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光合作用-1
日期:2001年07月24日     

    地球上的一切生命都離不開來自陽光的能量。每一天,植物都在進行著世界上最大規模的把太陽能變成化學能,把無機物變成有機物的生命活動。它每年吸收7000億噸二氧化碳,合成5000億噸有機物,為人類、動植物和無數微生物的生命活動提供食物、能量和氧氣。這種生命活動被稱為地球上最重要的化學反應,它就是光合作用。

    第一集 葉子的秘密

    一粒種子播灑在泥土中,它就會生根,發芽,成長起來。有的植物生長很迅速。玉米在拔節的時候,一夜可增高8厘米;有些竹子一天可以生長40多厘米。植物何以會生長呢?對這個問題,人們很早以前就有了答案——植物當然是吸收土壤中的養分才生長起來的。這個答案很符合我們的經驗——因為肥沃土壤中的植物總是生長得更好些。但事實并不是這樣,植物的卻從土壤中吸收了水分和少量的無機鹽,但它的生長主要依靠的是空氣。

    1771年美國化學家普利斯利所做的一個實驗,他把一支點燃的蠟燭放進密閉的玻璃瓶里,蠟燭很快就熄滅了。如果瓶中放有小老鼠,老鼠很快就會死去。而如果瓶中放有植物,蠟燭不會很快熄滅老鼠也不會死去。這個簡單的實驗說明了植物的生命活動與空氣有密切的關系,這是人類用科學方法研究光合作用的開端。

    在后來的一百多年時間里,科學家們又進行了一系列實驗,證明了植物的綠色部分,特別是葉子,在陽光照射下,能吸收水分和二氧化碳,合成自身生長所需要的碳水化合物,并放出氧氣。這樣,植物生長的物質來源終于被人類所了解。我們今天所知的光合作用的總反應式也在1868年第一次寫進了教科書。原來不為人們所重視的葉子,就這樣走進了生命科學的視野。

    光合作用是植物特有的生命現象。植物的葉子看起來很平常,但它卻是一個從事光合作用的工廠。

    葉子的結構十分精妙。薄薄的一片葉子縱向切開,卻可以發現它有著繁復的層次。

    葉片的最外層是表皮。在表皮上分布著許多小孔。它們被稱為氣孔。氣孔可以開關,控制著葉片內、外的氣體交換。

    在葉片內部是葉肉組織,由許多葉肉細胞組成。

    葉脈在葉肉中貫穿著,它不僅支撐著葉片,使之伸展,更重要是葉脈承擔著輸導組織的作用。它把由根系吸收來的水分和無機鹽運送到葉片的各個部分,也把葉片進行光合作用時所合成的有機物運輸到植物的其它器官加以利用或存貯。

    在光學顯微鏡下能看到葉肉細胞,在葉肉細胞中含有許多綠色的小顆粒,它們是葉綠體?茖W家對葉綠體進行了長時間的研究,并在20世紀60年代從葉片證明,分離出來的葉綠體在試管里,可以把二氧化碳和水合成為碳水化合物,并釋放出氧氣。這樣,人們就發現光合作用原來是在小小的葉綠體里發生的。

    一個葉肉細胞通常含有幾十個甚至幾百個葉綠體。在1克菠菜葉片中大約含有4億個葉綠體。葉肉中含有如此之多的葉綠體,葉片便可以盡情的吸收陽光中的能量,旺盛的進行光合作用。

    而葉綠體內部的秘密,也就是植物究竟是怎樣進行光合作用的,就是20世紀最激動人心的科學問題。

    第二集 在葉綠體里

    秋天,地球上的許多植物開始退去它們的綠裝,大地變得五彩繽紛,這種大自然時令變化的現象究竟是怎么回事呢?這還得從葉綠體說起。

    葉綠體是植物細胞里進行光合作用的一個細胞器,它的個頭太小了。所以,直到電子顯微鏡發明之后,人們才看到它的真實面目。

    高等植物的葉綠體通常呈橢圓形,進入葉綠體的內部,可以看到里面懸浮著許多封閉的囊袋狀的生物膜,它們被形象地稱為類囊體。類囊體在許多地方會像硬幣一樣摞在一起,在類囊體上分布著許多蛋白質顆粒,有的嵌入類囊體內部,有的附著在類囊體的表面上。如果把類囊體切下一小塊,放大了來看,就可以看到構成類囊體膜的油脂類分子,象是由尾巴相對的蝌蚪排列而成的,那些蛋白質顆粒鑲嵌其間,形態各異,在光合作用中的功能也各不相同。有的負責吸收太陽光能把太陽光能變為電能,有的負責把電能轉化為化學能,還有的幫助植物細胞制造出碳水化合物。當代生命科學里一個競爭激烈的領域就是弄清這些蛋白質顆粒的內部構造。

    植物只有吸收了陽光中的能量才能進行光合作用.一些含有光合色素的蛋白質就是負責這項工作的。

    最常見的光合色素就是葉綠素。葉綠素是綠色的,而其他光合色素有的呈黃色,有的呈紅色.平時,植物中其他色素的顏色被葉綠素的顏色所覆蓋,植物的葉子看起來就都是綠色的.秋天,氣溫下降,使一些植物中含有的葉綠素和蛋白質分子解體,其他光合色素的顏色便顯現出來,于是,葉子就由綠變黃或變紅了.這種大自然時令變遷的標志,其實是葉綠體內色素和蛋白的一種變化.

