鲁宾和卡门实验的拓展延伸

湖北恩施清江外国语学校 彭邦凤

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：

normal >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：

normal >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。

normal >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？

normal >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。

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normal >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”。

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normal >试题解答时涉及的相关知识：

normal >①H₂¹⁸O在光合作用中作为原料被光解生成[H]和¹⁸O₂。

normal >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。

normal >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。

normal >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。

normal >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。

normal >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。

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normal >答案：⑴

normal >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。

normal >⑶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。

normal >⑷经过较长时间后（相对于第一组而言）