绿色植物的生活

随着对细胞结构的理解不断加深，我们也明白了植物的特殊能力——通过光合作用制造养分，进而支持自身的生长和繁殖，也为整个地球上的其他生物提供了生存的物质基础。可是，绿色植物究竟是怎样从一粒不起眼的种子，经历层层变化，最终成长为参天大树的？

在这过程中，它们又是如何通过各类生命活动维持自身生存、参与生态系统循环的？本节课让我们把视野从看不见的微观世界扩展到整个植物体的宏观结构和功能层面，一起探索绿色植物是如何生活的。我们将详细了解种子的萌发、生长过程，探究植物如何获取、制造和分配养分，并思考植物与环境之间的相互关系，以及它们如何影响地球上的生命。

让我们带着这些问题，一起进入绿色植物神奇的生活世界，见证一粒小小种子如何延续生命、撑起一片绿色、养活万物！

---

种子的萌发

种子的结构

走进任何一个超市或农贸市场，我们都能看到各种各样的种子：黄豆、绿豆、花生、玉米、小麦等。这些看似普通的种子，却蕴含着生命的奥秘。一粒小小的种子，在适宜的条件下就能萌发，长成一株完整的植物。

让我们先来观察菜豆种子的结构。菜豆种子的外面有一层种皮，种皮起保护作用，可以防止种子内部受到机械损伤和病菌侵害。种皮上有一个小孔叫做种孔，种子吸水时主要通过种孔进入。在种皮旁边有一个突起的疤痕叫做种脐，这是种子与果实相连接的地方。

剥开种皮，里面是种子的主要部分——胚。胚是新植物体的幼体，由胚根、胚轴、胚芽和子叶四部分组成。胚根将来发育成植物的根，胚芽将来发育成植物的茎和叶，胚轴将来发育成连接根和茎的部分。子叶是种子中储存营养的结构，菜豆种子有两片肥厚的子叶，储存着大量的营养物质，供胚萌发时使用。

玉米种子的结构与菜豆种子有所不同。玉米种子剥开后，可以看到一片盾片状的结构，这是玉米的子叶，但玉米只有一片子叶。在子叶的旁边有一大块黄白色的组织，这是胚乳，胚乳中储存着丰富的营养物质。玉米种子的胚比较小，胚根、胚芽、胚轴都不如菜豆种子明显。

根据子叶的数目，种子植物可以分为两大类：双子叶植物和单子叶植物。菜豆、花生、大豆等有两片子叶的植物属于双子叶植物；玉米、小麦、水稻等只有一片子叶的植物属于单子叶植物。

种子萌发的过程和条件

春天到了，农民开始播种。但是，并不是所有播下的种子都能萌发。种子的萌发需要一定的条件。

种子萌发首先需要自身条件。种子必须是完整的、有生命力的。如果种子的胚已经死亡，或者胚受到了损伤，就无法萌发。有些种子还需要经过一段时间的休眠期才能萌发。例如，秋天收获的小麦种子，如果立即播种往往发芽率很低，需要贮藏一段时间后才能正常萌发。

除了自身条件，种子萌发还需要适宜的外界条件，主要包括充足的水分、适宜的温度和充足的空气。

水分是种子萌发的首要条件。种子在成熟时含水量很低，处于休眠状态。当种子吸收水分后，体积增大，种皮变软甚至胀破，种子内部的物质开始活化，生命活动逐渐恢复。2023年春季，河南省部分地区遭遇了罕见的春旱，土壤水分不足，导致小麦出苗率下降，这就是因为种子吸水不足，影响了萌发。

温度也是影响种子萌发的重要因素。每种植物的种子都有自己适宜的萌发温度范围。一般来说，温带植物种子的萌发温度在15-25℃之间，热带植物种子需要更高的温度。这就是为什么北方的农民要等到春天气温回升后才能播种，而南方的农民可以更早播种。黑龙江的农民通常在4月下旬到5月初播种玉米，而广东的农民3月就可以开始播种。

空气也是种子萌发不可缺少的条件。种子萌发时，胚需要进行旺盛的呼吸作用，分解有机物获得能量，这个过程需要消耗氧气。如果土壤中水分过多，排挤了空气，种子就会因为缺氧而无法萌发，甚至腐烂。这就是为什么播种后不能浇水过多，土壤不能过于板结的原因。

