温室效应与光合作用

遗传密码 2012-04-24

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1961年诺贝尔化学奖获得者——美国生物化学家梅尔文-艾利斯-卡尔文（Melvin.Ellis.Calvin）（1911-1997）

在东北，大约从冬至开始的一个月里是一年中最寒冷的时候了，每当寒流来袭，风刮在脸上都有刀割般的感受。可今年却是个暖冬，即便在所谓的“三九”天里，路旁的积雪在中午时分竟能悄然融化。于是，关于温室效应关于暖冬就又成了环保家们议论纷纷的话题。那么，正如事物所具有的辩证性那样，温室效应对我们的生存就没有哪怕是一丝一缕的积极作用吗？在科学如此进步的今天，我们如何能辩证地去看待温室效应，并充分地发挥我们的智慧化不利为有利呢？曾经写过一篇文章，并于某年将其中的两节刊载在某刊上，结果，这正如电影中的蒙太奇，竟使我文中的原旨荡然无存了。今将这陈年旧帐翻来，或可给大家一点启示也未可知。

温室效应，是耶？非耶？

珠穆朗玛峰的雪线在下降，南北两极的冰雪在融化，全球都在变暖！而造成这种局面的最主要温室气体——CO₂在大气中的含量却在继续增加。联合国环境计划署下属的政府间气候变化专业委员会曾有报告指出：工业革命前（1800年），大气中的CO₂浓度仅为280ppm，而仅仅过去了190年，到了1990年，这一数字已达到了353ppm，如果继续按照这样的速度排放温室气体的话，那么，到2030年前后，大气中CO₂的浓度将达到工业化前水平的2倍，那时，全球平均气温将升高3±1.5 ⁰C，并将直接影响着降水量及其分布。

为了减少温室气体的排放，控制全球变暖趋势的进一步发展，环保主义者们不得不奔走呼号，虽历万难而不悔，并最终促成多国政府于1997年12月在日本签署了旨在控制温室气体排放的《京都议定书》。然而，目前离该协议的正式生效还有很大的一段距离。

其实，目前排放的大量温室气体（主要为CO₂）绝大多数来源于煤和石油这类能源物质的消耗，而煤和石油又在当今世界的能源结构中占有支配地位。在新的替代能源被大规模利用前，各国政府是不可能以牺牲经济的发展来限制煤和石油的消耗的。因此，从这个意义上看，《京都议定书》无异于建立在沙丘上的楼阁。所以，问题的关键在于：一方面要加大开发新能源（如聚变能）的力度，另一方面，也要换一个角度对温室气体CO₂作一全面的审视。大气环境中不断增加的CO₂真的对我们的生存与发展就是百弊而无一利吗？环保主义者们描述的全球变暖所造成的物种灭绝景象图就没有一点形而上学进化论的危言耸听吗？适者生存，才是生命的进化之道。即便温室效应严重地威胁了我们现有的生存环境，我们是否能因势利导，变不利为有利，而最终化险为夷呢？

温室效应与光合作用

万物生长靠太阳。绿色植物（包括光合细菌）通过吸收太阳能来同化CO₂和H₂O，最终制造出大量的有机物和O₂的过程称作光合作用。仅地球上的自养生物每年就可同化约2×10¹¹吨的碳素或者相当于4~5千亿吨的有机物，而这些有机物正是包括我们人类在内的全部动物界赖以生存的物质基础。

光合作用不仅提供了大量的有机物，还可以将太阳能转变为化学能，贮藏在所形成的有机物中。如果把2×10¹¹吨碳素换算成能量，则相当于3×10²¹焦耳的能量。

作为植物光合作用的主要原料，大气中CO₂浓度的增加将有利于光合作用的进行。目前大气中CO₂浓度（353ppm）与植物光合作用的最适CO₂浓度（1000ppm）仍然相去甚远。植物生理学研究早已证明，增加大气中CO₂浓度，光合作用的效率就会随之而增加，并将提高植物的产量。在温室里，当空气中CO₂浓度提高到2400ppm时，水稻产量几乎增加一倍。而大豆仅在开花前至成熟期，将空气里的CO₂浓度提高到800——1200ppm，产量即可增加一半。由此可见，大气中CO₂浓度的提高将有利于植物光合效率与产量的提高，并因此可减少化学肥料的施用，从而降低环境污染。

植物在进行光合作用时，首先要把大气中的CO₂同化固定。如果植物将CO₂同化固定后的第一个产物是含有3个碳原子的化合物，则这类植物的光合作用碳素同化途径称为碳三途径（C₃途径），这类植物也被称之为C₃植物，如水稻、小麦、大豆、棉花等大多数植物。如果植物同化固定CO₂后的第一个产物是含有4个碳原子的化合物，则这类植物的光合作用碳素同化途径称为碳四途径（C₄途径），这类植物也被称为C₄植物，如玉米、高粱、甘蔗等。

C₃植物与C₄植物对CO₂浓度变化的光合生理反应是不同的，C₃植物比C₄植物更为敏感。在目前这种低CO₂浓度下，C₄植物的光合效率高于C₃植物，这也是目前C₄植物多是高产作物的原因。但当CO₂浓度增加时，C₃植物的光合效率将比C₄植物增加的更为明显。有研究显示，当大气中CO₂浓度是目前的2倍时，C₃和C₄植物叶片的净光合效率分别增加40%和5%。这将更有利于水稻、小麦这类粮食作物产量的增加。