氧從何處來
唐代大詩人杜甫在《登高》一詩中寫道：“無邊落木蕭蕭下，不盡長江滾滾來。”科學的發展猶如滾滾長江，後浪推前浪。到了20世紀，科學家就深入到“綠色工廠”內部，來窺探它的秘密了。
科學家通過實驗已經證明了“綠色工廠”的原料是水和二氧化碳；又知道這兩種物質裏麵都含有氧。那麼，綠色植物進行光合作用放出來的氧是來自水呢，還是來自二氧化碳?這是一個十分有趣的問題。這個問題引起許多人爭論了幾十年。有人說來自二氧化碳，有人說來自水，眾說紛紜，誰都拿不出確鑿的證據來。
20世紀30年代開始，科學家對細菌的研究，大大推進了人們對植物光合作用的認識。細菌一般是寄生或腐生的，也就是依賴現成的有機物來生活的。當時發現，有些細菌有顏色，生活中需要光；有些細菌沒有顏色，生活中不需要光。那麼，這些有顏色、需要光的細菌是怎麼生活的呢?和植物的生活有什麼區別呢?
1930年，美國的凡·尼爾做了一個很重要的實驗：他把有顏色的細菌分離純化，發現紫色和綠色的細菌，完全能在無機培養液中生活，但是需要有三個重要條件，一是光，二是二氧化碳，三是硫化氫。如果沒有硫化氫，也可以在亞硫酸鈉、硫代硫酸鈉等物質中生活。這樣看，這些物質中必須含有硫。這就好像植物進行光合作用必須要有水一樣。最後，凡·尼爾弄清楚了這些綠色和綠色的細菌在生活中，用二氧化碳和硫化氫作原料，在光的照射下，製成碳水化合物，並產生硫。它們同樣是利用光能形成碳水化合物的。凡·尼爾指出，光合作用不是植物所特有的，有些細菌也利用色素來吸收光能，自己製造養料，這種細菌就叫做光合細菌。
凡·尼爾的發現，對進一步研究植物光合作用產物中的氧是來自哪裏，提供了一個十分重要的研究方法，就是用不同生物的比較研究方法，進一步研究。
最後科學家推論出，在紫、綠色細菌的生活中，它們用二氧化碳和硫化氫作原料，產生碳水化合物和硫，這個硫必定來自硫化氫；植物在生活中，用二氧化碳和水作原料，產生碳水化合物和氧，這個氧一定來自水，而不是來自二氧化碳。
40年代，美國科學家魯賓和卡門又通過實驗取得了可靠的證據。
魯賓和卡門用示蹤物質來探查綠葉裏的化學變化過程。他們用的示蹤物質是氧和碳的同位素。同位素就是指同屬一種元素，但是質量不同的原子，它們的化學性質幾乎相同，在元素周期表中占同一位置。比如氧的同位素有16氧、18氧；碳的同位素有11碳、12碳、13碳、14碳等等。有些同位素還有特殊的放射射線的本領，比如11碳、14碳等等。
他們製備許多含有18氧的水，每天用這種水澆植物，結果植物在光合作用中放出的氧裏麵就帶有18氧這種同位素。他們又用含有18氧的二氧化碳供給植物進行光合作用，所放出來的氧和普通的氧一樣，幾乎沒有18氧這種同位素。所以，他們的實驗表明，隻有水，在光合作用中才會分開。換句話說，植物光合作用放出的氧是來自水，而不是來自二氧化碳。
卡爾文的貢獻
在光合作用中，水被分解成氫和氧。放出來的氧，提供生物呼吸之用。那麼氫又是怎樣和二氧化碳結合，形成碳水化合物的呢?
解決這個問題，也是通過放射性同位素的實驗來完成的。
在早期的實驗中，使用11碳，它雖然有放射性，但是壽命很短，很不穩定，幾乎在半小時左右就消失了，很難用它來進行研究。
1945年，在原子反應堆裏出現了同位素14碳。它的壽命比較長，他很穩定，適合用來實驗。
第二次世界大戰以後，美國生物化學家卡爾文和本森領導的一個實驗小組，把一種單細胞的綠藻放在含有14碳的二氧化碳裏，經過短暫的暴露，目的是讓綠藻進行最早階段的光合作用。然後把細胞放在熱酒精中殺死，再磨碎，塗抹在色譜紙上麵進行分離，隨即出現放射顯影圖，最後在紙上找出哪些點是放射性的，進一步研究這些物質的化學性質。
根據暴露的時間，他們發現僅僅一分半鍾，在紙上就找出了十五種不同的放射性物質。種類太多了，不好研究，他們隻好縮短暴露時間。後來隻暴露5秒鍾，結果在紙上找出五種放射性物質，其中有兩種放射性很強。經過深入的研究，這兩種物質都屬於含有三個碳原子的物質，叫做磷酸甘油酸。
磷酸甘油酸的形成過程是比較複雜的。它再經過一係列的生物化學變化和許許多多的步驟，最後才形成了澱粉。
通過卡爾文的這個重要發現，人們才明白綠色植物在進行光合作用的時候，水裏的氫和二氧化碳是怎樣進行活動，最後形成碳水化合物的。
為了表彰卡爾文和他的同伴們十年的努力探索，瑞典科學院於1961年授予卡爾文諾貝爾獎金。
3.葉綠素的秘密
葉綠體
