光合作用——最普遍的化學(xué)反應(yīng)

看著滿山遍野的野花，你或許覺得大自然太奢侈了，美好的東西似乎少一點(diǎn)才值得珍惜，因?yàn)椤拔镆韵橘F”。在人們的印象中，重要的、美好的事物往往是最少的。但也不盡然，曾經(jīng)獲得不下10次諾貝爾獎(jiǎng)的光合作用， 不僅被譽(yù)為“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”，同時(shí)也是“地球上最普遍的化學(xué)反應(yīng)”。

光合作用一般是指植物利用光能把二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成糖、淀粉等有機(jī)物，同時(shí)放出氧氣的過程，是大自然進(jìn)行原初生產(chǎn)的動(dòng)力。葉綠體和細(xì)胞質(zhì)是光合作用的主要場(chǎng)所。植物葉片之所以是綠色是因?yàn)榘~綠體，所以有人認(rèn)為只有葉片才能進(jìn)行光合作用。其實(shí)，還有很多植物的組織和器官含有葉綠體，這是光合作用之所以普遍的根本原因。除綠色植物外，細(xì)菌、藻類甚至動(dòng)物都會(huì)進(jìn)行光合作用，本文將向大家揭示這一古老化學(xué)反應(yīng)的奧秘。

種子光合作用

很多人喜歡吃扁豆，但你知道像扁豆一樣的種子除了具有傳遞遺傳物質(zhì)的作用以外，它們還能夠像葉子一樣進(jìn)行光合作用嗎？密歇根州立大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，油菜和大豆的種子能夠進(jìn)行明顯的光合作用。研究人員發(fā)現(xiàn)，在有光條件下，重要光合酶的活性明顯比在黑暗環(huán)境中高，光合酶的激活能夠提高種子對(duì)二氧化碳的重吸收。他們進(jìn)一步的研究還表明，種子進(jìn)行光合作用的巨大好處是可以合成更多的脂肪酸。而且由于種皮具有明顯的遮光性，說明即使不太強(qiáng)的光照都會(huì)影響種子的品質(zhì)。除了合成有機(jī)物和重新吸收二氧化碳以外，種子進(jìn)行光合作用可以明顯提高種子內(nèi)部的含氧量，降低缺氧癥狀。德國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，豌豆和大麥種子在發(fā)育早期能夠利用弱光進(jìn)行光合作用，光線充足時(shí)，氧氣產(chǎn)量還會(huì)有盈余。

果實(shí)光合作用

沒有成熟的番茄果實(shí)能吃嗎？如果你不怕口感不佳，當(dāng)然也可以嘗試一下。但在你下口之前，它可是一直在努力工作呢！它的工作之一就是光合作用——同化二氧化碳合成一些美味的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。近期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如果阻止果實(shí)進(jìn)行光合作用，番茄的果實(shí)不僅個(gè)頭小，果實(shí)中含有的種子數(shù)也會(huì)減少，即影響了植物的正常繁殖。而對(duì)棉鈴（棉花的果實(shí)）光合作用的研究也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象。為了達(dá)到抑制棉鈴光合作用的目的，研究人員首先對(duì)棉鈴進(jìn)行遮光處理，然后統(tǒng)計(jì)了棉鈴數(shù)量、種子重量等參數(shù)的差異。棉鈴遮光處理使棉鈴重量減少了24.1%，種子重量減少了35.9%，說明棉鈴如果不進(jìn)行光合作用將嚴(yán)重影響棉花產(chǎn)量。番茄和棉鈴所進(jìn)行的光合作用都是葉片光合作用之外的補(bǔ)充，但對(duì)于先花后葉的植物，如榆樹的翅果等，果實(shí)的光合作用會(huì)有什么樣的貢獻(xiàn)，目前還不得而知。但在對(duì)落葉松球果光合作用的研究中發(fā)現(xiàn)，嫩果表現(xiàn)出來的微小的凈光合速率，對(duì)生殖初期葉片（光合功能尚未完善）的生長(zhǎng)具有重要意義。

東北林業(yè)大學(xué)王文杰等人在研究中發(fā)現(xiàn)，薇甘菊幾乎全身都是綠色，它的花、果、莖甚至根都能進(jìn)行光合作用。我們平時(shí)吃的土豆如果暴露在光線下，就會(huì)迅速轉(zhuǎn)綠進(jìn)行光合作用。植物對(duì)資源的利用真是“無所不用其極”。