    由于葉綠素是吸收太陽光能的最主要色素,所以,當葉綠素解體后,植物吸收太陽光能的功能就逐漸降低,沒有太陽光能,植物的生命活動就進入了休眠期,葉子枯萎飄零,只有枯枝在風中瑟瑟抖動。來年春天,大地回暖,植物長出了新的葉片,葉綠素又開始合成,并旺盛的吸收太陽光能,世界才又充滿生機。陽光與植物生命的輪回,就是通過葉綠素聯系在一起的。

    葉綠素在完成吸收太陽光能的任務時,有著精確的分工。大約300個葉綠素分子項漏斗一樣排列在一起,他們象天線吸收電波一樣,吸收不同波長的光,并把能量傳遞出去。葉綠素分子之間的能量傳遞遵守從能量較高的分子到能量較低的分子的原則,這就使光能的傳遞系統成為一個類似陷阱或漏斗的裝置。所有的能量最后都傳遞到了一兩個葉綠素分子上面, 這一兩個葉綠素分子接受了這些來自陽光的能量,并在瞬間把光能變成了電能。這種奇妙的變化深深吸引著科學家,他們給那一兩個與蛋白質結合在一起,能把太陽光能變成電能的葉綠素分子取了一個名字,叫反應中心色素蛋白。

    高等植物的葉綠體里的蛋白質有很多種,其中把光能變成電能,再轉變為化學能的共有五個內部含有許多蛋白質的蛋白復合體,把二氧化碳變成碳水化合物的則有上百種蛋白質。光合作用的奧秘就埋藏在這些蛋白質里.

    這就是我們日常所見的綠色生命,它無比平凡卻又無比精致。

    第三集:能量轉化的魔術

    衛星上的太陽能電池板,展開以后有十幾米長,這樣的龐然大物在太空里飛行當然很壯觀,可這也實在是一種無奈之舉,因為人類制造的太陽能電池對太陽光能的轉化率還不到20%,便只好以面積的巨大來滿足數量的需要。植物的葉子也把太陽能轉化為電能,但它們卻比人類作的好得多。

    葉綠體中把太陽光能變成電能及化學能的,是一些特殊的蛋白質分子。他們吸收陽光中的能量之后,能級增高,發生電荷分離,并釋放出一個電子。光能就變成了電能。(暫時固定了激發能,這是形成穩態化學能的第一步)這一切是在極短的瞬間發生的,這一瞬間究竟有多短呢?科學家們測出的結果是一千億分之一秒。植物把光能變為電能時幾乎沒有任何損耗,能量轉化率接近百分之百。這是人類的太陽能電池遠遠做不到的。

    植物把光能變為電能時釋放出的電子,開始了一次漫長的接力旅行.它首先傳遞給鄰近的一個化合物,這個化合物在接受電子的同時,又放出一個電子給下一個化合物,這樣依次傳遞,大約要經過19個化合物才能到達終點。這次旅行的空間跨度是1/100萬毫米的類囊體膜,時間是千分之秒。

    這次電子旅行的結果是使兩塊蛋白利用電子傳遞的能量以及質子的流動,生成了兩種高能量的化合物,它們分別叫還原輔媒二和ATP。其中ATP是一種廣泛存在于包括人在內的生命物質體內的能量形式。我們吸收的能量都先轉化成ATP,然后再變為碳水化合物;而當我們消耗能量時,碳水化合物被氧化,也先轉化成ATP,然后再變成二氧化碳等物質,特別是在劇烈運動時,中會伴隨ATP的大量合成與消耗。所以,人們稱ATP是生物體內能量的通用貨幣。這也足見它對生命的重要。

    還原輔酶二和ATP的生成,標志著植物把光能變成電能之后,又把它們轉化成了化學能。它們將被用作植物把二氧化碳變成碳水化合物的動力.這就是植物在葉子里進行能量轉化的魔術.人類也會一些能量轉化的魔術(比如電池),可這些魔術的副產品卻常常給人類帶來揮之不去的煩惱,比如環境污染。

    而植物在把太陽光能轉化為電能時,產生的是氧和氫.那些吸收光能,放出電子,把光能變為電能的蛋白質分子,想要找回失去的電子,于是它到植物體內的水中去奪取電子,把水氧化成游離態的氧氣和氫離子.地球上所有生物需要的氧氣都是從這里來的。

    水是很舍不得它們的電子的.人類要把水變成氧和氫需要很強的電流或大約2000度的高溫。而植物在常溫下,利用可見光所含的很少的一點能量就做到了這一點,這的確使人感到不可思議。人們已經知道氫氣可以作為高效的無公害燃料,如果能模仿光合作用利用光能產生氫氣,將使 人類完全擺脫目前遇到的能源危機、環境污染、溫室效應等社會問題。

    小小的一片葉子竟如此奧秘無窮,這種在我們看來最為平靜的生命,其內部的生命運動卻如此變幻萬千。其中值得人類學習的東西有很多很多。

      
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