他用紅光作光源來測量一種低等植物小球藻的光合作用效率。他從光量計上得到用去的光能,從氣壓計中讀出氧氣的含量,第一次測出小球藻每吸收四個光量子,就放出一個氧氣分子。他根據計算,得出植物對紅光的光合作用效率是70%,即吸收的光能有70%變為化學能。於是,瓦布格熱情洋溢地讚美“綠色工廠”,說它是世界上獨一無二的效率最高的工廠,是完美無瑕的。瓦布格實驗的結論,曾得到科學界的公認,在十多年內居於權威地位。
然而,他的學生——美國生物化學家愛默生卻對老師的結論提出挑戰。愛默生懷疑“綠色工廠”有那麼高的效率,認為植物吸收的光能一定有所消耗。於是,他同美國幾位化學家細心地驗證並重複老師的實驗,得出和老師不同的結論:植物吸收八個光量子才能放出一個氧分子,即植物對紅光的光合作用效率隻有35%。愛默生認為兩者之所以相差一半,那是因為瓦布格老師在實驗方法上存在問題。
這麼一來,師生之間便展開了一場爭論。不久,愛默生熱情邀請瓦布格老師到美國來共同研究,瓦布格欣然前往。但由於在設計實驗的方法上產生分歧,師生沒有取得一致的意見,致使這場爭論延續十年之久。
直到1986年,美國生物化學家本森在加利福尼亞州,利用最先進的技術——電子光量計和氣壓計,測出了和愛默生相近的數據。本森認為“綠色工廠”的生產程序非常複雜,而且以極快的速度進行著,其間必然有能量的消耗,就像機械運轉要克服摩擦力所消耗的能那樣。因而,就是對“綠色工廠”最合適的紅光,它的生產效率最高也隻有35%左右。
在自然條件下,“綠色工廠”是利用太陽光生產的。前麵講過,照射到大地上的陽光的可見光部分由七色光組成。葉片對各色光的利用效率是不同的,計算起來理論上的最高利用效率在11%左右。但是,實際利用效率遠遠不能達到這個數字。這是因為進行光合作用還需要一種原料——二氧化碳,而它在空氣中隻含003%,常由於原料不足,“工廠”不能全部開工。此外,還有其他條件,比如溫度不合適的時候,前麵講過的酶就不能以最高的效率催化形成有機物;如果營養條件不良,效率也不能提高。所以,在自然條件下,一般光能利用效率在1—3%之間。
“綠色工廠”的生產效率雖然並不高,但是,“工廠”的數量很大,所以它每年產品的花色品種和產量是十分驚人的。
“綠色工廠”的直接產品主要是碳水化合物,此外,還有各種各樣的間接產品,比如“工廠”可以通過一些複雜的工序製成蛋白質、脂肪、核酸和芳香物質等有機物,還有橡膠等等。
據粗略統計,綠葉製造的碳水化合物、蛋白質和植物脂肪的種類是很多的。
碳水化合物在直接產品中占的比例最大,常見的葡萄糖、果糖、蔗糖、麥芽糖、澱粉和纖維素等都屬於這一類,它們是由碳、氫、氧三種元素組成。“綠色工廠”開工以後,最初製成一種含有三個碳原子的糖,叫做磷酸丙糖。以後,再合成比較複雜的澱粉。
澱粉是一種高分子的碳水化合物,由許多個葡萄糖分子連接起來組成的。澱粉有個特點,一遇到碘就變成藍色,所以人們常用碘來檢驗“綠色工廠”的產品。
蔗糖或者其他糖類產生出來以後,一方麵運到植物全身各部分去,供給所有細胞的生產發育需要;另一方麵,貯存在塊根、塊莖和果實中,再轉變成澱粉,成為人和動物的主要食物。稻、麥、馬鈴薯、甘薯、香蕉、菱角、藕等等,裏麵都含有大量的澱粉。
纖維素也是一種碳水化合物,組成成分和澱粉相似,可是它的結構比澱粉還要複雜,性質也不同於澱粉,遇碘不變藍色。“綠色工廠”合成的纖維素,主要做為植物細胞壁的建築材料。人和動物的消化係統不能消化纖維素。但是,含纖維素比較多的蔬菜、水果等食物,可以刺激腸子的蠕動,促使食物殘渣排泄通暢,對健康有好處。纖維素還有各種各樣的用途,比如作為生產紙、人造絲等的工業原料。
“綠色工廠”還能生產脂肪、蛋白質和核酸等物質,還能合成葉綠素、胡蘿卜素等色素。
脂肪是由碳、氫兩種元素組成的,結構和碳水化合物不同。植物葉片合成脂肪的途徑很複雜,並且有許多酶來參加生產,經過植物細胞內部的一係列脫氫、脫水等極複雜的化學“工序”,最後才能製成各種脂肪。
油料作物像大豆、向日葵、芝麻、花生、油桐、蓖麻等植物的種子裏,都含有很豐富的脂肪,可供人類食用和工業上的重要原料。
現在還發現,有的植物可以直接生產石油,這類植物叫做能源植物。
蛋白質也是個大分子的物質,由許多氨基酸組成。它除了含有碳、氫以外,還有氧和氮。氨基酸有一定的排列順序和空間結構。蛋白質的合成跟核酸有關係。核酸有去氧核糖核酸和核糖核酸兩種。去氧核糖核酸是遺傳的基礎物質,核糖核酸是製造蛋白質的模型。氨基酸作為原料可通過模型複製蛋白質。
地球上的綠色植物是一個龐大的有機物“製造廠”,每年都有大宗的產品出“廠”。
那麼,這個“工廠”的年產量有多大,怎樣計算呢?經過科學家研究認為,地球上那麼多的綠色植物,不可能計算出準確的產量,隻能估計,求出近似值。好,讓我們一步一步來估算吧!
太陽光照射到地球上的能量大概是這樣的:在大氣層以外每年大約有13×1024卡,落到地球表麵每年大約有65×1023卡,陸地植物每年可以接受25×1022卡,而海洋植物每年可以接受9×1022卡。如果以2%的光能利用效率計算,陸地植物的光合作用的年產量大約是17×1012公斤碳水化合物,而海洋植物的年產量大約是13×1013公斤碳水化合物。
這些數字是怎麼得來的呢?原來,每年在大氣層以外的13×1024卡的能量中,比較多的是紫外光,而紫外光的大部分被臭氧層吸收了。每年落到地球表麵上的65×1023卡的能量,如果以每分鍾來計算,那麼每平方厘米的麵積上大約有05卡的能量。而這裏麵還包含60%的遠紅外光和紅外光,它們是不被綠葉利用的,這樣每年隻剩下26×1023卡的能量有可能被利用。其中,每年有18×1023卡的能量落在海洋上,隻有8×1022卡的能量落在陸地上。但是,陸地上有一半以上的土地是不能生產或者產量很低的,比如高山等地。這樣七折八扣下來,植物利用的光能每年大約隻有05×1021卡,約等於17×1012公斤碳水化合物儲藏的熱能。
海洋裏生長著大量浮遊生物,它們中不少能進行光合作用,利用的太陽光能每年大約有18×1021卡,約等於13×1013公斤碳水化合物儲藏的熱能。
估計海洋裏“綠色工廠”的年產量比陸地上的多得多,所以充分地開發和利用海洋資源,是21世紀人類的主要任務之一。