魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)的拓展改進(jìn)

1、魯賓和卡門實(shí)驗(yàn)的拓展改進(jìn)安徽省太和縣第六中學(xué)王晨20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家魯賓（SRuben）和卡門(MKamen)采用同位素標(biāo)記法研究了“光合作用中釋放出的氧到底來自水，還是來自二氧化碳”這個(gè)問題，得到了氧氣全部來自于水的結(jié)論。時(shí)至今日，這一實(shí)驗(yàn)仍被眾多命題者所引用，但由于命題時(shí)往往只局限于光合作用，一定程度上限制了對(duì)考生思維能力和其它生物知識(shí)（如呼吸、水解和蒸騰等）的綜合考查。為綜合檢測考生對(duì)同位素標(biāo)記、光合作用、呼吸作用、水解反應(yīng)和蒸騰作用等生物知識(shí)的理解與運(yùn)用能力，打破經(jīng)典實(shí)驗(yàn)對(duì)師生思維的禁錮，培養(yǎng)學(xué)生精細(xì)審題、準(zhǔn)確答題的能力。筆者在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上拓展延伸，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題如下：向一

2、組生長正常的綠色植物提供H218O和CO2（設(shè)植物體內(nèi)的O2和CO2優(yōu)先滿足植物自身的需要）。不同光照強(qiáng)度下，根據(jù)處理一段（較短）時(shí)間后的情況，完成下表：光照強(qiáng)度空氣中能檢測到的放射性物質(zhì)對(duì)相關(guān)結(jié)論的解釋光補(bǔ)償點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)除水外，植物體內(nèi)可能含有18O的物質(zhì)有哪些？簡要說明來源。一段時(shí)間后，停止供給H218O和CO2，簡要說明體內(nèi)含18O的物質(zhì)如何變化？ 當(dāng)體內(nèi)檢測不到放射性物質(zhì)后，其它條件不變的情況下，提供H2O和C18O2，完成下表。光照強(qiáng)度空氣中檢測到的新形成的放射性物質(zhì)對(duì)相關(guān)結(jié)論的解釋光補(bǔ)償點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)光補(bǔ)償點(diǎn)在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的幾點(diǎn)改進(jìn)：一是將“正常光合作用”改為“有條件（不同光照強(qiáng)

3、度下）的光合作用”；二是將“檢測釋放出的氧”改為 “空氣中能檢測到的放射性物質(zhì)”“空氣中檢測到的新形成的放射性物質(zhì)”；三是將“針對(duì)光合作用”改為“除光合作用外，還涉及呼吸、蒸騰及水解”；四是將“兩組平行對(duì)比”改為“一組前后對(duì)比”；五是由原來“只研究氧的來源”改為“H218O和C18O2中18O的傳遞途徑及可能傳遞到的物質(zhì)”。試題解答時(shí)涉及的相關(guān)知識(shí)：H218O在光合作用中作為原料被光解生成H和18O2。H218O在呼吸作用中作為原料參與三羧酸循環(huán)將18O傳遞給C18O2，C18O2參與光合作用的暗反應(yīng)將18O傳遞給C3化合物、C5化合物、CH2O等有機(jī)物和H218O。植物吸收的H218O 有9

4、5%以上通過蒸騰作用散失到空氣中，只有1%-5%的部分在體內(nèi)參與光合作用、呼吸作用、水解反應(yīng)及其它生命活動(dòng)。因而，H218O將因蒸騰作用出現(xiàn)在周圍空氣中。光合作用中形成的18O2和呼吸作用中形成的C18O2能否釋放到空氣中，直接取決于光照強(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度超過補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)，光合作用強(qiáng)于呼吸作用，光合作用中生成的氧氣多于呼吸消耗而釋放出18O2，呼吸作用產(chǎn)生的C18O2少于光合作用中對(duì)CO2的消耗而不會(huì)排放，故周圍空氣中能檢測到18O2，不能檢測到C18O2；當(dāng)光照強(qiáng)度等于補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)，光合作用與呼吸作用強(qiáng)度相同，光合作用中生成的O2和消耗的CO2與呼吸作用中消耗的O2和生成的CO2的量相等，因此

5、，既無O2也無CO2的釋放，故周圍空氣中既不能檢測到18O2，也不能檢測到C18O2；當(dāng)光照強(qiáng)度小于補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)（極限情況為黑暗），光合作用弱于呼吸作用，光合作用中生成的18O2少于呼吸消耗表現(xiàn)為對(duì)O2的吸收（無釋放），呼吸作用產(chǎn)生的C18O2多于光合作用中對(duì)C18O2的消耗，凈生成并釋放C18O2，故周圍空氣中不能檢測到18O2，能夠檢測到C18O2。H218O還參與淀粉等多糖、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸的水解而出現(xiàn)在單糖、脂肪酸、氨基酸、五碳糖、磷酸基團(tuán)和含氮堿基中。改用H2O和C18O2時(shí)，因C18O2在光合作用暗反應(yīng)階段可將18O傳遞給H218O，時(shí)間稍長可能出現(xiàn)類似于供給H218O和CO2時(shí)

6、的情況，因此無論提供H2O和C18O2、還是H218O和CO2均需關(guān)注“正?！薄岸虝r(shí)間”“先出現(xiàn)”等關(guān)鍵詞。答案：光照強(qiáng)度空氣中能檢測到的放射性物質(zhì)對(duì)相關(guān)結(jié)論的解釋光補(bǔ)償點(diǎn)H218O和18O2蒸騰作用釋放H218O；光合作用強(qiáng)于呼吸作用凈生成18O2而釋放，凈消耗C18O2無釋放光補(bǔ)償點(diǎn)H218O蒸騰作用釋放H218O；光合作用與呼吸作用對(duì)18O2 和C18O2的生成與消耗等量，故無這兩種物質(zhì)釋放。光補(bǔ)償點(diǎn)H218O和C18O2蒸騰作用釋放H218O；光合作用弱于呼吸作用凈消耗18O2無釋放，凈生成并釋放C18O2水光解形成18O2；呼吸作用三羧酸循環(huán)階段形成C18O2；光合作用暗反應(yīng)階段形成

7、C3化合物、C5化合物和CH218O等有機(jī)物；水解反應(yīng)中形成的單糖（包含核酸水解形成的五碳糖）、二糖、氨基酸、脂肪酸、磷酸、含氮堿基等產(chǎn)物。隨著蒸騰作用、呼吸作用、生命活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，伴隨體內(nèi)物質(zhì)的更新，將以H2O、CO2等代謝終產(chǎn)物的形式排出，體內(nèi)的18O將不斷減少，直到消失。經(jīng)過較長時(shí)間后（相對(duì)于第一組而言）光照強(qiáng)度空氣中檢測到的新形成的放射性物質(zhì)對(duì)相關(guān)結(jié)論的解釋光補(bǔ)償點(diǎn)H218O和18O2C18O2在暗反應(yīng)中傳遞給H218O，蒸騰作用使空氣中含H218O，H218O光解形成18O2，時(shí)間稍長，即可能釋放出18O2光補(bǔ)償點(diǎn)H218OC18O2在暗反應(yīng)中傳遞給H218O，蒸騰作用使空氣中含H218O，H218O光解雖可形成18O2