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第16章 一项重大的研究课题

二百多年来,世界上许多科学家为了揭开光合作用的奥秘贡献了毕生的精力。不过,人们对于绿叶的光合作用,现在也只是知道一个粗略的轮廓,许多细节还不很了解。要想更深入地探求光合作用这样一个重要的自然现象的全部奥秘,还需要几代人长期不懈的努力。

光合作用是在一个很精致、很复杂的“工厂”中进行的。各种植物的“绿色工厂”的设备和装置也不完全一样,科学家们正在探索不同植物的“工厂”特点,分析“工厂”中的各种设备,力图抓住其中的关键环节,用遗传学知识提高现有农作物等的光合作用效率;并通过对“绿色工厂”设备的详细解剖和分析,在掌握它的生产原理以后,用现代化学、物理和工程学的知识来仿效它,以便高效率地生产品质最优良的产品。这是多么富有魅力的目标啊!

那么,当前科学家们对于光合作用的研究,正在开展哪些重大的研究课题呢?

变三碳植物为四碳植物

20世纪60年代,美国科学家发现植物可分为三碳植物和四碳植物两类。所谓三碳植物,是指二氧化碳进入绿叶以后,先形成一个含有三个碳原子的化合物,这类植物比如水稻、小麦、大豆、天竺葵等等。而四碳植物,是指二氧化碳进入绿叶以后,先形成一个含有四个碳原子的化合物,这类植物比如甘蔗、玉米、高粱等等。

科学家是怎样发现三碳植物和四碳植物的呢?

60年代初期,美国科学家用天竺葵做实验,发现在光照下,叶片吸进的氧气很多,放出来的二氧化碳也很多,科学家把这种现象叫做光呼吸。天竺葵的光呼吸是比较高的,但是光合作用的效率却很低。

到了60年代中期,他们又发现另一种植物甘蔗的光呼吸很低,甚至几乎没有光呼吸,可是它的光合作用效率却很高。这是怎么回事呢?

经过科学家的进一步研究,发现甘蔗叶片内的维管束部分有皇冠状的细胞组织,这种独特的结构和二氧化碳的结合能力比较强。比如,中午阳光比较强的时候,气孔开得很小、尽管吸进来的二氧化碳含量减少,但是光合作用能够照常进行。而天竺葵、小麦等就不是这样,平时,它们的气孔开得很大,这样就不能适应强光的照射,体内的水分都被蒸发到周围环境中去了,所以一到中午,气孔就关闭,叫做小麦“午睡”,需要等到太阳斜射的时候、叶片再恢复光合作用。

科学家还发现,四碳植物甘蔗进行光合作用的时候,还有一套比较复杂的酶系统和二氧化碳结合。具体讲,有两种酶和二氧化碳结合的很紧密:一种是二磷酸核酮糖羧化酶,另一种是磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。这两种酶都能把一丁点儿的二氧化碳尽快地送进“车间”。所以,在同样的条件下,甘蔗光合作用的效率比小麦高。

更有趣的是,那些长期生活在沙漠里的仙人掌,可称是景天科植物中的佼佼者了。白天,沙漠奇热,它惜水如金,紧闭气孔;一到晚上,气孔敞开,由一种酶把二氧化碳先运到细胞的液泡中,暂时贮存起来。等到白天,在强烈的阳光下再“闭门生产”。这时候,二氧化碳再源源不断地从液泡运到“车间”。科学家发现仙人掌负责和二氧化碳结合的酶,同四碳植物的酶一样,都是结合能力很强的酶。二氧化碳进入仙人掌的绿茎以后,也是先形成一个含有四个碳原子的化合物,但是又和甘蔗、玉米等四碳植物不同。甘蔗是在白天进行光合作用,直接利用二氧化碳作原料,不需要在液泡里暂时贮存。

从以上和二氧化碳产生不同变化的植物类型来看,四碳植物的光合作用效率比三碳植物高,所以,世界上许多农业专家、生物学家都力图把三碳植物变成四碳植物。从不同植物具有不同的光呼吸,科学家们得到启示:想办法降低光呼吸作用来提高光合作用效率。但是,做了许多实验都没有成功。经过研究,现在自然界中的四碳植物,大约有一百多种,大多都是起源于热带的植物;其余的基本上是三碳植物。科学家正继续探索三碳植物变成四碳植物的途径。

