光合作用——最普遍的化學反應

看著滿山遍野的野花，你或許覺得大自然太奢侈了，美好的東西似乎少一點才值得珍惜，因為“物以稀為貴”。在人們的印象中，重要的、美好的事物往往是最少的。但也不盡然，曾經獲得不下10次諾貝爾獎的光合作用， 不僅被譽為“地球上最重要的化學反應”，同時也是“地球上最普遍的化學反應”。

光合作用一般是指植物利用光能把二氧化碳和水轉化成糖、淀粉等有機物，同時放出氧氣的過程，是大自然進行原初生產的動力。葉綠體和細胞質是光合作用的主要場所。植物葉片之所以是綠色是因為包含葉綠體，所以有人認為只有葉片才能進行光合作用。其實，還有很多植物的組織和器官含有葉綠體，這是光合作用之所以普遍的根本原因。除綠色植物外，細菌、藻類甚至動物都會進行光合作用，本文將向大家揭示這一古老化學反應的奧秘。

種子光合作用

很多人喜歡吃扁豆，但你知道像扁豆一樣的種子除了具有傳遞遺傳物質的作用以外，它們還能夠像葉子一樣進行光合作用嗎？密歇根州立大學的科學家發現，油菜和大豆的種子能夠進行明顯的光合作用。研究人員發現，在有光條件下，重要光合酶的活性明顯比在黑暗環境中高，光合酶的激活能夠提高種子對二氧化碳的重吸收。他們進一步的研究還表明，種子進行光合作用的巨大好處是可以合成更多的脂肪酸。而且由于種皮具有明顯的遮光性，說明即使不太強的光照都會影響種子的品質。除了合成有機物和重新吸收二氧化碳以外，種子進行光合作用可以明顯提高種子內部的含氧量，降低缺氧癥狀。德國科學家發現，豌豆和大麥種子在發育早期能夠利用弱光進行光合作用，光線充足時，氧氣產量還會有盈余。

果實光合作用

沒有成熟的番茄果實能吃嗎？如果你不怕口感不佳，當然也可以嘗試一下。但在你下口之前，它可是一直在努力工作呢！它的工作之一就是光合作用——同化二氧化碳合成一些美味的營養物質。近期，科學家發現如果阻止果實進行光合作用，番茄的果實不僅個頭小，果實中含有的種子數也會減少，即影響了植物的正常繁殖。而對棉鈴（棉花的果實）光合作用的研究也發現了類似的現象。為了達到抑制棉鈴光合作用的目的，研究人員首先對棉鈴進行遮光處理，然后統計了棉鈴數量、種子重量等參數的差異。棉鈴遮光處理使棉鈴重量減少了24.1%，種子重量減少了35.9%，說明棉鈴如果不進行光合作用將嚴重影響棉花產量。番茄和棉鈴所進行的光合作用都是葉片光合作用之外的補充，但對于先花后葉的植物，如榆樹的翅果等，果實的光合作用會有什么樣的貢獻，目前還不得而知。但在對落葉松球果光合作用的研究中發現，嫩果表現出來的微小的凈光合速率，對生殖初期葉片（光合功能尚未完善）的生長具有重要意義。

東北林業大學王文杰等人在研究中發現，薇甘菊幾乎全身都是綠色，它的花、果、莖甚至根都能進行光合作用。我們平時吃的土豆如果暴露在光線下，就會迅速轉綠進行光合作用。植物對資源的利用真是“無所不用其極”。

苞葉光合作用

玉米是人見人愛的食物，但我們可能不知道它的美味也有最外層苞葉的功勞。玉米的苞葉不只是起到包裹玉米棒的保護作用，玉米苞葉在發育初期由于含有葉綠素，還能自力更生進行光合作用。

一般情況下，一種植物或者植物器官只能有一種光合途徑——C3、C4或者CAM中的一種。澳大利亞國立大學的科學家對玉米苞葉光合特性進行研究后，發現苞葉的光合能力較差，呈現出與葉片不太一樣的光合途徑。苞葉有一些C3植物的光合特點，不完全是C4途徑，這暗示著玉米或許是早期光合途徑分化的關鍵物種。目前困擾學界的一個科學問題是C3和C4植物的起源和它們的分化時間，所以擁有兩種光合途徑的植物為闡明這個問題提供了研究機會。

高山冰緣植物塔黃的苞葉也會進行光合作用。而且它的苞葉就像一個小小溫室，包裹著花蕊躲避寒冷的天氣，苞葉內外的溫差可以高達8～10℃，同時還隔絕了93%～98%的紫外線，有利于它在極端寒冷環境中繁衍后代。