苞葉光合作用

玉米是人見人愛的食物，但我們可能不知道它的美味也有最外層苞葉的功勞。玉米的苞葉不只是起到包裹玉米棒的保護(hù)作用，玉米苞葉在發(fā)育初期由于含有葉綠素，還能自力更生進(jìn)行光合作用。

一般情況下，一種植物或者植物器官只能有一種光合途徑——C3、C4或者CAM中的一種。澳大利亞國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家對(duì)玉米苞葉光合特性進(jìn)行研究后，發(fā)現(xiàn)苞葉的光合能力較差，呈現(xiàn)出與葉片不太一樣的光合途徑。苞葉有一些C3植物的光合特點(diǎn)，不完全是C4途徑，這暗示著玉米或許是早期光合途徑分化的關(guān)鍵物種。目前困擾學(xué)界的一個(gè)科學(xué)問題是C3和C4植物的起源和它們的分化時(shí)間，所以擁有兩種光合途徑的植物為闡明這個(gè)問題提供了研究機(jī)會(huì)。

高山冰緣植物塔黃的苞葉也會(huì)進(jìn)行光合作用。而且它的苞葉就像一個(gè)小小溫室，包裹著花蕊躲避寒冷的天氣，苞葉內(nèi)外的溫差可以高達(dá)8～10℃，同時(shí)還隔絕了93%～98%的紫外線，有利于它在極端寒冷環(huán)境中繁衍后代。

樹皮光合作用

葉片、種子、果實(shí)都能給植物的生長(zhǎng)發(fā)育出力，樹皮當(dāng)然也不甘示弱。樹皮對(duì)植物生長(zhǎng)的重要性，用一個(gè)例子就可以很好地說明了。澳大利亞達(dá)爾文大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果給桉樹的樹皮包上鋁箔阻止樹皮的光合作用，會(huì)增大水分輸送阻力，總體上減少了林分（指內(nèi)部特征大體一致的一片樹林）木材產(chǎn)量的11%，這對(duì)于林業(yè)生產(chǎn)而言是相當(dāng)大的損失。樹皮光合作用能夠重新同化（吸收二氧化碳轉(zhuǎn)變糖類物質(zhì)的過程）樹干呼吸產(chǎn)生的二氧化碳，重新同化二氧化碳的比率一般在40%～100%，說明樹皮光合作用可以做到“零排放”，對(duì)緩解氣候變化也有貢獻(xiàn)。我們知道，一些植物光禿禿的嫩莖在嚴(yán)冬之后往往會(huì)增粗，其實(shí)，這也與樹皮進(jìn)行的光合作用有關(guān)。枝條進(jìn)行光合作用不僅可以幫助植物“活動(dòng)筋骨”（輸送養(yǎng)料和水分），還會(huì)產(chǎn)生氧氣，減少植物體內(nèi)呼吸作用耗氧過大造成的危害。澳大利亞的研究人員發(fā)現(xiàn)，人為去除樹葉之后，相比于沒有去葉的樹皮會(huì)固定更多的二氧化碳，好像樹皮知道葉片已經(jīng)靠不住了，只能靠自己奮發(fā)圖強(qiáng)了。

動(dòng)物光合作用

動(dòng)物進(jìn)行光合作用聽起來很新奇，但如果你知道光合作用的起源，或許就覺得沒什么值得大驚小怪了。植物的葉綠體在早期的進(jìn)化階段是獨(dú)立，由于某個(gè)原因共生到葉肉細(xì)胞中才形成目前世界上多姿多彩的植物世界，這點(diǎn)從葉綠體是具有獨(dú)立功能的結(jié)構(gòu)單元得到了證實(shí)。葉綠體中除了葉綠素，還有能夠傳遞電子的類胡蘿卜素。貌似沒有進(jìn)化徹底的蚜蟲由于體內(nèi)包含類胡蘿卜素，所以可以利用它進(jìn)行光合電子傳遞，生成能量貨幣ATP，進(jìn)行不完全的光合作用。原來，淺綠色的蚜蟲本領(lǐng)還真不小，它的“膚色”不完全為了擬態(tài)（與環(huán)境顏色接近），還可為自身提供能量。美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)的生物學(xué)家在對(duì)海蛞蝓的研究中發(fā)現(xiàn)，如果海蛞蝓進(jìn)食足夠多的藻類之后，它就能夠“竊取”合成葉綠體的基因，從而實(shí)施光合作用?？茖W(xué)家把這種“一半植物一半動(dòng)物”的海蛞蝓放在水族館養(yǎng)了幾個(gè)月，發(fā)現(xiàn)只要每天供給12小時(shí)的光照，它們?cè)跊]有食物的情況下也能存活。最重要的是，海蛞蝓的下一代繼承了這一特性，說明海蛞蝓自身合成葉綠體的行為是可遺傳的。有人據(jù)此聯(lián)想到，如果人體也能自動(dòng)合成葉綠體是不是可以不用吃飯和工作了呢？受到蠑螈細(xì)胞與藻類共生的啟發(fā)，有人甚至想將海藻和人類的DNA結(jié)合在一起，使人類像魔幻小說中吃了“魚鰓草”在水中不必?fù)Q氣的哈利·波特一樣，具備水棲能力。

