一道創(chuàng)新題的設(shè)計(jì)與解析

彭邦鳳　陳益忠

20世紀(jì)30年代，美國科學(xué)家魯賓和卡門采用同位素標(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(gè)問題，得到了氧氣全部來自于水的結(jié)論。時(shí)至今日，這一實(shí)驗(yàn)仍被眾多命題者所引用，但由于命題時(shí)往往只局限于光合作用，一定程度上限制了對(duì)考生思維能力和其他生物知識(shí)（如呼吸、水解和蒸騰等）的綜合考查。為綜合檢測考生對(duì)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(shí)的理解與掌握情況，打破經(jīng)典實(shí)驗(yàn)對(duì)師生思維的禁錮，培養(yǎng)學(xué)生精細(xì)審題、準(zhǔn)確答題的能力。筆者在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上拓展延伸，設(shè)計(jì)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)題如下。

向一組生長正常的綠色植物提供H₂¹⁸O和CO₂（設(shè)植物體內(nèi)的O₂和CO₂優(yōu)先滿足植物自身的需要）。

（1） 不同光照強(qiáng)度下，根據(jù)處理一段（較短）時(shí)間后的情況，完成表1。

（2） 除水外，植物體內(nèi)可能含有¹⁸O的物質(zhì)有哪些？簡要說明來源。

（3） 一段時(shí)間后，停止供給H₂¹⁸O和CO₂，簡要說明體內(nèi)含18O的物質(zhì)如何變化？

（4） 當(dāng)體內(nèi)檢測不到放射性物質(zhì)后，其他條件不變的情況下，提供H₂O和C¹⁸O₂，完成表2。

在原實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的幾點(diǎn)改進(jìn)：一是將“正常光合作用”改為“有條件（不同光照強(qiáng)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(duì)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(duì)比”改為“一組前后對(duì)比”；五是由原來“只研究氧的來源”改為“H₂¹⁸O和C¹⁸O₂中¹⁸O的傳遞途徑及可能傳遞到的物質(zhì)”。

試題解答時(shí)涉及的相關(guān)知識(shí)：

① H₂¹⁸O在光合作用中作為原料被光解生成[H]和¹⁸O₂。

② H₂¹⁸O在呼吸作用中作為原料參與三羧酸循環(huán)將¹⁸O傳遞給C¹⁸O₂，C¹⁸O₂參與光合作用的暗反應(yīng)將¹⁸O傳遞給C₃化合物、C₅化合物、CH₂O等有機(jī)物和H₃¹⁸O。

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(nèi)參與光合作用、呼吸作用、水解反應(yīng)及其他生命活動(dòng)。因而，H₂¹⁸O將因蒸騰作用出現(xiàn)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(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度超過補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)，光合作用強(qiáng)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(chǎn)生的C¹⁸O₂少于光合作用中對(duì)CO₂的消耗而不會(huì)排放，故周圍空氣中能檢測到¹⁸O₂，不能檢測到C¹⁸O₂；當(dāng)光照強(qiáng)度等于補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)，光合作用與呼吸作用強(qiáng)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(dāng)光照強(qiáng)度小于補(bǔ)償點(diǎn)光強(qiáng)時(shí)（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(xiàn)為對(duì)O₂的吸收（無釋放），呼吸作用產(chǎn)生的C¹⁸O₂多于光合作用中對(duì)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。

⑤ H₂¹⁸O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、磷酸基團(tuán)和含氮堿基中。

⑥ 改用H₂O和C¹⁸O₂時(shí)，因C¹⁸O₂在光合作用暗反應(yīng)階段可將¹⁸O傳遞給H₂¹⁸O，時(shí)間稍長可能出現(xiàn)類似于供給H2¹⁸O和CO₂時(shí)的情況，因此無論提供H₂O和C¹⁸O₂、還是H₂¹⁸O和CO₂均需關(guān)注“正?！薄ⅰ岸虝r(shí)間”、“先出現(xiàn)”等關(guān)鍵詞。

參考答案：（1）

（2） 水光解形成¹⁸O₂；呼吸作用三羧酸循環(huán)階段形成C¹⁸O₂；光合作用暗反應(yīng)階段形成C₃化合物、C₅化合物和CH₂18O等有機(jī)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、磷酸、含氮堿基等產(chǎn)物。

（3） 隨著蒸騰作用、呼吸作用等生命活動(dòng)的持續(xù)進(jìn)行，伴隨體內(nèi)物質(zhì)的更新，將以H₂O、CO₂等代謝終產(chǎn)物的形式排出，體內(nèi)的18O將不斷減少，直到消失。

（4） 經(jīng)過較長時(shí)間后（相對(duì)于第一組而言）