种子萌发的过程是这样的：首先，种子吸水膨胀，种皮变软或胀破。接着，胚根突破种皮，向下生长，形成根。然后，胚轴伸长,将胚芽和子叶推出土面。最后，胚芽发育，长出幼嫩的茎和叶，子叶或胚乳中的营养物质逐渐被消耗，幼苗开始进行光合作用，制造自己的养分。

让我们通过一个实验数据来理解温度对种子萌发的影响：

从图表中可以清楚地看到，小麦种子在20℃左右萌发率最高，达到95%。温度过低或过高都会降低萌发率。这个数据对农业生产具有重要的指导意义，农民可以根据气温选择最佳的播种时间。

---

植物的营养器官

根的结构和功能

当种子萌发后，胚根首先突破种皮向下生长，形成植物的根。根是植物固着在土壤中的器官，也是植物吸收水分和无机盐的主要器官。

植物的根系有两种基本类型：直根系和须根系。直根系有一条明显的主根，主根上生出许多侧根，像一棵倒置的树。双子叶植物如菜豆、向日葵、萝卜等都具有直根系。须根系没有明显的主根，由茎的基部生出许多粗细相近的根，形似胡须。单子叶植物如小麦、水稻、玉米等都具有须根系。

我们吃的许多蔬菜都与根有关。萝卜、胡萝卜、甘薯等都是植物储存养分的变态根，其中储存了大量的营养物质。2022年，山东省潍坊市出产的白萝卜因个大、水分足、味道甜而闻名，一个萝卜可以重达5-10斤，这些都是根部储存了大量养分的结果。

根尖是根生长最活跃的部分。从根的顶端向上，根尖可以分为四个区域：根冠、分生区、伸长区和成熟区。

根冠位于根的最顶端，由许多细胞组成，质地较硬，像一顶帽子保护着幼嫩的分生区。当根向下生长时，根冠在土壤中开路，不断磨损，但同时也在不断地产生新的细胞来补充。

分生区位于根冠的上方，这里的细胞体积小,细胞壁薄,细胞核大,具有很强的分裂能力。分生区的细胞不断分裂,产生新细胞,使根不断生长。

伸长区位于分生区的上方。分生区产生的细胞进入伸长区后,开始迅速伸长,体积增大。伸长区是根生长最快的区域,根向下生长主要依靠伸长区细胞的伸长。

成熟区位于伸长区的上方,这里的细胞已经停止伸长,开始分化成熟。成熟区的重要特征是表皮细胞向外突起,形成大量的根毛。根毛大大增加了根的表面积,提高了吸收水分和无机盐的效率。一株玉米可以有上亿条根毛,如果把所有根毛的表面积加起来,可以达到数百平方米。

植物通过根毛从土壤中吸收水分和无机盐。这个过程主要依靠渗透作用。根毛细胞中的细胞液浓度通常高于土壤溶液的浓度,因此水分从浓度低的土壤溶液进入浓度高的根毛细胞。吸收的水分沿着根、茎中的导管向上运输,最终到达叶片等器官。

无机盐主要以离子的形式被根吸收。植物生长需要多种无机盐,其中需要量较大的是含氮、磷、钾的无机盐。氮能促进枝叶繁茂,磷能促进果实饱满,钾能使茎秆粗壮。这就是农民常说的“氮长叶、磷长果、钾长茎”。

茎的结构和功能

茎是植物体连接根和叶的部分，具有支持植物体、运输物质的功能。我们吃的许多蔬菜都属于茎，如马铃薯（块茎）、莲藕（根状茎）、甘蔗（茎）等。

茎的结构和相关特征如下表所示：

茎的主要功能是运输。茎中有两类运输组织：导管和筛管。导管运输水分和无机盐，从根向上运输到叶；筛管运输有机物，主要是从叶向下运输到根、茎、果实等器官。

我们可以做一个简单的实验来观察导管的运输作用：将一株带叶的植物插在红墨水中，过几个小时后，用刀片切开茎，可以看到茎中有一些部位被染成了红色，这些被染色的部分就是导管。如果将茎纵向剖开，还可以看到红色的条纹一直延伸到叶脉中。