人工光合作用

光合作用也并非是自然界的“專利”，美國(guó)辛辛那提大學(xué)的科學(xué)家使用南美洲泡蟾泡沫中的Ranaspumin-2蛋白質(zhì)人工模擬了光合作用。在他們的反應(yīng)系統(tǒng)中，二氧化碳被穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化成糖類分子，而此過程中沒有葉綠體或葉綠素的參與。而哈佛大學(xué)的科學(xué)家諾賽拉發(fā)明了更簡(jiǎn)便易行的實(shí)用型“人工葉片”，這種“人工葉片”只是一種簡(jiǎn)單的硅板，在有水源和光照的條件下產(chǎn)生氫氣和氧氣。據(jù)諾賽拉估計(jì)，1夸脫（約為1.36升）的水就可以讓100瓦的電燈泡亮上一天一夜。

那么科學(xué)家是怎么做到這些的呢？原來人們已經(jīng)掌握了光合作用的具體作用機(jī)理。光合作用從表面上看只是把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程，其實(shí)它包含著眾多的反應(yīng)步驟?；\統(tǒng)地講，光合作用包括光反應(yīng)和暗反應(yīng)，光反應(yīng)包括光能的吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換以及光合磷酸化；暗反應(yīng)主要包括卡爾文循環(huán)——進(jìn)行穩(wěn)定化學(xué)物質(zhì)的積累。人們通過模擬其每一步的光化學(xué)反應(yīng)，基本上就能做到剛才提及的人工光合作用了。人工光合作用具有高效、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和可控的特點(diǎn)，如植物的光能利用率僅1%左右，而人工模擬的化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)96%；植物的生物量積累受到天氣的影響，而人工光合系統(tǒng)卻可以沒日沒夜的工作。正是由于這些優(yōu)勢(shì)，人工光合模擬被寄予厚望，以期解決世界糧食和能源問題。2010年美國(guó)能源部就撥出過億美元的經(jīng)費(fèi)用于資助人工光合作用的研究。

深入探究光合作用

光合作用本質(zhì)上是利用幾種無機(jī)物合成新的有機(jī)物的過程，在綠色植物中最普遍。有意思的是，也并不是所有的植物都能進(jìn)行光合作用，如列當(dāng)屬和拉特雷屬等植物就不能進(jìn)行光合作用，這些植物像蘑菇一樣進(jìn)行腐生生活或者寄生。動(dòng)物與人工光合作用是光合作用研究的一種向后延伸，而科學(xué)家往往也比較關(guān)心光合作用的起源。人們對(duì)光合機(jī)理的認(rèn)識(shí)也在逐漸加深，如對(duì)光系統(tǒng)在埃米單位長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析（1納米=10埃米）；對(duì)不同光合蛋白基因的改造，在不同物種體內(nèi)嘗試高效的光合表達(dá)系統(tǒng)；澳大利亞的陳敏博士等人發(fā)現(xiàn)了能吸收紅外光譜的第五種葉綠素f等。近期，美國(guó)、韓國(guó)、德國(guó)和澳大利亞等國(guó)的科學(xué)家完成了Cyanophora paradoxa基因組測(cè)序工作，發(fā)現(xiàn)一種類衣原體的細(xì)菌通過內(nèi)共生在早期的光合演化中發(fā)揮過重要的作用，研究結(jié)果對(duì)人們認(rèn)識(shí)光合作用的起源有一定的啟發(fā)。

光合作用從哪里來？又要到哪里去？光合作用精細(xì)機(jī)制的解析一直是人們孜孜求解的科學(xué)問題，無論最終的答案是什么，光合作用的重要性和普遍性已經(jīng)得到了人們的一致認(rèn)可。

【責(zé)任編輯】張小萌