第六章學生生理發現的啟迪2
2.光合作用的探索軌跡
“問渠那得清如許，為有源頭活水來”，關於光合作用的基礎知識，都是前人長期在生產鬥爭和科學實踐中總結得來的。先驅者勇於探索的精神、實事求是的態度，以及設計科學試驗的思想方法，是很值得我們學習的。讓我們循著前人探索光合作用的曆史腳步，來回顧這個探索的曆史過程吧!
揭開序幕
如果把科學家探索“綠色工廠”之謎的曲折曆程比做一幕曆史的長劇，那麼，它的序幕也隻是在二百多年前才拉開。
17世紀荷蘭的凡·海爾蒙，發現植物主要從水中取得養料。他稱量180斤的砂土，放到一隻大木盆裏，栽上一棵4斤半重的小柳樹，每天隻給它澆一些雨水。過了五年，柳樹長得又高又大。他把柳樹拔出來，稱了一下樹重達516斤，曬幹以後的土壤隻減少了半兩多一點。於是，凡·海爾蒙否定了植物是靠泥土長大的傳統說法，他猜想植物是靠吃水長大的。但他的認識隻限於這一點，還不知道光合作用，更不知道光的性質，以及空氣、水和“綠色工廠”的關係。
好空氣與壞空氣
凡·海爾蒙以後，人們在繼續探索“綠色工廠”的秘密。
1774年8月1日，英國化學家普利斯特列興致勃勃地把從朋友家要來的一包黃色的粉末三仙丹(氧化汞)，放到一隻大玻璃瓶裏，再把玻璃瓶倒放在水銀槽裏，隔絕空氣。用凸透鏡把太陽光聚集在玻璃瓶上，加熱三仙丹。過了些時候，他驚訝地發現：粉末好像被人吹動似的微微顫動，幾分鍾以後，出現了小水銀珠，三仙丹因受熱發生變化，分解出一種氣體來。當時，他認為這是一種新“空氣”。
這種氣體是什麼，它有什麼性質呢?
喜歡思考問題的普利斯特列繼續實驗：他找來一個大約直徑30厘米、焦距50厘米的凸透鏡，加熱三仙丹，結果氣體很快被趕出來。他用玻璃瓶收集了一定量的氣體以後，用小木柴去點燃，結果看到小木柴燒得更亮了。以後，他又用同樣方法製取了一瓶氣體，並把一隻小老鼠放進瓶子裏，小老鼠就歡快地蹦蹦跳跳起來。他自己也吸進這種氣體，他感到胸部特別的輕鬆暢快。
普利斯特列再把那隻活潑的小老鼠放進木柴燃燒過的瓶子裏，蓋上蓋子，小老鼠就喘不過氣來，痛苦地掙紮著，過不了幾分鍾就死去了。如果在木柴燃燒過的瓶子裏，放進去一棵綠色植物，它卻長得很好，葉子平展展地伸張開來。這時候，再放進去一隻小老鼠，蓋上蓋子，小老鼠就又歡快地跑來跑去。
普利斯特列喜出望外地把自己的實驗寫成論文，題目是：《各種氣體之實驗與觀察》。他認為燃燒以後瓶中的空氣變壞了，所以小老鼠死亡；放進綠色植物，它又能把壞空氣變好，所以小老鼠能安然無恙。
當時，普利斯特列雖然不知道他發現的氣體就是氧氣，也不知道點燃的木柴把空氣變壞以及綠色植物使空氣變好的原因，但是他的實驗給人們以啟示：這種氣體是能夠助燃的，也是動物和人生存所需要的。同時，實驗還表明，綠色植物有提供這種氣體的能力。
他的功績是，一方麵給拉瓦錫創立的新燃燒理論提供了實驗的基礎，另一方麵為探索“綠色工廠”之謎又打響了不尋常的一炮。
太陽光的魔力
