Mục lục bài họcĐang ở d01-b2
Limiting factors, minerals and the leaf experiments
Limiting factors
A limiting factor is the factor in shortest supply — the one that is holding the rate back. Increasing it raises the rate; increasing any of the others changes nothing.
Three factors limit photosynthesis:
- light intensity;
- carbon dioxide concentration;
- temperature.
On a graph of rate against light intensity, the line rises steeply at first — light is limiting — then levels off. On the flat part, light is no longer limiting; something else is, usually $\ce{CO2}$ or temperature.
That reading is the whole skill: the sloping part tells you the named factor is limiting; the flat part tells you it is not.
Temperature behaves differently from the other two. Beyond an optimum the rate falls, because the enzymes controlling photosynthesis are denatured by high temperature.
Commercial use
A greenhouse grower can raise all three: lamps for light, paraffin heaters or $\ce{CO2}$ generators for carbon dioxide, and heating for temperature. Each is worth doing only while that factor is the limiting one.
Mineral ions
| ion | needed for | deficiency symptom |
| nitrate | making amino acids, and so proteins | stunted growth, older leaves yellow |
| magnesium | making chlorophyll | yellow leaves (chlorosis) |
Note the difference: magnesium deficiency gives yellow leaves; nitrate deficiency gives poor growth. Exam questions test which symptom goes with which ion.
The starch tests — and why each step is there
Destarching first: keep the plant in the dark for 24–48 hours so it uses up the starch it already has. Without this step, a positive result would prove nothing — the starch might have been there beforehand.
Testing a leaf for starch:
- boil in water — kills the tissue and breaks down the cell membranes;
- boil in ethanol in a water bath — removes the chlorophyll, so the colour change can be seen. Ethanol is flammable, so it is heated in a water bath, never over a naked flame;
- dip in hot water — softens the brittle leaf;
- add iodine solution — blue-black means starch is present; it stays orange-brown if not.
Every step has a reason, and the exam asks for the reason rather than the step.
Yếu tố hạn chế. Yếu tố hạn chế là yếu tố đang thiếu nhất — thứ đang kìm tốc độ lại. Tăng nó thì tốc độ tăng; tăng bất kỳ yếu tố nào khác thì không thay đổi gì.
Ba yếu tố hạn chế quang hợp:
- cường độ ánh sáng;
- nồng độ cacbon đioxit;
- nhiệt độ.
Trên đồ thị tốc độ theo cường độ ánh sáng, đường đi lên dốc ở đầu — lúc đó ánh sáng đang hạn chế — rồi nằm ngang. Ở đoạn nằm ngang, ánh sáng không còn là yếu tố hạn chế; thứ khác đang hạn chế, thường là $\ce{CO2}$ hoặc nhiệt độ.
Cách đọc đó chính là toàn bộ kỹ năng của phần này: đoạn dốc nghĩa là yếu tố được nêu đang hạn chế; đoạn ngang nghĩa là nó không còn hạn chế nữa.
Nhiệt độ hành xử khác hai yếu tố kia. Vượt qua mức tối ưu, tốc độ giảm xuống, vì các enzim điều khiển quang hợp bị biến tính ở nhiệt độ cao.
Ứng dụng trong sản xuất. Người trồng trong nhà kính có thể nâng cả ba: đèn cho ánh sáng, lò đốt dầu hoặc máy tạo khí cho $\ce{CO2}$, và sưởi cho nhiệt độ. Mỗi khoản chỉ đáng đầu tư chừng nào yếu tố đó còn đang hạn chế.
Chất khoáng.
- Ion nitrat — cần để tạo axit amin, và từ đó tạo protein. Thiếu thì cây còi cọc, chậm lớn, lá già ngả vàng.
- Ion magie — cần để tạo diệp lục. Thiếu thì lá vàng (bệnh vàng lá).
Chú ý sự khác nhau: thiếu magie cho lá vàng; thiếu nitrat cho cây còi. Đề thi hỏi đúng cặp triệu chứng nào đi với ion nào.
Các thí nghiệm với tinh bột — và lý do của từng bước.
Khử tinh bột trước: để cây trong tối 24–48 giờ cho nó dùng hết lượng tinh bột sẵn có. Không có bước này thì một kết quả dương tính không chứng minh được gì — tinh bột có thể đã có từ trước thí nghiệm.
