一道創新題的設計與解析

彭邦鳳　陳益忠

20世紀30年代，美國科學家魯賓和卡門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他生物知識（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掌握情況，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）。

（1） 不同光照強度下，根據處理一段（較短）時間后的情況，完成表1。

（2） 除水外，植物體內可能含有¹⁸O的物質有哪些？簡要說明來源。

（3） 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？

（4） 當體內檢測不到放射性物質后，其他條件不變的情況下，提供H₂O和C¹⁸O₂，完成表2。

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“只研究氧的來源”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：

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%的部分在體內參與光合作用、呼吸作用、水解反應及其他生命活動。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。

⑤ H₂¹⁸O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“正常”、“短時間”、“先出現”等關鍵詞。

參考答案：（1）

（2） 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。

（3） 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。

（4） 經過較長時間后（相對于第一組而言）