光合作用

象是大陆上现存的最大动物，高度达五米左右，鲤鲸是海洋中现存的最大动物，长约 30 米（与久已绝种的恐龙相比，仅仅有几米之差），但它们还不是生物界中的“最大者”。世界上现存的最高大的树木——澳洲的按树，高度竟达 155 米，加里福尼亚的“世界爷”（由于树枝光秃秃的像猛犸的大

牙齿一样，所以又称“猛犸树”，植物学家也常称它巨杉）可长到 142 米高，

树木下部的直径也可达 46 米。

桉树的种子常常是有棱角的、棕褐色的细小颗粒，两棱角之间的最远距离也不过 1～2 毫米，但这么小的种子，仅仅经过七年左右的时间，就能长成一棵高达 19 米、粗为 1.5 米的大树了。这些寸步难行的植物，它们是依靠什么东西生长出来的呢？大概是从土壤中吸收而来的吧！过去人们一直是这样猜想的。

在 17 世纪，有人曾为此做了一个专门的试验：把一枝小柳树插在盆中，每天浇浇雨水，五年以后，惊奇地发现虽然柳树的体重从原来的五磅增加到169 磅，但盆中的泥土只减少了 0.02 公斤。这个试验有力地证明，植物生长所需要的大部分东西，不是从土壤中吸取的。但究竟是从哪里来的呢？人们又想到了水。

由于水是植物原生质的重要组成部分，原生质内部含水量的多少，会直接影响到原生质的状态，如凝胶、溶胶、团聚体的相互转换等，严重的缺水往往会使胶体凝固而停止生命的活动，所以水在植物的生长中的确占有很重要的位置。植物在生长中所消耗的水，是很惊人的。据统计，一株向日葵在整个夏天要消耗 250 公斤左右的水，水稻每长成一公斤干物质就要消耗600～

700 公斤的水，甚至更多。

但人们又经过了近 200 年的研究，发现植物生长所需要的物质，光有水还是不行的。科学工作者曾仔细地进行过观察，发现植物的叶子是水分蒸发十分强烈的地方，因一般植物都具有很多的叶子，植物与空气的接触面积也非常大。如一棵中等大小的桦树，它大约有 20 万片叶子，如果按照每片叶子

的平均面积为 6 平方厘米，则 20 万片叶子的总面积为 1200 平方米，这个数值相当于二亩土地的面积、由于这些原因，所以根吸收进来的水分，大约有99.8％通过叶子被蒸发掉了。

既然这样，那么在植物的生长过程中，究竟是什么东西在起作用呢？经过深入的研究，人们从分析空气的成分和有机物质的化学结构中知道，原来植物的生长和发育，除了水的作用之外，空气和阳光起着巨大的作用。计算表明，植物制造出一克糖，不仅需要吸收相当于 2500 升大气所包含的二氧化碳，而且还需要相当于四千卡的太阳能。

但阳光、大气和水，这三者在植物的生长过程中又是怎样起作用的呢？这就是植物所独有的一种神秘的本领——光合作用。

光合作用，一般来说，是植物利用二氧化碳和水，在阳光的照射下，通过叶绿素吸收太阳的辐射能，把无机物变成碳水化合物的过程。这是奇妙的反应过程，为了探索它的秘密，近年来，人们对它进行了规模巨大的研究活动。

1954 年，人们将植物叶子中的叶绿素提取出来，并加入含有放射性同位

素的二氧化碳，再放在阳光下照射，结果有趣地发现，叶绿素能生成放射性碳水化合物，并放出氧气。

叶绿素的这个本领是从哪里来的呢？为了揭开秘密，人们又用显微镜对植物的叶子进行了仔细的观察和分析，结果发现植物叶子中组成叶肉的细胞内存在大量的绿色“小球”（即叶绿体或叶绿球）。这些小球由基粒和间质两部分组成，它的外部还具有一层半透性的薄膜。基粒是叶绿体中许多圆碟形的非常微小的颗粒，它埋在同质之中，介质则主要由蛋白质所组成。在含有大量色素的基粒之中，还排列着一层层、一束束有次序的叶绿素分子。当光线照射到这些叶绿素分子时，它们就会利用日光的能量，把水和二氧化碳制成糖，糖就可以合成我们食用的淀粉，经过转变之后，也可以合成脂肪和蛋白质，在这个转化的基础上，也可以进一步合成维生素以及橡胶等重要原料。

一般植物的叶绿素，都是呈绿色的，为什么不呈其它的颜色呢？有关的研究表明，原来光敏色素与植物的生活有很大的关系。科学工作者曾用不同波长的光进行试验，结果发现光谱中的红色光对于植物的发芽、生长、开花、结果能产生良好的促进作用，而绿色叶绿素又是吸收红光的能手。由于这个原因，在高等植物中，虽然其种类极其繁多，但都有一个共同的特点，即叶子都是呈绿色的。

在光合作用的过程中，光的影响是很大的。光能通过叶绿体吸收后，能迅速地将能量传给水分子，使水在光的照射下发生分解，在分解过程中不仅放出氧，同时还形成质子和电子。由叶绿素激发出来的电子，它们能像爬山一样，爬到一个高能的水平，然后通过许多传递体回到原来的水平，在电子的流动过程中，进行光合作用的两种最基本的东西也就形成了，电能变成了化学能。

