对鲁宾、卡门实验的再思考

1、对鲁宾、卡门实验的再思考湖北恩施清江外国语学校 445000 彭邦凤湖北省巴东县第二高级中学 444324 陈益忠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。为促进学生对同位素标记、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，打破经典实验对师生思维的禁锢，培养学生的综合运用能力。笔者对实验

2、中的相关知识分析如下：1 给绿色植物提供光合作用原料H218O和CO2由于植物蒸腾作用的进行，周围空气中肯定有H218O出现；在光合作用中，H218O光解时必然会有18O2生成；在呼吸作用的三羧酸循环阶段有C18O2生成，反应式：2CH3COCOOH+6H218O+8NAD+2FAD+2ADP+2Pi6C18O2+8NADH2+2FADH2+ATP。但空气中能否检测到18O2及C18O2与光照强度有着直接关系，分析如下：当光照强度大于光补偿点时，光合作用同化量大于呼吸作用分解量，C18O2没有排出即被利用，周围空气中只能检测到18O2、H218O。当光照强度等于光补偿点时，光合作用同化量等于呼

3、吸作用分解量，光合作用中消耗的C18O2和生成的18O2与呼吸作用中产生的C18O2和消耗的18O2的量正好相等，既没有C18O2释放，也没有18O2释放，因此空气中只能检测到H218O。当光照强度小于光补偿点时，光合作用同化量小于呼吸作用消耗量， 18O2为净消耗（无释放）， C18O2为净生成（有释放）。因此，周围空气中能检测到H218O和C18O2。基于上述分析，设计实验如下：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），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

4、点光补偿点光补偿点2 给绿色植物提供光合作用原料H2O和C18O2在光合作用的暗反应阶段可发生反应：C18O2+3ATP+2NADPH+2H+（CH2O）+3ADP+3Pi+2NADP+H218O，由反应式可知，有H218O生成。生成的H218O可通过蒸腾作用散失，也可通过光解生成18O2，因此，提供H2O和C18O2时，除空气中本身含有的C18O2外，也有可能出现H218O和18O2。是否出现取决于时间长短及光照强弱，分析如下：当光照强度大于光补偿点时，因光合作用强，形成的18O2大于呼吸消耗，随时间推移，空气中可能检测到C18O2（本身）、H218O（新形成）和18O2（新形成）。当光照强

5、度等于光补偿点时，由于光合作用形成的18O2等于呼吸消耗，无18O2释放，空气中只能检测到C18O2（本身）和H218O（新形成）。当光照强度小于光补偿点时，由于光合作用形成的18O2少于呼吸消耗，无18O2释放，空气中能检测到的放射性物质有C18O2（本身）和H218O（新形成）。结合上述分析，设计如下实验：在前述实验的基础上，一段时间后，停止供给H218O和CO2，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3 对所设计实验的几点说明31 对鲁宾、卡门实验的几点改进一是将

6、“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“只研究氧的来源”改为“H218O和C18O2中18O可能传递到的物质”。32 操作过程中，考虑到光呼吸可能给实验造成的影响，所用植物应宜选用光合作用较强而光呼吸作用较弱的C4植物，如玉米。33 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、C

7、5化合物、CH218O等有机物和H218O。34 H218O还可参与淀粉等多糖、脂肪、蛋白质、核酸的水解出现在单糖、脂肪酸、氨基酸、五碳糖、磷酸基团和含氮碱基中。35 提供H218O和CO2时可能得到的结论与解释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

8、成并释放C18O2 36 提供H2O和C18O2时可能得到的结论与解释光照强度空气中能检测到的新形成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，但因光合作用与呼吸作用强度相同，无18O2释放光补偿点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，但因光合作用弱于呼吸作用，还需要吸收O2，无18O2释放37