探索和研究光合作用的卡尔文

卡尔文（Melvin Calvin，1911～1995）是美国生物化学家。从1945年～1955年，他和本森（A.A.Benson）、巴沙姆（J.A.Basshau）等人合作，经过10年的艰苦努力，推论出在植物的光合作用过程中，二氧化碳形成糖（6-磷酸果糖）的步骤，明确了二氧化碳的同化途径。1961年，卡尔文因研究光合作用的重大成就而荣获该年度诺贝尔化学奖。

1911年4月8日，卡尔文出生于美国明尼苏达州圣保罗的一个俄国移民家庭。当时，他的父亲在底特律的一家汽车厂做技术修理工，母亲在家种田。卡尔文从小就很勤奋，刚刚10岁就到一家食品店做了学徒工，后来他上了学。

由于卡尔文平时学习十分努力，又善于思考，所以学习成绩一直名列前茅。到中学毕业时，他借助自己所获得的助学金进入密执安矿业技术学院，学习了化学专业，从此，他与化学打了一辈子的交道，并借助于这方面的才华，在前辈科学家的工作基础上，成功地敲开了人类认识光合作用原理的大门。1931年，卡尔文大学毕业，取得了理学学士学位。此后，他又在明尼苏达大学继续攻读化学专业，研究催化方面的问题。4年后，卡尔文又取得了化学博士学位。后来，还是在奖学金的资助下，卡尔文又来到英国的曼彻斯特，在维多利亚大学迈克尔·波拉尼（M.Polanyi）教授的指导下，研究学习了两年。在这一段学习生活中，卡尔文逐渐对研究光合作用产生了浓厚的兴趣。

1937年，卡尔文接受了美国物理化学家刘易斯（G.N.Lewis）的邀请，回到美国，进入加利福尼亚大学的伯克利分校任教，并开始着手研究光合作用中的催化问题。但是，这项研究很快就被第二次世界大战的炮声打断了。

在1937年以后的大约8年中，全世界都卷入了一次空前的战火——第二次世界大战。当二战的硝烟在珍珠港升起之后，卡尔文也不得不和美国其他许多科学界同行一样，终止或改变自己的科学研究工作，受命参加研究与战争有关的科学问题。例如，卡尔文在二战当中，曾经花了4年时间研究合成出一种含有钻的络合物，这种物质和血红蛋白一样能够在血液里运输氧，可以在医疗手术和抢救伤员时做血浆的代用品。他还试验成功了分离“铀”和“钚”以及提纯“钚”的方法，这一成果后来被美国原子能委员会用于研究和制造原子弹的“曼哈顿”计划。

在近代“络合物化学”领域，卡尔文进行过一系列的研究，有十分重要的贡献。他在研究一种叫做“酞菁”的有机物时，发现这种物质在空间结构上与植物的叶绿素和动物血红素很相似。而酞菁的化学性质却比叶绿素和血红素都稳定得多。1952年，卡尔文出版了《金属络合物的化学》一书，这部书被誉为近代对络合物研究的权威性著作。

卡尔文在生物学方面的一个重要贡献，是他提出了在光合作用过程中，二氧化碳转化为糖的途径。1945年，第二次世界大战结束后，卡尔文和他的合作者将主要精力用于研究光合作用。他们运用同位素示踪和纸层析分离等实验方法和技术，推论出了光合作用过程中，从二氧化碳到六碳糖的各主要反应步骤，并将这个发现总结为“光合碳循环”。后人为了纪念卡尔文这位伟大的发现者，也把光合碳循环称为“卡尔文循环”。

其实，关于植物光合作用的研究，早在17世纪初就开始了。当时，有一位名叫赫尔蒙特的比利时医生就做过这样一个有趣的试验。他把十分容易生根成活的一段柳树枝条种植在一个大瓦盆里。在种植之前，他称量了柳树枝条的质量（2.27kg）和瓦盆中干燥沙土的质量（90.8kg）。此后，只向盆中浇雨水，不再添加其他东西。5年以后，当赫尔蒙特再次进行称量时，柳枝枝条已经长成重达76.86kg的柳树，而瓦盆中干燥沙土的质量仅仅减少了千分之一左右。柳树增加的质量远远大于土壤减少的质量。所以，根据这个试验，赫尔蒙特认为，使柳树生长并增加质量的物质，主要来源于雨水，而不是土壤，这个结论在今天看来虽然并不十分科学和严谨，但是，它开创了人们使用定量的方法来研究生物学的先例，是对生物学研究的一个重要贡献。

