第一节 光合作用的研究历史

光合作用(photosynthesis)通常是指绿色植物吸收光能，把二氧化碳和水合成有机物，同时释放氧气的过程。地球上一年中通过光合作用约吸收2.0×1011t 碳素(6400t/s)，合成5×1011t 有机物，同时将3.2×1021

J 的日光能转化为化学能，并释放出5.35×1011t 氧气。光合作用是地球上规模最巨大的把太阳能转变为可贮存的化学能的过程，也是规模最巨大的将无机物合成有机物和从水中释放氧气的过程。自从有了光合作用，需氧生物才得以进化和发展。由于光合作用中氧的释放和积累而逐渐形成了大气表面的臭氧(O 3）层，O 3能吸收阳光中对生物有害的紫外辐射，使生物可从水中到陆地上生活和繁衍。光合作用是生物界获得能量、食物以及氧气的根本途径，所以光合作用被称为“地球上最重要的化学反应”。没有光合作用也就没有繁荣的生物世界。当今人类社会面临着日趋严峻的食物不足、能源危机、资源匮乏和环境恶化等问题，这些问题的解决无一不与植物的光合作用有着密切的关系。因此深入探讨光合作用的规律，揭示光合作用的机理，使之更好地为人类服务，愈加显得重要和迫切。

一、光合作用总反应式的确定

18世纪以前，人们都认为植物是从土壤中获得生长所需的全部元素的。1771年英国化学家普利斯特利(J.Priestley)发现将薄荷枝条和燃烧的蜡烛放在一个密闭的钟罩里，蜡烛不易熄灭；将小鼠与植物放在同一钟罩里，小鼠也不易窒息死亡。因此，他提出植物可以“净化”空气，现在就把1771年定为发现光合作用的年代。以后又经许多人的研究(见绪论)，到了19世纪末，人们写出了如下的光合作用的总反应式：

6CO 2+6H 2O→ C 6H 12O 6＋6O 2 (4-1)

从(4-1)式中可以看出：光合作用本质上是一个氧化还原过程。其中CO 2是氧化剂，CO 2中的碳是氧化态的，而C 6H 12O 6中的碳是相对还原态的，CO 2被还原到糖的水平。H 2O 是还原剂，作为CO 2还原的氢的供体。(4-1)式用了几十年，后来又把它简化成下式：

CO 2+H 2O→(CH 2O)＋O 2 (△G°′＝4.78×105

J) (4-2)

(4-2)式用(CH 2O)表示一个糖类分子的基本单位，比较简洁。用叶绿体代替绿色植物，说明叶绿体是进行光合作用的场所。由于葡萄糖燃烧时释放2870 kJ·mol -1的能量，因而每固定1mol CO 2(即12g 碳)就意味着转化和贮存了约478kJ 的能量。

应该注意到光合作用反应式中所有的反应物和产物都含有氧，而上面两式并没有指出释放的O 2是来自CO 2还是H 2O 。很多年来，人们一直以为光能将CO 2分解成O 2和C ，C 与H 2O 结合成(C H 2O )，然而以下三方面研究证实了光合作用释放的O 2来自于H 2O 。

1.细菌光合作用 能进行光合作用的细菌称之为光合细菌(photosynthetic bacteria)。光合细菌包括蓝细菌、紫细菌

和绿细菌等。其中蓝细菌的光合过程与真核生物相似，紫细菌和绿细菌则不能分解水而需利用有机物或还原的硫化物等作为还原剂。例如：紫色硫细菌(purple-sulfur bacteria)和绿色硫细菌(green-sulfur bacteria)利用H 2S 为氢供体，在光下同化CO 2：

CO 2+2H 2S→(CH 2O)+2S+H 2O (4-3)

光合细菌在光下同化CO 2而没有O 2的释放。因此，细菌光合作用是指光合细菌利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，将CO 2还原成有机物的过程。

1931年微生物学家尼尔(C.B.V an Niel)将细菌光合作用与绿色植物的光合作用加以比较，提出了以下光合作用的通式：

CO 2+2H 2A→(CH 2O)+2A+H 2O (4-5)

这里的H 2A 代表一种还原剂，可以是H 2S 、有机酸等，对绿色植物而言，H 2A 就是H 2O ，2A 就是O 2。绿色植物光合作用中的最初光化学反应是把水分解成氧化剂(OH)与还原剂(H)。还原剂(H)可以把CO 2还原成有机物质；氧化剂(OH)则会通过放出O 2而重新形成H 2O 。

绿色植物和光合细菌都能利用光能将CO 2合成有机物，它们是光养生物。从广义上讲，所谓光合作用，是指光养生物利用光能把CO 2合成有机物的过程。

2．希尔反应 1939年英国剑桥大学的希尔(Robert.Hill)发现在分离的叶绿体(实际是被膜破裂的叶绿体)悬浮液中加入适当的电子受体(如草酸铁)，照光时可使水分解而释放氧气：

4Fe 3+＋２H 2O→4Fe 2+ ＋４Ｈ+

＋Ｏ2 (4-6)

这个反应称为希尔反应(Hill reaction)。其中的电子受体被称为希尔氧化剂(Hill oxidant)，铁氰化钾、草酸铁、多种醌、醛及有机染料都可作为希尔氧化剂。希尔不但证明了给叶绿体照光可使水分解放氧，氧的释放与CO 2还原是两个不同的过程，而且也是第一个用离体的叶绿体做试验，把对光合作用的研究深入到细胞器水平，为光合作用研究开创了新的途径。

以后发现生物中重要的氢载体NADP +也可以作为生理性的希尔氧化剂，从而使得希尔反应的生理意义得到了进

一步肯定。在完整的叶绿体中NADP +作为从

H 2O 到CO 2的中间电子载体，其反应式可写为：

2NADP +＋2H 2O→2NADPH ＋2H +＋O 2 (4-7 )

CO 2也可看作为一种生理性的希尔氧化剂，因为向完整的叶绿体悬浮液中充入CO 2或加入能产生CO 2的试剂如NaHCO 3，照光时叶绿体能发生放氧反应。

3.18O 的研究 更为直接的证据是标记同位素的实验。1940年美国科学家鲁宾(S.Ruben)和卡门(M.D.Kamen)等用氧的稳定同位素18O 标记H 2O 或CO 2进行光合作用的实验，发现当标记物为H 218O 时，释放的是18O 2，而标记物为C 18O 2时，在短期内释放的则是Ｏ2。这清楚地指出光合作用中释放的Ｏ2来自于 H 2O 。

CO 2+2 H 218O→(CH 2O)+ 18O 2+H 2O （4-8）

为了把CO 2中的氧和H 2O 中的氧在形式上加以区别，表明光合作用中释放的Ｏ2全来自于H 2O ，而CO 2中的一个O 又被还原成H 2O ，因此，可用下式作为光合作用的总反应式。

CO 2+2H 2O →(C H 2O )+ Ｏ2+2 H 2O (4-9)