李瑞祥　邵红能

光合作用被誉为地球上最重要的化学反应。太阳是万物之源，绿色植物需要依靠太阳进行光合作用，将二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并释放出氧气。每年光合作用所同化的太阳能约为人类所需能量的10倍。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。可以说，光合作用提供今天的主要能源。

绿色植物是一个巨型的能量转换站。光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。 其主要包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。

地球上的一切生命都离不开来自阳光的能量。每一天，植物都在进行着世界上最大规模的把太阳能变成化学能，把无机物變成有机物的生命活动。它每年吸收7000亿吨二氧化碳，合成5000亿吨有机物，为人类、动植物和无数微生物的生命活动提供食物、能量和氧气。

光合作用的“今生前世”

17世纪以前，普遍认为植物生长所需的全部元素是从土壤中获得的。17世纪中叶，荷兰科学家海尔蒙特（Van Helmont）进行了柳树盆栽实验。连续5年只浇水，柳树重量增加了75 kg，土壤质量只减少了60 g。因此，他错误地认为柳树生长所需的物质主要不是来自土壤，而是来自灌溉土壤的水。1771年，英国牧师、化学家普利斯特列（J. Priestley）进行密闭钟罩试验。他发现有植物存在的密闭钟罩内蜡烛不会熄灭，老鼠也不会窒息死亡。于是，在1776年，他提出植物可以“净化”空气。但是他不能多次重复他的实验，即表明植物并不总是能够使空气“净化”。荷兰医生英格豪茨（J.Ingenhousz）在普利斯特列研究的基础上进行了多次实验，发现普利斯特列实验不能多次重复的原因是他忽略了光的作用，植物只有在光下才能“净化”空气。以上三位科学家便是光合作用研究的先驱，一般以普利斯特列为光合作用的发现者，把1771年定为光合作用的发现年。1782年，瑞士人森尼别（Jean Snebier）用化学方法发现：二氧化碳是光合作用必需物质，氧气是光合作用产物。

1804年，索苏尔（Nicholes.Th.de.Saussare）证实了植物光合作用以二氧化碳和水作原料。1864年，萨克斯（Julius Sachs）发现只有照光时，叶绿体中的淀粉粒才会增大，指出光合作用的产物是氧气和有机物。

1990年，一种红藻化石在加拿大北极地区被发现，这种红藻是地球上已知的第一种有性繁殖物种，也被认为是已发现的现代动植物最古老的祖先。对红藻化石的年龄此前没有形成统一看法，多数观点认为它们生活在距今约12亿年前。为了确定这种红藻化石的年龄，研究人员专门到加拿大巴芬岛收集包含这种红藻化石的黑页岩，并用铼锇同位素测年法分析，认为红藻化石有10.47亿年的历史。在确认红藻化石年龄基础上，研究人员用一种名为“分子钟”的数学模型来计算基于基因突变率的生物进化事件。他们的结论是，约12.5亿年前，真核生物开始进化出能进行光合作用的叶绿素。这被认为是“最早的光合作用”。

中国的光合作用研究自20世纪50年代开始，取得了长足的进展。如中国科学院上海植物生理研究所在光合作用能量转换、光合碳代谢的酶学研究等方面，中国科学院植物研究所在光合作用的原初反应和光合色素蛋白复合体研究等方面都有所发现和创新。尽管光合作用研究历史不算长，但经过众多科研工作者的努力探索，已取得了举世瞩目的进展，为指导农业生产提供了充分的理论依据。

对于“光合作用”，也许你“有所不知”

光合作用产生的氧气是地球上生物所需的氧气来源之一。氧气是维持生命的必需品，没有氧气，地球上的生命将无法存在。光合作用产生的有机物质可以被植物利用，也可以被其他生物利用。植物利用这些有机物质作为能量来源，而其他生物则通过食物链将这些有机物质转化为自己的生物物质和能量。

有关光合作用的研究获得了不少于10个诺贝尔奖，不仅被称为“地球上最重要的化学反应”，而且被称为“地球上最常见的化学反应”。光合作用通常是指植物利用光能将二氧化碳和水转化为糖和淀粉等有机物质，同时释放氧气的过程。它是大自然原始生产的源动力。