大约到70年代初期,美国科学家又发现在滨藜科的植物中,既有三碳植物,又有四碳植物。

他们用这两种植物进行杂交实验,也就是让三碳植物和四碳植物进行异花传粉。结果,在后代植株上面,表面看起来像四碳植物,实际上,四碳植物的优点却没有了。分析主要原因是由于三碳植物和四碳植物的内部结构和功能不同。从这个实验说明用杂交的办法目前是不行的。

科学家认为,解决这个问题最有希望的办法是基因移植,也叫做遗传工程,这样才有可能提高低光呼吸植物的光合作用效率。

什么是基因呢?平时,你所看到的植物各种各样,有的高,有的茎细,有的花小,有的果大等等,这些叫做不同的性状,而且这些性状可以遗传下去。是谁控制着生物体中多种多样的性状呢?原来,在细胞核里有许多棒状的染色体,在染色体上面就排列着许许多多基因,一个基因控制着一个性状。因为基因可以一代一代地遗传下去,所以生物的性状也就跟着遗传了。

随着现代生物学的发展,科学家能够运用一种专门的技术给生物细胞做“手术”,把基因从一个生物体的细胞里移植到另一个生物体的细胞里去。这个专门技术叫做遗传工程。如果把四碳植物的遗传基因移植到三碳植物里面,这样,三碳植物也就像四碳植物那样长出先进的“生产设备”,从而大大提高生产效率。如果能做到这一点,“绿色工厂”合成的产品,就可以翻几番,地球上就可以增加多少亿吨的粮食。

开发能源的新途径

目前,全世界每年大约耗费煤炭等能源物资几十亿吨,1979年,美国单石油一项就消耗九亿两千四百万吨之多。如果按这个速度耗费,要不了二百年,地下贮藏的石油、煤等能源就要消耗殆尽。所以,科学家正在千方百计地寻找新能源。

探索光合作用的秘密,是开发能源的理想办法之一。

大家知道,太阳光是用之不尽,取之不竭的能源,水也是最丰富的资源。如果能像“绿色工厂”那样,吸收太阳光来分解水,把水变成氢气和氧气,那该是多么理想的办法!氢气是不污染空气的良好能源,现在一般用电分解水得到它,还要消耗大量的电源。所以,模拟光合作用用光来分解水是重要的方向。

人类有没有办法实现这个理想呢?

这,乍看起来似乎十分困难。因为通常绿色植物利用太阳光分解水总是放出氧气和生成还原态氢,再用还原态氢去还原二氧化碳,生成碳水化合物,而不会放出氢气来。

然而,人们通过长期的观察和研究,也找到一些植物用光分解水以后是能放出氢气的。比如,有一些藻类——绿藻、红藻和蓝绿藻等等,它们身上就有一种特殊的放氢酶。人们把它们放在无氧条件下培养一个时期以后,在光照下就可以产生氢气。虽然这些植物产生氢气的量很少,而且放氢的速度也慢,但它毕竟给人类仿照植物的光合作用来分解水作出了启示。

1973年,美国科学基金会特别拨出一笔经费,成立专门研究小组,研究如何仿照“绿色工厂”分解水制取氢气和氧气的办法。经过努力,果然有所突破。研究小组提出用叶绿体和放氢酶联合作战的方案来光解水。他们从菠菜叶子中提取叶绿体,从梭菌体内提取放氢酶,把它们混在一块,再加进一个能传递电子的化合物——甲基精紫。然后,把它们安置在无氧的环境中,经过太阳光的照射,结果,很快地放出了氢气。

1977年,这项研究又取得进展。他们的光解装置效率是每毫克叶绿素每小时可产生125微克的氢气,而且这个光解装置可以连续工作六个半小时。虽然得到的氢气量还是比较少,但它说明人类用植物光解水取得能源是完全可能的。

但是,光合作用分解水是一个非常复杂的问题,目前还只是停留在实验室里进行。要大规模生产还有许多问题有待解决。比如,叶绿体品种的选择、放氢酶的稳定性等等。不过,用光分解水的办法解决能源的课题,已得到世界各国的重视。美国、澳大利亚、日本、英国等都相继成立专门的组织和联合会,致力研究。相信在不久的将来,人类一定能实现以光解水取得能源的宏伟目标。

绿色“发电厂”

植物利用太阳光分解水获得氢气和氧气,只是一个间接解决人类对能源需求的办法。能不能把太阳光直接转变成电能呢?用半导体材料制作的光电池,就是这样一种装置。不过现在人们还正求助于“绿色工厂”建立绿色“发电厂”,从另一个途径实现这个宏伟目标。