2021年春季，新疆地区的棉花种植遭遇了低温冻害，许多棉花苗的茎部受损，导致水分和养分运输受阻，影响了棉花的生长。这个例子说明了茎的运输功能对植物生长的重要性。

叶的结构和功能

叶是植物进行光合作用的主要器官。大多数植物的叶都是绿色的,扁平而宽大,这种形态有利于接受光照,进行光合作用。

一片完整的叶包括叶片、叶柄和托叶三部分。叶片是叶的主体,通常分为上表皮、叶肉和下表皮。叶片的上表面和下表面都有表皮,表皮细胞排列紧密,起保护作用。表皮上有许多小孔,叫做气孔,气孔是植物与外界进行气体交换的门户。

气孔由两个保卫细胞组成。保卫细胞不同于一般的表皮细胞,它含有叶绿体,能进行光合作用。保卫细胞可以通过吸水和失水来控制气孔的开闭。当保卫细胞吸水膨胀时,气孔打开；当保卫细胞失水收缩时,气孔关闭。一般情况下,白天光照充足时气孔打开,有利于气体交换和光合作用；夜晚气孔关闭或半开,减少水分散失。

叶片的内部是叶肉,叶肉细胞含有大量叶绿体,是进行光合作用的主要场所。在叶肉中分布着叶脉,叶脉中有导管和筛管,负责运输水分、无机盐和有机物。叶脉还有支撑叶片的作用。

---

绿色植物的光合作用

光合作用的发现

光合作用是生物界最重要的生理过程之一。绿色植物通过光合作用,利用光能将二氧化碳和水合成有机物,并释放氧气。可以说,地球上几乎所有生物的食物和能量,归根到底都来自光合作用。

光合作用的发现经历了漫长的过程。17世纪,比利时科学家海尔蒙特做了一个著名的实验。他在一个木桶中放入200磅干土,种了一棵柳树苗。在5年的时间里,他只给柳树浇水,从不施肥。5年后,柳树重量增加了164磅,而土壤只减少了2盎司。海尔蒙特得出结论:植物体的物质主要来自水。虽然这个结论不完全正确,但这个实验开启了光合作用研究的历史。

18世纪,英国科学家普利斯特里做了另一个重要实验。他把一只小鼠放在密闭的玻璃罩里,小鼠很快就死了。但如果在玻璃罩里同时放入小鼠和绿色植物,在有光照的条件下,小鼠却能存活。这个实验说明,植物在光下能够产生维持动物生命的物质——氧气。

后来,科学家们进一步研究发现,植物的光合作用需要光、叶绿体、二氧化碳和水,产物是有机物(主要是淀粉、葡萄糖等)和氧气。光合作用的过程可以用如下公式表示：

$$6CO₂ + 6H₂O（在光和叶绿体参与下） → C₆H₁₂O₆ + 6O₂$$

光合作用的条件和产物

要验证光合作用需要哪些条件,产生哪些物质,我们可以设计一系列实验。

验证光合作用需要光。选取一盆天竺葵,先把它放在黑暗处一昼夜,消耗掉叶片中原有的淀粉。然后用黑纸片把一片叶的一部分遮盖起来,放在阳光下照射几小时。摘下这片叶,去掉黑纸片,用酒精脱色后滴加碘液。结果发现,照光的部分变蓝色,说明有淀粉生成；遮光的部分不变色,说明没有淀粉。这个实验证明,光是光合作用的必要条件。

要验证光合作用需要二氧化碳,可以设计对照实验。取两个相同的密闭装置,都放入绿色植物,一个装置内放置氢氧化钠溶液(吸收二氧化碳),另一个不放。将两个装置都放在光下,一段时间后检测植物叶片中的淀粉。结果发现,有二氧化碳的装置中植物产生了淀粉,没有二氧化碳的装置中植物没有产生淀粉。这说明二氧化碳是光合作用的原料。

要验证光合作用产生氧气,可以用水生植物做实验。将金鱼藻等水生植物浸没在水中,给予光照,可以看到植物的茎叶上冒出气泡。收集这些气泡中的气体,用带火星的木条检验,发现木条复燃,说明气体是氧气。