另外，还有几位学者也从事过这方面的研究。例如，1727年，英国牧师黑尔斯在他的著作《植物静力学》中就曾经提出了与赫尔蒙特不同的观点。黑尔斯在这部书中说，植物体在生活过程中所形成并积累的固体物质，是植物叶子从空气中所吸收的养分变化而来的。以后，又过了40多年，另一位英国牧师、化学家普利斯特里在1771年为了验证自己提出的在自然界中有“好空气”和“坏空气”之说，也做了一个有趣的试验。普利斯特里同时将两只老鼠分别放在两个密封的钟罩内，其中一个钟罩里还放进了一株生长旺盛的植物。不久，没有植物陪伴的老鼠渐渐减少了活动，很快就死去了；而在放有绿色植物的另一个钟罩内，老鼠依然可以进行正常的活动，并且持续生活了好几天。普利斯特里还把燃烧着的蜡烛与旺盛生长的薄荷放在一起，蜡烛居然也久久没有熄灭。根据这些试验，普利斯特里得出了植物能够把坏空气变成好空气的结论，而动物的呼吸和蜡烛的燃烧则将好空气变成坏空气。后来，普利斯特里写了一本书，名字就叫《各种气体的实验和观察》。

科学应当能够经受得住时间和实践的检验。当别人按照这本书中所提供的方法去重复普利斯特里所得出的实验结论时，有些时候看到的结果却恰恰相反：是绿色植物的生命活动才把好空气变成坏空气的。这种奇怪的现象，又将一位荷兰医生英格豪斯的注意力吸引到这个研究领域中来。1779年夏天，英格豪斯来到英国伦敦，也开始进行这方面的研究。他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，蜡烛的火焰窜起老高。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是“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。

此后，在1782年，瑞士牧师塞尼比尔（Jean Senebier）用化学分析证明，绿色植物能吸收老鼠呼吸产生的“坏空气”（二氧化碳），同时向老鼠提供“好空气”（氧气）；1804年，瑞士化学家索绪尔（Nicholes.Th.de.Saussare）又发现了植物在光照下吸收二氧化碳与产生氧气的数量差异，进一步推论出水参与了光照下植物积累有机物的生命活动，水分和二氧化碳都是光合作用的原料。

1864年，萨克斯发现了光合作用的产物中有淀粉。直到1897年，科学家们才归纳出了光合作用的反应式：

二氧化碳+水+光氧+有机物+化学能

1897年，在人类开始探索植物生命活动原理的一百多年以后，一位名叫佩弗的法国科学家，为植物体在光照下的这种重要的合成代谢起了一个贴切而又响亮的名字——“光合作用”。

在人类探索植物光合作用的漫漫历史长河中，还有一位科学家我们不应当忘记，他就是英国剑桥大学的植物生理学家希尔（R.Hill）。是他在1939年用实验证明了植物细胞中的叶绿体在吸收光能以后，可以从水分子中释放出氧气。这个结论后来还在1951～1955年间，在美国和波兰等不同的国家被科学工作者多次验证过。通过以上这些科学家们的共同努力，到20世纪中叶，人类对于植物光合作用的认识，已经从宏观向微观前进了一大步。有关这方面的研究，也从细胞水平转入了更接近于生命物质运动本质的大分子水平。

地球上的生命现象，说到底就是一种物质运动形式，而光合作用则是生命这种物质运动形式的重要基础。没有植物的光合作用，地球上的生命将失去获得光能来推动生命物质运动的能量来源。所以，探索和揭开光合作用的奥秘，是人类探索大自然奥秘的一个里程碑，也将有益于我们更科学地认识人类与环境之间的关系，尤其是认识植物在自然界中的重要地位和作用。