從天而降的“光合作用”

李瑞祥　邵紅能

光合作用被譽為地球上最重要的化學反應。太陽是萬物之源，綠色植物需要依靠太陽進行光合作用，將二氧化碳和水轉化成儲存著能量的有機物，并釋放出氧氣。每年光合作用所同化的太陽能約為人類所需能量的10倍。有機物中所存儲的化學能，除了供植物本身和全部異養(yǎng)生物之用外，更重要的是可供人類營養(yǎng)和活動的能量來源?？梢哉f，光合作用提供今天的主要能源。

綠色植物是一個巨型的能量轉換站。光合作用，通常是指綠色植物（包括藻類）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有機物，同時釋放氧氣的過程。 其主要包括光反應、暗反應兩個階段，涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等重要反應步驟，對實現(xiàn)自然界的能量轉換、維持大氣的碳-氧平衡具有重要意義。

地球上的一切生命都離不開來自陽光的能量。每一天，植物都在進行著世界上最大規(guī)模的把太陽能變成化學能，把無機物變成有機物的生命活動。它每年吸收7000億噸二氧化碳，合成5000億噸有機物，為人類、動植物和無數(shù)微生物的生命活動提供食物、能量和氧氣。

光合作用的“今生前世”

17世紀以前，普遍認為植物生長所需的全部元素是從土壤中獲得的。17世紀中葉，荷蘭科學家海爾蒙特（Van Helmont）進行了柳樹盆栽實驗。連續(xù)5年只澆水，柳樹重量增加了75 kg，土壤質量只減少了60 g。因此，他錯誤地認為柳樹生長所需的物質主要不是來自土壤，而是來自灌溉土壤的水。1771年，英國牧師、化學家普利斯特列（J. Priestley）進行密閉鐘罩試驗。他發(fā)現(xiàn)有植物存在的密閉鐘罩內蠟燭不會熄滅，老鼠也不會窒息死亡。于是，在1776年，他提出植物可以“凈化”空氣。但是他不能多次重復他的實驗，即表明植物并不總是能夠使空氣“凈化”。荷蘭醫(yī)生英格豪茨（J.Ingenhousz）在普利斯特列研究的基礎上進行了多次實驗，發(fā)現(xiàn)普利斯特列實驗不能多次重復的原因是他忽略了光的作用，植物只有在光下才能“凈化”空氣。以上三位科學家便是光合作用研究的先驅，一般以普利斯特列為光合作用的發(fā)現(xiàn)者，把1771年定為光合作用的發(fā)現(xiàn)年。1782年，瑞士人森尼別（Jean Snebier）用化學方法發(fā)現(xiàn)：二氧化碳是光合作用必需物質，氧氣是光合作用產物。

1804年，索蘇爾（Nicholes.Th.de.Saussare）證實了植物光合作用以二氧化碳和水作原料。1864年，薩克斯（Julius Sachs）發(fā)現(xiàn)只有照光時，葉綠體中的淀粉粒才會增大，指出光合作用的產物是氧氣和有機物。

1990年，一種紅藻化石在加拿大北極地區(qū)被發(fā)現(xiàn)，這種紅藻是地球上已知的第一種有性繁殖物種，也被認為是已發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)代動植物最古老的祖先。對紅藻化石的年齡此前沒有形成統(tǒng)一看法，多數(shù)觀點認為它們生活在距今約12億年前。為了確定這種紅藻化石的年齡，研究人員專門到加拿大巴芬島收集包含這種紅藻化石的黑頁巖，并用錸鋨同位素測年法分析，認為紅藻化石有10.47億年的歷史。在確認紅藻化石年齡基礎上，研究人員用一種名為“分子鐘”的數(shù)學模型來計算基于基因突變率的生物進化事件。他們的結論是，約12.5億年前，真核生物開始進化出能進行光合作用的葉綠素。這被認為是“最早的光合作用”。

中國的光合作用研究自20世紀50年代開始，取得了長足的進展。如中國科學院上海植物生理研究所在光合作用能量轉換、光合碳代謝的酶學研究等方面，中國科學院植物研究所在光合作用的原初反應和光合色素蛋白復合體研究等方面都有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。盡管光合作用研究歷史不算長，但經過眾多科研工作者的努力探索，已取得了舉世矚目的進展，為指導農業(yè)生產提供了充分的理論依據。

對于“光合作用”，也許你“有所不知”

光合作用產生的氧氣是地球上生物所需的氧氣來源之一。氧氣是維持生命的必需品，沒有氧氣，地球上的生命將無法存在。光合作用產生的有機物質可以被植物利用，也可以被其他生物利用。植物利用這些有機物質作為能量來源，而其他生物則通過食物鏈將這些有機物質轉化為自己的生物物質和能量。

有關光合作用的研究獲得了不少于10個諾貝爾獎，不僅被稱為“地球上最重要的化學反應”，而且被稱為“地球上最常見的化學反應”。光合作用通常是指植物利用光能將二氧化碳和水轉化為糖和淀粉等有機物質，同時釋放氧氣的過程。它是大自然原始生產的源動力。