Thử tinh bột trên một chiếc lá:
- đun trong nước sôi — làm chết mô và phá màng tế bào;
- đun trong etanol đặt trong nồi cách thuỷ — loại bỏ diệp lục để nhìn thấy được sự đổi màu. Etanol dễ cháy, nên phải đun cách thuỷ, tuyệt đối không đun trực tiếp trên ngọn lửa;
- nhúng vào nước nóng — làm mềm chiếc lá đang giòn;
- nhỏ dung dịch iot — xanh đen nghĩa là có tinh bột; vẫn nâu cam nghĩa là không có.
Mỗi bước đều có lý do, và đề thi hỏi lý do chứ không hỏi thao tác.
Một đồ thị cho thấy tốc độ quang hợp tăng khi cường độ ánh sáng tăng, rồi nằm ngang. Một đường thứ hai, đo ở nồng độ $\ce{CO2}$ cao hơn, nằm ngang ở mức cao hơn. (a) Nêu yếu tố hạn chế ở đoạn dốc và ở đoạn ngang. (b) Giải thích vì sao đường thứ hai nằm ngang cao hơn.
(a) Ở đoạn dốc: tăng ánh sáng làm tốc độ tăng, nên cường độ ánh sáng chính là yếu tố hạn chế.
Ở đoạn nằm ngang: tăng ánh sáng thêm nữa không làm tốc độ tăng, nên ánh sáng không còn hạn chế. Một yếu tố khác đang giữ tốc độ lại — với đường thứ nhất, đó là nồng độ $\ce{CO2}$.
(b) Đường thứ hai được đo ở nồng độ $\ce{CO2}$ cao hơn. Vì $\ce{CO2}$ chính là yếu tố đang hạn chế ở đoạn ngang, tăng nó lên làm trần tốc độ nâng lên.
Bằng chứng nằm ở chỗ hai đường trùng nhau ở đâu. Ở mức sáng thấp, hai đường gần như chồng lên nhau — vì lúc đó ánh sáng mới là thứ hạn chế, và có thêm $\ce{CO2}$ cũng không giúp gì.
Chúng chỉ tách ra ở mức sáng cao, đúng lúc ánh sáng thôi hạn chế và $\ce{CO2}$ trở thành nút thắt. Đó chính là bằng chứng cho biết yếu tố nào hạn chế ở vùng nào.
Ý cần rút ra. Một yếu tố chỉ đáng tăng chừng nào nó còn đang hạn chế. Người trồng nhà kính lắp thêm đèn khi cây đang thiếu sáng thì có lợi; lắp thêm đèn khi đường đã nằm ngang thì chỉ tốn tiền điện mà không được thêm gì.
Một học sinh muốn chứng minh diệp lục là cần thiết cho quang hợp, dùng một chiếc lá đốm (có vùng xanh và vùng trắng). Mô tả các bước và giải thích lý do của mỗi bước.
Bước 1 — để cây trong tối $24$–$48$ giờ.
Lý do: để cây dùng hết lượng tinh bột sẵn có. Không có bước này, nếu cuối thí nghiệm thấy tinh bột thì cũng không kết luận được gì — nó có thể đã ở đó từ trước.
Bước 2 — vẽ lại hình chiếc lá, đánh dấu vùng xanh và vùng trắng.
Lý do: sau khi đun, diệp lục bị loại hết và không còn phân biệt được vùng nào là vùng nào nữa.
Bước 3 — để cây ra sáng vài giờ, rồi hái lá.
Lý do: cho cây có thời gian quang hợp và tích tinh bột trở lại, nếu nó làm được.
Bước 4 — đun lá trong nước sôi.
Lý do: làm chết mô và phá màng tế bào, để etanol và iot thấm vào được.
Bước 5 — đun lá trong etanol, đặt trong nồi cách thuỷ.
Lý do: etanol hoà tan và loại bỏ diệp lục, làm lá bạc trắng để thấy được sự đổi màu của iot. Phải dùng nồi cách thuỷ vì etanol rất dễ cháy — đun trực tiếp trên ngọn lửa là nguy hiểm.
Bước 6 — nhúng lá vào nước nóng.
Lý do: etanol làm lá giòn và co lại; nước nóng làm nó mềm và trải phẳng ra.
Bước 7 — nhỏ dung dịch iot.
Kết quả: vùng xanh chuyển xanh đen — có tinh bột. Vùng trắng vẫn nâu cam — không có tinh bột.
Kết luận: chỉ những vùng có diệp lục mới tạo được tinh bột, nên diệp lục là cần thiết cho quang hợp. Chiếc lá đốm đóng vai trò đối chứng ngay trên chính nó — vùng trắng và vùng xanh chịu cùng ánh sáng, cùng $\ce{CO2}$, cùng nhiệt độ, và chỉ khác nhau ở một biến duy nhất.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Plant Nutrition: Photosynthesis gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.