光合作用科學(xué)史的分析及教學(xué)建議

劉本舉 （首都師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100048）

“光合作用”是普通高中生物學(xué)課程《分子與細(xì)胞》模塊的重要內(nèi)容，在生物學(xué)核心素養(yǎng)培育中具有不可替代的地位和作用。該內(nèi)容蘊(yùn)含有豐富的科學(xué)史素材，可較好地將核心素養(yǎng)中“生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究”等落實(shí)到課堂教學(xué)中。

按照現(xiàn)代認(rèn)知心理學(xué)的知識(shí)分類體系，光合作用的主要內(nèi)容屬于“陳述性知識(shí)”中的“事實(shí)性知識(shí)”，可歸納到“生理過程類”的事實(shí)性知識(shí)［1］。筆者學(xué)習(xí)了幾個(gè)版本的高中《生物學(xué)》教材，發(fā)現(xiàn)自20世紀(jì)90年代以來，幾經(jīng)修訂，關(guān)于“光合作用”的編寫只有插圖及語言表述的變化，基本知識(shí)體系幾乎沒有改變，知識(shí)內(nèi)容過于簡單。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光合作用的研究亦更加深入。筆者認(rèn)為，在高中教學(xué)中完全有條件引導(dǎo)學(xué)生更加深入地學(xué)習(xí)“光合作用”，其思維容量也應(yīng)有所提升，才能更加符合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，在學(xué)科核心素養(yǎng)的培育上更有效。

本文對(duì)光合作用相關(guān)科學(xué)史素材進(jìn)行了分析、篩選、重組，將相關(guān)科學(xué)史實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容設(shè)計(jì)為適合學(xué)生進(jìn)行探究性思考的小課題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行“基于資料和問題的探究性學(xué)習(xí)”，增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的探究性［2］，增加了課堂的思維容量，在提升學(xué)生分析、推理、思辨、論證等能力方面取得了較好效果。

1 光合作用的科學(xué)史實(shí)驗(yàn)及選擇

1771年，英國科學(xué)家普利斯特利（J.J.Priestley）通過將植物和小鼠一同放入密閉玻璃罩內(nèi)的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物可“凈化”空氣。

19世紀(jì)末，德國化學(xué)家馮·貝爾（A.von Baeyer）提出“甲醛說”，認(rèn)為CO2在光作用下分解為CO和O2，CO被還原為甲醛，再聚合為糖。

1923年，德國化學(xué)家桑伯格（T.Thunberg）從氧化還原的角度認(rèn)識(shí)光合作用，提出光合作用可被認(rèn)為是H2O和CO2間的氫轉(zhuǎn)移。

1881年，德國科學(xué)家恩格爾曼（T.Engelmann）利用水綿和好氧性細(xì)菌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了光合作用的場(chǎng)所是葉綠體；證明了光合作用主要吸收紅光和藍(lán)紫光。

1937年，英國科學(xué)家希爾（R.Hill）利用離體葉綠體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不提供CO2、只提供草酸鐵作為電子受體的條件下，葉綠體不合成有機(jī)物，但可釋放氧氣。

20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)葉綠體中具有NADP+，在光照下可接受電子和H+，生成NADPH。

1941年，美國科學(xué)家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）用18O標(biāo)記氧氣，證明了光合作用釋放的氧氣來自參與反應(yīng)的水。

1954年，美國科學(xué)家阿爾農(nóng)（D.Arnon）發(fā)現(xiàn)，在光照下，葉綠體可合成ATP。1957年他發(fā)現(xiàn)這一過程總是與水的光解相伴隨。

1961年，英國科學(xué)家米切爾（P.Mitchell）按照其對(duì)細(xì)菌的質(zhì)子跨膜運(yùn)輸?shù)睦斫?，提出化學(xué)滲透學(xué)說，認(rèn)為H+在類囊體膜內(nèi)、外的電化學(xué)勢(shì)能為ATP合成提供了能量。

1966年，美國科學(xué)家雅根多夫（A.Jagendorf）利用改變?nèi)~綠體類囊體膜內(nèi)、外pH值的方法，為米切爾的化學(xué)滲透學(xué)說提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

1964年起，卡爾文（M.Calvin）利用同位素標(biāo)記和雙向紙層析技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了暗反應(yīng)過程的“卡爾文循環(huán)”。

