光合作用的研究歷史與未來(lái)展望

1、光合作用的研究歷史與未來(lái)展望光合作用的研究歷史與未來(lái)展望摘要：摘要：光合作用（Photosynthesis）是植物、藻類利用葉綠素等光和色素和某些細(xì)菌利用其細(xì)胞本身，在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水（細(xì)菌為硫化氫和水）轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣的生化過(guò)程。光合作用被稱為“地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)”，這是因?yàn)椋参锬軌蛲ㄟ^(guò)光合作用利用無(wú)機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物并且貯存能量。通過(guò)食用，食物鏈的消費(fèi)者可以吸收到植物及細(xì)菌所貯存的能量。對(duì)于生物界的幾乎所有

2、生物來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是它們賴以生存的關(guān)鍵。同時(shí)，地球上的碳氧循環(huán)，光合作用也是必不可少的。然而，如此重要的化學(xué)反應(yīng)，它的發(fā)現(xiàn)，研究及發(fā)展的過(guò)程又是怎樣的呢？本文通過(guò)對(duì)光合作用研究歷史及研究進(jìn)展的現(xiàn)狀的列舉，闡述了光合作用的前世今生。正文：正文：很久很久以前，人類就開(kāi)始了對(duì)光合作用這一現(xiàn)象的研究：古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，植物生長(zhǎng)所需的物質(zhì)全來(lái)源于土中；1627年，荷蘭人范?埃爾蒙做了盆栽柳樹(shù)稱重實(shí)驗(yàn)，得出植物的重量主要不是來(lái)自土壤而是來(lái)

3、自水的推論。他沒(méi)有認(rèn)識(shí)到空氣中的物質(zhì)參與了有機(jī)物的形成。1771年，英國(guó)的普里斯特利發(fā)現(xiàn)植物可以恢復(fù)因蠟燭燃燒而變“壞”了的空氣。他做了一個(gè)有名的實(shí)驗(yàn)，他把一支點(diǎn)燃的蠟燭和一只小白鼠分別放到密閉的玻璃罩里，蠟燭不久就熄滅了，小白鼠很快也死了。接著，他把一盆植物和一支點(diǎn)燃的蠟燭一同放到一個(gè)密閉的玻璃罩里，他發(fā)現(xiàn)植物能夠長(zhǎng)時(shí)間地活著，蠟燭也沒(méi)有熄滅。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一個(gè)密閉的玻璃罩里。他發(fā)現(xiàn)植物和小白鼠都能夠正常地活著，于

4、是，他得出了結(jié)論：植物能夠更新由于蠟燭燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁了的空氣。1779年，荷蘭的英恩豪斯證明只有植物的綠色部分在光下才能起使空氣變“好”的作用。1804年，法國(guó)的索敘爾通過(guò)定量研究進(jìn)一步證實(shí)二氧化碳和水是植物生長(zhǎng)的原料。1845年，德國(guó)的邁爾發(fā)現(xiàn)植物把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化成了化學(xué)能。1864年，德國(guó)的薩克斯發(fā)現(xiàn)光合作用產(chǎn)生淀粉。他做了一個(gè)試驗(yàn)：把綠色植物葉片放在暗處幾個(gè)小時(shí)，目的是讓葉片中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)消耗掉，然后把這個(gè)葉片一半曝光，一半遮

5、光。過(guò)一段時(shí)間后，用典蒸汽處理發(fā)現(xiàn)遮光的部分沒(méi)有發(fā)生顏色的變化，曝光的那一半葉片則呈深藍(lán)色。這一實(shí)驗(yàn)成功的證明綠色葉片在光和作用中產(chǎn)生淀粉。1880年，美國(guó)的恩格爾曼發(fā)現(xiàn)葉綠體是進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所，氧是由葉綠體釋放出來(lái)的。他把載有水綿和好氧細(xì)菌的臨時(shí)裝片放在沒(méi)有空氣的暗環(huán)境里，然后用極細(xì)光束照射水綿通過(guò)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，好氧細(xì)菌向葉綠體被光照的部位集中：如果上述臨時(shí)裝片完全暴露在光下，好氧細(xì)菌則分布在葉綠體所有受光部位的周圍。協(xié)同作用，得

6、到了廣泛的支持。由此掀起了研究?jī)蓚€(gè)光反應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的熱潮，推動(dòng)了光合作用的核心問(wèn)題──原初反應(yīng)和水的光解問(wèn)題的研究。進(jìn)入80年代，光合反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)研究取得了重要突破，1982年西德生化學(xué)家h.米舍爾成功地分離提取出生物膜上的色素復(fù)合體，即光合反應(yīng)中心。以后德國(guó)的蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)分析專家r.休伯和j.戴維森經(jīng)過(guò)4年的努力，用x射線衍射分析的方法測(cè)定出這個(gè)復(fù)合體的復(fù)雜的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。這一成果在光合作用研究上是一個(gè)飛躍，有力地促進(jìn)了太陽(yáng)光能