前面讲过,绿色植物的光合作用是在叶绿体中进行的。叶绿体里面有专门捕捉阳光的光合膜,它是由叶绿素分子、磷脂以及蛋白质组成并有严密结构的膜。光合膜体积很小,只有几个微米,但能力大得惊人,具有捕捉阳光、传递电子和能量转换等功能。它在光合作用中起主力作用。依靠它,通过一系列电子传递来实现光合作用。

于是,人们设想以叶绿素为主体制造一个人工光合膜,然后把光能激发,形成电流。如果形成的电流强大,那就成为一个绿色“发电厂”了。

这个宏伟的设想能不能成为现实呢?

能。美国科学家经过十年的努力,用这种模拟光合作用的光化学反应产生电流,已经获得成功,并且应用在“阿波罗三号”人造卫星上面。只是价格昂贵,需要进一步改进。

后来,日本著名科学家落合教授也用实验作出肯定的回答。

落合教授从小对“绿色工厂”就发生兴趣,立志要揭开它的奥秘。他大学毕业以后,从事光合作用的研究,取得了成绩。1979年,他为建立绿色“发电厂”迈出了可喜的第一步。

落合教授详细分析了光合膜的结构和功能,发现分离出来的叶绿素,在阳光照射下,可以进行两个化学反应。如果把这两个反应放在一起,就有电子转移。于是,他就模拟光合膜结构,以叶绿素为主体,制作了一个人工光合膜,铺在水面上形成单分子层,在太阳光照射下,膜的上下两面果然产生了电位差。

近来,落合教授又进一步改造人工光合膜的性能,添加了一些过渡元素化合物作催化剂,提高了膜电子传递的能力。据报导,利用中午的阳光照射,从人工光合膜上,可以获得12微安培的电流。这说明,利用“绿色工厂”的原理是可以发电的。

落合教授试验初步取得成功,人们设想:有朝一日,能造出一个巨大的人工光合膜,把它覆盖在厂房和住房的房顶上,一年四季都可以利用太阳能来发电,源源不断地供应工厂和家庭对电能的需要。

光合固氮

把空气里的氮变成含氮化合物的过程,叫做固氮。化学上固氮的办法比较复杂,需要在高温、高压和高活性催化剂的帮助下,才能做到。但是,生物固氮就简单得多了。比如,有一种叫根瘤菌的微生物,它和豆科植物共生,在常温常压下,就能不断地制造氮的化合物。

那么光合作用能固氮吗?

回答这个问题得从光合细菌说起。

前面讲过,本世纪30年代,科学家发现紫色和绿色的细菌也像绿色植物那样有光合作用的本领,它们也能把光能转变为化学能。

不过,真正揭开光合细菌之谜的,那还是近年的事。据美国科学家卡白昂许的研究,光合细菌身上有一种独特的光合器,里面有类似叶绿素那样的物质,能捕捉光能,传递电子,合成许多营养物质。有一种叫红色无硫细菌,它的光合器中就有一系列类似橙红色胡萝卜素的化合物。卡白昂许等人研究表明:光合细菌不仅能固定空气中的二氧化碳,还能进一步利用太阳光固氮。因此,光合细菌已作为生物氮肥施加在农田上,达到了增产的目的。据报导,光合细菌分别施加到水稻、茄子、辣椒等农作物上,可以分别增产46%、35%和54%。日本科学家小林达治把光合细菌喷洒到柿树和温州蜜桔上,不仅可以使果品鲜美,产量增加,而且提高果品的糖分、维生素B、维生素C等含量。

科学家在研究光合细菌固氮的同时,也发现有些绿色植物有光合固氮的能力,特别是有些热带植物和某些藻类植物,光合固氮的能力更为显著。

光合细菌和某些植物为什么能光合固氮呢?

这正是科学家研究的重大课题。他们初步认为,光合固氮是在光合膜上进行反应的。在光合膜接受光能以后,发生了一系列的电子传递,当“绿色工厂”里的一些高能物质把电子递交给氮的时候,氮就被还原成为氮的化合物了。

光合固氮的秘密揭开以后,人们就可以进一步地模拟它,把光合固氮推广到一般植物体上面,那样,我们就可以不给或少给庄稼施肥,同样获得丰收。

富有魅力的目标吸引了许多科学家。我们相信,再经过几代人的努力,这些光辉的理想,一定会变为灿烂的现实。

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