第六章學生生理發現的啟迪3
4.一項重大的研究課題
二百多年來，世界上許多科學家為了揭開光合作用的奧秘貢獻了畢生的精力。不過，人們對於綠葉的光合作用，現在也隻是知道一個粗略的輪廓，許多細節還不很了解。要想更深入地探求光合作用這樣一個重要的自然現象的全部奧秘，還需要幾代人長期不懈的努力。
光合作用是在一個很精致、很複雜的“工廠”中進行的。各種植物的“綠色工廠”的設備和裝置也不完全一樣，科學家們正在探索不同植物的“工廠”特點，分析“工廠”中的各種設備，力圖抓住其中的關鍵環節，用遺傳學知識提高現有農作物等的光合作用效率；並通過對“綠色工廠”設備的詳細解剖和分析，在掌握它的生產原理以後，用現代化學、物理和工程學的知識來仿效它，以便高效率地生產品質最優良的產品。這是多麼富有魅力的目標啊!
那麼，當前科學家們對於光合作用的研究，正在開展哪些重大的研究課題呢?
變三碳植物為四碳植物
20世紀60年代，美國科學家發現植物可分為三碳植物和四碳植物兩類。所謂三碳植物，是指二氧化碳進入綠葉以後，先形成一個含有三個碳原子的化合物，這類植物比如水稻、小麥、大豆、天竺葵等等。而四碳植物，是指二氧化碳進入綠葉以後，先形成一個含有四個碳原子的化合物，這類植物比如甘蔗、玉米、高粱等等。
科學家是怎樣發現三碳植物和四碳植物的呢?
60年代初期，美國科學家用天竺葵做實驗，發現在光照下，葉片吸進的氧氣很多，放出來的二氧化碳也很多，科學家把這種現象叫做光呼吸。天竺葵的光呼吸是比較高的，但是光合作用的效率卻很低。
到了60年代中期，他們又發現另一種植物甘蔗的光呼吸很低，甚至幾乎沒有光呼吸，可是它的光合作用效率卻很高。這是怎麼回事呢?
經過科學家的進一步研究，發現甘蔗葉片內的維管束部分有皇冠狀的細胞組織，這種獨特的結構和二氧化碳的結合能力比較強。比如，中午陽光比較強的時候，氣孔開得很小、盡管吸進來的二氧化碳含量減少，但是光合作用能夠照常進行。而天竺葵、小麥等就不是這樣，平時，它們的氣孔開得很大，這樣就不能適應強光的照射，體內的水分都被蒸發到周圍環境中去了，所以一到中午，氣孔就關閉，叫做小麥“午睡”，需要等到太陽斜射的時候、葉片再恢複光合作用。
科學家還發現，四碳植物甘蔗進行光合作用的時候，還有一套比較複雜的酶係統和二氧化碳結合。具體講，有兩種酶和二氧化碳結合的很緊密：一種是二磷酸核酮糖羧化酶，另一種是磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。這兩種酶都能把一丁點兒的二氧化碳盡快地送進“車間”。所以，在同樣的條件下，甘蔗光合作用的效率比小麥高。
更有趣的是，那些長期生活在沙漠裏的仙人掌，可稱是景天科植物中的佼佼者了。白天，沙漠奇熱，它惜水如金，緊閉氣孔；一到晚上，氣孔敞開，由一種酶把二氧化碳先運到細胞的液泡中，暫時貯存起來。等到白天，在強烈的陽光下再“閉門生產”。這時候，二氧化碳再源源不斷地從液泡運到“車間”。科學家發現仙人掌負責和二氧化碳結合的酶，同四碳植物的酶一樣，都是結合能力很強的酶。二氧化碳進入仙人掌的綠莖以後，也是先形成一個含有四個碳原子的化合物，但是又和甘蔗、玉米等四碳植物不同。甘蔗是在白天進行光合作用，直接利用二氧化碳作原料，不需要在液泡裏暫時貯存。
從以上和二氧化碳產生不同變化的植物類型來看，四碳植物的光合作用效率比三碳植物高，所以，世界上許多農業專家、生物學家都力圖把三碳植物變成四碳植物。從不同植物具有不同的光呼吸，科學家們得到啟示：想辦法降低光呼吸作用來提高光合作用效率。但是，做了許多實驗都沒有成功。經過研究，現在自然界中的四碳植物，大約有一百多種，大多都是起源於熱帶的植物；其餘的基本上是三碳植物。科學家正繼續探索三碳植物變成四碳植物的途徑。
大約到70年代初期，美國科學家又發現在濱藜科的植物中，既有三碳植物，又有四碳植物。他們用這兩種植物進行雜交實驗，也就是讓三碳植物和四碳植物進行異花傳粉。結果，在後代植株上麵，表麵看起來像四碳植物，實際上，四碳植物的優點卻沒有了。分析主要原因是由於三碳植物和四碳植物的內部結構和功能不同。從這個實驗說明用雜交的辦法目前是不行的。
