光合作用:藍色星球上生命大廈之基石!

春夏交際之間,陽光明媚,四處一片生機盎然,即便我們現在處在疫情的封鎖之下,但是生命的故事又一次在萌發!

當我第一次知道植物光合作用可以產生我們賴以生存的能源物質(糖類)時,我就一直想入非非:如果人也只需要曬曬太陽就“飽了”,是不是會很美好!

顯然,這只不過是年少時的我,在毫無基礎的前提下,漫無目的地遐想。

然而,實際上,我的這種想法其實很多偉大的科學家早就“暢想”過了。

而針對光合作用的重大科學研究,就足足誕生了六枚諾爾貝獎,可見光合作用對於人類認知世界的重要性。

發現光合作用歷史年鑑

17世紀以前,人們看到植物將根系插入土壤,故不假思索地認為,植物生長的所有元素應該都來自於土壤。

17世紀中葉,荷蘭科學家Van Helmont在大盆裡種了一顆柳樹,然後連續給它澆水,等柳樹長大以後,他將柳樹稱重得到75kg,而土壤只減少了60kg。

Helmont很好奇植物額外多出來的15kg應該來自哪?但是,很可惜,他簡單地認為這部分重量來自灌溉的水。

而1771年,英國化學家J·Priestley將老鼠和蠟燭放在一個密閉的鐘罩裡,老鼠很快會死亡,而蠟燭會熄滅。隨後,他在密閉鐘罩裡放了植物,結果老鼠沒有死,而蠟燭也不會熄滅。

於是,Priestley得出結果:“植物可以淨化空氣!”

但是,令Priestley比較苦惱地是,他後來重複了好多試驗,結果並不能總得到一致的結論。

那是因為他第一次做實驗時,是在有光照的情況下做的,而其它幾次卻是沒有在光照下進行的。

後來,荷蘭醫生J. Ingenhousz通過多次試驗,指出了這一點。

也就是,從那開始,光合作用被人類發現了。

1782年,瑞士人Jean Snebier用化學方法發現:二氧化碳是光合作用必需物質,氧氣是光合作用產物。

1804年,瑞士人N. T. De Saussure通過詳細試驗和稱重,證實光合作用還有水參與反應。

1864年,J. V. Sachs發現照光葉片遇碘會變藍,證明光合作用形成碳水化合物(澱粉)。

也就是說,人們到此之時,基本知道光合作用的原料是空氣中的二氧化碳和土壤中的水,通過光照,產物有糖和氧氣。

但是,人們對於光合作用的具體機制還不清楚。

上世紀初,隨著顯微鏡等技術的發展,終於在1915年,Wilstatter提取出植物的光合作用的結構單位——葉綠體。

於是,Wilstatter獲得了諾爾貝獎(第一枚)。

光合作用:藍色星球上生命大廈之基石!

光合作用:藍色星球上生命大廈之基石!

隨後不久,英國和德國的科學家,用藻類做實驗表明,光合作用可以分為兩個階段:需要光參與的光反應階段和不需要光的暗反應階段。

上世紀中葉,M. Calvin等人用同位素碳研究光合反應,詳細闡明瞭二氧化碳中碳的去向。

因其試驗方法對於以後的分子生物研究,具有重大意義,同時也為進一步闡述光合作用,於是1961年,M. Calvin獲得諾貝爾獎(第二枚)。

後來,人們運用類似方法,確定了光合作用中的兩條途徑:C4途徑(甘蔗、玉米等植物的光合作用途徑)和景天科酸代謝途徑(菠蘿等植物的光合作用途徑)。

但是,此時人們因為試驗的複雜性,還沒有發現完整發現植物界最為常見的C3途徑。

1954年,美國科學家D. I. Arnon等通過試驗分析認為,光反應可以產生一種“同化力”去推動暗反應進行,而暗反應的的實質就是利用這種“同化力”將無機碳(二氧化碳)轉化為有機碳(糖)。

1960年,Hill等人提出了雙光系統的概念,把吸收長波光的系統稱為光系統Ⅰ(PSⅠ),吸收短波長光的系統稱為光系統Ⅱ(PSⅡ)。

1965年,R. B. Woodward在實驗室人工合成葉綠素分子,被授予諾貝爾獎(第三枚)。

1980年代末期,Deisenhofer等測定了光合細菌反應中心結構,取得了解膜蛋白複合體細節及光合原初反應研究的突出進展,獲得了1988年的諾貝爾獎(第四枚)。

1992年,Marcus因研究包括光合作用電子傳遞在內的生命體系的電子傳遞理論而獲得諾貝爾獎(第五枚)。

1990年代末,催化光合作用的光合磷酸化和呼吸作用的氧化磷酸化的酶的動態結構與反應機理研究獲得了重大進展。Walker和Boyer獲得了1997年的諾貝爾獎(第六枚)。

光合作用的過程


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