光合作用可以分为两个步骤,一个是必须在光下才能进行的、由光所引起的光反应;另一个则是不需要光的一般化学反应(也可以在光下进行),它是把二氧化碳固定和还原成为有机物的反应,即暗反应。

1.光反应

它在类囊体膜上进行,所吸收的光能用来合成ATP和将水分解成氧气和还原氢。

当光线照射到植物的叶片上面以后,叶绿体中类囊体膜上的大部分叶绿素a和全部叶绿素b、胡萝卜素和叶黄素,能够接受光能。这些色素所接受的光能可以极其迅速而又高效率地传送到少数特殊状态的叶绿素a分子,少数特殊状态的叶绿素a分子在接受光能以后,首先被激发,变成激发态而失去电子,这些电子最终传递给一种带正电荷的有机物--NADP,失去电子的叶绿素a变成一种强氧化剂,能够从水分子中夺取电子,这样就促使了水的光解,水被氧化成分子态氧,并且放出了氢离子(H+)。电子被叶绿素a夺回以后,就又恢复到原来的状态。这样在光的照射下,少数特殊状态的叶绿素a分子不断地失去电子和获得电子,从而形成电子流,使光能转换成电能。随着光能转换成电能,NADP得到电子和H就形成了NADPH2(还原氧),一部分电能转换成活跃的化学能储存在NADPH2中,与此同时,叶绿体中利用光能转换成的另一部分电能将ADP和Pi合成ATP,并将这部分电能转换成活跃的化学能储存在ATP中。

早在两千多年前,人们受古希腊著名哲学家亚里士多德的影响,认为植物体是由“土壤汁”构成的,即植物生长发育所需的物质完全来自土壤。

早在1648年,比利时科学家范·海尔蒙特(Van Helmont)就进行了陶盆栽柳树的实验,以寻找营养植物的物质。他在一个大花盆中放入90千克干燥的土壤,栽上一株重2.5千克的柳树幼苗。用雨水或蒸馏水浇灌,并用一个穿孔的铁板盖在花盆上,只允许气体和水进入而尽量减少别的物质进入。5年后将树移出称重,增加了75千克,而将土壤干燥发现仅损失了60克。因此他认为柳树重量增加只是由水引起的,他没有考虑到空气中气体的影响。

1771年,英国化学家约瑟夫·普里斯特莱(Joseph Priestley)发现,把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到密闭的玻璃罩里,蜡烛不容易熄灭;把一盆植物和一只小鼠同时放到密闭玻璃罩里,小鼠也不易窒息死亡。因此他提出植物能更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。

1779年,荷兰科学家扬·英根豪斯(J.Ingenhousz)把带叶的枝条放到水里,进一步证实,绿色植物只有在日光下才能放出氧气,黑暗中植物也会使空气污浊。

1864年,德国科学家朱利叶斯·萨克斯还采用碘液鉴定淀粉的方法,又证明光合作用的产物除氧气外,叶片在光下还能产生有机物--淀粉。

1940年,加利福尼亚大学的寒缪尔·鲁宾(San Ruben)和他的同事制备了有特殊“标记”的水,其中0.85%的分子含18O原子,而空气、水和其他含氧天然物质中99.76%的氧是16O,只有0.20%是18O。用这种水提供给藻类进行光合作用时,产生的氧气中18O的比例和供给的水一样是0.85%,而不是天然氧气(及它的化合物如二氧化碳)的0.20%。他们还制备了含18O的二氧化碳,当藻类用这种二氧化碳和天然水进行光合作用时,放出的氧气中18O并不增多,而只含有和天然一样的0.20%的18O,这就有力地证明了光合作用释放的氧气来自水。

20世纪世纪40年代到50年代中期,美国科学家卡尔文(M.Calvin)和他的同事运用放射性同位素示踪及纸谱色层等方法,经过十多年的系统研究,于1948年提出了二氧化碳同化的循环途径,这就是我们常说的卡尔文循环,从而了解到光合作用中复杂的化学反应。

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