光合作用發(fā)現(xiàn)歷程中恩格爾曼的研究貢獻(xiàn)及啟示

崔榮榮 凌 宏

(1首都師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100048； 2首都師范大學(xué)教育學(xué)院 北京 100048)

1988年的諾貝爾獎頒發(fā)給了一項光合作用研究成果，頒獎評語中稱光合作用是“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”，光合作用對人類的生產(chǎn)生活都有著重大的作用。由于光合作用的復(fù)雜性，它的發(fā)現(xiàn)過程很漫長，經(jīng)歷了幾百年的時間。光合作用的研究是多領(lǐng)域合作的結(jié)果，數(shù)百位科學(xué)家為此做出過重大貢獻(xiàn)，西奧多·威廉·恩格爾曼(Theodor Wilhelm Engelmann, 1843—1909)便是其中的一位。

1 恩格爾曼生平簡介

恩格爾曼是德國著名的生理學(xué)家、植物學(xué)家、微生物學(xué)家，一生在肌肉生理、微生物學(xué)、光合作用等多個研究領(lǐng)域作出重要貢獻(xiàn)。恩格爾曼于1843年11月30日生于德國的萊比錫，他父親是著名的書志學(xué)家和出版家，他在人文科學(xué)和自然科學(xué)的氛圍中長大，興趣十分廣泛。年幼的恩格爾曼不僅對大提琴十分喜好，有相當(dāng)高的造詣。而且，他受到著名解剖學(xué)家卡爾·格根包爾(Carl Gegenbaur)的影響，學(xué)會系統(tǒng)地觀察活體生物，尤其擅長的是纖毛蟲類。這一愛好是他后續(xù)利用好氧菌進(jìn)行光合作用研究的關(guān)鍵因素之一[1]。

恩格爾曼在萊比錫系統(tǒng)地學(xué)習(xí)自然科學(xué)和藥學(xué)。他于1867年發(fā)表關(guān)于角膜的學(xué)位論文吸引了荷蘭著名生理學(xué)家弗蘭西斯科斯·孔奈尼亞斯·唐德斯(Franciscus Cornelius Donders)的注意并為他提供助手的崗位。恩格爾曼在荷蘭的烏得勒支市工作了30年，主要從事肌肉及其興奮的生理學(xué)研究，1878年，他繪制出了第一幅鋸齒波形的心電圖，是肌肉和心臟興奮收縮理論的奠基者之一[2]。他還用了十年時間(1881年—1890年)利用好氧菌來研究光合作用，并有突出的研究成果。1897年，他在柏林被授予生理學(xué)教授職位，因健康原因于1908年退休，1909年5月20日去世，享年65歲。

2 對光合作用的研究和成就

2.1 利用好氧微生物研究光合作用之緣起 1796年，簡·英格豪斯(Jan Ingenhousz, 1730—1799)發(fā)表論文《植物的食物與土壤的修復(fù)》，文中確認(rèn)植物在太陽照射下可以更新空氣，這種對動物有益的空氣是氧氣(即光合作用釋放氧氣)[3]。英格豪斯的論文發(fā)表之后，引起多位研究者使用各種方法對產(chǎn)生的氧進(jìn)行測量。例如，氣體分析法(代表有英格豪斯、索緒爾、布森戈)，氣泡計數(shù)法(代表有杜特羅歇、薩克斯、普費弗)，以及熒光粉法(代表布森戈)等[4]。

早年的興趣使恩格爾曼一直保持著對微生物學(xué)的熱情和觀察微生物的愛好。尤其是同時代的巴斯德等科學(xué)家已將微生物的研究從形態(tài)描述推進(jìn)到生理學(xué)研究階段[3]。受此影響，恩格爾曼的關(guān)注點也在微生物生理特性方面。同時，恩格爾曼又十分關(guān)注當(dāng)時研究的熱點(如光合作用)和科學(xué)前沿。所以，恩格爾曼利用微生物進(jìn)行光合作用的研究，絕不是一種偶然，而是在長年對微生物的觀察研究基礎(chǔ)上，結(jié)合光合作用的研究熱潮，創(chuàng)造性地利用微生物的生理特性開展研究，并發(fā)表了大量的研究成果。如1881年發(fā)表論文《關(guān)于最低等生物的光感和色覺》《裂殖菌類生物學(xué)》，1883年的《光度測量菌》等十多篇文章。