樹皮光合作用

葉片、種子、果實都能給植物的生長發育出力，樹皮當然也不甘示弱。樹皮對植物生長的重要性，用一個例子就可以很好地說明了。澳大利亞達爾文大學的科學家發現，如果給桉樹的樹皮包上鋁箔阻止樹皮的光合作用，會增大水分輸送阻力，總體上減少了林分（指內部特征大體一致的一片樹林）木材產量的11%，這對于林業生產而言是相當大的損失。樹皮光合作用能夠重新同化（吸收二氧化碳轉變糖類物質的過程）樹干呼吸產生的二氧化碳，重新同化二氧化碳的比率一般在40%～100%，說明樹皮光合作用可以做到“零排放”，對緩解氣候變化也有貢獻。我們知道，一些植物光禿禿的嫩莖在嚴冬之后往往會增粗，其實，這也與樹皮進行的光合作用有關。枝條進行光合作用不僅可以幫助植物“活動筋骨”（輸送養料和水分），還會產生氧氣，減少植物體內呼吸作用耗氧過大造成的危害。澳大利亞的研究人員發現，人為去除樹葉之后，相比于沒有去葉的樹皮會固定更多的二氧化碳，好像樹皮知道葉片已經靠不住了，只能靠自己奮發圖強了。

動物光合作用

動物進行光合作用聽起來很新奇，但如果你知道光合作用的起源，或許就覺得沒什么值得大驚小怪了。植物的葉綠體在早期的進化階段是獨立，由于某個原因共生到葉肉細胞中才形成目前世界上多姿多彩的植物世界，這點從葉綠體是具有獨立功能的結構單元得到了證實。葉綠體中除了葉綠素，還有能夠傳遞電子的類胡蘿卜素。貌似沒有進化徹底的蚜蟲由于體內包含類胡蘿卜素，所以可以利用它進行光合電子傳遞，生成能量貨幣ATP，進行不完全的光合作用。原來，淺綠色的蚜蟲本領還真不小，它的“膚色”不完全為了擬態（與環境顏色接近），還可為自身提供能量。美國南佛羅里達大學的生物學家在對海蛞蝓的研究中發現，如果海蛞蝓進食足夠多的藻類之后，它就能夠“竊取”合成葉綠體的基因，從而實施光合作用。科學家把這種“一半植物一半動物”的海蛞蝓放在水族館養了幾個月，發現只要每天供給12小時的光照，它們在沒有食物的情況下也能存活。最重要的是，海蛞蝓的下一代繼承了這一特性，說明海蛞蝓自身合成葉綠體的行為是可遺傳的。有人據此聯想到，如果人體也能自動合成葉綠體是不是可以不用吃飯和工作了呢？受到蠑螈細胞與藻類共生的啟發，有人甚至想將海藻和人類的DNA結合在一起，使人類像魔幻小說中吃了“魚鰓草”在水中不必換氣的哈利·波特一樣，具備水棲能力。

人工光合作用

光合作用也并非是自然界的“專利”，美國辛辛那提大學的科學家使用南美洲泡蟾泡沫中的Ranaspumin-2蛋白質人工模擬了光合作用。在他們的反應系統中，二氧化碳被穩定地轉化成糖類分子，而此過程中沒有葉綠體或葉綠素的參與。而哈佛大學的科學家諾賽拉發明了更簡便易行的實用型“人工葉片”，這種“人工葉片”只是一種簡單的硅板，在有水源和光照的條件下產生氫氣和氧氣。據諾賽拉估計，1夸脫（約為1.36升）的水就可以讓100瓦的電燈泡亮上一天一夜。

那么科學家是怎么做到這些的呢？原來人們已經掌握了光合作用的具體作用機理。光合作用從表面上看只是把光能轉化成化學能的過程，其實它包含著眾多的反應步驟。籠統地講，光合作用包括光反應和暗反應，光反應包括光能的吸收、傳遞、轉換以及光合磷酸化；暗反應主要包括卡爾文循環——進行穩定化學物質的積累。人們通過模擬其每一步的光化學反應，基本上就能做到剛才提及的人工光合作用了。人工光合作用具有高效、簡單、穩定和可控的特點，如植物的光能利用率僅1%左右，而人工模擬的化學能轉化效率可以高達96%；植物的生物量積累受到天氣的影響，而人工光合系統卻可以沒日沒夜的工作。正是由于這些優勢，人工光合模擬被寄予厚望，以期解決世界糧食和能源問題。2010年美國能源部就撥出過億美元的經費用于資助人工光合作用的研究。

深入探究光合作用

光合作用本質上是利用幾種無機物合成新的有機物的過程，在綠色植物中最普遍。有意思的是，也并不是所有的植物都能進行光合作用，如列當屬和拉特雷屬等植物就不能進行光合作用，這些植物像蘑菇一樣進行腐生生活或者寄生。動物與人工光合作用是光合作用研究的一種向后延伸，而科學家往往也比較關心光合作用的起源。人們對光合機理的認識也在逐漸加深，如對光系統在埃米單位長度的結構進行解析（1納米=10埃米）；對不同光合蛋白基因的改造，在不同物種體內嘗試高效的光合表達系統；澳大利亞的陳敏博士等人發現了能吸收紅外光譜的第五種葉綠素f等。近期，美國、韓國、德國和澳大利亞等國的科學家完成了Cyanophora paradoxa基因組測序工作，發現一種類衣原體的細菌通過內共生在早期的光合演化中發揮過重要的作用，研究結果對人們認識光合作用的起源有一定的啟發。

光合作用從哪里來？又要到哪里去？光合作用精細機制的解析一直是人們孜孜求解的科學問題，無論最終的答案是什么，光合作用的重要性和普遍性已經得到了人們的一致認可。

【責任編輯】張小萌