中国科学家对光合作用研究做出了重要贡献。20世纪70年代,中国科学院上海植物生理研究所的科学家们在世界上首次用化学方法合成了具有全部生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素,这项成果为研究光合作用中的酶催化过程奠定了基础。2008年,中国科学家在《自然》杂志上发表论文,首次解析了光合作用超级复合物的三维结构,这是光合作用研究的重大突破。

光合作用的意义

光合作用对生物圈具有极其重要的意义：

1. 光合作用制造有机物。地球上的绿色植物每年通过光合作用制造约2000亿吨有机物,这些有机物不仅供植物自身生长发育使用,也为动物和人类提供了食物来源。我们每天吃的米饭、面条、蔬菜、水果,以及肉类、蛋类、奶类,归根到底都是光合作用的产物。

2. 光合作用转化和储存太阳能。光合作用将光能转化为化学能,储存在有机物中。煤炭、石油、天然气等化石燃料,都是古代植物通过光合作用制造的有机物,经过长期的地质作用形成的。人类目前使用的能源,除了核能和地热能,其他都直接或间接来自太阳能,而光合作用是太阳能进入生物界的主要途径。

3. 光合作用维持大气中氧气和二氧化碳的平衡。光合作用不断消耗二氧化碳,释放氧气,为需氧生物提供了必需的氧气。据估计,地球大气中的氧气,全部是光合作用产生的。同时,光合作用吸收二氧化碳,有助于减缓温室效应。

让我们用数据来理解光合作用对碳循环的贡献。

从表中可以看出,绿色植物的光合作用每年吸收的二氧化碳远大于人类活动释放的二氧化碳。但是,由于森林面积减少、化石燃料使用增加,大气中二氧化碳浓度仍在上升。这说明保护绿色植物、保护森林对维持地球生态平衡至关重要。

---

绿色植物的呼吸作用

呼吸作用的过程

光合作用制造了有机物,但这些有机物中储存的能量如何释放出来供生命活动使用呢?这就需要通过呼吸作用来实现。

呼吸作用是指细胞内的有机物在氧气的参与下被分解成二氧化碳和水,同时释放能量的过程。呼吸作用主要在细胞的线粒体中进行。呼吸作用的过程可以简单表示为:

$$有机物 + 氧气 → 二氧化碳 + 水 + 能量$$

比较光合作用和呼吸作用,可以发现它们的反应式正好相反。光合作用是合成有机物、储存能量的过程,呼吸作用是分解有机物、释放能量的过程。

我们可以通过实验来验证呼吸作用的产物。取一些萌发的种子(如绿豆、花生),放入保温瓶中,瓶口塞上带温度计的橡皮塞。过一段时间后,可以发现瓶内温度升高,这说明呼吸作用释放了能量,其中一部分以热能的形式散发出来。向瓶内倒入澄清石灰水,石灰水变浑浊,说明呼吸作用产生了二氧化碳。

呼吸作用是生物的共同特征,无论是植物还是动物,无论是单细胞生物还是多细胞生物,无论在白天还是夜晚,都要进行呼吸作用。呼吸作用释放的能量,用于维持生物的各项生命活动,如细胞分裂、物质运输、肌肉收缩等。

呼吸作用与生产生活

了解呼吸作用的原理,对农业生产和日常生活都有重要意义。

在农业生产中,要保证作物的呼吸作用正常进行。种子储存时要保持干燥,因为种子含水量高时呼吸作用旺盛,会消耗大量养分,产生大量热量,容易造成种子发热霉烂。农田要及时松土,保证土壤通气良好,使根的呼吸作用正常进行。如果土壤板结或积水,根系缺氧,呼吸作用受阻,会导致作物生长不良甚至死亡。

2020年夏季,长江流域多地遭遇洪涝灾害,许多农田被淹没。淹水时间过长的农田,作物根系长期缺氧,呼吸作用无法正常进行,导致大量作物死亡,农业损失严重。灾后,农技人员指导农民及时排水、松土,帮助作物恢复生长。

