光合作用发展史：实验探索与生物工程技术的应用

公元前4世纪，古希腊哲学家亚里士多德（右图）认为：植物生长所需的物质全来源于土中。

1627年，荷兰人范·埃尔蒙做了盆栽柳树称重实验，得出植物的重量主要不是来自土壤而是来自水的推论。他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成。

1642年，比利时科学家海尔蒙特出于对亚里士多德观点的怀疑，做了类似范·埃尔蒙的实验：将一棵重2.5kg的柳树苗栽种到一个木桶里，木桶里盛有事先称过重量的土壤。以后，他每天只用纯净的雨水浇灌树苗。为防止灰尘落入，他还专门制作了桶盖。五年以后，柳树增重70多千克，而土壤却只减少了不到100g，海尔蒙特为此提出了建造植物体的原料是水分这一观点。但是当时他却没有考虑到空气的作用。

亚里士多德

海尔蒙特

1771年，英国的普利斯特里发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气。他做了一个有名的实验，把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭了，小白鼠很快也死了。接着，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里，发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里，发现植物和小白鼠都能够正常地活着。于是，他得出了结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。但他并没有发现光的重要性。

1779年，英格豪斯用漏斗把新鲜水草扣在装满水的大烧杯里，再用装满水的试管罩在漏斗颈部一端的开口上，然后给水草光照，并用试管收集水草接受光照后所产生的气体。一段时间以后，水草在光照下产生的小气泡在倒扣的试管底部越聚越多。英格豪斯慢慢地将试管从水中取出，再把点燃的蜡烛逐渐靠近试管口，只听“砰”的一声，蜡烛的火焰蹿起老高。这个结果用当时人们已经掌握的化学知识，可以解释为是氧气的助燃现象。

英格豪斯同时还做了不给水草照光的对比试验，结果很长时间以后也没有看到小气泡产生出来。为了让试验的结果更加可靠，英格豪斯并不忙于下最后的结论。他又用了将近3个月的时间，选择不同的植物反复进行了总计500多次实验。终于找到了好空气与坏空气互变的关键原因——“光”。英格豪斯所得出的结论是：在光照下，植物会把坏空气变成好空气，没有光的时候则相反。

1779年，他发现植物在光照情况下会产生气泡，而在没有光照情况下气泡停止了变大。他发现那气泡是氧气。他也发现植物在黑暗条件下释放出二氧化碳，并且光照条件下释放出的氧气量比黑暗条件下释放出的二氧化碳多。这表明植物不仅生自于土壤，也生自于空气。

1804年，法国的索叙尔通过定量研究进一步证实：二氧化碳和水是植物生长的原料。(www.xing528.com)

1845年，德国科学家梅耶根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。

1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。他做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉，然后把这个叶片一半曝光，一半遮光。过一段时间后，用碘蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功地证明绿色叶片在光合作用中产生淀粉。

1880年，恩格尔曼用水绵进行了光合作用的实验：把载有水绵和好氧细菌临时装片放在没有空气的黑暗环境里，然后用极细的光束照射水绵，通过光学显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光束照射到的部位集中；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。从而证明：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。

恩格尔曼在证明光合作用放氧部分是叶绿体后，紧接着又做了一个实验：他用三棱镜的光照射水绵临时装片，惊奇地发现大量的好氧细菌聚集在红光和蓝光区域。从而证明叶绿体中色素吸收红光、蓝紫光，用于光合、放出氧气。

20世纪30年代初，荷兰生物学家范·尼尔发现了细菌光合作用。一些细菌在只有无机培养基（CO2、H2S、光）中也能生长，这个过程同绿色植物生长很相似。唯一的不同之处在于不用水作氢的来源，而用H2S（硫化氢）作氢供体，并且不放氧气。这一重要发现由于当时光合作用研究最大权威瓦勃的怀疑而曾一度为人们所否认，直到40年代有人用实验证明细菌光合作用与植物光合作用是可以相互转换的。

1939年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行了探究。他们用氧的同位素18 O分别标记H2 O和CO2，使它们分别成为H2 18 O和C18 O2。然后进行两组实验：第一组向植物提供H2 O和C18 O2；第二组向同种植物提供H2 18 O和CO2。在其他条件都相同的情况下，他们分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18 O2。这一实验有力地证明光合作用释放的氧气来自水。

20世纪40年代，美国科学家卡尔文用小球藻做实验：用14 C标记的CO2（其中碳为14 C）供小球藻（一种单细胞的绿藻）进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径被称为卡尔文循环。

卡尔文原理：卡尔文循环是光合作用暗反应的一部分。反应场所为叶绿体内的基质。循环可分为三个阶段：羧化、还原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物会将吸收到的一分子二氧化碳通过一种叫二磷酸核酮糖羧化酶的作用整合到一个五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖的第二位碳原子上。此过程被称为二氧化碳的固定。这一步反应的意义是，把原本并不活泼的二氧化碳分子活化，使之随后能被还原。但这种六碳化合物极不稳定，会立刻分解为两分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者被在光反应中生成的NADPH+H还原，此过程需要消耗ATP。产物是3-磷酸丙糖。后来经过一系列复杂的生化反应，一个碳原子将会被用于合成葡萄糖而离开循环。剩下的五个碳原子经一系列变化，最后生成一个1，5-二磷酸核酮糖，循环重新开始。循环运行六次，生成一分子的葡萄糖。

21世纪初，合成生物学兴起，人工设计与合成生物代谢反应链成为改造生物的转基因系统生物技术。2003年，美国贝克利大学成立合成生物学系，开展光合作用的生物工程技术开发；同时，美国私立文特尔研究所展开藻类合成生物学的生物能源技术开发，使光合作用技术开发在太阳能产业领域引发了一场变革。