植物光合作用的破解之谜

我们现在都知道，植物的叶片有光合作用，能把水和二氧化碳合成糖并放出氧气，然而人类对光合作用的科学认识，却经历了漫长的几百年。

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最早，人们以为植物是“吃土”长大的，因为植物的根长在泥土里，藏在地底下，而在上面你从未看到它吃什么。17世纪的比利时学者海尔蒙特（ J . B . van Helmont )，通过实验发现植物生长增加的质量几乎并不来自它们所扎根的土壤，而主要是来自灌溉它们的水，原来植物是喝水长大的。

再后来，英国学者黑尔斯（ S . Hales ）纠正了海尔蒙特的一个认识误区，认为植物增加的质量还有一部分来自空气。到19世纪初，科学家已经逐渐知道，植物在有光照的情况下才会“增重”，吸收水分和二氧化碳，产生构成它们机体的有机物，同时放出氧气。到1864年，德国植物学家萨克斯（ J . von Sachs ）确定，植物光合作用生成的主要产物是糖类。这样，光合作用的基本方程式就拼出来了：

二氧化碳＋水→糖类＋氧气

然而，就像生物的呼吸作用不是把糖在空气中点着，让它烧成二氧化碳和水的简单粗暴的过程，而是流程复杂、调节精细的一整套化学反应过程一样，只是把二氧化碳和水混在一起，用光一照，是不可能自动生成糖类和氧气的（否则，把汽水瓶放在阳光下，瓶中的汽水就该越来越甜了）。科学家们猜想，其背后肯定有非常复杂的过程。

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时间到了1939年，学术界对需氧生物都要进行的呼吸作用已经有了突破性理解，知道它的核心是一条环形流水线——柠檬酸循环。然而直到这个时候，英国生物化学家希尔（ R . Hill ）才刚刚发现，植物的光合作用是分两步进行的，第一步是“光反应”，必须有光照才能进行；第二步是“暗反应”，有光无光都不影响它发生，所以在暗处也能进行。

生物有氧呼吸柠檬酸循环的发现对全体生物化学家都是一个重大启发——原来生物体内的基本化学反应可以通过这种循环的流水线进行。既然呼吸作用是如此，人们不免猜测：光合作用大概也是如此吧？

事情的确是这样。美国生物化学家卡尔文（ M . E . Calvin ）的研究小组花了10年时间，最终在1954年提出了光合作用的暗反应也是一条环形流水线的理论，这就是著名的“卡尔文循环”。不过，比起柠檬酸循环来，卡尔文循环更复杂，因为这条环形流水线会在其中一个阶段分成几岔，生成多种多样的半成品，之后这几岔又复合为一了。

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说完暗反应，我们再来说光反应。光反应说白了，就是如何利用光能，把水分解成氢和氧气，同时把光能储藏在氢原子携带的电子里，传递到下一步的流水线。

虽然在最晴朗的天气里，强烈的阳光足以把人晒黑，甚至晒脱皮，但这个光强度还是不足以分解水，还得把能量再集中一下。植物细胞中专门进行光合作用相关化学反应的车间叫叶绿体，它里面含有多种色素。这些色素起的作用就是吸收光能，然后都把光能传递到一个中心进行聚焦。色素分子好比是能接收卫星信号并把微弱的无线信号聚集到一点上，从而获得比较强的信号的锅形天线，因而被形象地称为“天线分子”。

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如今，人们已经从包括蓝藻和陆生植物在内的绿色植物中分离出几十种能聚光的色素，其中最重要的是叶绿素 a 和叶绿素 b ，其次是 β﹣胡萝卜素，剩下的则都属于叶黄素类。在这些“天线分子”中，叶绿素 a 是主角，能够聚焦大量的光能，叶绿素 b 是叶绿素 a 的好伴侣。在可见光波段，这两种叶绿素喜欢吸收红光和蓝光，对绿光却比较排斥，把绿光反射回去，所以我们看上去叶片总是绿色的。

相比之下，β﹣胡萝卜素和叶黄素类传递光能的本领不强，但它们和维生素 C 一样，是很好的抗氧化剂，可以有效帮助细胞叶绿体在强光条件下免受光合作用释放的高活性氧的危害，所以也起着重要作用。这两类色素主要吸收紫外光和蓝光，却把其他可见光都反射回去，所以呈现橙、黄等颜色。

当然，时至今日，光合作用反应的具体细节还没有完全被揭开，但离真相彻底大白已为期不远。也许在我们的有生之年，就可以人为造出光合作用系统，大量生产糖类，而不再仰仗植物的恩惠。

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有意思的是，为什么这种神奇的光合作用反应会出现在植物身上？科学家推测这主要得益于更古老的蓝细菌——蓝藻，这种蓝细菌是天生的光合作用能手。蓝细菌是远古时期地球上数量最多的“放氧光合生物”。地球大气在24.5亿年前的“大氧化事件”中积累到的氧，都是蓝细菌释放的。

后来，有一种以吞食细菌为生的原始单细胞真核生物，在吞食蓝细菌之后出了点意外——蓝细菌没有被消化掉，而是在它肚子里继续存活。结果，这二者从此竟然和平共处、分工合作起来，蓝细菌负责制造养分，而真核生物负责给蓝细菌提供安全的生存环境。久而久之，蓝细菌变成叶绿体，而这种真核生物成了植物的祖先，最终演化出灰藻、红藻、绿藻、陆生植物等丰富多彩的植物。

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