第25章 学生生理发现的启迪(3)

谢尼伯主要的成就，是解决了二氧化碳和氧气的循环问题。这样，上面提到的封闭瓶中老鼠和绿色植物共存的问题，立即得到解释。老鼠呼吸时放出的二氧化碳被绿色植物吸收，绿色植物放出的氧气又作为老鼠呼吸之用。它们互相依赖，共同生存。

从18世纪中叶到19世纪初期，先后经历了将近一百年，才找到揭开“绿色工厂”之谜的一串钥匙。普利斯特列证明绿色植物会放出氧气，接着英根·浩斯证明太阳光是绿色植物吸收二氧化碳、放出氧气的必要条件，谢尼伯又证明空气中的二氧化碳是“绿色工厂”的基本原料之一。最后，由瑞士化学家赛逊尔于1804年用自己的科学实验，把上述各自独立的研究工作，统一起来，归纳成一个公式：

固定空气+水光绿色植物维持生命的空气

+植物性营养

这个公式用现代化学语言来表示，就是：

水+二氧化碳光叶绿体碳水化合物+氧气

这样，“绿色工厂”的原料、动力和产品等三大秘密，终于被英国、法国、瑞士、荷兰四个不同国籍和三种不同职业的人（其中一个牧师、两个医生和几个化学家），通过辛勤劳动而逐渐揭开了。

认识淀粉

“绿色工厂”的产品除了氧气，还有淀粉等碳水化合物。那么淀粉是怎样被认识的？

德国的植物生理学家朱里斯·萨克斯，是第一个认定“绿色工厂”的产品是淀粉的人。

朱里斯·萨克斯是一个酷爱植物的科学家。他对植物的生长和生活习性十分感兴趣。清晨，他给花草浇水的时候，常常对着色彩鲜艳的花团和迎风招展的枝叶沉思：如果植物合成的化合物主要是淀粉，那么淀粉通常是不溶于水和酒精的，但是一遇到碘，就会显出蓝色来。如果植物的“工厂”真的开在叶片内，那么，叶片里总该是有淀粉的啊！

他摘下多种绿色植物的叶片，把它们洗干净以后，放到盛有酒精的烧瓶里，然后加热，使叶肉里的叶绿素溶解在酒精中。这时候，绿叶变成黄白色，再用水冲洗一下，滴上一滴碘酒，果然，叶片显现出蓝色。朱里斯·萨克斯高兴地跳起来，他证实了这家奇妙的“工厂”就开在绿叶里面。

接着，他又选取一盆绿色植物，当天晚上，用不透光的小黑纸片把一片绿叶遮蔽起来。第二天，把花盆放在阳光下照射几小时。然后，把被黑纸片遮蔽的叶片和没被遮蔽的叶片同时摘下来，也用上面讲的方法进行实验。结果，朱里斯·萨克斯发现：在滴上碘酒以后，没有遮光的叶片变成蓝色，而遮光的叶片仍然呈现黄白色。这说明植物要制造淀粉，必须借助太阳光。

以前，瑞士牧师谢尼伯在实验中曾经证实，在阳光照射下绿色植物能把坏空气变好，又能把坏空气当作自己生活的养料。那么，这个坏空气和植物制造淀粉的过程有什么联系呢？朱里斯·萨克斯继续思考，并且以简陋的实验证明了这个坏空气（二氧化碳）是植物制造淀粉的必需原料。当时的实验设备和实验过程已无法查考。这个实验，我们现在是这样做的：

把两盆绿色植物放在暗处一两天，然后分别把它们放在特制的A、B两个玻璃钟罩内。罩底边是严密封闭的，罩口的软木塞上各插一支弯曲的玻璃管。A罩里放置一小株氢氧化钠溶液，上口的玻璃弯管装进小块的碱石灰（氢氧化钠加氧化钙）；B罩里放一小杯清水，上口的玻璃弯管装些小石块，空气可以自由地流动。然后，把它们移到阳光下照射几小时，再分别摘取叶片，照前面讲的方法进行检验。最后可以看到：A罩里的叶片没有变成蓝色，而B罩里的叶片变成了蓝色。这是由于A罩里有氢氧化钠和碱石灰，都是碱性的，它们吸收了空气中的二氧化碳，使A罩里几乎没有二氧化碳了；而在B罩里的空气中，含有正常含量的二氧化碳。这个实验充分说明：二氧化碳是绿色植物制造淀粉的必需原料。

朱里斯·萨克斯以三个关键性的实验，总结了19世纪以前科学家对“绿色工厂”的探索，进一步验证了凡·海尔蒙、英根·浩斯、谢尼伯分别提出关于水、二氧化碳和阳光是“绿色工厂”必需条件的理论的正确。

