用科学史发展科学思维的一点看法2——S. Ruben & M. Kamen的实验

2.1事实与证据

鲁宾和卡门的实验是光合作用中光反应研究的重要实验，主要说明了光合作用释放的氧气中的氧全部来自于原料水。

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¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O，其丰度分别为99.76%、0.041%和0.20%，即自然界含氧化合物中所含有的¹⁶O、¹⁷O和¹⁸O分别为99.76%、0.041%和0.20%。鲁宾和卡门先制备¹⁸O含量为0.85%的H₂O以及KHCO₃、K₂CO₃（光合作用时提供CO₂），然后将实验分三组进行。实验分组及实验结果见下表：

实验结果显示：光合作用释放的氧气中¹⁸O的含量和原料水中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。

这个实验最大的问题在于自然条件下会发生氧同位素交换，即H₂¹⁸O＋CO₂ ⇌ H₂O＋C¹⁸O₂。1944年M. Dole等在估算了氧同位素的交换值后，认为鲁宾和卡门的实验结果仍然是可靠的。同年，鲁宾和卡门指出：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。

2.2误解与问题

有些教材包括大名鼎鼎的Campbell的普通生物学第十一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，甚至还通过配平光合作用的方程式，分析氧原子的去向。这种做法貌似用原子守恒来体现学科间的联系，发展了学生的思维，但实际上并不正确。

这里，我们首先承认确实会发生H₂¹⁸O＋CO₂ ⇌ H₂O＋C¹⁸O₂，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，并且在pH=10时，这种氧同位素的交换频率极低，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CO₂中的¹⁸O含量较低（0.20%）而H₂O中的¹⁸O含量较高（0.85%），假定CO₂中的O会转移到产物H₂O，那么将导致H₂O中¹⁸O的含量不断下降。第一组实验进行了350min，接近六个小时，H₂O中¹⁸O的含量均保持不变，这不符合H₂O中¹⁸O含量不断下降的预期结果，因此假定“光合作用时CO₂中的O会转移到产物H₂O”的观点不被实验结果所支持。

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，CO₂中¹⁸O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H₂O中¹⁸O（0.85%）就会转移到CO₂（0.20%）中，从而导致CO₂中¹⁸O的含量增加。

2.3原始实验的改写

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。1944年鲁宾和卡门对其实验思路进行了简单的理论分析，基本表述和人教版教材类似，这里不再重述。