研究光合作用，對農業(yè)生產、環(huán)保等領域起著基礎指導的作用。知道光反應、暗反應的影響因素，可以趨利避害，如建造溫室，加快空氣流通，以使農作物增產。人們又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的兩面性，即既催化光合作用，又會推動光呼吸，正在嘗試對其進行改造，減少后者，避免有機物和能量的消耗，提高農作物的產量。當了解到光合作用與植物呼吸的關系后，人們就可以更好地布置家居植物擺設。比如晚上就不應把植物放到室內，以避免因植物呼吸而引起室內氧氣濃度降低。

在光合作用中，植物利用葉綠素等色素吸收太陽光，將光能轉化為化學能，再利用該化學能將二氧化碳和水轉化為葡萄糖等有機物質。綠色植物光合作用是地球上最為普遍的反應過程，在有機物合成、蓄積太陽能量和凈化空氣、保持大氣中氧氣含量和碳循環(huán)的穩(wěn)定等方面起很大作用，是農業(yè)生產的基礎，在理論和實踐上都具有重大意義。據估計，整個世界的綠色植物每天可以產生約4億噸的蛋白質、碳水化合物和脂肪，與此同時，還能向空氣中釋放出近5億多噸的氧，為人和動物提供了充足的食物和氧氣。

光合作用的發(fā)現(xiàn)距今已有200多年的歷史。已經有多位科學家在光合作用前沿的研究上頻頻獲得諾貝爾獎。光合作用的內在復雜機理至今仍被重重謎團籠罩。

地球上幾乎所有的生物，都是直接或間接利用這些能量作為生命活動的能源的。煤炭、石油、天然氣等燃料中所含有的能量，歸根到底都是古代的綠色植物通過光合作用儲存起來的。

地球上的生命，不過是“光照”的成果

植物通過光合作用制造有機物的規(guī)模是非常巨大的。據估計，地球上的植物每年合成約5000億噸的有機物。地球上的自養(yǎng)植物同化的碳素，40%是由浮游植物同化的，余下60%是由陸生植物同化的。人類所需的糧食、油料、纖維、木材、糖、水果等，無不來自光合作用，沒有光合作用，人類就沒有食物和各種生活用品。換句話說，沒有光合作用就沒有人類的生存和發(fā)展。

2018年6月，美國《科學》雜志刊登的一項新研究表明，藍藻可利用近紅外光進行光合作用，其機制與之前了解的光合作用不同。這一發(fā)現(xiàn)有望為尋找外星生命和改良作物帶來新思路。新研究發(fā)現(xiàn)，上述藍藻在有可見光的情況下，會正常利用“葉綠素- a ”進行光合作用，但如果處在陰暗環(huán)境中，缺少可見光時，就會轉為利用“葉綠素- f”，使用近紅外光進行光合作用。葉綠體由雙層膜、類囊體和基質三部分組成。類囊體是單層膜同成的扁平小囊，沿葉綠體的長軸平行排列。膜上含有光合色素和電子傳遞鏈組分，光能向化學能的轉化是在類囊體上進行的。光合作用中心，也稱反應中心，是進行原初反應的最基本的色素蛋白結構。光合作用中心可以認為是光能轉換的基本單位。

英國劍橋大學領導的國際研究團隊“破解”了光合作用最早階段的“秘密”，相關研究成果2023年3月22日發(fā)表在《自然》雜志上。植物、藻類和一些細菌將陽光轉化為能量的這一過程僅需要萬億分之一秒。研究還發(fā)現(xiàn)，負責光合作用的化學物質從分子結構中提取電子，可在光合作用初始階段實現(xiàn)，而不是像以前認為的在較晚階段才能實現(xiàn)。這種光合作用的“重新布線”可改善它處理過剩能量的方式，并創(chuàng)造出新的、更有效地利用其能量的方式。

此次發(fā)現(xiàn)的全新途徑，進一步打開了光合作用的黑匣子。研究人員說，他們能夠在光合作用過程的早期提取電荷，通過操作光合作用途徑，從太陽中產生清潔燃料，可使過程更有效率。此外，調節(jié)光合作用的能力可能意味著作物能夠更好地耐受強烈的陽光。

二氧化碳主要是通過氣孔進入葉片，加強通風或設法增施二氧化碳能顯著提高作物的光合速率。光合過程中的碳反應是由酶所催化的化學反應，而溫度直接影響酶的活性，因此，溫度對光合作用的影響也很大。除了少數(shù)的例子以外，一般植物可在10℃至35℃下正常地進行光合作用，其中以25℃至30℃最適宜。

科學家也一直在研究利用光合作用來幫助應對氣候危機，模仿這一過程從陽光和水中生產清潔燃料。盡管光合作用廣為人知，但這一過程仍然有“秘密”待破解。盡管光合作用的分子機理在100多年前就已經得到解釋，但光合作用過程仍然存在著一些尚待破解的難題。比如說植物是如何將陽光轉化為能量的，這個問題就一直沒有說明白。