大自然的色彩是怎么來的

謝勵(lì)勤

“綠楊煙外曉寒輕，紅杏枝頭春意鬧?！钡拇_，在春意盎然的日子里，大自然被裝飾得五彩繽紛，鮮艷奪目，到處呈現(xiàn)出一派生氣蓬勃的景象。

從生物學(xué)的角度來看，各類色彩當(dāng)然都有其存在的價(jià)值。例如，妖嬈迷人的花朵，常常招引大批蜜蜂之類的昆蟲光顧，于是就可能更好地得到授粉機(jī)會(huì)；鳥類華麗的羽毛，是引誘異性的重要手段。但是，自然界里最重要的有色物質(zhì)，卻并非僅僅起裝飾作用的花色、羽色，而是一類被稱作為“卟啉”的色素。因?yàn)樗退袡C(jī)體的生長、繁衍、合成、分解，有著密切關(guān)系，任何別的物質(zhì)都無法替代，所以稱得上是生命世界的關(guān)鍵性分子。

卟啉是什么

確切地說起來，卟啉是一種含氮的色素，它在自由狀態(tài)時(shí)，平平庸庸，看不出有什么生物學(xué)功能。但它一旦和金屬搭上關(guān)系，組成金屬絡(luò)合物的時(shí)候，就顯得非同凡響了。

卟啉和鎂的絡(luò)合物，就是大名鼎鼎的葉綠素，是地球上幾乎所有生命的食物來源，都仰賴于它那神話般的催化活力。

卟啉和鐵的絡(luò)合物，可組成血紅素。鮮紅的熱血意味著什么，大家當(dāng)然是很清楚的。還有一種鐵卟啉絡(luò)合物，被稱為細(xì)胞色素，存在于一切需氧機(jī)體的細(xì)胞中，是動(dòng)植物及細(xì)菌細(xì)胞氧化有機(jī)分子過程中最重要的基本元件。

除此之外，還有一些略為次要的卟啉物質(zhì)，像維生素B12（抗惡性貧血因素），就是一種結(jié)構(gòu)上和卟啉有關(guān)的紅色鈷絡(luò)合物；非洲大杜鵑羽毛中的鮮紅色物質(zhì)，則是卟啉的銅絡(luò)合物。所以說，從動(dòng)物到植物，從細(xì)菌到人類，沒有任何生命離得開卟啉分子。

葉綠素和它的功能

當(dāng)然，自然界中，卟啉的最大作用還在于利用太陽能。這是卟啉鎂絡(luò)合物——葉綠素的基本職能。

光合作用中，綠色植物借助光能，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)變成為葡萄糖，接著進(jìn)一步形成別的更加復(fù)雜的分子。這些分子以后作為異養(yǎng)生物的食料，被廣泛利用。

現(xiàn)在已經(jīng)查明，高等植物的葉綠素含有a和b兩種形式，兩者的區(qū)別僅僅在于葉綠素a結(jié)合著一個(gè)甲基，而葉綠素b則是結(jié)合著一個(gè)醛基。在綠色葉片中，此外還有類胡蘿卜素之類的物質(zhì)，通常葉綠素吸收紅橙光及藍(lán)紫光，類胡蘿卜素則主要吸收藍(lán)光，它們吸收的光量子最后傳遞給葉綠素a，而絕不可能“各自為政，自搞一套”。進(jìn)一步研究還表明，不但其他色素吸收的光能要傳給葉綠素a，就是在葉綠素a之間，也會(huì)進(jìn)行能量傳遞。這樣傳來傳去，最后都匯集到“作用中心”上來，由它加以利用。據(jù)估計(jì)，平均每300個(gè)葉綠素分子，就有一個(gè)作用中心。這種作用中心究竟是什么東西呢？很可能仍然是葉綠素a，不過它的存在狀態(tài)有些不同，與有關(guān)酶聯(lián)系得很緊密，所以光能傳到這兒，會(huì)引起一連串的化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)合成才得以進(jìn)行。

