1、光合作用的研究历史与未来展望摘要：光合作用（Photosynthesis ）是植物、藻类利用叶绿素等光和色素和某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水（细菌为硫化氢和水）转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。光合作用被称为“地球上最重要的化学反应” ，这是因为，植物能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是它们赖以生存的关键。同时，地球上的碳氧循环，光合作用也是必不可少的。然而，如此重要的化学反应，它的发现，研究及发展的过程又是怎样的呢？本文通过对光合作用研究历史及研究进展
2、的现状的列举，阐述了光合作用的前世今生。正文：很久很久以前，人类就开始了对光合作用这一现象的研究：古希腊哲学家亚里士多德认为，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。1771 年，英国的普里斯特利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，他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，他发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又
3、把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里。他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。1779 年，荷兰的英恩豪斯证明只有植物的绿色部分在光下才能起使空气变“好”的作用。 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。1845 年，德国的迈尔发现植物把太阳能转化成了化学能。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，用典蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化
4、，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功的证明绿色叶片在光和作用中产生淀粉。1880 年，美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所，氧是由叶绿体释放出来的。他把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中：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。1897 年，首次在教科书中称它为光合作用。20 世纪 30 年代，美国科学家鲁宾和卡门采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，得到了氧气全部来自于水的结论。20 世纪 40 年代，美国的
5、卡尔文等科学家用小球藻做实验：用 C14 标记的二氧化碳（其中碳为 C14）供小球藻进行光合作用，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，这一途径被成为卡尔文循环。20 年代，o.瓦尔堡进一步提出在光反应中不是温度而是光的强度起作用。19291931年荷兰微生物学家 c.b.范尼尔通过比较生化研究，发现光合硫细菌与绿色植物一样，也进行光合作用。只是绿色植物的供氢体是水，而光合硫细菌的供氢体是硫化氢或其他还原性有机物。c.b.范尼尔的工作改变了长期以来认为光合作用一定要放氧的看法，扩大了光合作用的概念，对以后有深远影响。对于光合作用的重要参与物质叶绿素，
6、早就引起人们的注意。德国化学家 r.m.维尔施泰特经过了 8 年的努力,于 1913 年阐明了叶绿素的化学组成。另一位德国化学家 h.菲舍尔于 1940 年确定了它的结构，这些都为 50 年代“光合作用中心”的提出，以及色素吸收光子、能量传入作用中心等的发现奠定了基础。虽然光合作用的部位早就被认为是叶绿体，但真正用实验加以证实则在 20 世纪 30 年代末 40 年代初。英国植物生理学家 r.希尔用离体叶绿体作实验 ,测到放氧反应,这是绿色植物进行光合作用的标志。但是否代表光合作用未能肯定。希尔称它为叶绿体的放氧作用，亦被称为“希氏反应” 。这一工作直到 1951 年才被证实是光合作用的一部分
7、。19541955 年，美国生物化学家 d.i.阿尔农美国微生物学家 m.b.艾伦又证明离体叶绿体不仅能放氧，而且也能同化二氧化碳。这也就证实了叶绿体确是光合作用的部位。美国伯克利加州大学的 m.卡尔文、a.a.本森、j.a.巴沙姆等，利用劳伦斯实验室制备的同位素的和其他新的生化技术，花了 10 年的时间于 50 年代中期阐明了“光合碳循环”,或称“卡尔文循环”的过程。他们证明,在叶绿体内一种 5 碳糖起了二氧化碳接收器的作用经过一系列的酶促反应，不断地循环同化二氧化碳，形成一个一个的 6 碳糖，再聚合成蔗糖或淀粉。光合磷酸化是光合作用中的重要的能量传递过程。1954 年 d.i.阿尔农在用菠
