鲁宾和卡门实验的拓展改进

1、鲁宾和卡门实验的拓展改进安徽省太和县第六中学王晨20世纪30年代，美国科学家鲁宾（SRuben）和卡门(MKamen)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

2、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）。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H218O和CO2，简要说明体内含18O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

3、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：H218O在光合作用中作为原料被光解生成H和18O2。H218O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。植物吸收的H218O 有9

4、5%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。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

5、，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。H218O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

6、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

7、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。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18O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形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H218O，H218O光解形成18O2，时间稍长，即可能释放出18O2光补偿点H218OC18O2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