至于光合作用的具體過程，可概括為光合磷酸化和碳還原循環(huán)兩方面。經(jīng)歷光合磷酸化，綠色細(xì)胞產(chǎn)生了化學(xué)能（ATP）和還原劑（NADPH），于是就可能將二氧化碳還原成碳水化合物。至此，光能終于找到了歸宿，它的產(chǎn)物（被稱為“光能罐頭”）哺育著整個(gè)生命世界，使得大地生意盎然，到處都變得繁茂昌盛起來。

獨(dú)特的結(jié)構(gòu)

從演化的歷程來看，血紅素的產(chǎn)生遠(yuǎn)要遲得多，是在地球上充滿氧氣，動(dòng)物發(fā)展到相當(dāng)水平之后的事?？墒菍τ诓溉閯?dòng)物來說，血紅素的重要性卻如同葉綠素對于植物那樣，也是必不可缺的。它一方面由肺臟把氧氣運(yùn)輸?shù)綑C(jī)體的各個(gè)細(xì)胞中去，另一方面通過同樣的線路，把細(xì)胞中排棄的二氧化碳運(yùn)往肺臟，輸出體外。在這一過程中，卟啉中心的二價(jià)鐵離子，可以和氧形成一種不穩(wěn)定的絡(luò)合物，隨著環(huán)境中氧分壓的升高或降低，兩者之間一會(huì)兒絡(luò)合，一會(huì)兒脫離開來，所以作為運(yùn)輸氣體的工具，實(shí)在是最理想不過了，想來這也是自然設(shè)計(jì)師的偉大杰作吧！

至于另一種卟啉鐵絡(luò)合物——細(xì)胞色素，則起了電子傳遞體的作用，是氧化還原過程中，不可缺少的元件。

寫了這么多推崇贊美的介紹之后，有人必然會(huì)問：為什么卟啉分子會(huì)如此多才多藝，其中究竟有什么奧秘？現(xiàn)在人們終于明白，原來這和它結(jié)構(gòu)上的一系列特點(diǎn)分不開。大家知道，卟啉的分子骨架，是一副由單雙鍵交替組成的環(huán)狀系統(tǒng)，這正是芳香族分子的基本特色，此外它和金屬絡(luò)合后，也帶來了許多獨(dú)特的性質(zhì)?？磥?，它之所以能成為生化反應(yīng)（光合作用、呼吸作用）中的主角，就是由于具有這些特點(diǎn)的緣故吧！

源遠(yuǎn)流長

有關(guān)卟啉的故事，就談了這些，其中情節(jié)雖然并不動(dòng)人，卻也有值得深思之處。大家都知道，從外形來看，動(dòng)物和植物是兩類迥然有異的生命，可它們卻用著同一種分子作為生化工具，這種分子對于兩者都具有鮮艷的色彩，都能傳遞電子，雖然在結(jié)構(gòu)上有著不少區(qū)別，但是合成過程的開始步驟，一律相同，只是形成原卟啉后，才出現(xiàn)了不同。動(dòng)物細(xì)胞引入鐵原子后，就成了血紅素；而植物細(xì)胞則還需將側(cè)鏈進(jìn)一步的改造，最終形成葉綠素。至于卟啉的另一種鐵絡(luò)合物——細(xì)胞色素，不但存在于一切需氧的動(dòng)植物細(xì)胞之中，而且也存在于細(xì)菌之中，以不同的變態(tài)行使同樣的生化職能。這一系列特點(diǎn)，除了使我們聯(lián)想起生命起源同一性的深刻含義外，還可能有什么別的解釋嗎？

人們設(shè)想，在那古老的歲月里，生命還處于襁褓之中，動(dòng)植物還沒有開始分化，就出現(xiàn)了一種類似卟啉的生化物質(zhì)，由于它結(jié)構(gòu)上的奇妙特點(diǎn)，在傳遞電子中頗有用處，所以得到自然設(shè)計(jì)師的青睞，經(jīng)歷各種方式的歧化和適應(yīng)后，終于成了動(dòng)物、植物、細(xì)菌中普遍存在的基本組件之一，并流傳下來。于是今天我們在整個(gè)生命世界，到處都遇到這種重要而顯眼的色素分子。

（編輯 孫世奇）