光合作用科學(xué)史實(shí)驗(yàn)篩選如表1。

表1 光合作用科學(xué)史實(shí)驗(yàn)的篩選

2 教學(xué)建議

對(duì)于光合作用的學(xué)習(xí)，應(yīng)避免簡單梳理反應(yīng)過程，以記憶為主線的教學(xué)方式。這種方式看似條理清晰，但幾乎沒有學(xué)生的思考，不利于能力的培養(yǎng)，更談不上學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。如果能充分挖掘相關(guān)科學(xué)史實(shí)驗(yàn)素材，設(shè)計(jì)成為學(xué)生探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生通過分析、推理、論證解決一系列問題，就能在知識(shí)的學(xué)習(xí)過程中滲透生物學(xué)核心素養(yǎng)的培育，能力的提升亦是必然。

2.1 光反應(yīng)

2.1.1 恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)——引出吸收光能的是葉綠體中的色素 通過圖片展示恩格爾曼的實(shí)驗(yàn)及結(jié)果，提出問題：實(shí)驗(yàn)1中，用極細(xì)光束照射水綿，好氧細(xì)菌只在光束處聚集，實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是什么？實(shí)驗(yàn)2中的細(xì)菌為什么聚集在紅光區(qū)和藍(lán)紫光區(qū)？能得出什么結(jié)論？

學(xué)生經(jīng)過分析推理，從實(shí)驗(yàn)1可得出“葉綠體是光合作用的場(chǎng)所”這一結(jié)論。實(shí)驗(yàn)2可讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到光合作用主要吸收紅光和藍(lán)紫光。順利引出新問題：葉綠體中吸收光能的物質(zhì)是什么？

2.1.2 葉綠素的熒光現(xiàn)象——引出新問題：光合色素吸收的光能去向何處？

資料1：用圖片展示葉綠素的熒光實(shí)驗(yàn)，光合色素的酒精溶液在透射光下觀察呈綠色，反射光下觀察呈暗紅色。

資料2：位于葉綠體基粒類囊體膜上的光合色素可吸收光能，且主要吸收可見光中的紅光和藍(lán)紫光，綠光吸收極少。

資料3：離開葉綠體的光合色素仍可吸收光能，由于失去了相關(guān)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，所吸收的光能不能被用于合成有機(jī)物，只能再釋放。

問題：請(qǐng)根據(jù)上述資料，嘗試解釋熒光現(xiàn)象的原理。

學(xué)生經(jīng)過思考一般都能理解，光合色素在透射光下呈綠色的原因是綠光被吸收得最少，所以透過去的綠光就最多；反射光下呈暗紅色的原因是吸收的光能不能被利用，只能再以光能的形式釋放，由于以熱能的形式消耗了部分能量，光的波長略變長，呈暗紅色。

光合色素吸收的光能怎樣用于有機(jī)物的合成？教師提供以下資料。

2.1.3 魯賓、卡門實(shí)驗(yàn)及希爾反應(yīng)——認(rèn)識(shí)光反應(yīng)的基本過程

資料1：美國科學(xué)家魯賓和卡門用含有不同比例重氧水（H218O）和重氧碳酸鹽（KHC18O3+K2C18O3）的溶液（自然界的氧元素中，18O含量為0.2%，故實(shí)驗(yàn)中18O含量為0.2%的水及碳酸鹽即為普通的水及普通碳酸鹽），供給小球藻進(jìn)行光合作用，分階段測(cè)量水中重氧水的比例、碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例、釋放氧氣中重氧所占比例，數(shù)據(jù)如表2。

表2 魯賓、卡門的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

提出問題：①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)怎樣的規(guī)律？結(jié)果如何解釋？在實(shí)驗(yàn)過程中，反應(yīng)系統(tǒng)碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例在第1組是逐漸升高的，第2～3組是逐漸降低的，如何解釋？