7、轉(zhuǎn)變?yōu)橹参锬艿乃查g變化原理的研究。人們對(duì)于光合作用的研究深入而廣闊，然而光合作用的起源是什么？光合作用又是如何演化而來(lái)的呢？這一直是科學(xué)家不斷探尋的未解謎團(tuán)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，光合作用不是起源于植物和海藻，而是起源于細(xì)菌。日前，日本筑波大學(xué)的一個(gè)研究小組在和歌山縣一處海濱發(fā)現(xiàn)了一種半植物半動(dòng)物特性的奇特微生物，其進(jìn)行光合作用所獲得的食物資源直接提供給自己食用，此一半寄主一半宿主的生長(zhǎng)過(guò)程正好解釋了光合作用的起源與發(fā)展，揭開(kāi)了在10億年前發(fā)生的

8、光合作用的演化之謎。研究小組將新發(fā)現(xiàn)的生物命名為Hatena。這一發(fā)現(xiàn)發(fā)表在10月14日出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志上。日本筑波大學(xué)的生物學(xué)家岡本和井上通過(guò)對(duì)野生Hatena海藻進(jìn)行觀察，看到了Hatena的生命循環(huán)是在宿主相與寄主相之間快速轉(zhuǎn)換。此生物體一會(huì)兒可以讓它成為綠色海藻的宿主（攜帶或養(yǎng)育著另一種有機(jī)體的某個(gè)動(dòng)物或植物），一會(huì)兒又可以讓它成為吞噬綠色海藻的寄主。在此轉(zhuǎn)移過(guò)程中，此共生體細(xì)胞一直保留其細(xì)胞核和其它重要的組成，如線粒體和

9、葉綠體?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，作為宿主，一種稱為腎爿藻屬的綠色海藻細(xì)胞寄生在Hatena上，使無(wú)色的Hatena看起來(lái)為綠色。然而，當(dāng)這種綠色細(xì)胞一分為二時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種無(wú)色子細(xì)胞和一種也有一個(gè)小尾巴的綠色子細(xì)胞。無(wú)色細(xì)胞逐漸形成一種用來(lái)吞噬新的綠色海藻細(xì)胞的“進(jìn)食口”———一個(gè)比較發(fā)達(dá)的像嘴一樣的器官。綠色海藻細(xì)胞一旦被吞噬，它就失去了自己的小尾巴和自己的外部結(jié)構(gòu)，成為宿主的一部分。而無(wú)色細(xì)胞吃完海藻后，它就用不著了，也就退化了。之后，此綠色細(xì)

10、胞自行演化，分裂成的綠色子細(xì)胞和無(wú)色子細(xì)胞，再吃再長(zhǎng)，從而周而復(fù)往地生活著。令人驚奇的是，這無(wú)色細(xì)胞吃的正好是自己的另一半———綠色藻類。像食草動(dòng)物一樣，無(wú)色細(xì)胞靠吞噬藻類來(lái)生存，而綠色的細(xì)胞像植物一樣，靠光合作用生存。研究小組得出結(jié)論，這種微生物一半“植物型”，依靠從母體那里繼承的藻進(jìn)行光合作用，產(chǎn)生能量維持生存；另一半為“動(dòng)物型”，靠捕食藻類作為能量來(lái)源而生存。研究小組的井上教授介紹說(shuō)，這種“半植半獸”微生物的發(fā)現(xiàn)可能揭示了海洋單細(xì)

11、胞生物向植物進(jìn)化過(guò)程中的重要一環(huán)，從而有助于理解植物是如何產(chǎn)生光合作用的。從這些進(jìn)程中能夠很明顯地看出，無(wú)論是宿主生物體，還是共生細(xì)胞，它們都在光合作用。此“半植半獸”微生物在宿主和共生體細(xì)胞之間的快速轉(zhuǎn)變可能在光合作用演化過(guò)程中起過(guò)關(guān)鍵作用，推動(dòng)了植物和海藻的進(jìn)化。雖然目前科學(xué)家還不能培養(yǎng)野生Hatena來(lái)完全研究清楚他的生命周期，但是這一階段的研究可能會(huì)為搞清楚什么使得葉綠體成為細(xì)胞永久的一部分提供了一些線索。科學(xué)家認(rèn)為，此生命現(xiàn)象