二、  葉子的構造及功能
葉子是植物行光合作用最主要的器官,葉子上的構造有以下幾種:
1)上、下表皮:
    表皮細胞排列整齊,透明無色,細胞外具有角質層能夠防止水分散失。
   
同時表皮亦能保護植物體避免受到病原體的感染。
2)保衛細胞及氣孔:
   
大多數植物的表皮上具有半月形的保衛細胞,保衛細胞兩兩成對,中間的部分則組成氣孔,保衛細胞藉由水分滲透進出細胞內外,來控制氣孔的開閉,而保衛細胞內亦具有葉綠體,可行光合作用。
   
通常有光線的時候,氣孔會打開,植物體行光合作用所需的二氧化碳即是由氣孔進入植物細胞中,而製造出來的氧氣則從氣孔釋放到大氣之中,所以氣孔是植物體氣體進出的孔道。經觀察可以發現,陸生植物大多數的氣孔分佈於葉片的下表皮,如此可以減少水分過度的散失。
3)葉脈:
    葉脈是由輸導組織(維管束)所組成,能將根部維管束所吸收的水分運送至葉子,提供葉子水分的來源,同時也作為光合作用中參與反應的物質。
   
除此之外,葉脈中的維管束也能將光合作用所產生的養分運送至植物體全身,提供所有植物細胞利用。
  
(詳細內容請見主題4:生物體的運輸作用)
4)葉肉細胞:
   
葉片中間含有綠色葉綠體的細胞,稱為葉肉細胞,是葉子進行光合作用的主要場所。


三、  光合作用的過程
光合作用是指葉綠體中的葉綠素吸收太陽能,並將根部所吸收的水分和經由氣孔進來的二氧化碳合成為葡萄糖,並同時釋放出氧氣的過程。
光合作用化學反應方程式如下:

由反應方程式可知,光合作用的進行需要水、二氧化碳作為原料,需要太陽能來作為反應發生的能量來源,並需要在葉綠體中進行整個反應,才能製造出最後的產物,所以光合作用的進行,以上幾個條件缺一不可。
而整體光合作用的反應,依反應發生的先後,可分為兩個階段:第一階段為光反應、第二階段為暗反應,詳細過程敘述如下:
1
、光反應(反應過程如下圖所示):
第一階段的過程需要太陽光才能進行,所以稱為光反應。在光反應過程中葉綠素利用太陽光的能量,將水分解成氧氣、氫離子[],同時並產生能量作為暗反應時的能量來源。所形成的氧氣藉由氣孔而釋放到大氣中,而氫離子[]及能量則繼續參與暗反應。

2
、暗反應(反應過程如下圖所示):
第二階段因不需太陽光直接參與反應,稱為暗反應。暗反應利用光反應所產生的氫離子[]及能量,透過許多酵素的作用,將二氧化碳進行固定,轉換成葡萄糖和水,所產生的葡萄糖可直接提供細胞利用,來進行呼吸作用產生細胞所需的能量;除此之外,產生的葡萄糖亦可進一步合成為澱粉、蛋白質及脂質等其他養分,供植物體使用。

          
圖片來源:國立編譯館

一、  光合作用對於生態系的重要性
1
、植物行光合作用,將太陽光的光能轉化成葡萄糖的化學能,提供給大多數生物使用,使得生物體的細胞能夠得到能量而表現出生命的現象。光合作用串起了生命與環境間的橋樑,讓太陽光的能量可以提供給生物使用。
2
、光合作用會吸收二氧化碳並釋放出氧氣,氧氣可以提供生物呼吸所需,所以光合作用對於維持大氣中氧氣與二氧化碳濃度的穩定具有重要的貢獻。

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