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光合作用

花匠小妙招
2024-11-17 18:49

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，把无机物变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。这种生命活动被称为地球上最重要的化学反应，它就是光合作用。

第一集叶子的秘密

一粒种子播洒在泥土中，它就会生根，发芽，成长起来。有的植物生长很迅速。玉米在拔节的时候，一夜可增高8厘米；有些竹子一天可以生长40多厘米。植物何以会生长呢？对这个问题，人们很早以前就有了答案——植物当然是吸收土壤中的养分才生长起来的。这个答案很符合我们的经验——因为肥沃土壤中的植物总是生长得更好些。但事实并不是这样，植物的却从土壤中吸收了水分和少量的无机盐，但它的生长主要依靠的是空气。

1771年美国化学家普利斯利所做的一个实验，他把一支点燃的蜡烛放进密闭的玻璃瓶里，蜡烛很快就熄灭了。如果瓶中放有小老鼠，老鼠很快就会死去。而如果瓶中放有植物，蜡烛不会很快熄灭老鼠也不会死去。这个简单的实验说明了植物的生命活动与空气有密切的关系，这是人类用科学方法研究光合作用的开端。

在后来的一百多年时间里，科学家们又进行了一系列实验，证明了植物的绿色部分，特别是叶子，在阳光照射下，能吸收水分和二氧化碳，合成自身生长所需要的碳水化合物，并放出氧气。这样，植物生长的物质来源终于被人类所了解。我们今天所知的光合作用的总反应式也在1868年第一次写进了教科书。原来不为人们所重视的叶子，就这样走进了生命科学的视野。

光合作用是植物特有的生命现象。植物的叶子看起来很平常，但它却是一个从事光合作用的工厂。

叶子的结构十分精妙。薄薄的一片叶子纵向切开，却可以发现它有着繁复的层次。

叶片的最外层是表皮。在表皮上分布着许多小孔。它们被称为气孔。气孔可以开关，控制着叶片内、外的气体交换。

在叶片内部是叶肉组织，由许多叶肉细胞组成。

叶脉在叶肉中贯穿着，它不仅支撑着叶片，使之伸展，更重要是叶脉承担着输导组织的作用。它把由根系吸收来的水分和无机盐运送到叶片的各个部分，也把叶片进行光合作用时所合成的有机物运输到植物的其它器官加以利用或存贮。

在光学显微镜下能看到叶肉细胞，在叶肉细胞中含有许多绿色的小颗粒，它们是叶绿体。科学家对叶绿体进行了长时间的研究，并在20世纪60年代从叶片证明，分离出来的叶绿体在试管里，可以把二氧化碳和水合成为碳水化合物，并释放出氧气。这样，人们就发现光合作用原来是在小小的叶绿体里发生的。

一个叶肉细胞通常含有几十个甚至几百个叶绿体。在1克菠菜叶片中大约含有4亿个叶绿体。叶肉中含有如此之多的叶绿体，叶片便可以尽情的吸收阳光中的能量，旺盛的进行光合作用。

而叶绿体内部的秘密，也就是植物究竟是怎样进行光合作用的，就是20世纪最激动人心的科学问题。

第二集在叶绿体里

秋天，地球上的许多植物开始退去它们的绿装，大地变得五彩缤纷，这种大自然时令变化的现象究竟是怎么回事呢？这还得从叶绿体说起。

叶绿体是植物细胞里进行光合作用的一个细胞器，它的个头太小了。所以,直到电子显微镜发明之后,人们才看到它的真实面目。

高等植物的叶绿体通常呈椭圆形，进入叶绿体的内部，可以看到里面悬浮着许多封闭的囊袋状的生物膜，它们被形象地称为类囊体。类囊体在许多地方会像硬币一样摞在一起，在类囊体上分布着许多蛋白质颗粒，有的嵌入类囊体内部，有的附着在类囊体的表面上。如果把类囊体切下一小块，放大了来看，就可以看到构成类囊体膜的油脂类分子，象是由尾巴相对的蝌蚪排列而成的，那些蛋白质颗粒镶嵌其间，形态各异,在光合作用中的功能也各不相同。有的负责吸收太阳光能把太阳光能变为电能,有的负责把电能转化为化学能,还有的帮助植物细胞制造出碳水化合物。当代生命科学里一个竞争激烈的领域就是弄清这些蛋白质颗粒的内部构造。

植物只有吸收了阳光中的能量才能进行光合作用.一些含有光合色素的蛋白质就是负责这项工作的。

最常见的光合色素就是叶绿素。叶绿素是绿色的,而其他光合色素有的呈黄色,有的呈红色.平时,植物中其他色素的颜色被叶绿素的颜色所覆盖,植物的叶子看起来就都是绿色的.秋天,气温下降,使一些植物中含有的叶绿素和蛋白质分子解体,其他光合色素的颜色便显现出来,于是,叶子就由绿变黄或变红了.这种大自然时令变迁的标志,其实是叶绿体内色素和蛋白的一种变化.

