梅爾文·卡爾文：光合作用尋“碳”蹤

尹傳紅 王敘

梅爾文·卡爾文用碳-14跟蹤二氧化碳在植物細(xì)胞內(nèi)的變化軌跡，探明了光合作用中的碳固定途徑，首次揭示了自然界最基本的生命過程，對(duì)生命起源的研究具有重要的意義。

植物生長所需營養(yǎng)物質(zhì)來自哪里

從兩千多年前古希臘的亞里士多德時(shí)代，直至18世紀(jì)中期，人們一直以為，植物體內(nèi)的全部營養(yǎng)物質(zhì)，都是從土壤中獲得的。

不過，也有人不這么看。1643年，比利時(shí)醫(yī)生范·海爾蒙特通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)為，構(gòu)成植物體的物質(zhì)來自于水，而土壤只供給極少量的物質(zhì)。雖然這表明綠色植物體內(nèi)存在化學(xué)活動(dòng)，水參與了植物體有機(jī)物質(zhì)的合成，可事情似乎又沒有這么簡單。1727年，英國植物學(xué)家斯蒂芬·黑爾斯提出了植物生長時(shí)主要以空氣為營養(yǎng)的觀點(diǎn)，但那個(gè)時(shí)候，人們連空氣的主要成分是什么都還沒搞清楚呢。

之后，英國化學(xué)家約瑟夫·普利斯特利于1771年通過一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)指出，綠色植物能使因蠟燭燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁的空氣“復(fù)原”，或變得清新。這個(gè)實(shí)驗(yàn)，青少年朋友在初中生物課上都會(huì)學(xué)到，這里就不再一一贅述。

1777年，由綠色植物產(chǎn)生、能使空氣得到“凈化”的那種氣體，被法國化學(xué)家拉瓦錫命名為oxygen（中譯名“氧氣”），其含義是酸的物質(zhì)。

關(guān)鍵因素

然而，普利斯特利那個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，有人重復(fù)去做卻不大成功，甚至得出了相反的結(jié)論：植物有時(shí)不僅不能把空氣變好，反倒會(huì)讓空氣變?cè)恪＿@到底是怎么回事呢？

1779年，荷蘭化學(xué)家揚(yáng)·英根豪斯做了一系列實(shí)驗(yàn)，觀察到在陽光下植物產(chǎn)生的氣體能把空氣變好，而在黑暗中植物不僅不能“凈化”空氣，反而會(huì)像動(dòng)物一樣使好空氣變壞。后來弄明白了，那是由于植物同樣也有呼吸作用的緣故。此后幾年間，人們明確了空氣的組成成分，并且認(rèn)識(shí)到綠色植物在光照下釋放出的氣體為氧氣，而在夜間釋放出的氣體是二氧化碳。

進(jìn)入19世紀(jì)后，光合作用物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化才真正為人們所認(rèn)識(shí)。最初是在1804年，瑞士化學(xué)家德·索蘇爾通過定量研究，確立了植物光合作用過程中吸收的二氧化碳與放出的氧氣之間的數(shù)量關(guān)系。他發(fā)現(xiàn)植物制造的有機(jī)物和釋放出的氧氣的總量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過它們所吸收的二氧化碳的量。由此他斷定植物在進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物時(shí)，必定也有水的參與。

1864年，德國植物學(xué)家朱利葉斯·薩克斯用他的天竺葵經(jīng)典實(shí)驗(yàn)表明，光合作用的產(chǎn)物除氧氣外，還有有機(jī)物。這又提出了一個(gè)新的問題：究竟是怎樣的一種結(jié)構(gòu)或機(jī)制，讓植物葉片具有了制造有機(jī)物的能力？

被陽光聚集在一起

19世紀(jì)后半期人們發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)綠色植物細(xì)胞中存在著一種極微小的綠色結(jié)構(gòu)，被稱作葉綠體。它形似扁豆，直徑僅數(shù)微米。后來又得知，葉綠體之所以呈綠色，是因?yàn)樗腥~綠素。葉綠素是植物體內(nèi)含量最多的色素。此外，還有葉黃素、胡蘿卜素等，它們會(huì)吸收不同顏色的光。