一石激起千層浪。普利斯特列的實驗記錄發表以後，人們紛紛重複他的實驗，但是得到的結果是相互矛盾的。有時候綠色植物把壞空氣變好，有時候卻把好空氣變壞。1779年，荷蘭醫生英根·浩斯在倫敦近郊租了一所別墅，在三個月的夏天裏，他做了五百多次實驗。當時，他用一個盛水的大燒杯，把綠葉或者水草浸在水裏，水草上麵倒扣一個玻璃漏鬥，漏鬥管上再倒扣一個試管。然後，英根·浩斯把這個大燒杯放到陽光下。不久，在漏鬥裏就有小氣泡上升，等試管裏收集了一大半氣體以後，他就把點燃的蠟燭放到試管裏，頓時看到火焰增亮了。多少次實驗都是這樣，他認為這種氣體就是純化的氣體。如果把這個燒杯放在暗處，就沒有氣泡產生。他發現了植物隻有在陽光下才能把壞空氣變好，在黑暗中綠色植物和動物一樣，會把好空氣變壞。為了進一步證實這一點，英根·浩斯做了大量的觀察和實驗。他分別選取了房屋的陰麵和陽麵，高樓或者植物的限影下，太陽光升到地平線後，夕陽西下或者日落以後，晴天或者陰天等等各種不同的條件，反複多次地研究，結果都是相同的，這就進一步證實了太陽光參與了綠色植物把壞空氣變好的活動。這使人們對光合作用的認識又前進了一步。
英根·浩斯雖然還不知道“綠色工廠”開工的詳盡原理，但是他破天荒地發現了太陽光對綠色植物的作用。同時，他明確地指出，隻有綠葉和綠枝才能夠真正使空氣由壞變好。
到此為止，普利斯特列的實驗真相大白，空氣變好變壞的關鍵在於綠色植物是否得到太陽光的照射。
打開迷宮的鑰匙
英根·浩斯用幾百次實驗，才證實了太陽光照射在綠色植物上是使壞空氣變好的條件。但是，他還不能解釋，在封閉的瓶子裏老鼠和綠色植物長期共存的原因。
回答這個問題的，是瑞士的牧師謝尼伯。
謝尼伯牧師雖然以傳教為職業，但是他對植物學卻有廣泛的興趣。他繼續重複並研究普利斯特列和英根·浩斯的實驗，直到3年後的1782年，才發現植物在太陽光下既能把壞空氣變好，又把壞空氣作為自身的養料。
他用實驗證實：綠色植物不是把普通空氣變為好空氣的，因為普通空氣中有好空氣(氧氣)，也有壞空氣(二氧化碳)；綠色植物隻是從空氣中吸收“固定空氣”(二氧化碳)，在陽光的照射下，經過自身的加工製造出好空氣來。他把自己的研究成果寫成三卷論文。
謝尼伯主要的成就，是解決了二氧化碳和氧氣的循環問題。這樣，上麵提到的封閉瓶中老鼠和綠色植物共存的問題，立即得到解釋。老鼠呼吸時放出的二氧化碳被綠色植物吸收，綠色植物放出的氧氣又作為老鼠呼吸之用。它們互相依賴，共同生存。
從18世紀中葉到19世紀初期，先後經曆了將近一百年，才找到揭開“綠色工廠”之謎的一串鑰匙。普利斯特列證明綠色植物會放出氧氣，接著英根·浩斯證明太陽光是綠色植物吸收二氧化碳、放出氧氣的必要條件，謝尼伯又證明空氣中的二氧化碳是“綠色工廠”的基本原料之一。最後，由瑞士化學家賽遜爾於1804年用自己的科學實驗，把上述各自獨立的研究工作，統一起來，歸納成一個公式：
固定空氣+水光綠色植物維持生命的空氣
+植物性營養
這個公式用現代化學語言來表示，就是：
水+二氧化碳光葉綠體碳水化合物+氧氣
這樣，“綠色工廠”的原料、動力和產品等三大秘密，終於被英國、法國、瑞士、荷蘭四個不同國籍和三種不同職業的人(其中一個牧師、兩個醫生和幾個化學家)，通過辛勤勞動而逐漸揭開了。
認識澱粉
“綠色工廠”的產品除了氧氣，還有澱粉等碳水化合物。那麼澱粉是怎樣被認識的?
