魯賓和卡門實驗的拓展改進

20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）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”這個問題，得到了氧氣全部來自于水的結(jié)論。時至今日這一實驗仍被眾多命題者所引用，但由于命題時往往只局限于光合作用，一定程度上限制了對考生思維能力和其它生物知識（如呼吸、水解和蒸騰等）的綜合考查。為綜合檢測考生對同位素標(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的理解與運用能力，打破經(jīng)典實驗對師生思維的禁錮，培養(yǎng)學(xué)生精細審題、準(zhǔn)確答題的能力。筆者在原有實驗的基礎(chǔ)上拓展延伸，設(shè)計創(chuàng)新實驗題如下：向一組生長正常的綠色植物提供Hi8O和CO（設(shè)植物體內(nèi)的0和CO優(yōu)先滿足植物自身的需要）。2222⑴不同光照強度下，根據(jù)處理一段（較短）時間后的情況，完成下表:光照強度空氣中能檢測到的放射性物質(zhì)對相關(guān)結(jié)論的解釋＞光補償點=光補償點＜光補償點⑵除水外，植物體內(nèi)可能含有180的物質(zhì)有哪些？簡要說明來源。⑶一段時間后，停止供給厲町和％簡要說明體內(nèi)含18。的物質(zhì)如何變化?⑷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H0和Ci80，完成下表。22光照強度空氣中檢測到的新形成的放射性物質(zhì)對相關(guān)結(jié)論的解釋＞光補償點=光補償點＜光補償點在原實驗基礎(chǔ)上的幾點改進：一是將“正常光合作用”改為“有條件（不同光照強度下）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“兩組平行對比”改為“一組前后對比”；五是由原來“只研究氧的來源”改為“180和C18O中180的傳遞途徑及可能傳遞到的22物質(zhì)”。試題解答時涉及的相關(guān)知識：呼0在光合作用中作為原料被光解生成［H］和叫。H180在呼吸作用中作為原料參與三羧酸循環(huán)將180傳遞給C180，C180參與光合作用的暗反應(yīng)將180傳222遞給C化合物、C化合物、CH0等有機物和H180。3522植物吸收的H180有95%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、2呼吸作用、水解反應(yīng)及其它生命活動。因而，H180將因蒸騰作用出現(xiàn)在周圍空氣中。2光合作用中形成的180和呼吸作用中形成的C180能否釋放到空氣中，直接取決于光照強度。當(dāng)光照22強度超過補償點光強時，光合作用強于呼吸作用，光合作用中生成的氧氣多于呼吸消耗而釋放出180，呼吸2作用產(chǎn)生的C180少于光合作用中對C0的消耗而不會排放，故周圍空氣中能檢測到180，不能檢測到C180；2222當(dāng)光照強度等于補償點光強時，光合作用與呼吸作用強度相同，光合作用中生成的0和消耗的C0與呼吸22作用中消耗的0和生成的C0的量相等，因此，既無0也無C0的釋放，故周圍空氣中既不能檢測到180，22222也不能檢測到C180；當(dāng)光照強度小于補償點光強時（極限情況為黑暗），光合作用弱于呼吸作用，光合作2用中生成的180少于呼吸消耗表現(xiàn)為對0的吸收（無釋放），呼吸作用產(chǎn)生的C180多于光合作用中對C1802222的消耗，凈生成并釋放C180，故周圍空氣中不能檢測到180，能夠檢測到C180。222H180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2酸基團和含氮堿基中。

改用HO和Ci8O時，因Ci8O在光合作用暗反應(yīng)階段可將180傳遞給H180，時間稍長可能出現(xiàn)類似于2222供給H180和C0時的情況，因此無論提供H0和C180、還是H180和C0均需關(guān)注“正?！薄岸虝r間”“先出222222現(xiàn)”等關(guān)鍵詞。答案：⑴光照強度空氣中能檢測到的放射性物質(zhì)對相關(guān)結(jié)論的解釋＞光補償點H180和18022蒸騰作用釋放H180；光合作用強于呼吸作用凈生成18022而釋放，凈消耗C180無釋放=光補償點H18022蒸騰作用釋放H180；光合作用與呼吸作用對180和C180222的生成與消耗等量，故無這兩種物質(zhì)釋放。＜光補償點H180和C18022蒸騰作用釋放H180；光合作用弱于呼吸作用凈消耗18022無釋放，凈生成并釋放C1802⑵水光解形成180；呼吸作用三羧酸循環(huán)階段形成C180；光合作用暗反應(yīng)階段形成C化合物、C化合2235物和CH180等有機物；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、2磷酸、含氮堿基等產(chǎn)物。⑶隨著蒸騰作用、呼吸作用、…生命活動的持續(xù)進行，伴隨體內(nèi)物質(zhì)的更新，將以HO、C0等代謝終22產(chǎn)物的形式排出，體內(nèi)的180將不斷減少，直到消失。⑷經(jīng)過較長時間后（相對于第一組而言）光照強度空氣中檢測到的新形成的放射性物質(zhì)對相關(guān)結(jié)論的解釋＞光補償點H180和18022C180在暗反應(yīng)中傳遞給H180，蒸騰作用使空氣中含22H180，H180光解形成180，時間稍長，即可能釋放出180=光補償點H18022222C180在暗反應(yīng)中傳遞給H180，蒸騰作用使空氣中含22H180，H180光解雖可形成180，但因光合