2.2 利用微生物確定葉綠體是光合作用產(chǎn)氧的場所 恩格爾曼于1881年發(fā)表《用于研究植物和動物氧氣釋放的新方法》的論文，介紹了他使用“從根本上區(qū)別于迄今為止所有基于同樣研究目的而采用的研究方法”，即利用好氧菌對氧的極度敏感來指示氧氣。他的實驗結(jié)果源自于巧妙的實驗設(shè)計和細(xì)致的觀察。論文中是這樣描述的：“在一個載玻片上滴一滴菌液，蓋上蓋玻片，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)細(xì)菌大量積聚到液滴邊緣，如果蓋玻片下進(jìn)了氣泡，細(xì)菌則圍繞著氣泡。然后細(xì)菌的移動逐漸減弱并且停止。但是如果從蓋玻片邊緣給液滴注入一滴去除纖維蛋白的、并且通過在空氣中晃動而充滿氧氣的血液，那么在這兩種液體的交界處，細(xì)菌又會立刻開始移動。如果不使用動脈血，而是以較長時間接觸了高濃度一氧化碳的血取而代之的話，那么上述移動就不會出現(xiàn)，或者頂多在極個別的點出現(xiàn)，而且時間很短”。根據(jù)一系列實驗，恩格爾曼斷定這種細(xì)菌有極其敏感的趨氧性，“敏感度之高，即使遠(yuǎn)小于百萬億分之一毫克的氧氣量也能輕易測出來”[4]。

在后續(xù)實驗中，恩格爾曼試著向菌液中加入綠色細(xì)胞，如綠眼蟲、水綿以及舟形硅藻等，觀察到圍繞著綠色細(xì)胞的菌運動活躍，而液滴其他部位的菌已經(jīng)停止運動。經(jīng)過重復(fù)多次實驗，得出相同的結(jié)果。最后給出“唯一可能的解釋是： 含葉綠素的細(xì)胞能夠在光照下釋放氧氣，正是這些釋放出的氧氣使細(xì)菌發(fā)生移動，并在產(chǎn)生氧氣的地方聚集”[4]。恩格爾曼的這個重要發(fā)現(xiàn)確立了葉綠體在光合作用中的重要作用的認(rèn)識——光合作用中產(chǎn)氧的場所。

2.3 利用好氧微生物發(fā)現(xiàn)光合作用中最適光譜 在實驗過程中，恩格爾曼觀察到光的作用，并且斷言：“在所有實驗中，氧氣釋放與光線的作用有絕對的關(guān)聯(lián)”。首先，他做了不同光強對光合作用產(chǎn)氧速率影響的實驗?！肮饩€的作用完全是局部的。如果細(xì)胞或單個的葉綠體只局部受到光照，其余部分處于黑暗(或半黑暗)中，那么細(xì)菌只會聚集在受光照的部分(光線不能在沒有活的葉綠素作用的情況下直接影響細(xì)菌的移動)。當(dāng)光照強度增加，氧氣釋放量也會在相當(dāng)大的范圍內(nèi)隨之增加。能夠讓(氧氣釋放)過程開始顯現(xiàn)的最小光照強度與細(xì)胞及細(xì)菌的種類和狀態(tài)有關(guān)。在我實驗的條件下，該最小值似乎總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于肉眼所能觀察到的最小值”[4]。

其次，恩格爾曼研究了不同顏色的光線對產(chǎn)氧的影響。一方面，他利用吸收可見光的溶液，如用含碘二硫化碳溶液濾出紅外光，發(fā)現(xiàn)好氧菌運動不活躍；另一方面，經(jīng)過濾光鏡處理，獲得單色光。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紅光、橙光和黃光處菌活躍度高；藍(lán)光處有一定活躍度；而綠光幾乎一直是作用最弱的。

