卡尔文实验装置

试题研究：这次的选考和学考试题中的30题，对学生来说有点陌生，原因是并没有按照常规套路出题，学生有点不适应。这样的试题对学生能力要求更高，对教师的教学方法提出了新的要求，需要科学史方法和学科思想的渗透，需要核心素养的落实。

2018年11月浙江选考30题部分试题：

为研究光合作用中碳的同化与去向，用              的CO₂供给小球藻，每隔一定时间取样，并将样品立即加入到煮沸的甲醇中。甲醇用以杀死小球藻并           标记化合物。浓缩后再点样进行双向纸层析，使标记化合物                 。根据标记化合物出现的时间，最先检测到的是三碳化合物。猜测此三碳化合物是CO₂与某一个二碳分子结合生成的，但当          后，发现RuBP的含量快速升高，由此推知固定CO₂的物质不是二碳分子。

答案：同位素¹⁴C标记   提取   分离   突然降低CO₂浓度

解析：解题的关键是研究光合作用中碳的同化与去向的方法和步骤。方法上用到了同位素标记法、双向层析法和显微自显影技术。具体的过程如下：

卡尔文将培养出来的小球藻放置在含有未标记CO₂的密闭容器中，然后将¹⁴C标记的CO₂注入容器，培养相当短的时间之后，将小球藻浸入热的乙醇中杀死细胞，使细胞中的酶变性而失效。接着他们提取到溶液里的分子，然后将提取物应用双向纸层析法分离各种化合物，再通过放射自显影分析放射性上面的斑点，并与已知化学成份进行比较。在双相纸层析放射自显影图谱中鉴定出20余种带有C标记的化合物，包括糖磷酸酯、有机酸和氨基酸等。

一、卡尔文循环发现的过程

1946年，美国加州大学放射化学实验室的卡尔文（M.Calvin）和本森（A.Benson）等人采用了两项新技术：（1）¹⁴C同位素标记与测定技术（可排除原先存在于细胞里的物质干扰，凡被¹⁴C标记的物质都是处理后产生的）；（2）双向纸层析技术（能把光合产物分开）。选用小球藻等单细胞的藻类作材料，藻类不仅在生化性质上与高等植物类似，且易于在均一条件下培养，还可在试验所要求的时间内快速地杀死。

试验分为以下几步进行：

1、饲喂¹⁴CO₂与定时取样

向正在进行光合作用的藻液中注入¹⁴CO₂使藻类与¹⁴CO₂接触，每隔一定时间取样，并立即杀死。

2、浓缩样品与层析

用甲醇将标记化合物提取出来，将样品浓缩后点样于层析纸上，进行双向纸层析，使化合产物分开。

3、鉴定分离物

采用放射自显影技术，鉴定被¹⁴CO₂标记的产物并测定其相对数量。

4、设计循环图

根据被¹⁴CO₂标记的化合物出现时间的先后，推测生化过程。根据图D所显示的结果，即短时间内（5秒，最终到0.5秒）¹⁴C标记物首先出现在3－磷酸甘油酸（PGA）上，说明PGA是光合作用的最初产物。

起先猜测CO₂是与某一个二碳的片断结合生成三碳的PGA，然后情况并非如此。

当光下CO₂浓度突然降低，作为CO₂受体的化合物会积累起来。这一化合物被发现是含有5个C的核酮糖－1，5－二磷酸（RuBP），当它接受CO₂后，分解为2个PGA。

经过10多年周密的研究，卡尔文等人终于探明了光合作用中从CO₂到蔗糖的一系列反应步骤，推导出一个光合碳同化的循环途径，这条途径被称为卡尔文循环。由于这条途径中CO₂固定后形成的最初产物PGA为三碳化合物，所以也叫做C3途径。此项研究的主持人卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖。

二、双向纸层析法技术是什么样的技术？

1944年A.J.P.马丁第一次用纸层析分析氨基酸，得到很好的分离效果，开创了近代层析的发展和应用的新局面。70年代以后，纸层析已逐渐为其他分辨力更高、速度更快和更微量化的新方法，如离子交换层析、薄层层析、高效液相层析等所代替。

利用第一种层析系统进行第一向层析后，将滤纸烘干，滤纸旋转90°，用另一层析系统进行第二向层析，即双向层析。

双向纸层析法技术

链接：卡尔文循环（C3循环）发现过程