光合作用發現歷程中恩格爾曼的研究貢獻及啟示

崔榮榮 凌 宏

(1首都師范大學生命科學學院 北京 100048； 2首都師范大學教育學院 北京 100048)

1988年的諾貝爾獎頒發給了一項光合作用研究成果，頒獎評語中稱光合作用是“地球上最重要的化學反應”，光合作用對人類的生產生活都有著重大的作用。由于光合作用的復雜性，它的發現過程很漫長，經歷了幾百年的時間。光合作用的研究是多領域合作的結果，數百位科學家為此做出過重大貢獻，西奧多·威廉·恩格爾曼(Theodor Wilhelm Engelmann, 1843—1909)便是其中的一位。

1 恩格爾曼生平簡介

恩格爾曼是德國著名的生理學家、植物學家、微生物學家，一生在肌肉生理、微生物學、光合作用等多個研究領域作出重要貢獻。恩格爾曼于1843年11月30日生于德國的萊比錫，他父親是著名的書志學家和出版家，他在人文科學和自然科學的氛圍中長大，興趣十分廣泛。年幼的恩格爾曼不僅對大提琴十分喜好，有相當高的造詣。而且，他受到著名解剖學家卡爾·格根包爾(Carl Gegenbaur)的影響，學會系統地觀察活體生物，尤其擅長的是纖毛蟲類。這一愛好是他后續利用好氧菌進行光合作用研究的關鍵因素之一[1]。

恩格爾曼在萊比錫系統地學習自然科學和藥學。他于1867年發表關于角膜的學位論文吸引了荷蘭著名生理學家弗蘭西斯科斯·孔奈尼亞斯·唐德斯(Franciscus Cornelius Donders)的注意并為他提供助手的崗位。恩格爾曼在荷蘭的烏得勒支市工作了30年，主要從事肌肉及其興奮的生理學研究，1878年，他繪制出了第一幅鋸齒波形的心電圖，是肌肉和心臟興奮收縮理論的奠基者之一[2]。他還用了十年時間(1881年—1890年)利用好氧菌來研究光合作用，并有突出的研究成果。1897年，他在柏林被授予生理學教授職位，因健康原因于1908年退休，1909年5月20日去世，享年65歲。

2 對光合作用的研究和成就

2.1 利用好氧微生物研究光合作用之緣起 1796年，簡·英格豪斯(Jan Ingenhousz, 1730—1799)發表論文《植物的食物與土壤的修復》，文中確認植物在太陽照射下可以更新空氣，這種對動物有益的空氣是氧氣(即光合作用釋放氧氣)[3]。英格豪斯的論文發表之后，引起多位研究者使用各種方法對產生的氧進行測量。例如，氣體分析法(代表有英格豪斯、索緒爾、布森戈)，氣泡計數法(代表有杜特羅歇、薩克斯、普費弗)，以及熒光粉法(代表布森戈)等[4]。

早年的興趣使恩格爾曼一直保持著對微生物學的熱情和觀察微生物的愛好。尤其是同時代的巴斯德等科學家已將微生物的研究從形態描述推進到生理學研究階段[3]。受此影響，恩格爾曼的關注點也在微生物生理特性方面。同時，恩格爾曼又十分關注當時研究的熱點(如光合作用)和科學前沿。所以，恩格爾曼利用微生物進行光合作用的研究，絕不是一種偶然，而是在長年對微生物的觀察研究基礎上，結合光合作用的研究熱潮，創造性地利用微生物的生理特性開展研究，并發表了大量的研究成果。如1881年發表論文《關于最低等生物的光感和色覺》《裂殖菌類生物學》，1883年的《光度測量菌》等十多篇文章。

2.2 利用微生物確定葉綠體是光合作用產氧的場所 恩格爾曼于1881年發表《用于研究植物和動物氧氣釋放的新方法》的論文，介紹了他使用“從根本上區別于迄今為止所有基于同樣研究目的而采用的研究方法”，即利用好氧菌對氧的極度敏感來指示氧氣。他的實驗結果源自于巧妙的實驗設計和細致的觀察。論文中是這樣描述的：“在一個載玻片上滴一滴菌液，蓋上蓋玻片，置于顯微鏡下觀察，發現細菌大量積聚到液滴邊緣，如果蓋玻片下進了氣泡，細菌則圍繞著氣泡。然后細菌的移動逐漸減弱并且停止。但是如果從蓋玻片邊緣給液滴注入一滴去除纖維蛋白的、并且通過在空氣中晃動而充滿氧氣的血液，那么在這兩種液體的交界處，細菌又會立刻開始移動。如果不使用動脈血，而是以較長時間接觸了高濃度一氧化碳的血取而代之的話，那么上述移動就不會出現，或者頂多在極個別的點出現，而且時間很短”。根據一系列實驗，恩格爾曼斷定這種細菌有極其敏感的趨氧性，“敏感度之高，即使遠小于百萬億分之一毫克的氧氣量也能輕易測出來”[4]。