研究光合作用，对农业生产、环保等领域起着基础指导的作用。知道光反应、暗反应的影响因素，可以趋利避害，如建造温室，加快空气流通，以使农作物增产。人们又了解到二磷酸核酮糖羧化酶的两面性，即既催化光合作用，又会推动光呼吸，正在尝试对其进行改造，减少后者，避免有机物和能量的消耗，提高农作物的产量。当了解到光合作用与植物呼吸的关系后，人们就可以更好地布置家居植物摆设。比如晚上就不应把植物放到室内，以避免因植物呼吸而引起室内氧气浓度降低。

在光合作用中，植物利用叶绿素等色素吸收太阳光，将光能转化为化学能，再利用该化学能将二氧化碳和水转化为葡萄糖等有机物质。绿色植物光合作用是地球上最为普遍的反应过程，在有机物合成、蓄积太阳能量和净化空气、保持大气中氧气含量和碳循环的稳定等方面起很大作用，是农业生产的基础，在理论和实践上都具有重大意义。据估计，整个世界的绿色植物每天可以产生约4亿吨的蛋白质、碳水化合物和脂肪，与此同时，还能向空气中释放出近5亿多吨的氧，为人和动物提供了充足的食物和氧气。

光合作用的发现距今已有200多年的历史。已经有多位科学家在光合作用前沿的研究上频频获得诺贝尔奖。光合作用的内在复杂机理至今仍被重重谜团笼罩。

地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。

地球上的生命，不过是“光照”的成果

植物通过光合作用制造有机物的规模是非常巨大的。据估计，地球上的植物每年合成约5000亿吨的有机物。地球上的自养植物同化的碳素，40%是由浮游植物同化的，余下60%是由陸生植物同化的。人类所需的粮食、油料、纤维、木材、糖、水果等，无不来自光合作用，没有光合作用，人类就没有食物和各种生活用品。换句话说，没有光合作用就没有人类的生存和发展。

2018年6月，美国《科学》杂志刊登的一项新研究表明，蓝藻可利用近红外光进行光合作用，其机制与之前了解的光合作用不同。这一发现有望为寻找外星生命和改良作物带来新思路。新研究发现，上述蓝藻在有可见光的情况下，会正常利用“叶绿素- a ”进行光合作用，但如果处在阴暗环境中，缺少可见光时，就会转为利用“叶绿素- f”，使用近红外光进行光合作用。叶绿体由双层膜、类囊体和基质三部分组成。类囊体是单层膜同成的扁平小囊，沿叶绿体的长轴平行排列。膜上含有光合色素和电子传递链组分，光能向化学能的转化是在类囊体上进行的。光合作用中心，也称反应中心，是进行原初反应的最基本的色素蛋白结构。光合作用中心可以认为是光能转换的基本单位。

英国剑桥大学领导的国际研究团队“破解”了光合作用最早阶段的“秘密”，相关研究成果2023年3月22日发表在《自然》杂志上。植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的这一过程仅需要万亿分之一秒。研究还发现，负责光合作用的化学物质从分子结构中提取电子，可在光合作用初始阶段实现，而不是像以前认为的在较晚阶段才能实现。这种光合作用的“重新布线”可改善它处理过剩能量的方式，并创造出新的、更有效地利用其能量的方式。

此次发现的全新途径，进一步打开了光合作用的黑匣子。研究人员说，他们能够在光合作用过程的早期提取电荷，通过操作光合作用途径，从太阳中产生清洁燃料，可使过程更有效率。此外，调节光合作用的能力可能意味着作物能够更好地耐受强烈的阳光。

二氧化碳主要是通过气孔进入叶片，加强通风或设法增施二氧化碳能显著提高作物的光合速率。光合过程中的碳反应是由酶所催化的化学反应，而温度直接影响酶的活性，因此，温度对光合作用的影响也很大。除了少数的例子以外，一般植物可在10℃至35℃下正常地进行光合作用，其中以25℃至30℃最适宜。

科学家也一直在研究利用光合作用来帮助应对气候危机，模仿这一过程从阳光和水中生产清洁燃料。尽管光合作用广为人知，但这一过程仍然有“秘密”待破解。尽管光合作用的分子机理在100多年前就已经得到解释，但光合作用过程仍然存在着一些尚待破解的难题。比如说植物是如何将阳光转化为能量的，这个问题就一直没有说明白。