8、菜叶绿体研究二氧化碳同化的同时，发现叶绿素受光的激发产生电子，在传递过程中与磷酸化偶联,产生 atp,电子仍回到叶绿素分子上,继续上述过程，这一过程被称为循环光合磷酸化。几乎同时别人也证明，细菌中也存在着类似的过程。1957 年 d.i.阿尔农等又发现另一类型的光合磷酸化。在这个过程中，光使叶绿素从水中得到电子，电子传递过程中与希尔反应偶联，还原辅酶，放氧，同时产生 atp,这一过程称为非循环光合磷酸化。光合作用中两个光反应系统的发现推动了光合磷酸化研究的不断深入。这项工作主要是美国植物生理学家 r.埃默森及其合作者从 40 年代初到他逝世这十几年内进行的。1943年他们发现红光波段中,短波(
9、650 纳米)区比长波区 (700 纳米)的光合效率高。1957年他们又发现两者同时照射比单一照射所产生的光合效率高。根据他们的工作以及其他人的工作，英国的 r.希尔等提出可能存在着两个光反应系统:系统由远红光(700 纳米)激发,系统则依赖于较高能的红光（650 纳米）。非循环光合磷酸化对此就是一个有力的支持事例。根据这一设想及大量实验结果，设计出一个“z 图解”,表达两个光反应系统的协同作用，得到了广泛的支持。由此掀起了研究两个光反应系统结构与功能的热潮，推动了光合作用的核心问题原初反应和水的光解问题的研究。进入 80 年代，光合反应中心的结构研究取得了重要突破，1982 年西德生化学家
10、h.米舍尔成功地分离提取出生物膜上的色素复合体，即光合反应中心。以后德国的蛋白质晶体结构分析专家 r.休伯和 j.戴维森,经过 4 年的努力，用 x 射线衍射分析的方法,测定出这个复合体的复杂的蛋白质结构。这一成果在光合作用研究上是一个飞跃，有力地促进了太阳光能转变为植物能的瞬间变化原理的研究。人们对于光合作用的研究深入而广阔，然而光合作用的起源是什么？光合作用又是如何演化而来的呢？这一直是科学家不断探寻的未解谜团。科学家发现，光合作用不是起源于植物和海藻，而是起源于细菌。日前，日本筑波大学的一个研究小组在和歌山县一处海滨发现了一种半植物半动物特性的奇特微生物，其进行光合作用所获得的食物资源直
11、接提供给自己食用，此一半寄主一半宿主的生长过程正好解释了光合作用的起源与发展，揭开了在 10 亿年前发生的光合作用的演化之谜。研究小组将新发现的生物命名为 Hatena。这一发现发表在 10 月 14 日出版的美国科学杂志上。日本筑波大学的生物学家冈本和井上通过对野生 Hatena 海藻进行观察，看到了 Hatena 的生命循环是在宿主相与寄主相之间快速转换。此生物体一会儿可以让它成为绿色海藻的宿主（携带或养育着另一种有机体的某个动物或植物），一会儿又可以让它成为吞噬绿色海藻的寄主。在此转移过程中，此共生体细胞一直保留其细胞核和其它重要的组成，如线粒体和叶绿体。科学家发现，作为宿主，一种称为肾
12、爿藻属的绿色海藻细胞寄生在 Hatena 上，使无色的 Hatena 看起来为绿色。然而，当这种绿色细胞一分为二时，就会产生一种无色子细胞和一种也有一个小尾巴的绿色子细胞。无色细胞逐渐形成一种用来吞噬新的绿色海藻细胞的“进食口”一个比较发达的像嘴一样的器官。绿色海藻细胞一旦被吞噬，它就失去了自己的小尾巴和自己的外部结构，成为宿主的一部分。而无色细胞吃完海藻后，它就用不着了，也就退化了。之后，此绿色细胞自行演化，分裂成的绿色子细胞和无色子细胞，再吃再长，从而周而复往地生活着。令人惊奇的是，这无色细胞吃的正好是自己的另一半绿色藻类。像食草动物一样，无色细胞靠吞噬藻类来生存，而绿色的细胞像植物一样，
13、靠光合作用生存。研究小组得出结论，这种微生物一半“植物型”，依靠从母体那里继承的藻进行光合作用，产生能量维持生存；另一半为“动物型”，靠捕食藻类作为能量来源而生存。研究小组的井上教授介绍说，这种“半植半兽”微生物的发现可能揭示了海洋单细胞生物向植物进化过程中的重要一环，从而有助于理解植物是如何产生光合作用的。从这些进程中能够很明显地看出，无论是宿主生物体，还是共生细胞，它们都在光合作用。此“半植半兽”微生物在宿主和共生体细胞之间的快速转变可能在光合作用演化过程中起过关键作用，推动了植物和海藻的进化。虽然目前科学家还不能培养野生 Hatena 来完全研究清楚他的生命周期，但是这一阶段的研究可能会
14、为搞清楚什么使得叶绿体成为细胞永久的一部分提供了一些线索。科学家认为，此生命现象导致海藻进化出一种吞噬细菌的方法，最终使海藻进化出自己的叶绿体来进行光合作用。然而，这一过程到底是怎样发生的，目前还是一个不解之谜。从此研究发现可以看出，光合作用不是起源于植物和海藻，而是最先发生在细菌中。正是因为细菌的有氧光合作用演化造成地球大气层中氧气含量的增加，从而导致复杂生命的繁衍达十亿年之久。在其他的实验中，冈本和井上教授尝试了喂给 Hatena 其他的海藻，想看看它是否会有同样的反应。但是，尽管它也吞噬了海藻，却没有任何改变的过程。这说明在这两者之间存在着某种特殊的关系。判断出这种关系是否是基因决定的将