在粮食储存中,也要考虑呼吸作用。粮食储存时要降低含水量、降低温度,以减弱呼吸作用,减少有机物的消耗。现代粮仓通常采用低温储存、充氮气等方法,抑制粮食的呼吸作用,减少损失。

在蔬菜水果保鲜中,呼吸作用也是重要的考虑因素。采摘后的蔬菜水果仍然进行呼吸作用,消耗有机物,失去水分,逐渐变质。因此,蔬菜水果保鲜的关键是降低呼吸作用强度。常用的方法包括低温冷藏、气调储存(降低氧气浓度、提高二氧化碳浓度)、减少机械损伤等。

光合作用和呼吸作用的关系

光合作用和呼吸作用是植物体内两个重要的生理过程,它们相互联系、相互依存。

从物质变化来看,光合作用合成有机物,呼吸作用分解有机物,两者的反应式相反。光合作用吸收二氧化碳、释放氧气,呼吸作用吸收氧气、释放二氧化碳,两者在物质上相互补充。

从能量变化来看,光合作用将光能转化为化学能,储存在有机物中；呼吸作用将有机物中的化学能释放出来,供生命活动使用。可以说,光合作用是“储能”过程,呼吸作用是“释能”过程。

从进行时间来看,光合作用只能在有光的条件下进行,一般是白天；而呼吸作用则不需要光,白天晚上都在进行。从进行场所来看,光合作用在叶绿体中进行,只有含叶绿体的细胞才能进行；呼吸作用在线粒体中进行,活细胞都要进行。

在植物的生长过程中,光合作用和呼吸作用同时进行,但强度有所不同。白天光照充足时,光合作用强度大于呼吸作用,植物合成的有机物多于消耗的有机物,植物表现为吸收二氧化碳、释放氧气,有机物积累,植物生长。夜晚没有光照时,只进行呼吸作用,植物消耗有机物,表现为吸收氧气、释放二氧化碳。

下方是植物在一天24小时内光合作用和呼吸作用强度的变化图表：

从图中可以看出,呼吸作用全天都在进行,强度变化不大。光合作用只在有光时进行,强度随光照强度变化。中午前后光照最强,光合作用强度最大。在6-18时的白天时段,光合作用强度大于呼吸作用,植物积累有机物。

---

本节练习

第一题：下表是四种植物种子的基本信息,请根据表格内容回答问题。

（1）根据子叶数量,将这四种植物分为单子叶植物和双子叶植物。

（2）为什么这四种植物的种子萌发都不需要光照?

（3）东北地区春季气温回升慢,在这四种植物中,应该最晚播种哪种植物?为什么?

（4）种子萌发时,营养物质的作用是什么?

第二题：某同学为了探究根的哪一部分生长最快,做了如下实验：在一根幼根上用墨汁标记了等距的四条横线,将植物培养几天后再观察,结果如下图所示。（假设四条线从上到下编号为①②③④）

实验前：①②③④四条线之间的距离相等,每段长度为2毫米。

实验后：①②之间距离为2毫米,②③之间距离为15毫米,③④之间距离为5毫米,④下方仍有新增长的部分。

（1）根的哪一部分生长最快?

（2）这个部分对应根尖的哪个区?

（3）④下方新增长的部分说明了什么?

（4）这个实验采用了什么研究方法?

第三题：下图是植物叶片的横切面结构示意图（假设A是上表皮,B是栅栏组织,C是海绵组织,D是下表皮,E是气孔,F是叶脉）。请根据图示回答问题。

（1）光合作用主要在哪些结构中进行?为什么?

（2）气孔E有什么功能?气孔的开闭受什么细胞控制?

（3）叶脉F有哪些功能?

（4）为什么叶片是扁平的而不是球形的?

第四题：某研究小组为了探究光照强度对植物光合作用的影响,测定了某植物在不同光照强度下的CO₂吸收速率（正值表示吸收CO₂,负值表示释放CO₂）,结果如下表：

（1）当光照强度为0时,CO₂吸收速率为-2,这说明什么?

（2）当光照强度为1千勒克斯时,CO₂吸收速率为0,这说明什么?

（3）当光照强度达到多少时,光合作用强度不再增加?原因可能是什么?

（4）如果要提高该植物的产量,除了增加光照强度,还可以采取哪些措施?