用濾光溶液或者濾光鏡進(jìn)行實驗已經(jīng)非常巧妙，但恩格爾曼并沒有滿足，進(jìn)一步使用了更精密的儀器——顯微光譜儀，對太陽光全光譜中不同波段的光對光合作用產(chǎn)氧量的影響進(jìn)行研究(該顯微光譜儀是由卡爾·蔡司為恩格爾曼最新設(shè)計制作的。1889年，恩格爾曼單獨寫了一篇文章介紹這臺顯微鏡的設(shè)計、原理以及使用。該光譜儀由照明系統(tǒng)、一個聚光透鏡、棱鏡以及物鏡組成，可以觀察到極細(xì)光束下好氧細(xì)菌的密度變化)。在實驗中，恩格爾曼通過儀器在載物臺處投射出連續(xù)光譜，并將樣品放置于連續(xù)光譜區(qū)域[5]。在開始實驗之前，用純氫氣處理以除去微室中的氧。當(dāng)藻類被照射時，細(xì)菌沿著氧梯度游動到光合作用產(chǎn)生最大量的氧的區(qū)域。細(xì)菌的積累開始于波長為650～680nm的紅色區(qū)域，并繼續(xù)進(jìn)入橙色區(qū)域(590nm)和紫色、藍(lán)色區(qū)域(480～490nm)。恩格爾曼用不同的藻類做了實驗，經(jīng)測量顯示： 剛毛藻屬，羽紋藻屬和顫藻屬的氧氣產(chǎn)量最大值處于在660～680nm波長區(qū)域處，伊樂藻屬在約570nm處的氧氣產(chǎn)量為最大值[5]。

2.4 利用好氧微生物定量的研究光能的吸收轉(zhuǎn)導(dǎo) 恩格爾曼在光譜實驗中，首先確定了光合作用的作用光譜，并通過儀器調(diào)節(jié)，使放置樣品的狹縫區(qū)域和平行空白對照的狹縫區(qū)域的光強度相同[6]。然后，將藻類置于樣品區(qū)域，通過對比兩個區(qū)域中光強度的差別，計算出光的吸收量。在進(jìn)一步測定、比較藻類細(xì)胞中含葉綠素區(qū)域和無葉綠素區(qū)域光的散射損失的基礎(chǔ)上，恩格爾曼總結(jié)得出： 在光照和CO2存在的量確定的實驗條件下，不同的藻類，在不同的光譜波段下，光照吸收量和產(chǎn)氧量的比值(用細(xì)菌積累量衡量)是常數(shù)。恩格爾曼還注意到葉片的厚度對光合作用的影響。他將一個厚度為0.028mm的剛毛藻細(xì)胞放在光譜的不同位置(即細(xì)胞表面朝上和細(xì)胞表面朝下)，然后測量相對氧氣釋放量的數(shù)據(jù)。盡管恩格爾曼還不能確定光量子的輸入與O2產(chǎn)生的確切比率，然而，他知道在光譜的各個區(qū)域的光的不同強度和光散射的損失。他在當(dāng)時利用微光譜來測量藻類細(xì)胞中光能的吸收和轉(zhuǎn)導(dǎo)已是很大的突破。

3 啟示

恩格爾曼作為一位主要研究肌肉及其興奮的生理學(xué)家，在肌肉生理學(xué)方面有杰出貢獻(xiàn)[7]，同時，他開創(chuàng)了光合作用中“光”因素的研究，包括光譜的不同波段對光合作用影響以及光能的利用率等方面。恩格爾曼在光合作用方面的研究成果給后人的啟示是： ①興趣是最好的老師，恩格爾曼對微生物持續(xù)不斷的仔細(xì)觀察實驗始于其青少年時代的興趣愛好；②作為一名生理學(xué)家去研究光合作用與他關(guān)注科學(xué)前沿和研究熱點密切相關(guān)；③實驗設(shè)計環(huán)節(jié)呈現(xiàn)極強的內(nèi)在聯(lián)系，環(huán)環(huán)相扣，脈絡(luò)清晰；實驗過程堅持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，不放過任何微小的發(fā)現(xiàn)；④學(xué)科交叉，利用簡單又巧妙的方法推動研究工作的開展[8]，特別是運用好氧細(xì)菌去測定光合作用所釋放出的氧氣；⑤運用當(dāng)時最新的光學(xué)儀器進(jìn)行精細(xì)的量化研究，定制的顯微光譜儀器為他進(jìn)行最適光譜和光的吸收轉(zhuǎn)導(dǎo)的定性研究提供了可能。