仙人掌进行光合作用是依靠 光合作用介绍

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日期：2001年07月24日来源：科技部

生命离不开能量。维持生命的能量是从哪里来的呢？植物吸收了阳光中的能量，把它们变为电能，然后又变为化学能。用这些化学能作为动力,植物把吸入体内的二氧化碳变成了淀粉、葡萄糖等碳水化合物。这就是地球上绝大多数生物能量的来源。

既然碳水化合物是二氧化碳进入植物体内转化出来的。人类就很想了解这个过程的究竟。但这项工作遇到了很大的困难，因为植物体中大量的有机物都是含碳的。大气中的二氧化碳被吸收后很快就变成了有机物，并且与原来的有机物质混合在一起，使人无从区分哪些有机物中的碳是新转化的，哪些是旧的，所以也很难考察碳在植物体内的变化过程。

40年代中叶，核物理科学的进步使人们有可能利用放射性同位素,来研究光合作用中碳的变化途径。人们发现了长寿命的放射性同位素碳-14，于是想到如果用它给二氧化碳作上记号，就使新转化的碳有了放射性特点，而和原有的碳区分开来。美国生物化学家卡尔文领导的一个小组用这种方法，经过了十年左右的艰苦工作，才弄清了二氧化碳进入叶绿体后，是怎样一步步变成糖、淀粉等碳水化合物的。他们发现在这个过程中，最先形成的是含有三个碳原子的酸，然后经过一系列复杂的转化，最后才变成碳水化合物。（这个同化过程称为光合作用固定碳素的三碳循环）这个转化过程就叫碳三循环，也叫卡尔文循环。

植物是大自然制造碳水化合物的机器，人们很快就发现这些机器的型号并不完全一样。一些原产热带的植物，象玉米、甘蔗，把二氧化碳变成碳水化合物的时候，比碳三循环多了一道工序，它们先在体内的某些细胞里，把二氧化碳固定在四碳酸上，然后运送到另一些细胞里去，在那里，分解成三个碳原子的酸和二氧化碳，再按照碳三循环的途径来生成碳水化合物。这样看来，这些植物多出的一道工序岂不是一种浪费？

原来，这些把二氧化碳固定在四碳酸里的时候，把二氧化碳浓缩了,这实际上起到了一个二氧化碳泵的作用,使植物在二氧化碳浓度比较低的时候，也能很好地进行光合作用。

还有一些植物，象仙人掌，它们生活在高温干旱的沙漠里，白天气孔张开的幅度很小，进入体内的二氧化碳也就比较少，这时候，它们就先生成四个碳原子的酸，对二氧化碳进行固定和浓缩；而入夜的时候，它们再在细胞里释放出白天所固定的二氧化碳，按照碳三循环的途径来制造碳水化合物。

植物的叶子利用太阳光能合成碳水化合物，这是地球上最大规模的把太阳能转化为化学能的过程。地球上，植物每年通过光合作用所转化并储存在碳水化合物中的太阳光能，有50万万亿千焦耳，这至少相当于20万座设计中的长江三峡水电站的发电量。地球上所有生物所依靠的能量都由此而来。

叶子看起来很渺小也很脆弱，但在这渺小而脆弱的生命体内，却有着支撑地球生命的伟大力量。所以，诺贝尔奖金获得者，美国的生物化学家森.乔治感叹道："驱动生命的东西，不过是绿叶中阳光引起的那一小股电子流。"

生命诞生在海洋里。一般认为，在太古时代，地球表层原始海洋中的无机物在闪电和太阳辐射中的紫外线等因素影响下，形成了一些有机物。这些有机物经过长期的作用和变化，产成了原始生物。

生命的存在需要能量的支持，原始生物要消耗原始海洋中的有机物来获得能量。但在当时的条件下，有机物的合成速度总是比消耗的要慢，这样，这些作为宇宙历史的奇迹而出现的原始生命就面临着灭绝的危险。在当时的地球上充满了阳光和二氧化碳，于是，在不断的变异和演化中，一些原始生命产生了可以利用太阳光能把二氧化碳变成有机物的功能，这就是光合功能。这样，它们就能够自己制造有机物而获得能量，从而避免了因为事物匮乏而覆灭的危险。不过，那时原始生物既不需要氧，它们的光合作用也不放出氧气。

在生物体内，用太阳光能把二氧化碳转化成生命可以利用的有机物的一系列反应，要通过分子之间的电子传递来实现。因此，对那些具有光合功能的原始生物来说，最重要的事情就是找到电子的来源。科学家们研究了一种地球上早期的生命物质——厌氧的光合细菌，发现它们能够利用阳光中的能量，去夺取硫化氢或氢之类的气体中的电子，把大气中的二氧化碳变成体内的有机物。但是硫化氢或氢这类电子来源在地球后来的演化中变得越来越稀少，所以厌氧的光合细菌现在只能存活在这类分子相当丰富的含硫温泉、湖底以及类似的环境里。可以想象，生物如果安于以这种获得能量的方式存在下去，地球今天就不会出现如此多姿多彩的生命景象。

