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用科学史发展科学思维的一点看法——S. Ruben & M. Kamen的实验     

用科学史发展科学思维的一点看法

——S. Ruben & M. Kamen的实验

来源:“小狗啃骨头生物”公众号

 

高中生物学教学中,广大教育工作者已普遍接受这样的事实:科学史资料具有丰富的科学思维、科学方法、科学世界观、科学精神和科学态度等内容。

实际教学过程中有一种倾向,打着依托科学史发展学生科学思维的口号,却置科学思维应尊重事实和证据于不顾。下面以几个广泛使用的科学史资料谈一下其中存在的罔顾事实和证据的现象。

2.1事实与证据

鲁宾和卡门的实验是光反应研究的重要实验,他们的实验表明:光合作用释放的氧气中的氧全部来自于水。

鲁宾和卡门的实验采用了同位素标记法。自然界中氧的三种同位素分别是16O17O18O,其丰度分别为99.76%0.041%0.20%。鲁宾和卡门制备了18O含量为0.85%H2O以及KHCO3K2CO3(为光合作用提供CO2),实验分组及实验结果见下表:

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实验结果显示光合作用释放的氧气中18O的含量和水中18O的含量一致,这表明光合作用释放的氧气中的氧完全来自于水。

2.2误解与问题

对鲁宾和卡门实验的第一个误解来自于我自己:已经有了希尔反应之后,为什么鲁宾和卡门的实验还是很重要?我看过一些生物教科书,除了国内的,还包括美国的和英国的,基本上专业教材介绍光合作用时都会介绍希尔反应,然后按时间顺序讲鲁宾的实验。当我们明确了希尔反应描述的是水的光解、产生氧气之后,好像鲁宾的实验只是验证了希尔反应而已,如果这样理解,那么我们就忽略了当时的时代背景。

1935年(比希尔反应提出的时间要早)Greene &Voskuyl就提出观点:光合作用释放的氧气中的氧同时来自二氧化碳和水。他们提出这个观点的依据是:空气里氧气中氧18的含量比海水中明显要高一些。如果光合作用释放的氧气中的氧完全来自于水,考虑到大气中的氧气基本来自光合作用,这意味着氧气中氧18的含量应该和海水是一致的。但事实是氧气中氧18的含量比海水中要高一些并且更接近二氧化碳中的氧18的含量,这强烈地暗示光合作用释放的氧气中的氧不可能来自/不可能只来自于原料水。因此,在化学家们看来希尔反应描述的内容并不符合观察到的客观事实。

1941年,鲁宾和卡门等人用氧18做实验,实验结果显示光合作用释放的氧气中的氧完全来自于水。这个实验结果对于身为化学家的鲁宾肯定也是极为震撼的,因为这意味着大气中氧18含量比水中更高是由某些未知的因素所导致的。

 

第二个误解,有些教材包括大名鼎鼎的Campbell的普通生物学第11版认为鲁宾和卡门的实验表明:光合作用时CO2中的O会转移到产物H2O中,还通过配平光合作用的反应方程式,分析氧原子的去向。这种做法貌似用原子守恒体现了学科间的联系,发展了学生的科学思维,但实际上并不正确。

这里,我们首先承认确实会发生H218OCO2  H2OC18O2,即水与二氧化碳可以发生氧同位素的交换,但是这种交换并不是光合作用所导致的。1944年,Dole M.等重复了鲁宾和卡门的实验,他们计算了(有植物存在的条件下)氧同位素的交换值,最终认为鲁宾和卡门的实验结果是可靠的。同年,卡门等(此时鲁宾已去世,年仅30岁)指出:1941年的工作是在pH=10的缓冲溶液中进行的,当pH下降时,氧同位素之间的交换会很频繁;而当反应在碱性条件下进行时,氧同位素的交换对实验结果的影响可以忽略。

为了说明光合作用时CO2中的O不会转移到产物H2O中,我们采用反证法。以第一组实验为例,反应开始时CO20.20%)中的18O含量较低而H2O0.85%)中的18O含量较高,假定CO20.20%)中的O会转移到产物H2O0.85%),那么将导致H2O18O的含量不断下降。第一组实验进行了350min,接近六个小时,H2O18O的含量均保持不变(0.85%),与H2O18O含量不断下降的预期结果并不一致,因此假定“光合作用时CO2中的O会转移到产物H2O中”的观点不被实验结果所支持(生化证据也不支持暗反应时CO2中的O会转移到产物H2O中,这里不再详述)。

这里附带简单解释一下,为什么实验结果显示随着实验的进行,CO218O的含量在不断发生变化,仍以第1组实验为例,H2O参与细胞呼吸会生成CO2,这样H2O0.85%18O就会转移到CO20.20%)中,从而导致CO218O的含量增加。

将鲁宾和卡门的实验放在当时的时代背景下进行理解,已观察到自然界中氧气与水中氧18的含量存在差异,这样的事实不支持希尔反应描述的情况;而鲁宾和卡门用同位素标记的实验则支持希尔反应,从而结束了对希尔反应的争议,同时鲁宾和卡门的实验又引出了新的问题。教师如果能熟悉这些时代背景,就可以让学生更深刻地体会光合作用发现过程中的重要事件及其关联,这对于发展学生的科学思维具有重要的意义。

鲁宾和卡门的原始实验呈现给学生篇幅过大,简化处理更易于学生所接受;但是我们反对随意歪曲实验结果和结论的改写,因为那是对科学事实和证据的不尊重,不符合发展科学思维的基本要求。

 

 

 1  已被阅读了63次  楼主 2020-07-30 06:23:20
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