該數(shù)據(jù)為原始論文數(shù)據(jù)，相對(duì)復(fù)雜，但認(rèn)真分析，不難看出規(guī)律：各組釋放的O2中，18O元素所占比例與本組供給的H2O中18O所占比例相同，與該組KHCO3+K2CO3中18O占全部氧元素的比例不同。這個(gè)結(jié)果很好地說明，光合作用釋放的氧氣來自H2O，而不是來自CO2。反應(yīng)系統(tǒng)碳酸鹽中重氧碳酸鹽的比例的變化，是因?yàn)镠2O與碳酸鹽所含重氧比例不同，而H2O參與呼吸作用生成的CO2摻入碳酸鹽所致。閱讀文獻(xiàn)是一種能力，該資料可訓(xùn)練和提升學(xué)生閱讀文獻(xiàn)并分析數(shù)據(jù)的能力。

資料2：1939年，英國科學(xué)家希爾將植物破碎后獲得離體的葉綠體，在葉綠體懸液中加入足量草酸鐵等電子受體，不提供CO2，也可在光照條件下放出氧氣。

提出問題：①希爾反應(yīng)能否說明釋放的氧氣全部來自水？為什么？②沒有CO2也能釋放氧氣，說明了什么問題？ ③如果水中的氧元素以氧氣形式釋放，水分解產(chǎn)生的氫元素去了哪里？（問題③并不需要解答，而是引出下一個(gè)問題）

學(xué)生通過思考和討論一般都可認(rèn)識(shí)到，希爾反應(yīng)僅說明離體葉綠體在適當(dāng)條件下可發(fā)生水的光解，產(chǎn)生氧氣。由于該實(shí)驗(yàn)沒有排除葉綠體中其他物質(zhì)的干擾，也并沒有直接觀察到氧元素的轉(zhuǎn)移。但該實(shí)驗(yàn)可說明水的光解并非必須與糖的合成相關(guān)聯(lián)，暗示著希爾反應(yīng)是相對(duì)獨(dú)立的反應(yīng)階段。

資料3：20世紀(jì)50年代中期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)葉綠體中具有天然電子受體NADP+，在光照條件下NADP+可得到電子和H+變成NADPH?？茖W(xué)家推測(cè)，水被分解后，其中的氫元素被以電子和H+分離的形式傳遞，電子在類囊體膜上經(jīng)過電子傳遞鏈傳遞，H+被釋放到類囊體基質(zhì)中。

提出問題：根據(jù)資料2和資料3，你對(duì)反應(yīng)過程有什么看法？

學(xué)生經(jīng)過分析，一般可認(rèn)識(shí)到水分解后，氧氣被釋放，氫的電子被傳遞給NADP+，生成NADPH。教師讓學(xué)生分析雅根多夫的類囊體實(shí)驗(yàn)。

2.1.4 雅根多夫的類囊體實(shí)驗(yàn)——分析ATP合成的機(jī)制 雅根多夫的實(shí)驗(yàn)背景：這個(gè)極富傳奇色彩的故事，可引起學(xué)生強(qiáng)烈的興趣，讓學(xué)生在故事中感悟科學(xué)家思考問題和解決問題的思路，兼顧非智力因素的養(yǎng)成，會(huì)取得良好的教學(xué)效果（下文是故事梗概，教學(xué)過程中可講得更細(xì)致、生動(dòng)）。

1961年之前，科學(xué)家認(rèn)識(shí)到，電子沿著線粒體內(nèi)膜上細(xì)胞色素酶依次傳遞，傳遞給氧氣后生成水，此過程釋放大量能量。制造ATP的場(chǎng)所在ATPase，是另一種鑲嵌在線粒體內(nèi)膜上的蛋白質(zhì)綜合體。細(xì)胞色素酶和ATPase是不同的蛋白質(zhì)，二者在線粒體內(nèi)膜上的分布，物理上是互相隔絕的。能量是如何從細(xì)胞色素酶?jìng)魉椭罙TPase上的？

當(dāng)時(shí)的科學(xué)家普遍認(rèn)為，從細(xì)胞色素酶到ATPase應(yīng)該通過一種高能分子鏈接。這種分子是什么？科學(xué)家為此展開了尋找這種高能分子的競(jìng)賽。然而，20年過去，提出的候選分子有十幾種，但都被否定了。米切爾卻另辟蹊徑，在1961年發(fā)表論文時(shí)說：既然排除了所有可能，答案就是“這種高能分子不存在”。