科學家認為，解決這個問題最有希望的辦法是基因移植，也叫做遺傳工程，這樣才有可能提高低光呼吸植物的光合作用效率。
什麼是基因呢?平時，你所看到的植物各種各樣，有的高，有的莖細，有的花小，有的果大等等，這些叫做不同的性狀，而且這些性狀可以遺傳下去。是誰控製著生物體中多種多樣的性狀呢?原來，在細胞核裏有許多棒狀的染色體，在染色體上麵就排列著許許多多基因，一個基因控製著一個性狀。因為基因可以一代一代地遺傳下去，所以生物的性狀也就跟著遺傳了。
隨著現代生物學的發展，科學家能夠運用一種專門的技術給生物細胞做“手術”，把基因從一個生物體的細胞裏移植到另一個生物體的細胞裏去。這個專門技術叫做遺傳工程。如果把四碳植物的遺傳基因移植到三碳植物裏麵，這樣，三碳植物也就像四碳植物那樣長出先進的“生產設備”，從而大大提高生產效率。如果能做到這一點，“綠色工廠”合成的產品，就可以翻幾番，地球上就可以增加多少億噸的糧食。
開發能源的新途徑
目前，全世界每年大約耗費煤炭等能源物資幾十億噸，1979年，美國單石油一項就消耗九億兩千四百萬噸之多。如果按這個速度耗費，要不了二百年，地下貯藏的石油、煤等能源就要消耗殆盡。所以，科學家正在千方百計地尋找新能源。
探索光合作用的秘密，是開發能源的理想辦法之一。
大家知道，太陽光是用之不盡，取之不竭的能源，水也是最豐富的資源。如果能像“綠色工廠”那樣，吸收太陽光來分解水，把水變成氫氣和氧氣，那該是多麼理想的辦法!氫氣是不汙染空氣的良好能源，現在一般用電分解水得到它，還要消耗大量的電源。所以，模擬光合作用用光來分解水是重要的方向。
人類有沒有辦法實現這個理想呢?
這，乍看起來似乎十分困難。因為通常綠色植物利用太陽光分解水總是放出氧氣和生成還原態氫，再用還原態氫去還原二氧化碳，生成碳水化合物，而不會放出氫氣來。
然而，人們通過長期的觀察和研究，也找到一些植物用光分解水以後是能放出氫氣的。比如，有一些藻類——綠藻、紅藻和藍綠藻等等，它們身上就有一種特殊的放氫酶。人們把它們放在無氧條件下培養一個時期以後，在光照下就可以產生氫氣。雖然這些植物產生氫氣的量很少，而且放氫的速度也慢，但它畢竟給人類仿照植物的光合作用來分解水作出了啟示。
1973年，美國科學基金會特別撥出一筆經費，成立專門研究小組，研究如何仿照“綠色工廠”分解水製取氫氣和氧氣的辦法。經過努力，果然有所突破。研究小組提出用葉綠體和放氫酶聯合作戰的方案來光解水。他們從菠菜葉子中提取葉綠體，從梭菌體內提取放氫酶，把它們混在一塊，再加進一個能傳遞電子的化合物——甲基精紫。然後，把它們安置在無氧的環境中，經過太陽光的照射，結果，很快地放出了氫氣。
1977年，這項研究又取得進展。他們的光解裝置效率是每毫克葉綠素每小時可產生125微克的氫氣，而且這個光解裝置可以連續工作六個半小時。雖然得到的氫氣量還是比較少，但它說明人類用植物光解水取得能源是完全可能的。
但是，光合作用分解水是一個非常複雜的問題，目前還隻是停留在實驗室裏進行。要大規模生產還有許多問題有待解決。比如，葉綠體品種的選擇、放氫酶的穩定性等等。不過，用光分解水的辦法解決能源的課題，已得到世界各國的重視。美國、澳大利亞、日本、英國等都相繼成立專門的組織和聯合會，致力研究。相信在不久的將來，人類一定能實現以光解水取得能源的宏偉目標。
綠色“發電廠”
植物利用太陽光分解水獲得氫氣和氧氣，隻是一個間接解決人類對能源需求的辦法。能不能把太陽光直接轉變成電能呢?用半導體材料製作的光電池，就是這樣一種裝置。不過現在人們還正求助於“綠色工廠”建立綠色“發電廠”，從另一個途徑實現這個宏偉目標。
前麵講過，綠色植物的光合作用是在葉綠體中進行的。葉綠體裏麵有專門捕捉陽光的光合膜，它是由葉綠素分子、磷脂以及蛋白質組成並有嚴密結構的膜。光合膜體積很小，隻有幾個微米，但能力大得驚人，具有捕捉陽光、傳遞電子和能量轉換等功能。它在光合作用中起主力作用。依靠它，通過一係列電子傳遞來實現光合作用。
於是，人們設想以葉綠素為主體製造一個人工光合膜，然後把光能激發，形成電流。如果形成的電流強大，那就成為一個綠色“發電廠”了。
這個宏偉的設想能不能成為現實呢?
