光合作用的奥秘(光合作用的意义与实质)

幕后 • 2022年1月26日 17:12 • 探秘

光合作用又叫作光能合成作用，它是植物、藻类、细菌等经过可见光的照射，产生一系列光反应与暗反应，将二氧化碳、硫化氢、水等转化为有机物，最后释放出氧气、氢气的生化过程。光合作用是所有生物生存的基础，也是地球碳氧循环系统中必不可少的媒介，因此光合作用可以说是地球上最为重要的化学反应了。

在200多年前，人们就已经发现了光合作用，还有不少科学家通过对光合作用的研究，获得了令人瞩目的成就。

人类为什么要致力于光合作用的探索和研究呢?这是因为光合作用为人类提供了生产与生活所需的所有物质，一旦离开了植物的光合作用，人类将难以生存。为了满足人类对粮食、生活物资等的大量需求，避免生产资料短缺现象的恶化，人类就必须提高植物的光合作用效率，让“绿色加工厂”生产出更多人类所需的生活物质。如今，人类甚至可以对藻类的光合作用加以调节和控制，使之直接产生氢，而且还可以利用光合作用的原理，研制出高效的太阳能转换器等等。

科学家们利用高科技手段对植物光合作用进行干预和调节，大大提高了各种农作物的产量，为解决世界性粮食问题带来了重大意义。

不仅如此，光合作用在优化环境方面，也是不可替代的。植物吸收空气中的二氧化碳，再释放出氧气，大大降低了环境中的二氧化碳含量，对温室效应起到了延缓作用，保障了人类的正常生存和生产。毫无疑问，植物的光合作用对于人类而言，是极为重要的。然而，对于为人类做出了如此贡献的光合作用，科学家们依旧存在许多困惑。

首先，光合作用的转化过程为什么如此迅速高效?

100多年前，科学家们就对光合作用有了认识，但是直到量子学建立以后，科学家们才开始了光合作用的研究工作。如今，随着科学研究的不断深入和发展，我们知道光合作用其实包括三个主要环节：吸能、传能和转化。而这三个环节都是镶嵌在光合膜中的具有空间构想和分子排列的捕光、反应中心色素蛋白复合体，以及相关的电子载体的共同作用下完成的。在这个过程中，植物从吸收光能到分离原初电荷所需的时间居然不到万分之一秒!也就是说，在这万分之一秒以内，植物就完成了一个包括大量光子、激子、电子、离子等的传递与能量转化的复杂物理与化学过程!这真是令人叹为观止。

科学家们表示，光合作用过程中能量的传递和转化不光速度惊人，而且十分高效。在适宜的条件下，光合膜系统中的传能效率超过了94%，一旦光子能传入反应中心，能量转化的量子效率甚至可达100%。这样高效的机制，恐怕是当今任何科学技术都远不能及的。

科学家们指出，要想彻底了解光合作用高效机制的秘密，就必须获得最合适的、高度纯化的、稳定性足够强的捕光和反应中心复合物，同时配合足够快速的物理和化学技术手段。但目前为止，还没有科学家能够通过实验真正解开这一谜题。

其次，光合作用作为大自然中最重要的生化反应之一，它起源于什么时候?这样复杂的独立代谢反应是如何演化而来的?因此，光合作用的起源和演化是困扰科学家的第二个大问题。

美国生化学家罗伯特教授认为，大约在25亿年前就有了光合作用，且其反应演化很可能依赖于细菌。然而，由于光合作用发展史过于久远，参与的微生物种类过多，变化太大，所以其演化线索并不好追踪。然而，为了进一步突破困局，罗伯特教授等人对五种细菌基因组进行了相关的实验和研究，结果表明，植物的光合作用是由不同的演化路线合并而成的，并非单一的直线。这样的研究结论说明人类可以对微生物进行修补或改造，从而产生新的生化反应，甚至可以设计出特殊物质的合成反应。

最后，人类能否脱离植物，实现工厂化的光合作用?

我国有科学家指出，要想进一步弄清楚光合作用的机理，就必须对其空间构象、蛋白的分子排列等问题有清楚的认识。可是，镶嵌在脂质双分子膜里面的分子膜蛋白具有极强的疏水性，十分难分离和结晶。幸运的是，通过我国科学院植物研究所的科研人员的不懈努力，如今我国已经拥有了提取这种膜蛋白的技术。这对于光合作用的膜蛋白研究，具有十分重大的意义。于是，有人便提出了这样的构想：或许有一天，人类可以通过模拟光合作用，让食物直接从工厂里生产出来，降低人类对植物光合作用的依赖性。