人们发现许多不能食用的植物叶子不仅含有可以食用的蛋白质、脂肪、淀粉、胡罗卜素（人食用之后，在人体内可以转变成多种维生素）和抗血酸等物质。而且这些物质的含量，常常比种籽和块茎还要多，所以人们大胆地设想从叶子中直接提取可供食用的蛋白质等物质。但由于叶子一般含有大量的纤维素，可供食用的物质常常被包在由纤维素所组成的细胞壁里边，人们直接食用这些叶子，一般无法消化和吸收叶子中可供食用的物质，所以，科学工作者提出了一套从叶子中提取可供食用物质的工艺过程：植物的叶子经过压碎、打浆、压榨、加热、过滤和干燥等步骤之后，叶子的细胞壁就会被打破，可供食用的物质就可以从纤维素中分离出来。

据说，利用这种加工方法的一种名叫“机械牛”的提炼机器，使用同量的草料，“机械牛”所形成的蛋白质，可以十倍于以肉和奶的形式所提供的蛋白质的数量。

一种可以用来制造片状、海绵状或口香糖状的人造肉的工业用挤压植物蛋白设备也已经问世了。虽然机器的产品在广泛性、多样性等方面还存在着一些问题，但它诞生的意义是深远的。因为它不仅要以利用自然界中任何植物的叶子作为原料来大量生产纯粹的蛋白质，为人类的食物提供了一个新方向，而且它们对于人类的生活和工作，也将产生革命性的影响。

为了解决人在宇宙飞行的诸多问题，除了对宇宙飞船提出一系列的要求之外，对于人在漫长的征途中所需要的食物、水、氧气的供应，以及人在生理作用下排出的水汽、二氧化碳等废物的处理方面，还必须采取一定的措施。

目前，人们常采用压缩的或液态的氧气来保证供应宇宙飞行员在呼吸时对氧所需要的数量和压力。对于飞行员在呼吸过程中所产生的二氧化碳，一

般是利用化学吸收剂——锂、钾、氢氧化合物等物质来进行排除。但这并不是最好的办法，如果人们要到很远的星球上去做客，这种办法肯定会遇到很大的困难。

怎样来解决这个问题呢？人们在经过许多试验后发现，寄生绿藻在得到二氧化碳及适当的光线之后，放出来的氧气常常要比一般植物多。计算表明，

公斤的寄生藻在一小时内就可放出足够人在一小时内所需要的氧气量。如果考虑到寄生藻在光合作用时，还能吸收二氧化碳的话，那人类在远征宇宙中寄生藻的价值就更高了。

光合作用是地球上影响最大、与人类关系最为密切的一种反应过程。它不仅为地球上所有植物的生长提供了条件，而且也是人类和许多动物生存所需物质的唯一来源。

由于大部分陆地为绿色植物所覆盖，即便是海洋，从光合作用的观点来看，也并不是不毛之地，因为在深达 20～50 米或更深的海水中，往往存在着大量的、只有在显微镜下才能看到的单细胞藻类。这些在一公倾面积内可达3～4 吨重的单细胞藻类，和绿色植物一样，在光的作用下，每年也能将大量的二氧化碳中的碳还原而形成有机物质。所以人们根据陆地植物和水生植物的生长数字，曾进行过粗略而保守的估计：假定一年中每公顷陆生植物，由于光合作用而固定 1.2 吨碳，水生植物由于光合作用而固定 3.75 吨碳，再加上它们用于呼吸作用的 15％的碳，则一年内植物在光合作用过程中，固定碳的总数量可达：陆生植物约 200 亿吨，水生植物约 1550 亿吨，两者加起来可

达 1750 亿吨。

据这个总数，就可以推算出地球上的植物，每年在光合作用的过程中，要形成大约 4000 亿吨左右的有机物质，这个非常巨大的数值，就是地球上规模及影响最大的物质环——碳的循环。

目前，地球大气中氧的含量仅为 1.5×1015 吨，所以，植物在光的作用

下，可以担负起这样的一个重任：用 3000 年左右的时间，把地球上大气中的氧更换一次。这就是地球上另

一个重要的物质循环过程——氧的循环。

光合作用的丰功伟绩还远不只如此，它对其他的物质循环，也能起到很大的推进作用。

光合作用的研究具有重要的意义。从现实的情况来看，植物光合作用，是大气中氧的来源，氧不仅是人和动物的生存所不可缺少的东西，而且也是目前工业中的一种重要的助燃剂。植物的光合作用，为人类提供了无法计算的工业原料。如各种纤维、木材、橡胶、造纸的原料、造酒精的原料等等。植物的光合作用，也是人类目前所利用的能量的基本来源。因为迄今为止，在国民经济中的各个部门和日常生活中，人们所需能量的 95％，都是从过去的或现在的光合作用的产物中取得的。植物的光合作用，也是人类目前所利用的一切食品的根本来源，这些植物的收获物，大约有 90～95％是由植物在光合作用的过程中形成的。