按照米切爾的設(shè)想：線粒體內(nèi)膜就像是水壩。線粒體內(nèi)膜上的細(xì)胞色素酶在傳遞電子過程中，利用高能電子H+送到了膜間隙，這里積累大量H+，形成了一種化學(xué)勢(shì)能。ATPase就是泄洪道，可控制H+的回流，H+化學(xué)勢(shì)能的釋放就被用于生產(chǎn)ATP。但米切爾的論文在1961年的能量生物學(xué)界未受到認(rèn)可。

雅根多夫偶爾聽到米切爾與人辯論，當(dāng)時(shí)的感受是米切爾說的都是胡話，因?yàn)槊浊袪柌坏J(rèn)為線粒體符合其假說，還認(rèn)為葉綠體中光合作用制造ATP的機(jī)理也是同樣的。

對(duì)米切爾強(qiáng)烈的反感促使雅根多夫和他的同事設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在無光條件下將離體葉綠體類囊體在pH=4的溶液中平衡一段時(shí)間后，再轉(zhuǎn)移至pH=8的緩沖液中，當(dāng)他加入ADP和Pi時(shí)，反應(yīng)體系合成了大量ATP。當(dāng)時(shí)雅根多夫簡直不相信該結(jié)果。

問題：①這個(gè)實(shí)驗(yàn)中ATP生成的直接驅(qū)動(dòng)力是什么？②H+在類囊體膜內(nèi)外怎樣形成濃度梯度而獲得化學(xué)勢(shì)能？由什么能量轉(zhuǎn)化而來？

學(xué)生對(duì)于故事的喜愛，促使他們對(duì)問題深入思考。對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析后可得出“ATP合成所需能量來自H+在類囊體膜內(nèi)、外的電化學(xué)勢(shì)能。教師講解膜內(nèi)外形成H+濃度梯度的2個(gè)原因：①水的光解會(huì)產(chǎn)生并積累大量H+；②水光解產(chǎn)生的電子在傳遞過程中會(huì)推動(dòng)某蛋白質(zhì)將H+從膜外運(yùn)進(jìn)類囊體，促進(jìn)H+進(jìn)一步積累，形成了H+在類囊體膜內(nèi)高、膜外低的濃度勢(shì)能。至此，基本了解了光反應(yīng)的基本過程。然后結(jié)合圖解（圖1）再進(jìn)行針對(duì)性講解。由于經(jīng)歷了上述思考與探究過程，學(xué)生對(duì)光反應(yīng)過程有了比較深入的理解，講解過程是將探究的每個(gè)點(diǎn)利用圖解形成完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)。至此，學(xué)生基本理解了光反應(yīng)的原理，并通過實(shí)驗(yàn)分析，提升了科學(xué)探究能力。

圖1 光反應(yīng)示意圖

2.2 暗反應(yīng) 卡爾文的實(shí)驗(yàn)方法與技術(shù)——實(shí)驗(yàn)分析提升學(xué)科素養(yǎng) 通過光反應(yīng)階段，光能順利轉(zhuǎn)化成為ATP和NADPH中的活躍化學(xué)能，這些能量又如何轉(zhuǎn)移到有機(jī)物（光合產(chǎn)物）中？

從1964年開始，卡爾文等科學(xué)家用放射性同位素標(biāo)記技術(shù)對(duì)光合作用中的糖類合成過程進(jìn)行了研究。給小球藻提供14CO2，然后提取小球藻的代謝產(chǎn)物，利用紙層析技術(shù)將各種中間產(chǎn)物分離，并對(duì)放射性的化合物進(jìn)行鑒定。

提出問題①：從CO2到糖類，經(jīng)歷了多步驟化學(xué)反應(yīng)，中間產(chǎn)物極其復(fù)雜，要想分析葉綠體中依次形成的各種化合物，應(yīng)該如何取樣？（提示：可結(jié)合“分泌蛋白的合成和運(yùn)輸過程”的研究方法進(jìn)行思考，可讓學(xué)生比較，在2項(xiàng)研究中，取樣間隔時(shí)間長短有何區(qū)別？）

通過思考，學(xué)生一般都能說出“間隔取樣”，并能理解研究反應(yīng)過程時(shí)，間隔取樣時(shí)間應(yīng)該更短。

提出問題②：間隔取樣后，需要讓葉綠體中的化學(xué)反應(yīng)立即停止，才能找到即時(shí)的放射性中間物。怎樣才能立即停止小球藻內(nèi)部的暗反應(yīng)？用什么方法能迅速殺死小球藻？

