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。