如何正确地利用光源来提高光合作用效率

在人教版高中生物教科书必修一第五章第4节《能量之源——光与光合作用》一开始的问题探讨提出这样一个问题来引入新课：有些蔬菜大棚内悬挂发红色或蓝色光的灯管，并且在白天也开灯（如右上图）。这种做法有什么好处？不同颜色的光对植物的光合作用有什么影响？为什么不用发绿色光的灯管？通过叶绿体中的色素的吸收光谱就可以找到问题的答案。从下图的吸收光谱可以看出，在红光区和蓝紫光区有两个高峰而绿光区吸收较低，所以对植物应该选用吸收高的红光和蓝紫光而避免使用吸收差的绿光。白天开灯的原因是通过增强光照强度提高光合作用的效率。教材根据这一知识在“与社会的联系”一览中提出了“温室、大棚应该选用什么颜色的玻璃、塑料薄膜或补充光源”的问题。按照教材的提问意图，答案显而易见就是选用红色或蓝紫色的玻璃、塑料薄膜或补充光源，使植物的光合作用效率更高。

我所在的学校是一所美术特色学校，在一次听美术课时，当教师讲到美术中的调色关系后引起了我的关注，仔细学习了一些相关知识同时请教了部分专业人士，我发现上述教材中关于这一段的描述似乎有些不妥。如果我们对光的本质进行仔细地研究，我们就会得出与上面的结论不同的答案。光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，

一般人的眼睛所能接受的光的波长在400~700毫米之间。人们看到的光来自于太阳或借助于产生光的设备，包括白炽灯泡、荧光灯管、激光器、萤火虫等。白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等各种色光组成的，叫做复色光。红、橙、黄、绿等色光叫做单色光。复色光分解为单色光的现象叫光的色散．牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散,把白光分解为彩色光带。太阳光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色组成的，光线中包含不同频率的光，则为复合光。太阳光、白炽灯光和荧光灯光等都是复合光，而单色光是指单一频率(或波长)的光，不能产生色散，激光和发光二极管（LED）可以产生单色光。

颜色的产生有两种情况，一就是物体本身能发出光，如太阳、白炽灯、荧光灯、激光发射器、LED灯等，能发射出红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色的就是白光即复色光，能发射出其中一种的就是单色光，我们使用的CRT显示器就是使用这种原理。另一种情况就是不透明的物体，它的颜色是由其反射的色光决定的，比如红颜色的衣服是因为衣服只反射红光，其他色光都被吸收了，如果物体把所有的单色光都反射出去，物体就呈现出白色，如果都不反射出去呈现黑色。了解了这些知识，不用绿色光源的问题就解决了，叶绿体之所以是绿色的，因为它吸收其他单色光而只把绿光反射出来，所以它对绿光吸收最少。

但是上述教材中开始的问题探讨就存在一定的错误。我们仔细观察图片的红色日光灯发现，其是在普通的日光灯外加了一层红色的塑料或玻璃来获得红光，这就是一个明显的错误。有色玻璃有什么作用呢？大多数有色玻璃又名吸热玻璃，能够吸收太阳可见光，减弱太阳光的强度，玻璃在吸收太阳光线的同时自身温度提高，容易产生热胀裂，这就是所谓的吸收式滤光镜。当然还有一种有色玻璃是在镜片表面镀上一层折射率比镜片本身折射率高的材料膜层，就会增大光线的反射，减少光线的透过光强，这就是反射式滤光镜。所以有色玻璃的作用是只让一种频率的光通过，而其他频率的光或被吸收或被反射不能通过。例如红色玻璃的作用是只让红光通过而其他颜色的光不能通过。使用红玻璃可以把复色光过滤为单色光，如果使用上述教材中所展示的产生红色光源的设备等于就是把普通的日光灯或白炽灯产生的复色光中的其他单色光都过滤了，只有红光可以照射到植物。当然红光对于光合作用相对来说效率较高，但是其他单色光或多或少也可以被叶绿体中的色素吸收并用于光合作用，对同一光源而言“红光+其他单色光>红光”这个道理是显而易见的，所以使用红色玻璃或薄膜来获得红色光的做法不仅没有提高光合作用的效率，过滤了其他单色光，减少了其他单色光对光合作用的贡献，反而降低了光合作用的效率。

那么不用在外部有红色玻璃或薄膜的灯而直接使用红色的白炽灯或红色日光灯是否可行呢？答案也是否定的，红色的白炽灯的原理就是使用红色玻璃作为灯泡外壳，早期还有用红色油漆涂抹普通白炽灯来获得红色光源，红色日光灯的原理是在灯管内壁的荧光粉中加入红色染料，两者都是使用吸光玻璃的原理过滤其他单色光，对于植物光合作用反而不如普通白炽灯和普通日光灯的效果好。

现在只剩下两类光源那就是激光和LED光源，这两类光都可以发出单色光，但是激光光束的发散度极小，大约只有0.001弧度，接近平行。1962年，人类第一次使用激光照射月球，地球离月球的距离约38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里。若以聚光效果很好，看似平行的探照灯光柱射向月球，其光斑直径将覆盖整个月球，所以激光无法像普通光源一样向四面八方发光。同时激光和LED光源的成本很高，一个3W的LED灯价格接近90元，从实际情况和成本角度考虑，一般温室和大棚等都不应该使用上述两类光源。

综上所述，正确的做法应该是，在温室和大棚中使用的光源是普通的白炽灯和普通日光灯，让其发出的各种单色光都可以对植物的光合作用做出应有的贡献，温室、大棚应该选用透明的玻璃、塑料薄膜，让尽可能多的各类单色光都能通过，这样做既可以降低成本（红色的白炽灯或红色日光灯的价格都比相同功率的普通白炽灯或日光灯贵），又可以提高光合作用的效率。

同时我认为对教材进行一定的修改，或许把教材100页，恩格尔曼的第二个实验即好氧细菌多集中在红光区域和蓝光区域作为问题探讨能更好地引入《能量之源——光与光合作用》。首先介绍恩格尔曼的第二个实验的实验过程、具体做法和光的色散的知识，然后提出为什么好氧细菌会在红光区域和蓝光区域聚集这个问题，从而引出叶绿体中的色素以及叶绿体中的色素的吸收光谱。这样一来更能吸引学生的注意力，激发学生的学习兴趣，二来从实验现象得出理论的过程更加符合科学探索的基本规律。

(责任编辑 廖银燕）