直到1896年，法国科学家贝尔纳斯在前人研究的基础上，给绿色植物这种独特的生理化学过程，命名为“光合作用”。

综观19世纪以前科学家探索“绿色工厂”的历史事实告诉我们：一个人在某些方面取得成就，总是离不开前人在这方面打好的基础。牛顿曾经说过：“如果说我比别人看得远些，那是因为我是站在巨人肩上的缘故。”也就是说，科学是有继承性的。了解前人的工作历史，才能懂得现代科学是怎样发展来的。

氧从何处来

唐代大诗人杜甫在《登高》一诗中写道：“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。”科学的发展犹如滚滚长江，后浪推前浪。到了20世纪，科学家就深入到“绿色工厂”内部，来窥探它的秘密了。

科学家通过实验已经证明了“绿色工厂”的原料是水和二氧化碳；又知道这两种物质里面都含有氧。那么，绿色植物进行光合作用放出来的氧是来自水呢，还是来自二氧化碳？这是一个十分有趣的问题。这个问题引起许多人争论了几十年。有人说来自二氧化碳，有人说来自水，众说纷纭，谁都拿不出确凿的证据来。

20世纪30年代开始，科学家对细菌的研究，大大推进了人们对植物光合作用的认识。细菌一般是寄生或腐生的，也就是依赖现成的有机物来生活的。当时发现，有些细菌有颜色，生活中需要光；有些细菌没有颜色，生活中不需要光。那么，这些有颜色、需要光的细菌是怎么生活的呢？和植物的生活有什么区别呢？

1930年，美国的凡·尼尔做了一个很重要的实验：他把有颜色的细菌分离纯化，发现紫色和绿色的细菌，完全能在无机培养液中生活，但是需要有三个重要条件，一是光，二是二氧化碳，三是硫化氢。如果没有硫化氢，也可以在亚硫酸钠、硫代硫酸钠等物质中生活。这样看，这些物质中必须含有硫。这就好像植物进行光合作用必须要有水一样。最后，凡·尼尔弄清楚了这些绿色和绿色的细菌在生活中，用二氧化碳和硫化氢作原料，在光的照射下，制成碳水化合物，并产生硫。它们同样是利用光能形成碳水化合物的。凡·尼尔指出，光合作用不是植物所特有的，有些细菌也利用色素来吸收光能，自己制造养料，这种细菌就叫做光合细菌。

凡·尼尔的发现，对进一步研究植物光合作用产物中的氧是来自哪里，提供了一个十分重要的研究方法，就是用不同生物的比较研究方法，进一步研究。

最后科学家推论出，在紫、绿色细菌的生活中，它们用二氧化碳和硫化氢作原料，产生碳水化合物和硫，这个硫必定来自硫化氢；植物在生活中，用二氧化碳和水作原料，产生碳水化合物和氧，这个氧一定来自水，而不是来自二氧化碳。

40年代，美国科学家鲁宾和卡门又通过实验取得了可靠的证据。

鲁宾和卡门用示踪物质来探查绿叶里的化学变化过程。他们用的示踪物质是氧和碳的同位素。同位素就是指同属一种元素，但是质量不同的原子，它们的化学性质几乎相同，在元素周期表中占同一位置。比如氧的同位素有16氧、18氧；碳的同位素有11碳、12碳、13碳、14碳等等。有些同位素还有特殊的放射射线的本领，比如11碳、14碳等等。

他们制备许多含有18氧的水，每天用这种水浇植物，结果植物在光合作用中放出的氧里面就带有18氧这种同位素。他们又用含有18氧的二氧化碳供给植物进行光合作用，所放出来的氧和普通的氧一样，几乎没有18氧这种同位素。所以，他们的实验表明，只有水，在光合作用中才会分开。换句话说，植物光合作用放出的氧是来自水，而不是来自二氧化碳。

卡尔文的贡献

在光合作用中，水被分解成氢和氧。放出来的氧，提供生物呼吸之用。那么氢又是怎样和二氧化碳结合，形成碳水化合物的呢？

解决这个问题，也是通过放射性同位素的实验来完成的。

在早期的实验中，使用11碳，它虽然有放射性，但是寿命很短，很不稳定，几乎在半小时左右就消失了，很难用它来进行研究。

1945年，在原子反应堆里出现了同位素14碳。它的寿命比较长，他很稳定，适合用来实验。

第二次世界大战以后，美国生物化学家卡尔文和本森领导的一个实验小组，把一种单细胞的绿藻放在含有14碳的二氧化碳里，经过短暂的暴露，目的是让绿藻进行最早阶段的光合作用。然后把细胞放在热酒精中杀死，再磨碎，涂抹在色谱纸上面进行分离，随即出现放射显影图，最后在纸上找出哪些点是放射性的，进一步研究这些物质的化学性质。

根据暴露的时间，他们发现仅仅一分半钟，在纸上就找出了十五种不同的放射性物质。种类太多了，不好研究，他们只好缩短暴露时间。后来只暴露5秒钟，结果在纸上找出五种放射性物质，其中有两种放射性很强。经过深入的研究，这两种物质都属于含有三个碳原子的物质，叫做磷酸甘油酸。