由于叶绿素是吸收太阳光能的最主要色素，所以，当叶绿素解体后，植物吸收太阳光能的功能就逐渐降低，没有太阳光能，植物的生命活动就进入了休眠期，叶子枯萎飘零，只有枯枝在风中瑟瑟抖动。来年春天，大地回暖，植物长出了新的叶片，叶绿素又开始合成，并旺盛的吸收太阳光能，世界才又充满生机。阳光与植物生命的轮回，就是通过叶绿素联系在一起的。

叶绿素在完成吸收太阳光能的任务时,有着精确的分工。大约300个叶绿素分子项漏斗一样排列在一起,他们象天线吸收电波一样,吸收不同波长的光,并把能量传递出去。叶绿素分子之间的能量传递遵守从能量较高的分子到能量较低的分子的原则，这就使光能的传递系统成为一个类似陷阱或漏斗的装置。所有的能量最后都传递到了一两个叶绿素分子上面, 这一两个叶绿素分子接受了这些来自阳光的能量,并在瞬间把光能变成了电能。这种奇妙的变化深深吸引着科学家,他们给那一两个与蛋白质结合在一起，能把太阳光能变成电能的叶绿素分子取了一个名字,叫反应中心色素蛋白。

高等植物的叶绿体里的蛋白质有很多种，其中把光能变成电能,再转变为化学能的共有五个内部含有许多蛋白质的蛋白复合体，把二氧化碳变成碳水化合物的则有上百种蛋白质。光合作用的奥秘就埋藏在这些蛋白质里.

这就是我们日常所见的绿色生命，它无比平凡却又无比精致。

第三集:能量转化的魔术

卫星上的太阳能电池板，展开以后有十几米长，这样的庞然大物在太空里飞行当然很壮观，可这也实在是一种无奈之举，因为人类制造的太阳能电池对太阳光能的转化率还不到20%，便只好以面积的巨大来满足数量的需要。植物的叶子也把太阳能转化为电能，但它们却比人类作的好得多。

叶绿体中把太阳光能变成电能及化学能的,是一些特殊的蛋白质分子。他们吸收阳光中的能量之后,能级增高,发生电荷分离,并释放出一个电子。光能就变成了电能。（暂时固定了激发能，这是形成稳态化学能的第一步）这一切是在极短的瞬间发生的,这一瞬间究竟有多短呢?科学家们测出的结果是一千亿分之一秒。植物把光能变为电能时几乎没有任何损耗,能量转化率接近百分之百。这是人类的太阳能电池远远做不到的。

植物把光能变为电能时释放出的电子,开始了一次漫长的接力旅行.它首先传递给邻近的一个化合物,这个化合物在接受电子的同时,又放出一个电子给下一个化合物,这样依次传递,大约要经过19个化合物才能到达终点。这次旅行的空间跨度是1/100万毫米的类囊体膜,时间是千分之秒。

这次电子旅行的结果是使两块蛋白利用电子传递的能量以及质子的流动,生成了两种高能量的化合物,它们分别叫还原辅媒二和ATP。其中ATP是一种广泛存在于包括人在内的生命物质体内的能量形式。我们吸收的能量都先转化成ATP，然后再变为碳水化合物；而当我们消耗能量时，碳水化合物被氧化，也先转化成ATP，然后再变成二氧化碳等物质，特别是在剧烈运动时，中会伴随ATP的大量合成与消耗。所以，人们称ATP是生物体内能量的通用货币。这也足见它对生命的重要。

还原辅酶二和ATP的生成，标志着植物把光能变成电能之后，又把它们转化成了化学能。它们将被用作植物把二氧化碳变成碳水化合物的动力.这就是植物在叶子里进行能量转化的魔术.人类也会一些能量转化的魔术(比如电池),可这些魔术的副产品却常常给人类带来挥之不去的烦恼,比如环境污染。

而植物在把太阳光能转化为电能时,产生的是氧和氢.那些吸收光能,放出电子,把光能变为电能的蛋白质分子,想要找回失去的电子,于是它到植物体内的水中去夺取电子，把水氧化成游离态的氧气和氢离子.地球上所有生物需要的氧气都是从这里来的。

水是很舍不得它们的电子的.人类要把水变成氧和氢需要很强的电流或大约2000度的高温。而植物在常温下，利用可见光所含的很少的一点能量就做到了这一点，这的确使人感到不可思议。人们已经知道氢气可以作为高效的无公害燃料,如果能模仿光合作用利用光能产生氢气,将使人类完全摆脱目前遇到的能源危机、环境污染、温室效应等社会问题。

小小的一片叶子竟如此奥秘无穷，这种在我们看来最为平静的生命，其内部的生命运动却如此变幻万千。其中值得人类学习的东西有很多很多。