——鲁宾和卡门实验的拓展延伸
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:
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
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。
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?
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。
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:
①H218O在光合作用中作为原料被光解生成[H]和18O2。
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。
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。
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。
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。
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。
答案:⑴
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
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。
⑶随着蒸腾作用、呼吸作用等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。
⑷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18O2
C18O2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
H218O
C18O2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
H218O
C18O2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
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