待學(xué)生思考回答后，教師指出，當(dāng)年卡爾文是利用熱酒精迅速殺死小球藻的。熱酒精能迅速滲入小球藻內(nèi)部，導(dǎo)致各種酶變性失活，所有化學(xué)反應(yīng)立即停止。

提出問題③：取樣后殺死小球藻，提取處理后進(jìn)行紙層析，層析結(jié)果出現(xiàn)了一系列條帶，怎樣才能知道這些條帶是何種化合物？

學(xué)生分析回答后，教師總結(jié)：層析時(shí)可通過標(biāo)準(zhǔn)樣品確定各條帶化合物的種類。

提出問題④：卡爾文在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)將反應(yīng)時(shí)間縮短為幾分之一秒時(shí)，小球藻中只生成一種有放射性的物質(zhì)——一種三碳化合物，而隨著反應(yīng)時(shí)間延長，生成的放射性物質(zhì)種類不斷增加。如果在光下突然中斷CO2的供應(yīng)，三碳化合物的量急劇減少，而一種五碳化合物的量增加。如果反應(yīng)過程中突然停止光照，則三碳化合物的濃度急速升高，而五碳化合物的濃度急速降低?？栁恼J(rèn)為暗反應(yīng)是一個(gè)循環(huán)反應(yīng)。請(qǐng)根據(jù)上述反應(yīng)現(xiàn)象分析，CO2在哪個(gè)環(huán)節(jié)加入循環(huán)反應(yīng)過程？能否推測(cè)NADPH和ATP在哪個(gè)環(huán)節(jié)被消耗？

此過程旨在讓學(xué)生通過自主分析，構(gòu)建暗反應(yīng)過程的卡爾文循環(huán)，體驗(yàn)科學(xué)家分析和解決問題的思路和方法，理解暗反應(yīng)的基本過程。若學(xué)生基礎(chǔ)不夠好，可繪制簡圖，讓學(xué)生判斷CO2和NADPH、ATP分別在哪個(gè)環(huán)節(jié)加入（圖2）？

圖2 暗反應(yīng)示意圖

3 教學(xué)過程中學(xué)生思維線路圖

沒有思考，就沒有真正的學(xué)習(xí)，評(píng)價(jià)一節(jié)課的主要標(biāo)準(zhǔn)就是有沒有學(xué)生的思考？思考深入的程度如何？該教學(xué)過程以“基于科學(xué)史資料的探究性學(xué)習(xí)活動(dòng)”為主線，引導(dǎo)學(xué)生通過自主思考解決問題［2］，通過問題的解決，抽絲剝繭、層層深入地逐步探究光合作用的過程，構(gòu)建光合作用的基本過程。學(xué)生的思維線路圖如圖3。

圖3 “光合作用”教學(xué)設(shè)計(jì)思維線路圖

4 結(jié)語

本文闡述了光合作用科學(xué)史實(shí)驗(yàn)素材在教學(xué)中的應(yīng)用，并分析了其在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)方面的功能，摒棄了以記憶為主線、以整理和歸納光反應(yīng)和暗反應(yīng)物質(zhì)變化及能量變化為主要方式的教學(xué)方法。秉持“沒有思考就沒有真正的學(xué)習(xí)”的基本理念，以科學(xué)史實(shí)驗(yàn)的發(fā)展歷程為主線，每個(gè)環(huán)節(jié)均設(shè)計(jì)相關(guān)探究性思考題，環(huán)環(huán)相扣，讓學(xué)生經(jīng)歷了一個(gè)深度思考的探究性學(xué)習(xí)過程。每一個(gè)探究環(huán)節(jié)都潛移默化地發(fā)展了學(xué)生的科學(xué)探究能力，學(xué)生始終處于一種積極的思考狀態(tài)，整個(gè)過程都處于一種探究氛圍中［3］，學(xué)生喜愛這種積極思考的環(huán)境，此教學(xué)過程不僅提升了學(xué)生的科學(xué)思維、科學(xué)探究的核心素養(yǎng)，而且在發(fā)展學(xué)生興趣等非智力因素中也起到了良好的作用。