葉綠體好比工廠的車間。光合作用是在葉綠體上麵進行的。
在電子顯微鏡下，可以看到葉綠體是橢球形的，周圍有兩層半透性的薄膜，它好像是“車間”的圍牆。
葉綠體的麵積大小不一，一般直徑是5—10微米。葉綠體的外形和個體大小雖然千差萬別，但是，“車間”內部的布置卻有共同的特點，都像一層層重疊的雲片，生物學家把它叫做葉綠體的片層結構，也叫層膜。片層裏排列著葉綠素，就像澡塘裏鋪得整整齊齊的瓷磚那樣。
用電子顯微鏡觀察結果說明葉綠素不是均勻地分布在葉綠體裏麵的，而是集中在片層的光合膜上麵。葉綠素在基粒上麵有一定的排列順序，才形成了片層結構。在片層結構上還有其他色素和蛋白質、脂肪等等。
葉綠體細胞裏的色素很多，其中主要是綠色的葉綠素和橙黃色的類胡蘿卜素，另外還有花青素等等。有時候，花青素的量還會很多，甚至葉片的綠色都會被它所遮蓋，比如秋天楓樹的紅葉，紅莧菜的葉子都是紅色的。
原來，紅莧菜的綠色是隱藏在紅色之中的。那紅色是葉片所含花青素顯示的顏色。花青素能溶解在水中，水溫越高，它越溶解得快。而葉綠素卻不溶於熱水。因而，在沸水中，紅莧菜就脫去紅色的“外套”，露出綠“襯衣”——葉綠素來了。每年秋天楓樹的紅葉，那是因為氣溫下降，樹葉裏的葉綠素被破壞，花青素就顯出了美麗的紅色。
別看花青素把紅莧菜打扮得這麼鮮紅妖豔，雖然它也吸收陽光，卻不能進行光合作用；而默默無聞地製造養料的，卻是隱居在花青素背後的葉綠素。隻是由於花青素濃妝豔抹，色彩太鮮豔了，才把生產的“主人”——葉綠素遮蓋住了。秋海棠、楓樹等植物，它們的葉子是紅褐色或紫紅色的，原因也是這樣。
當然，也有例外的。比如，深海裏的藻類植物紅藻，它生活在海底，不能直接吸收太陽的紅光和藍紫光，因為它們被海水吸收了。盡管紅藻裏含有葉綠素，可是“綠色工廠”還是不能開工生產。它被迫改裝了生產“機器”，利用它身體裏邊的藻紅蛋白和藻藍蛋白，來幫助吸收透射力很強的藍紫光，然後把能量傳遞給葉綠素來進行光合作用。這種隻幫助葉綠素吸收光能的色素，叫做鋪助色素。這種輔助色素在普通綠色植物中也是存在的。葉綠素分為葉綠素a和葉綠素b。葉綠素b不能進行光合作用，但它能吸收光能，然後把光能全部傳給葉綠素a。高等植物“綠色工廠”中的輔助色素是葉綠素b，它是黃綠色的，所以葉片外表是綠的。紅藻和褐藻(比如海帶)的輔助色素是紅的和褐色的，但進行光合作用的也是葉綠素a，盡管外表可以有各種顏色。
葉綠體是怎麼樣通過葉綠素吸收太陽光能的?對太陽光裏的七色光吸收的情況又是什麼樣的?俄國著名的生物學家季米裏亞捷夫用了30多年的時間，研究探索植物在光合作用中綠葉是怎樣攝取太陽光的。當時，他的實驗是這樣做的：
拿來幾隻試管，每一隻試管中各放一片大小相同的綠葉，並且封入一定量的二氧化碳。然後，把試管分別插到試管架上，試管之間用黑紙隔開，避免它們之間相互幹擾。再取三棱鏡一枚，把射進來的太陽光分散成紅橙黃綠藍靛紫七種顏色。讓七色光分別照射到試管上麵。經過三小時以後，測定試管中消耗二氧化碳的量和綠葉內含的澱粉量。結果發現：照射紅光的試管裏二氧化碳減少得最多，葉片製造的澱粉也最多，照橙光的次之，照藍光的第三；而照射綠光的試管，裏麵的二氧化碳幾乎沒有減少，葉片裏也找不到澱粉。這個實驗告訴人們：綠葉有很強的吸收紅光的能力，紅光照射下的光合作用效率最高。
提取葉綠素
葉綠素吸收了光能以後，葉綠體才能進行光合作用。那麼葉綠素是個什麼樣的物質，它有哪些物理和化學性質?隻有把葉綠素提取出來才能進一步地研究它。
許多科學家進行了大量的研究工作，首先搞清楚幾種葉綠素化學成分的人是威爾斯塔特。
威爾斯塔特是德國人，出生在卡爾斯魯厄城一個猶太小商人家庭中。他從小就喜歡花草樹木，和“綠色工廠”結下不解之緣。中學時代，他學習成績出眾，聰明過人，不足之處是十分自負。他的老師貝耶，為了幫助他改正缺點，經常在課堂上提些問題讓他思考。威爾斯塔特常常支支吾吾答不上來，貝耶老師當眾批評他，指出驕傲是成材的攔路虎，勉勵他培養虛心好學的品德。老師的教導，威爾斯塔特一直銘刻心懷，直到他成為舉世聞名的大科學家時，常常以此來告誡自己的學生和子女。
1905年，當許多科學家因為提取葉綠素失敗而偃旗息鼓的時候，威爾斯塔特卻鳴鑼開道，居然選定當時世界公認的大難題，並且以必勝的信心和百倍的勇氣，向科學的尖端攀登。
他認真地總結前人失敗的經驗教訓，認為前人的失敗是在於分離方法上的錯誤。他開始用茨維特發現的色層分析法來提取葉綠素。