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地球上几乎所有的生物都依赖于光合作用，光合作用是将阳光能量转化为一种叫做葡萄糖的单糖的过程。这种分子可以用作短期能量来源或构建更复杂的碳水化合物，如用于长期能量储存的淀粉。自养生物是利用光合作用捕获光能的生物。它们也被称为初级生产者，为吃它们的生物体（称为消费者）提供必要的能量。
可以进行光合作用的生物相当多样化，包括蓝细菌、一些原生生物（如藻类）以及植物。在真核细胞中，光合作用发生在称为叶绿体的细胞器中，由于其高含量的色素叶绿素而呈绿色。颜料是吸收特定波长光的分子。未被颜料吸收的光被反射为可见光，可以作为颜料的颜色观察。植物产生多种具有各种功能的色素，这些色素可以吸收不同波长的太阳光。例如，叶绿素吸收红色和蓝色波长的光，而反射对应于绿色的波长。其他一些色素，如类胡萝卜素、花青素和甜菜碱，通常以 600 到 800 nm 之间的低能量波长反射光，因此呈现黄色到红色。 在温带地区，当叶子的颜色变为红色、黄色和橙色时，秋季叶绿素的减少会揭示这些色素。
叶绿素是光合作用中使用的叶绿体中的主要色素，而其他色素有助于将光能引导到叶绿素或保护细胞免受光损伤。光合作用由两条途径组成，它们被称为光依赖性和光非依赖性反应，发生在叶绿体内的不同位置。这些细胞器包含三个膜:外膜、内膜和最内层的类囊体膜，类囊体膜在叶绿体内形成长而圆盘状的折叠。内膜和类囊体膜之间充满液体的空间称为基质。当阳光中的能量激发嵌入类囊体膜内的叶绿素色素的电子时，光依赖性反应开始。然后，这些高能电子在类囊体膜内从一个电子载体分子传递到另一个电子载体分子，统称为电子传递链。电子传递链内的每次转移都会使电子达到较低的能量状态，从而释放能量。其中一些能量被用来合成富含能量的小分子，例如三磷酸腺苷 （ATP） 和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 （NADPH）。当氢原子和氧原子分离时，叶绿素的损失电子通过水解（这意味着水分解）被替换。水解产生的氢原子将其电子提供给叶绿素，而氧分子则释放到大气中。通过水解的电子流使叶绿素色素能够通过反复激发新电子并将其传递到电子传递链来持续吸收光能。
不依赖光的反应发生在基质中。这个过程通过利用光依赖性反应产生的 ATP 和 NADPH 分子的能量间接使用光能。在此过程中，二氧化碳 （CO2） 用于构建三碳糖，然后可以转化为葡萄糖或其他生物分子。这个过程也称为碳固定或碳封存，因为碳从大气中被封存并固定到生物分子中。
光合作用过程中的碳封存是碳循环的一个重要步骤，其中 CO2 以相对恒定的速度从一个储层流向另一个储层。CO 2 流速的变化会改变 CO2 流速在储层之间的平衡。更重要的是，由于 CO2 是一种温室气体，其大气浓度的增加会导致温度升高。这些 CO2 的大部分是通过燃烧化石燃料排放的，从而以前所未有的速度将数亿年前通过光合作用封存的二氧化碳返回到大气中。因此，森林和海藻通过降低增加的 CO2 水平来冷却地球变得越来越必要1。这是在不断变化的气候中森林砍伐成为一个严重问题的众多原因之一。
就像植物利用光合作用将光能捕获到生物分子中一样，研究人员正在研究人工光合作用以创造碳中和生物燃料作为化石燃料的替代品。与太阳能电池板类似，人工光合作用方法从太阳获取能量，并将其储存为化学能，其中一些可以长时间储存，而不是直接转化为电能2。科学家们还能够使用光合细菌生产单糖和乳酸3。这种方法在制造生物分子、生物燃料，甚至可生物降解塑料方面有着广泛的应用，几乎没有有害排放物。此外，这种方法可用于从大气中去除多余的 CO2。类似的概念也应用于医学领域，其中光合细菌被用于生产生理活性物质和药物，其中一些已应用于癌症诊断和治疗4。未来的研究可能会提高生产可持续和碳中和分子的效率，同时补救大气中CO2 水平增加的影响。
你有没有想过为什么每年秋天的树叶都会从绿色变成黄色、橙色和红色的阴影？首先是什么让树叶具有鲜艳的颜色？答案在于称为叶绿体的植物细胞器，它含有吸收阳光中某些波长并反射其他波长的色素。一种特殊的色素，叶绿素，在夏季最丰富。它从阳光中吸收高能、紫色、蓝色和红色波长，并反射绿色波长，使叶子呈现绿色外观。叶子中还有其他色素，例如类胡萝卜素，它们会反射红光和黄光。到了秋天，叶子停止补充它们的色素。由于叶绿素比其他色素降解得更快，因此这些类胡萝卜素的颜色被揭开了。
色谱纸可以证明绿叶中存在不同色素，色谱纸是一种亲水性聚合物，可根据分子在特定溶剂中的溶解度分离分子。首先，将叶提取物加载到纸上。当纸张浸入有机疏水溶剂中时，由于毛细管作用，溶剂会沿着纸张移动，并在此过程中分离叶提取物中的不同色素。最疏水性的颜料被带到纸张的更远处。而亲水性颜料与纤维素结合，阻碍了它们的运动。在所有颜料按其疏水性排序后，我们可以计算保留因子或 Rf 值。Rf 值是颜料移动的距离与溶剂移动的距离之比。每种颜料都有独特的 Rf 值，我们可以通过将计算值与标准品进行比较来轻松识别颜料。光合作用是植物将二氧化碳、水和光能转化为化学能和氧气的过程，主要在植物的叶子中进行，而叶绿素在这个过程中起着关键作用。叶绿体包含数十个叶绿素分子，每个分子都执行特定的任务并以复杂的方式相互作用。最终，光能导致叶绿素分子放弃用于其他代谢过程的电子。因此，叶绿素需要持续的电子供应来补充它失去的电子。这些替换电子来自将水分子分裂成质子、电子和氧分子。在高光合作用速率下，水会更快地分裂以补充电子，并且会迅速产生氧气。
这种现象有助于我们在实验室中评估光合作用的速率，方法是简单地将叶盘悬浮在碳酸氢盐溶液中，其中碳酸氢盐是丰富的碳源。在叶盘实验开始时，通过在注射器中施加负压和真空，将气体挤出叶盘。当转移到烧杯中时，排出气体的叶盘变得更重并沉到碳酸氢盐溶液的底部。当光合作用发生时，环境中的水被分裂以补充叶绿素电子。由此产生的氧气使椎间盘更轻，导致它们随着时间的推移漂浮到表面。允许更高光合作用速率的环境具有漂浮得更快的圆盘。
在本实验中，您将首先使用色谱纸分离和鉴定菠菜叶中的色素。然后，您将通过叶盘实验评估水和碳酸氢盐溶液中的光合作用速率。
