科学名人 深度解析 鲁宾和卡门的实验

2.1事实和证据

鲁宾和卡门的实验是光反应研究中的重要实验。他们的实验表明，光合作用释放的氧气中的所有氧气都来自水。

鲁宾和卡门在他们的实验中使用同位素标记。自然界中氧的三种同位素是16O、17O和18O，它们的丰度分别为99.76%、0.041%和0.20%。鲁宾和卡门制备了18O含量为0.85%的H2O，K2CO3和K2CO 3(用于光合作用的CO2)。实验组和结果如下表所示:

实验结果表明，光合作用释放的氧中18O的含量与水中18O的含量一致，表明光合作用释放的氧中的氧完全来自水。

2.2误解和问题

对鲁宾和卡门的实验的第一个误解来自我自己:为什么在希尔的反应之后，鲁宾和卡门的实验仍然重要？我读过一些生物教科书，包括美国和英国的，还有国内的。基本上，专业教科书在介绍光合作用时介绍了希尔反应，然后鲁宾的实验是按时间顺序描述的。当我们弄清楚希尔反应描述了水的光解和氧气的生成时，鲁宾的实验似乎只验证了希尔反应。如果我们这样理解它，我们会忽略时间的背景。

格林和沃斯库勒在1935年提出了这一观点(比希尔反应更早提出):光合作用释放的氧气中的氧气来自二氧化碳和水。他们提出这一观点的依据是空气中的氧含量明显高于海水中的氧含量。如果光合作用释放的氧中的氧完全来自水，考虑到大气中的氧基本上来自光合作用，这意味着氧中氧18的含量应该与海水的含量一致。然而，氧气中氧18的含量高于海水中氧18的含量并接近二氧化碳中氧18的含量的事实强烈表明，通过光合作用释放的氧气中的氧不能来自/不能仅来自原水。因此，在化学家看来，希尔反应的描述不符合观察到的客观事实。

1941年，鲁宾和卡门用氧气做了实验。结果表明，光合作用释放的氧中的氧完全来自水。这个实验的结果对化学家鲁宾来说无疑是令人震惊的，因为这意味着大气中的氧含量高于水中的氧含量是由一些未知因素造成的。

第二个误解是，一些教科书，包括著名的坎贝尔的《普通生物学》第11版，认为鲁宾和卡门的实验表明二氧化碳中的氧会在光合作用过程中转移到产物H2O。他们还通过平衡光合作用的反应方程式来分析氧原子的命运。这种方法似乎体现了学科之间的联系，通过原子守恒来发展学生的科学思维，但实际上并不正确。

在这里，我们首先承认H218O+CO2-H2O+C18O2确实存在，也就是说，水和二氧化碳可以交换氧同位素，但这种交换不是由光合作用引起的。1944年，多尔·M和其他人重复了鲁宾和卡门的实验。他们计算了氧同位素的交换值(在植物存在的情况下)，最终相信鲁宾和卡门的实验结果是可靠的。同年，卡门等人(鲁宾死于此时，年仅30岁)指出，1941年的工作是在缓冲溶液中进行的，缓冲溶液的酸碱度为10。当酸碱度下降时，氧同位素的交换就会频繁。然而，当反应在碱性条件下进行时，氧同位素交换对实验结果的影响可以忽略。

为了证明二氧化碳中的氧在光合作用过程中不会转移到H2O，我们使用了还原法。以第一组实验为例，在反应开始时，CO2中的18O含量(0.20%)较低，H2O的18O含量(0.85%)较高。假设二氧化碳中的氧(0.20%)将转移到产品H2O(0.85%)，H2O的18O含量将持续下降。第一组实验进行了350分钟，持续了近6个小时。H2O 18O含量保持不变(0.85%)，与H2O 18O含量持续下降的预期结果不一致。因此，“二氧化碳中的氧将在光合作用过程中转移到产物H2O”的假设没有得到实验结果的支持(生化证据也不支持二氧化碳中的氧将在暗反应过程中转移到产物H2O，这里将不详细描述)。

在此，对实验结果表明CO2中18O的含量随着实验的进行而不断变化的原因进行了简要的解释。仍以第一组实验为例，H2O参与细胞呼吸产生CO2，因此H2O的18O(0.85%)将转化为CO2(0.20%)，导致CO2中18O含量增加。

鲁宾和卡门的实验是在当时的时代背景下理解的。已经观察到自然界水中的氧和氧18的含量存在差异。这些事实并不支持希尔反应所描述的情况。鲁宾和卡门的同位素标记实验支持了希尔的反应，从而结束了关于希尔反应的争论。与此同时，鲁宾和卡门的实验提出了新的问题。如果教师能熟悉这些时代背景，就能让学生更深刻地理解光合作用发现过程中的重要事件及其相互关系，这对学生科学思维的发展具有重要意义。

鲁宾和卡门的原始实验对学生来说太长了，简化的处理对学生来说更容易接受。然而，我们反对改写任意歪曲的实验结果和结论，因为这不尊重科学事实和证据，不符合发展科学思维的基本要求。文章转载自微信公众号，仅供教学使用！