原始生命面对生存挑战的时候，再次显示了它顽强的适应性。大约在30亿年前，出现了蓝藻这样的生物，它们能够从一种几乎到处都有的物质——水中汲取电子，把水分解成电子、质子和氧气，然后把二氧化碳变为自身所需的有机物。于是在生命演化的历史中出现了极为重要的一页——放氧的光合作用。对于蓝藻这类生物来说，它们想要的是帮助提供能量的电子和质子，而氧只是一个无助轻重的副产品，但对于生命的演化，氧的大规模出现却仿佛是点燃熊熊烈焰的火种。

在蓝藻出现以后，光合作用使地球大气层中氧的含量逐渐增加。氧气的存在使得一些生物发展出一种新的功能，就是利用氧来彻底分解体内的有机物，从而获得更多供生命活动利用的能量，使它们能进行更复杂、更活跃的生命活动，这样，生物就开始由单细胞向多细胞的方向进化，并形成不同功能的组织和器官。

地球大气层中氧气的积累，还使大气中有足够的氧气转化为臭氧，使大气上层形成一个对紫外线的天然屏障，避免紫外线对生命的杀伤。这样，生物就不再局限于生活在水中，而是开始登上陆地，生栖、繁殖和进一步演化。

这样看来，光合作用的出现就成了生命演化史上具有转折意义的一点。它使生命有了可靠的能量来源；它提供了复杂的生命活动所需要的氧；并且为生命创造了广阔而安全的生存环境，使它们扩展到地球的几乎每一个角落。

几十亿年前，在源源不断的紫外线辐射之下，年轻的金星和地球的大气都演化出了以氮和二氧化碳为主的稳定的大气层，但后来，这两个星球却出现了截然不同的变化。

二氧化碳是一种能引起温室效应的气体，它使到达地表的热量不能释放到太空里去，热量的聚集使得行星表面的温度不断升高。金星就经历了这样一次失控的温室效应，从而变成了一个高温难耐的荒凉世界。而地球的温室效应却没有使它遭逢金星那样的厄运。地球比金星离太阳更远一些，这当然是一个原因，但更重要的一点是，生命在这个星球上开始发展了。

就象我们已经知道的，植物的光合作用使细胞借助阳光中的能量把水分子分解成氢和氧，其中氢不断与二氧化碳结合，形成维持生命的碳水化合物；而氧则被释放到大气中。由于光合作用的存在，地球的大气逐渐由以氮和二氧化碳为主，变成了以氮和氧为主。现在，大气中氧占21%，二氧化碳占0.035%。这样，温室效应被降到最低的程度，地球仍然凉爽，并且能留下独特的液态的海洋和充满游离态氧的大气层。

作为生命历史的后来者，那些需要氧气的生物，包括我们人类能拥有一个适于生存的大气层，应该感谢那些进行光合作用的绿色生命---植物。

工业革命以后，人类的活动规模和范围越来越大，由植物的光合作用所建立起来的二氧化碳和氧的比例平衡面临被打破的危险。高大树木构成的森林是地球上进行光合作用的重要植被。然而，它们在快斧利锯的欢歌中一片片地消失了。50年来，世界森林由占地球陆地面积的1/4锐减到1/6。远古植物演化而成的煤、石油、天然气等化石燃料被大量利用，每年向空气中排放的二氧化碳总量超过60亿吨。由于人类活动，大气中的二氧化碳浓度增加了10%。

二氧化碳增加所产生的温室效应人们已经谈论很多了，而这种变化对动植物的影响在很长的时间尺度内才能显现出来，不过，人们已经发现，一些植物对二氧化碳浓度增高不适应，它们会逐渐改变基因遗传类型；一些适应性不强的植物会灭绝；而且，植物体内的碳和氮的比例发生变化，合成的碳水化合物增多，而蛋白质数量下降。这些变化会对整个生物圈发生难以预料的影响，比如，实验表明，在二氧化碳浓度高的环境里，植物的雌花数量明显高于雄花数量，与之相应，雄性昆虫的数目也大大减少。

植物通过几十亿年的光合作用在地球上构筑起了庞大的生物圈和包括碳与氧在内的物质循环，这是大自然和谐运转的基础，而这一基础一旦被人类在顷刻之间打破，它的后果将是什么？

农业和自然的生态系统不一样，在农田里人们总是有意识的想尽各种办法去影响作物的生长发育，保证它进行旺盛的光合作用，从而尽可能多的获得光合作用的产物并转化成人类所需的产品。

自然界中影响作物进行光合作用的因素有很多。比如，从土壤和空气中吸收的氮、磷、钾等无机营养虽然植物干重的百分之几，但却是植物进行光合作用的生命活动所不可缺少的，所以，土壤的肥力常常是作物高产的必要条件。水是植物进行光合作用的原料，如果水分供应不足，叶片的气孔就会部分关闭，这样，光合作用的另一种原料二氧化碳的吸入就会减少。在高温干旱的中午,许多作物的光合作用速度常常大幅度下降，出现所谓的“午睡”现象。其原因主要就是水分供应不足，植物的光合机构处于低水平运转的“亚健康”状态。

第一次世界大战后，在一些发达地区实现了灌溉排水、田间作业的机械化，并大量使用化肥，这些措施系统的改良了作物光合作用的外部条件，使得作稻、麦等作物的产量由亩产50--100kg上升到250--300kg的范围，这是人类农业生产史上的第一次飞跃。

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