磷酸甘油酸的形成过程是比较复杂的。它再经过一系列的生物化学变化和许许多多的步骤，最后才形成了淀粉。

通过卡尔文的这个重要发现，人们才明白绿色植物在进行光合作用的时候，水里的氢和二氧化碳是怎样进行活动，最后形成碳水化合物的。

为了表彰卡尔文和他的同伴们十年的努力探索，瑞典科学院于1961年授予卡尔文诺贝尔奖金。

3.叶绿素的秘密

叶绿体

叶绿体好比工厂的车间。光合作用是在叶绿体上面进行的。

在电子显微镜下，可以看到叶绿体是椭球形的，周围有两层半透性的薄膜，它好像是“车间”的围墙。

叶绿体的面积大小不一，一般直径是5—10微米。叶绿体的外形和个体大小虽然千差万别，但是，“车间”内部的布置却有共同的特点，都像一层层重叠的云片，生物学家把它叫做叶绿体的片层结构，也叫层膜。片层里排列着叶绿素，就像澡塘里铺得整整齐齐的瓷砖那样。

用电子显微镜观察结果说明叶绿素不是均匀地分布在叶绿体里面的，而是集中在片层的光合膜上面。叶绿素在基粒上面有一定的排列顺序，才形成了片层结构。在片层结构上还有其他色素和蛋白质、脂肪等等。

叶绿体细胞里的色素很多，其中主要是绿色的叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素，另外还有花青素等等。有时候，花青素的量还会很多，甚至叶片的绿色都会被它所遮盖，比如秋天枫树的红叶，红苋菜的叶子都是红色的。

原来，红苋菜的绿色是隐藏在红色之中的。那红色是叶片所含花青素显示的颜色。花青素能溶解在水中，水温越高，它越溶解得快。而叶绿素却不溶于热水。因而，在沸水中，红苋菜就脱去红色的“外套”，露出绿“衬衣”——叶绿素来了。每年秋天枫树的红叶，那是因为气温下降，树叶里的叶绿素被破坏，花青素就显出了美丽的红色。

别看花青素把红苋菜打扮得这么鲜红妖艳，虽然它也吸收阳光，却不能进行光合作用；而默默无闻地制造养料的，却是隐居在花青素背后的叶绿素。只是由于花青素浓妆艳抹，色彩太鲜艳了，才把生产的“主人”——叶绿素遮盖住了。秋海棠、枫树等植物，它们的叶子是红褐色或紫红色的，原因也是这样。

当然，也有例外的。比如，深海里的藻类植物红藻，它生活在海底，不能直接吸收太阳的红光和蓝紫光，因为它们被海水吸收了。尽管红藻里含有叶绿素，可是“绿色工厂”还是不能开工生产。它被迫改装了生产“机器”，利用它身体里边的藻红蛋白和藻蓝蛋白，来帮助吸收透射力很强的蓝紫光，然后把能量传递给叶绿素来进行光合作用。这种只帮助叶绿素吸收光能的色素，叫做铺助色素。这种辅助色素在普通绿色植物中也是存在的。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b。叶绿素b不能进行光合作用，但它能吸收光能，然后把光能全部传给叶绿素a。高等植物“绿色工厂”中的辅助色素是叶绿素b，它是黄绿色的，所以叶片外表是绿的。红藻和褐藻（比如海带）的辅助色素是红的和褐色的，但进行光合作用的也是叶绿素a，尽管外表可以有各种颜色。

叶绿体是怎么样通过叶绿素吸收太阳光能的？对太阳光里的七色光吸收的情况又是什么样的？俄国著名的生物学家季米里亚捷夫用了30多年的时间，研究探索植物在光合作用中绿叶是怎样摄取太阳光的。当时，他的实验是这样做的：

拿来几只试管，每一只试管中各放一片大小相同的绿叶，并且封入一定量的二氧化碳。然后，把试管分别插到试管架上，试管之间用黑纸隔开，避免它们之间相互干扰。再取三棱镜一枚，把射进来的太阳光分散成红橙黄绿蓝靛紫七种颜色。让七色光分别照射到试管上面。经过三小时以后，测定试管中消耗二氧化碳的量和绿叶内含的淀粉量。结果发现：照射红光的试管里二氧化碳减少得最多，叶片制造的淀粉也最多，照橙光的次之，照蓝光的第三；而照射绿光的试管，里面的二氧化碳几乎没有减少，叶片里也找不到淀粉。这个实验告诉人们：绿叶有很强的吸收红光的能力，红光照射下的光合作用效率最高。

提取叶绿素

叶绿素吸收了光能以后，叶绿体才能进行光合作用。那么叶绿素是个什么样的物质，它有哪些物理和化学性质？只有把叶绿素提取出来才能进一步地研究它。

许多科学家进行了大量的研究工作，首先搞清楚几种叶绿素化学成分的人是威尔斯塔特。