德國的植物生理學家朱裏斯·薩克斯，是第一個認定“綠色工廠”的產品是澱粉的人。
朱裏斯·薩克斯是一個酷愛植物的科學家。他對植物的生長和生活習性十分感興趣。清晨，他給花草澆水的時候，常常對著色彩鮮豔的花團和迎風招展的枝葉沉思：如果植物合成的化合物主要是澱粉，那麼澱粉通常是不溶於水和酒精的，但是一遇到碘，就會顯出藍色來。如果植物的“工廠”真的開在葉片內，那麼，葉片裏總該是有澱粉的啊!
他摘下多種綠色植物的葉片，把它們洗幹淨以後，放到盛有酒精的燒瓶裏，然後加熱，使葉肉裏的葉綠素溶解在酒精中。這時候，綠葉變成黃白色，再用水衝洗一下，滴上一滴碘酒，果然，葉片顯現出藍色。朱裏斯·薩克斯高興地跳起來，他證實了這家奇妙的“工廠”就開在綠葉裏麵。
接著，他又選取一盆綠色植物，當天晚上，用不透光的小黑紙片把一片綠葉遮蔽起來。第二天，把花盆放在陽光下照射幾小時。然後，把被黑紙片遮蔽的葉片和沒被遮蔽的葉片同時摘下來，也用上麵講的方法進行實驗。結果，朱裏斯·薩克斯發現：在滴上碘酒以後，沒有遮光的葉片變成藍色，而遮光的葉片仍然呈現黃白色。這說明植物要製造澱粉，必須借助太陽光。
以前，瑞士牧師謝尼伯在實驗中曾經證實，在陽光照射下綠色植物能把壞空氣變好，又能把壞空氣當作自己生活的養料。那麼，這個壞空氣和植物製造澱粉的過程有什麼聯係呢?朱裏斯·薩克斯繼續思考，並且以簡陋的實驗證明了這個壞空氣(二氧化碳)是植物製造澱粉的必需原料。當時的實驗設備和實驗過程已無法查考。這個實驗，我們現在是這樣做的：
把兩盆綠色植物放在暗處一兩天，然後分別把它們放在特製的A、B兩個玻璃鍾罩內。罩底邊是嚴密封閉的，罩口的軟木塞上各插一支彎曲的玻璃管。A罩裏放置一小株氫氧化鈉溶液，上口的玻璃彎管裝進小塊的堿石灰(氫氧化鈉加氧化鈣)；B罩裏放一小杯清水，上口的玻璃彎管裝些小石塊，空氣可以自由地流動。然後，把它們移到陽光下照射幾小時，再分別摘取葉片，照前麵講的方法進行檢驗。最後可以看到：A罩裏的葉片沒有變成藍色，而B罩裏的葉片變成了藍色。這是由於A罩裏有氫氧化鈉和堿石灰，都是堿性的，它們吸收了空氣中的二氧化碳，使A罩裏幾乎沒有二氧化碳了；而在B罩裏的空氣中，含有正常含量的二氧化碳。這個實驗充分說明：二氧化碳是綠色植物製造澱粉的必需原料。
朱裏斯·薩克斯以三個關鍵性的實驗，總結了19世紀以前科學家對“綠色工廠”的探索，進一步驗證了凡·海爾蒙、英根·浩斯、謝尼伯分別提出關於水、二氧化碳和陽光是“綠色工廠”必需條件的理論的正確。
直到1896年，法國科學家貝爾納斯在前人研究的基礎上，給綠色植物這種獨特的生理化學過程，命名為“光合作用”。
綜觀19世紀以前科學家探索“綠色工廠”的曆史事實告訴我們：一個人在某些方麵取得成就，總是離不開前人在這方麵打好的基礎。牛頓曾經說過：“如果說我比別人看得遠些，那是因為我是站在巨人肩上的緣故。”也就是說，科學是有繼承性的。了解前人的工作曆史，才能懂得現代科學是怎樣發展來的。