鲁宾和卡门实验的拓展改进

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史团和CO2 （设植物体内的O2和CO2优先满足植物自身的需要）。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=光补偿点光补偿点除水外，植物体内可能含有18O的物质有哪些？简要说明来源。一段时间后，停止供给事和吒，简要说明体内含团的物质如何变化?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: H/0在光合作用中作为原料被光解生成H和叫。 H2180在呼吸作用中作为原料参与三羧酸循环将180传递给C1802，C1802参与光合作用的暗反应将180传 递给化合物、C5化合物、CH20等有机物和H/0。 植物吸收的H/0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，H0将因蒸腾作用出现在周围空气中。 光合作用中形成的1802和呼吸作用中形成的C1802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M2，呼吸 作用产生的C1802少于光合作用中对C02的消耗而不会排放，故周围空气中能检测到1802，不能检测到C1802； 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02和消耗的C02与呼吸 作用中消耗的02和生成的C02的量相等，因此，既无02也无C02的释放，故周围空气中既不能检测到1802， 也不能检测到C180 ；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 2用中生成的1802少于呼吸消耗表现为对02的吸收（无释放），呼吸作用产生的C1802多于光合作用中对C1802 的消耗，净生成并释放C1802，故周围空气中不能检测到1802，能够检测到C1802。 H2180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。 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：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C18O无释放=光补偿点H18O2，2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化合物、C5化合物和CH 18O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、 2磷酸、含氮碱基等产物。随着蒸腾作用、呼吸作用、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18。将不断减少，直到消失。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正 成的放射性物质对相关结论的解释光补偿点H218O 和 18O2C18O2在暗反应中传递给H218O，蒸腾作用使空气中含H 18O，H 18O光解形成18O，时间稍长，即可能释放出18O=光补偿点H218O22 2 2C18O2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18O释放光补偿点H218O2C18O2在暗反应中传递给H218O，蒸腾作用使空气中含H/O, 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O，无18O释放22