鲁宾和卡门实验的拓展延伸设计与解析

——鲁宾和卡门实验的拓展延伸

20世纪30年代，美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门(M.Kamen)采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，得到了氧气全部来自于水的结论。时至今日，这一实验仍被众多命题者所引用，但由于命题时往往只局限于光合作用，一定程度上限制了对考生思维能力和其它生物知识（如呼吸、水解和蒸腾等）的综合考查。为综合检测考生对同位素标记、光合作用、呼吸作用、水解反应和蒸腾作用等生物知识的理解与运用能力，打破经典实验对师生思维的禁锢，培养学生精细审题、准确答题的能力。笔者在原有实验的基础上拓展延伸，设计创新实验题如下：

向一组生长正常的绿色植物提供H218O和CO2（设植物体内的O2和CO2优先满足植物自身的需要）。

⑴不同光照强度下，根据处理一段（较短）时间后的情况，完成下表：

光照强度

空气中能检测到

的放射性物质

对相关结论的解释

＞光补偿点

＝光补偿点

＜光补偿点

⑵除水外，植物体内可能含有18O的物质有哪些？简要说明来源。

⑶一段时间后，停止供给H218O和CO2，简要说明体内含18O的物质如何变化？

⑷当体内检测不到放射性物质后，其它条件不变的情况下，提供H2O和C18O2，完成下表。

光照强度

空气中检测到的新形成的放射性物质

对相关结论的解释

＞光补偿点

＝光补偿点

＜光补偿点

在原实验基础上的几点改进：一是将“正常光合作用”改为“有条件（不同光照强度下）的光合作用”；二是将“检测释放出的氧”改为 “空气中能检测到的放射性物质”“空气中检测到的新形成的放射性物质”；三是将“针对光合作用”改为“除光合作用外，还涉及呼吸、蒸腾及水解”；四是将“两组平行对比”改为“一组前后对比”；五是由原来“只研究氧的来源”改为“H218O和C18O2中18O的传递途径及可能传递到的物质”。

试题解答时涉及的相关知识：

①H218O在光合作用中作为原料被光解生成[H]和18O2。

②H218O在呼吸作用中作为原料参与三羧酸循环将18O传递给C18O2，C18O2参与光合作用的暗反应将18O传递给C3化合物、C5化合物、CH2O等有机物和H218O。

③植物吸收的H218O 有95%以上通过蒸腾作用散失到空气中，只有1%～5%的部分在体内参与光合作用、呼吸作用、水解反应及其它生命活动。因而，H218O将因蒸腾作用出现在周围空气中。

④光合作用中形成的18O2和呼吸作用中形成的C18O2能否释放到空气中，直接取决于光照强度。当光照强度超过补偿点光强时，光合作用强于呼吸作用，光合作用中生成的氧气多于呼吸消耗而释放出18O2，呼吸作用产生的C18O2少于光合作用中对CO2的消耗而不会排放，故周围空气中能检测到18O2，不能检测到C18O2；当光照强度等于补偿点光强时，光合作用与呼吸作用强度相同，光合作用中生成的O2和消耗的CO2与呼吸作用中消耗的O2和生成的CO2的量相等，因此，既无O2也无CO2的释放，故周围空气中既不能检测到18O2，也不能检测到C18O2；当光照强度小于补偿点光强时（极限情况为黑暗），光合作用弱于呼吸作用，光合作用中生成的18O2少于呼吸消耗表现为对O2的吸收（无释放），呼吸作用产生的C18O2多于光合作用中对C18O2的消耗，净生成并释放C18O2，故周围空气中不能检测到18O2，能够检测到C18O2。

⑤H218O还参与淀粉等多糖、脂肪、蛋白质、核酸的水解而出现在单糖、脂肪酸、氨基酸、五碳糖、磷酸基团和含氮碱基中。

⑥改用H2O和C18O2时，因C18O2在光合作用暗反应阶段可将18O传递给H218O，时间稍长可能出现类似于供给H218O和CO2时的情况，因此无论提供H2O和C18O2、还是H218O和CO2均需关注“正常”“短时间”“先出现”等关键词。

答案：⑴

光照强度

空气中能检测

到的放射性物质

对相关结论的解释

＞光补偿点

H218O和18O2

蒸腾作用释放H218O；光合作用强于呼吸作用净生成18O2而释放，净消耗C18O2无释放

＝光补偿点

H218O

蒸腾作用释放H218O；光合作用与呼吸作用对18O2 和C18O2的生成与消耗等量，故无这两种物质释放。

＜光补偿点

H218O和C18O2

蒸腾作用释放H218O；光合作用弱于呼吸作用净消耗18O2无释放，净生成并释放C18O2

⑵水光解形成18O2；呼吸作用三羧酸循环阶段形成C18O2；光合作用暗反应阶段形成C3化合物、C5化合物和CH218O等有机物；水解反应中形成的单糖（包含核酸水解形成的五碳糖）、二糖、氨基酸、脂肪酸、磷酸、含氮碱基等产物。

⑶随着蒸腾作用、呼吸作用等生命活动的持续进行，伴随体内物质的更新，将以H2O、CO2等代谢终产物的形式排出，体内的18O将不断减少，直到消失。

⑷经过较长时间后（相对于第一组而言）

光照强度

空气中检测到的新形成的放射性物质

对相关结论的解释

＞光补偿点

H218O和18O2

C18O2在暗反应中传递给H218O，蒸腾作用使空气中含H218O，H218O光解形成18O2，时间稍长，即可能释放出18O2

＝光补偿点

H218O

C18O2在暗反应中传递给H218O，蒸腾作用使空气中含H218O，H218O光解虽可形成18O2，但因光合作用与呼吸作用强度相同，无18O2释放

＜光补偿点

H218O

C18O2在暗反应中传递给H218O，蒸腾作用使空气中含H218O，H218O光解虽可形成18O2，但因光合作用弱于呼吸作用，还需要吸收O2，无18O2释放