20世紀30年代，美國科學家魯賓（S.Ruben）和卡門(.Kaen)采用同位素標記法研究了“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記、光合作用、呼吸作用、水解反應和蒸騰作用等生物知識的理解與運用能力，打破經典實驗對師生思維的禁錮，培養學生精細審題、準確答題的能力。筆者在原有實驗的基礎上拓展延伸，設計創新實驗題如下：

 

向一組生長正常的綠色植物提供H218O和CO2（設植物體內的O2和CO2優先滿足植物自身的需要）。

⑴不同光照強度下，根據處理一段（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

對相關結論的解釋

＞光補償點

 

 

＝光補償點

 

 

＜光補償點

 

 

⑵除水外，植物體內可能含有18O的物質有哪些？簡要說明。

⑶一段時間后，停止供給H218O和CO2，簡要說明體內含18O的物質如何變化？

⑷當體內檢測不到放射性物質后，其它條件不變的情況下，提供H2O和C18O2，完成下表。

光照強度

空氣中檢測到的新形成的放射性物質

對相關結論的解釋

＞光補償點

 

 

＝光補償點

 

 

＜光補償點

 

 

在原實驗基礎上的幾點改進：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”“空氣中檢測到的新形成的放射性物質”；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”改為“H218O和C18O2中18O的傳遞途徑及可能傳遞到的物質”。

試題解答時涉及的相關知識：

①H218O在光合作用中作為原料被光解生成[H]和18O2。

②H218O在呼吸作用中作為原料參與三羧酸循環將18O傳遞給C18O2，C18O2參與光合作用的暗反應將18O傳遞給C3化合物、C5化合物、CH2O等有機物和H218O。

③植物吸收的H218O 有95%以上通過蒸騰作用散失到空氣中，只有1%～5%的部分在體內參與光合作用、呼吸作用、水解反應及其它生命活動。因而，H218O將因蒸騰作用出現在周圍空氣中。

④光合作用中形成的18O2和呼吸作用中形成的C18O2能否釋放到空氣中，直接取決于光照強度。當光照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18O2，呼吸作用產生的C18O2少于光合作用中對CO2的消耗而不會排放，故周圍空氣中能檢測到18O2，不能檢測到C18O2；當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O2和消耗的CO2與呼吸作用中消耗的O2和生成的CO2的量相等，因此，既無O2也無CO2的釋放，故周圍空氣中既不能檢測到18O2，也不能檢測到C18O2；當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，光合作用中生成的18O2少于呼吸消耗表現為對O2的吸收（無釋放），呼吸作用產生的C18O2多于光合作用中對C18O2的消耗，凈生成并釋放C18O2，故周圍空氣中不能檢測到18O2，能夠檢測到C18O2。

⑤H218O還參與淀粉等多糖、脂肪、蛋白質、核酸的水解而出現在單糖、脂肪酸、氨基酸、五碳糖、磷酸基團和含氮堿基中。

⑥改用H2O和C18O2時，因C18O2在光合作用暗反應階段可將18O傳遞給H218O，時間稍長可能出現類似于供給H218O和CO2時的情況，因此無論提供H2O和C18O2、還是H218O和CO2均需關注“正�！薄岸虝r間”“先出現”等關鍵詞。

答案：⑴

光照強度

空氣中能檢測

到的放射性物質

對相關結論的解釋

＞光補償點

H218O和18O2

蒸騰作用釋放H218O；光合作用強于呼吸作用凈生成18O2而釋放，凈消耗C18O2無釋放

＝光補償點

H218O

蒸騰作用釋放H218O；光合作用與呼吸作用對18O2 和C18O2的生成與消耗等量，故無這兩種物質釋放。

＜光補償點

H218O和C18O2

蒸騰作用釋放H218O；光合作用弱于呼吸作用凈消耗18O2無釋放，凈生成并釋放C18O2

⑵水光解形成18O2；呼吸作用三羧酸循環階段形成C18O2；光合作用暗反應階段形成C3化合物、C5化合物和CH218O等有機物；水解反應中形成的單糖（包含核酸水解形成的五碳糖）、二糖、氨基酸、脂肪酸、磷酸、含氮堿基等產物。

⑶隨著蒸騰作用、呼吸作用等生命活動的持續進行，伴隨體內物質的更新，將以H2O、CO2等代謝終產物的形式排出，體內的18O將不斷減少，直到消失。

⑷經過較長時間后（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

對相關結論的解釋

＞光補償點

H218O和18O2

C18O2在暗反應中傳遞給H218O，蒸騰作用使空氣中含H218O，H218O光解形成18O2，時間稍長，即可能釋放出18O2

＝光補償點

H218O

C18O2在暗反應中傳遞給H218O，蒸騰作用使空氣中含H218O，H218O光解雖可形成18O2，但因光合作用與呼吸作用強度相同，無18O2釋放

＜光補償點

H218O

C18O2在暗反應中傳遞給H218O，蒸騰作用使空氣中含H218O，H218O光解雖可形成18O2，但因光合作用弱于呼吸作用，還需要吸收O2，無18O2釋放

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