15、是科学家需要解决的下一个难题。光合作用的基因可能同源，但演化并非是一条从简至繁的直线。科学家罗伯持布来肯细普曾在科学杂志上发表报告说，我们知道这个光合作用演化来自大约 25 亿年前的细菌，但光合作用发展史非常不好追踪，且光合微生物的多样性令人迷惑，虽然有一些线索可以将它们联系在一起，但还是不清楚它们之间的关系。为此，布来肯细普等人通过分析五种细菌的基因组来解决部分的问题。他们的结果显示，光合作用的演化并非是一条从简至繁的直线，而是不同的演化路线的合并，靠的是基因的水平转移，即从一个物种转移到另一个物种上。通过基因在不同物种间的“旅行”从而使光合作用从细菌传到了海藻，再到植物。布来肯细普写道：“
16、我们发现这些生物的光合作用相关基因并没有相同的演化路径，这显然是水平基因转移的证据。”他们利用 BLAST 检验了五种细菌：蓝绿藻、绿丝菌、绿硫菌、古生菌和螺旋菌的基因，结果发现它们有 188 个基因相似，而且，其中还有约 50个与光合作用有关。它们虽然是不同的细菌，但其光合作用系统相当雷同，他们猜测光合作用相关基因一定是同源的。但是否就是来自 Hatena，还有待证实。然而，光合作用的演化过程如何？为找到此答案，布来肯细普领导的研究小组利用数学方法进行亲缘关系分析，来看看这 5 种细菌的共同基因的演化关系，以决定出最佳的演化树，结果他们测不同的基因就得出不同的结果，一共支持 15 种排列方式
17、。显然，它们有不同的演化史。他们比较了光合作用细菌的共同基因和其它已知基因组的细菌，发现只有少数同源基因堪称独特。大多数的共同基因可能对大多数细菌而言是“日常”基因。它们可能参加非光合细菌的代谢反应，然后才被收纳成为光合系统的一部分。1关于地球上能够生成氧气的光合作用，被人们广泛接受的最古老的证据来自从澳大利亚Pilbara Craton 距今 27 亿年前的页岩中提取出的烃类生物标记，它们被认为是真核生物及光合作用蓝藻的证据。这么早的时间引起了一些争议，因为在能够产生氧的蓝藻在地球上最早出现的这个时间与大约 3 亿年后引起大气中氧含量增加的“大氧化事件”（great oxidation ev
18、ent）有一个很长的时间延迟。由 Rasmussen 等人所做的新的研究工作表明，有机生物标记不是太古代的，一定是在晚些时候、在距今大约 22 亿年前之后进入岩石的。因此，真核生物及蓝藻出现在地球上的最早的、明确无误的化石证据分别应该被纠正为在距今 17.8 亿 16.8亿年前和 21.5 亿年前。2展望未来，光合作用发展至今已有 200 多年历史。上世纪 20 年代以来，在国际上光合作用的研究虽曾多次获得诺贝尔奖，但其机理仍未被彻底了解，这也正是当今世界上有这么多科学工作者位置辛勤奋斗的原因。当前国际上光合作用研究最突出的特点是多学科的交叉和渗透，并与开拓广阔和深远的应用前景相结合。近年来，
19、我国进行一级学科交叉，通过生命科学、物理学和化学的有机结合，在国际竞争激烈、难度很大的光系统 II 原初反应研究领域内取得了重要进展。国际上预测，对光合作用原初反应能量传递和转化的揭示，及其多种光合膜叶绿素蛋白空间结构的解析，预示着光和系统将可能成为第一个原子水平上以物理和化学概念进行解释的复杂的生物系统。云南生态农业研究所所长那中元开发的作物基因表型诱导调控表达技术（GPIT），在世界上第一个成功地解决了提高光合作用效率的难题。提高农作物产量有多种途径，其中之一是提高作物光合作用效率，而如何提高则是一个世界难题，许多发达国家开展了多年研究，但至今未见成功的报道。那中元开发的 GPIT 技术率
20、先解决了这一难题，据西藏、云南、山东、黑龙江、吉林等省、自治区试验结果，使用 GPIT 技术，不同作物的光合作用效率可分别提高 50%至 400%以上。云南省西北部的迪庆藏族自治州中甸高原坝区海拔 3276 米，玉米全生育期有效积温493，不到世界公认有效积温最低极限的一半；玉米苗期最低气温零下 5.4，地表最低气温零下 9.5。但使用 GPIT 技术试种的玉米仍生长良好，获得每亩 499 公斤的高产。1999 年在海拔 3658 米的拉萨试种的玉米，单株最多长出八穗，全部成熟，且全是高赖氨酸优质玉米。全国高海拔地区和寒冷地区的试验示范表明，应用 GPIT 技术可使作物的生育期大为缩短，小麦平
21、均缩短 7 至 15 天，水稻平均缩短 10 至 20 天，玉米平均缩短 30至 40 天。GPIT 技术还解决了农作物自身抗性表达，高抗根、茎、叶多种病害的世纪难题。1999年在昆明市官渡区进行了百亩小麦连片对照试验，未使用 GPIT 技术的小麦三次施用农药，白粉病仍很严重；而应用 GPIT 技术处理的百亩小麦，不用农药，基本不见病株。纵观整个光合作用研究史，预计在 21 世纪初、中期，光合作用机理的研究可能有重大的突破。这不仅具有重大的理论意义，而且对农业生产，开辟太阳能利用的新途径，研制新一代生物电子器件，促进能源、科学、信息科学和材料科学及其技术的发展，都有很大的实践意义。参考文献：1王金元北京科技报2005-11-022 Nature 455, 1101-1104 (23 October 2008)