1880年，德國生物學(xué)家恩格爾曼用水綿實(shí)驗(yàn)證明，植物光合作用的場(chǎng)所和放氧部位是葉綠體，條件是要有光照。接著，他又研究了不同顏色的光對(duì)綠藻光合作用的影響，并驚奇地發(fā)現(xiàn)大量的嗜氧細(xì)菌聚集在紅光和藍(lán)光區(qū)域。這說明葉綠體中的色素對(duì)不同顏色的光吸收程度存在差異，對(duì)于紅光和藍(lán)光吸收最多。這也意味著被紅光和藍(lán)光照射的細(xì)胞的光合速率最快。

現(xiàn)在，人們通常把植物制造有機(jī)物的過程稱為光合作用（photosynthesis）。這個(gè)術(shù)語出現(xiàn)于20世紀(jì)初，由希臘文photos（光）和synthesis（集合/合成物）兩個(gè)詞組合而成，意思是“被陽光聚集在一起”。更具體地說，光合作用是植物、藻類和某些細(xì)菌利用葉綠體，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣的生物化學(xué)過程。它可以用一個(gè)簡單的總反應(yīng)式表述如下：

12H2O + 6CO2 + 光 → C6H12O6 （葡萄糖） + 6O2↑+ 6H2O

然而，對(duì)光合作用本質(zhì)及其諸多復(fù)雜過程的認(rèn)識(shí)，還有艱難的路要走。

他是一個(gè)尋根問底的人

事實(shí)上，直到20世紀(jì)30年代末，人們還不太了解光合作用的大部分復(fù)雜反應(yīng)。這方面取得的一個(gè)重要進(jìn)展是，美國科學(xué)家魯賓和卡門于1938年用示蹤劑（同位素標(biāo)記法）探測(cè)綠色葉子的化學(xué)作用，獲得了一個(gè)輪廓清楚的發(fā)現(xiàn)：植物所放出的氧來自水分子，而不是來自二氧化碳分子。

此后不久，物理學(xué)家于1940年在放射實(shí)驗(yàn)室里用回旋加速器“造出”了長壽命的放射性同位素碳-14。機(jī)緣巧合，早年主要研究有機(jī)分子的化學(xué)家梅爾文·卡爾文跟物理學(xué)家開始了密切的合作。1946年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者歐內(nèi)斯特·勞倫斯建議卡爾文研究一下碳-14同位素?？栁膶?duì)確定光合反應(yīng)過程的化學(xué)細(xì)節(jié)特別感興趣，自1949年起，他開始研究產(chǎn)生光合作用的化學(xué)反應(yīng)。

最初，卡爾文用碳-14來追蹤光合作用中碳元素的蹤跡，并發(fā)現(xiàn)和分離各種中間產(chǎn)物，推斷這些產(chǎn)物該如何銜接起來，從而了解到光合作用中各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，包括具體的化學(xué)反應(yīng)步驟。他很好地利用了剛剛發(fā)明不久的氣液色譜來鑒定光合作用過程中不同階段的產(chǎn)物，分析其相關(guān)化合物。

1957年，卡爾文提出了著名的“卡爾文循環(huán)”，勾畫出光合作用“暗反應(yīng)”過程中，從最初原料二氧化碳到最終產(chǎn)物碳的化學(xué)反應(yīng)路線圖，并首次探明了光合作用中的碳固定途徑。他指出，碳水化合物的合成需要一個(gè)反應(yīng)循環(huán)，該循環(huán)受13種酶所催化。二氧化碳與二氧化碳接收物結(jié)合（稱為碳的固定），經(jīng)過一系列化學(xué)反應(yīng)，生成糖類離開循環(huán)；同時(shí)二氧化碳接收物獲得新生，參與下一次循環(huán)。驅(qū)動(dòng)循環(huán)所需的能量來自三磷酸腺苷（ATP）等高能化合物，這些化合物正是“光反應(yīng)”階段葉綠素吸收光能后形成的。

“卡爾文循環(huán)”被看作是自然界基本的生命過程之一，對(duì)生命起源研究具有重要的意義。因此項(xiàng)研究成果，卡爾文被授予1961年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

晚年的卡爾文致力于研究如何利用光合作用，用產(chǎn)油植物作為燃料的取代品。他一直對(duì)生命的化學(xué)進(jìn)化過程，特別是光合作用在這一過程中所起的作用很感興趣。他的女兒回憶并評(píng)價(jià)他說：“他是一個(gè)非常非常好奇的人，他喜歡尋根問底……”