植物利用太阳能的机理与绿色植物吸收太阳光能的机构

万物生长靠太阳。人类和动物界赖以生存的能源直接、间接来自太阳光能。将太阳光能转化为我们食物中的化学能的本领是绿色植物所特有的。它通过光合作用将吸收的太阳能用于同化空气中的二氧化碳和水，并进一步转化形成有机物质。据估计，地球上的绿色植物每年通过光合作用固定了7千亿吨二氧化碳，约产生5千亿吨有机物，养活了几十亿人类和无数动物。同时在光合作用过程中绿色植物还放出了氧气，这才使所有的需氧生物不至于被憋死。在地球发展的历史上，在生物发展的历史上，光合作用的出现是一件划时代的大事。在20亿～30亿年以前，生物界简直可怜得很，那时生活着的尽是些厌氧异养生物，不仅数量有限，种类也受到限制。但光合作用出现后，绿色植物就大量繁殖起来，提供了丰富的生物界自制的有机物和氧气。在此基础上异养的好气生物才出现并发展了，生物界面貌大大改观，一直演化到今天这样百花斗艳、千鸟争鸣、万菌竞发的繁荣的境界。

太阳光是以辐射能提供能源的，以光能的光子或量子形式发射出来。植物如何利用太阳能？科学家已经探索了200多年，一直在寻找其内部机理。人们祈望有朝一日掌握其机理，以便能利用太阳能人工制造出食物，从而免受“露天工厂”自然灾害的威胁。

追溯其研究历程，最早的记载从17世纪中叶开始。1779年英国著名科学家普列斯特列和荷兰的印根豪茨首先发现绿色植物照光以后可以“净化空气”（也就是吸收CO2并放出氧气），再经约一个世纪，德国的萨克斯才证实照光的绿色植物中有淀粉的形成。由于当时缺少正确的思路，而且实验手段又非常落后，所以研究工作进展缓慢。对诸如绿色植物是通过什么“机构”吸收太阳光能？这种吸收，利用光能的“机器”结构又是怎样的？二氧化碳到底怎样被固定、同化再转化为淀粉的？而氧气又是怎样放出来的？等等，那时都无法了解。直到20世纪，研究工作才加快了步伐。英国的生理学家勃莱克曼在“限制因子定律”思路指导下观察温度与光对光合速率的影响，从结果推论光合作用过程中存在着两个反应程序：一个是需要光的而非化学反应（光反应），而另一个同温度有关的酶促化学反应（暗反应）。德国的瓦勃和美国的爱默生用实验证实了上述推论，从而为研究光合作用内部过程打开了大门。20世纪以来特别40年代以后，实验技术有很大发展，放射性同位素14C应用于示踪研究，通过各种分离、提取技术可以得到叶绿体及其色素和其他组分，高分辨力的显微镜尤其是电子显微镜用来观察光合器官的精细结构，这些技术的应用将研究工作推向深入。

光合作用需要在有光时才能进行，而且只能在绿色细胞中进行，所以在时间和空间上有局限性。深入的研究工作也是从时间和空间两个角度进行的。(www.xing528.com)

通过精细的研究发现植物吸收光能的部位是在叶绿体中，叶绿体是个结构复杂的细胞器，它由基粒和间质两部分组成：前者为一个由片层膜组成的囊状体（称类囊体）垛叠而成，膜上存在着叶绿体色素（叶绿素和类胡萝卜素）和蛋白质。叶绿体色素和蛋白质可组成不同类型的复合体，各执行不同的机能。有的色素复合体专管吸收光能，称“捕光色素”复合体，有的则担负起光能转移的功能，所有吸收的光能最终都集中到一个色素中心复合体，在那里进行电荷分离形成电子和质子，促使水的光解。这过程发生在照光10－15～10－9秒时。产生的电子经过一系列的中间递体传递最后进行磷酸化作用。此时可以测到。氧气的放出，这一过程在照光10－9～10－3秒时已经完成。

在叶绿体的间质部位主要进行二氧化碳的还原同化。借助于放射性同位素14CO2跟踪体内碳素的踪迹，利用层析技术把其中间产物进行分离。美国加州大学放射化学实验室的卡尔文及其同事们经过10年辛勤的研究，1950年报道了他们研究的结果，这就是有名的二氧化碳还原同化途径（包括生成氧气和淀粉等糖类）——卡尔文循环。尽管以后澳大利亚的亨茨和施洛克发现甘蔗、玉米等植物中还存在着四碳循环，以及在肉质植物中还存在景天酸代谢，但卡尔文循环仍是绿色植物固定同化二氧化碳最重要，最基本的途径。

经过成千上万科学工作者的努力，动用了世界上最先进的科学仪器和技术，也有四位科学家在阐明部分机理上取得成果而获得诺贝尔奖金。对植物如何利用太阳能之“谜”似乎应该解决了，但是目前离完全了解还相当远。科学家们还未搞清比当今世界上最大容量集成块体积还小的色素复合体的结构，还没有捕捉到在10－15秒以下短时间内所发生的变化，而了解植物如何利用太阳能之“谜”的关键就在那一瞬间。