能。美國科學家經過十年的努力，用這種模擬光合作用的光化學反應產生電流，已經獲得成功，並且應用在“阿波羅三號”人造衛星上麵。隻是價格昂貴，需要進一步改進。
後來，日本著名科學家落合教授也用實驗作出肯定的回答。
落合教授從小對“綠色工廠”就發生興趣，立誌要揭開它的奧秘。他大學畢業以後，從事光合作用的研究，取得了成績。1979年，他為建立綠色“發電廠”邁出了可喜的第一步。
落合教授詳細分析了光合膜的結構和功能，發現分離出來的葉綠素，在陽光照射下，可以進行兩個化學反應。如果把這兩個反應放在一起，就有電子轉移。於是，他就模擬光合膜結構，以葉綠素為主體，製作了一個人工光合膜，鋪在水麵上形成單分子層，在太陽光照射下，膜的上下兩麵果然產生了電位差。
近來，落合教授又進一步改造人工光合膜的性能，添加了一些過渡元素化合物作催化劑，提高了膜電子傳遞的能力。據報導，利用中午的陽光照射，從人工光合膜上，可以獲得12微安培的電流。這說明，利用“綠色工廠”的原理是可以發電的。
落合教授試驗初步取得成功，人們設想：有朝一日，能造出一個巨大的人工光合膜，把它覆蓋在廠房和住房的房頂上，一年四季都可以利用太陽能來發電，源源不斷地供應工廠和家庭對電能的需要。
光合固氮
把空氣裏的氮變成含氮化合物的過程，叫做固氮。化學上固氮的辦法比較複雜，需要在高溫、高壓和高活性催化劑的幫助下，才能做到。但是，生物固氮就簡單得多了。比如，有一種叫根瘤菌的微生物，它和豆科植物共生，在常溫常壓下，就能不斷地製造氮的化合物。
那麼光合作用能固氮嗎?
回答這個問題得從光合細菌說起。
前麵講過，本世紀30年代，科學家發現紫色和綠色的細菌也像綠色植物那樣有光合作用的本領，它們也能把光能轉變為化學能。
不過，真正揭開光合細菌之謎的，那還是近年的事。據美國科學家卡白昂許的研究，光合細菌身上有一種獨特的光合器，裏麵有類似葉綠素那樣的物質，能捕捉光能，傳遞電子，合成許多營養物質。有一種叫紅色無硫細菌，它的光合器中就有一係列類似橙紅色胡蘿卜素的化合物。卡白昂許等人研究表明：光合細菌不僅能固定空氣中的二氧化碳，還能進一步利用太陽光固氮。因此，光合細菌已作為生物氮肥施加在農田上，達到了增產的目的。據報導，光合細菌分別施加到水稻、茄子、辣椒等農作物上，可以分別增產46%、35%和54%。日本科學家小林達治把光合細菌噴灑到柿樹和溫州蜜桔上，不僅可以使果品鮮美，產量增加，而且提高果品的糖分、維生素B、維生素C等含量。
科學家在研究光合細菌固氮的同時，也發現有些綠色植物有光合固氮的能力，特別是有些熱帶植物和某些藻類植物，光合固氮的能力更為顯著。
光合細菌和某些植物為什麼能光合固氮呢?
這正是科學家研究的重大課題。他們初步認為，光合固氮是在光合膜上進行反應的。在光合膜接受光能以後，發生了一係列的電子傳遞，當“綠色工廠”裏的一些高能物質把電子遞交給氮的時候，氮就被還原成為氮的化合物了。
光合固氮的秘密揭開以後，人們就可以進一步地模擬它，把光合固氮推廣到一般植物體上麵，那樣，我們就可以不給或少給莊稼施肥，同樣獲得豐收。
富有魅力的目標吸引了許多科學家。我們相信，再經過幾代人的努力，這些光輝的理想，一定會變為燦爛的現實。