在后續實驗中，恩格爾曼試著向菌液中加入綠色細胞，如綠眼蟲、水綿以及舟形硅藻等，觀察到圍繞著綠色細胞的菌運動活躍，而液滴其他部位的菌已經停止運動。經過重復多次實驗，得出相同的結果。最后給出“唯一可能的解釋是： 含葉綠素的細胞能夠在光照下釋放氧氣，正是這些釋放出的氧氣使細菌發生移動，并在產生氧氣的地方聚集”[4]。恩格爾曼的這個重要發現確立了葉綠體在光合作用中的重要作用的認識——光合作用中產氧的場所。

2.3 利用好氧微生物發現光合作用中最適光譜 在實驗過程中，恩格爾曼觀察到光的作用，并且斷言：“在所有實驗中，氧氣釋放與光線的作用有絕對的關聯”。首先，他做了不同光強對光合作用產氧速率影響的實驗。“光線的作用完全是局部的。如果細胞或單個的葉綠體只局部受到光照，其余部分處于黑暗(或半黑暗)中，那么細菌只會聚集在受光照的部分(光線不能在沒有活的葉綠素作用的情況下直接影響細菌的移動)。當光照強度增加，氧氣釋放量也會在相當大的范圍內隨之增加。能夠讓(氧氣釋放)過程開始顯現的最小光照強度與細胞及細菌的種類和狀態有關。在我實驗的條件下，該最小值似乎總是遠遠高于肉眼所能觀察到的最小值”[4]。

其次，恩格爾曼研究了不同顏色的光線對產氧的影響。一方面，他利用吸收可見光的溶液，如用含碘二硫化碳溶液濾出紅外光，發現好氧菌運動不活躍；另一方面，經過濾光鏡處理，獲得單色光。結果發現，紅光、橙光和黃光處菌活躍度高；藍光處有一定活躍度；而綠光幾乎一直是作用最弱的。

用濾光溶液或者濾光鏡進行實驗已經非常巧妙，但恩格爾曼并沒有滿足，進一步使用了更精密的儀器——顯微光譜儀，對太陽光全光譜中不同波段的光對光合作用產氧量的影響進行研究(該顯微光譜儀是由卡爾·蔡司為恩格爾曼最新設計制作的。1889年，恩格爾曼單獨寫了一篇文章介紹這臺顯微鏡的設計、原理以及使用。該光譜儀由照明系統、一個聚光透鏡、棱鏡以及物鏡組成，可以觀察到極細光束下好氧細菌的密度變化)。在實驗中，恩格爾曼通過儀器在載物臺處投射出連續光譜，并將樣品放置于連續光譜區域[5]。在開始實驗之前，用純氫氣處理以除去微室中的氧。當藻類被照射時，細菌沿著氧梯度游動到光合作用產生最大量的氧的區域。細菌的積累開始于波長為650～680nm的紅色區域，并繼續進入橙色區域(590nm)和紫色、藍色區域(480～490nm)。恩格爾曼用不同的藻類做了實驗，經測量顯示： 剛毛藻屬，羽紋藻屬和顫藻屬的氧氣產量最大值處于在660～680nm波長區域處，伊樂藻屬在約570nm處的氧氣產量為最大值[5]。

2.4 利用好氧微生物定量的研究光能的吸收轉導 恩格爾曼在光譜實驗中，首先確定了光合作用的作用光譜，并通過儀器調節，使放置樣品的狹縫區域和平行空白對照的狹縫區域的光強度相同[6]。然后，將藻類置于樣品區域，通過對比兩個區域中光強度的差別，計算出光的吸收量。在進一步測定、比較藻類細胞中含葉綠素區域和無葉綠素區域光的散射損失的基礎上，恩格爾曼總結得出： 在光照和CO2存在的量確定的實驗條件下，不同的藻類，在不同的光譜波段下，光照吸收量和產氧量的比值(用細菌積累量衡量)是常數。恩格爾曼還注意到葉片的厚度對光合作用的影響。他將一個厚度為0.028mm的剛毛藻細胞放在光譜的不同位置(即細胞表面朝上和細胞表面朝下)，然后測量相對氧氣釋放量的數據。盡管恩格爾曼還不能確定光量子的輸入與O2產生的確切比率，然而，他知道在光譜的各個區域的光的不同強度和光散射的損失。他在當時利用微光譜來測量藻類細胞中光能的吸收和轉導已是很大的突破。

3 啟示

恩格爾曼作為一位主要研究肌肉及其興奮的生理學家，在肌肉生理學方面有杰出貢獻[7]，同時，他開創了光合作用中“光”因素的研究，包括光譜的不同波段對光合作用影響以及光能的利用率等方面。恩格爾曼在光合作用方面的研究成果給后人的啟示是： ①興趣是最好的老師，恩格爾曼對微生物持續不斷的仔細觀察實驗始于其青少年時代的興趣愛好；②作為一名生理學家去研究光合作用與他關注科學前沿和研究熱點密切相關；③實驗設計環節呈現極強的內在聯系，環環相扣，脈絡清晰；實驗過程堅持嚴謹的科學態度，不放過任何微小的發現；④學科交叉，利用簡單又巧妙的方法推動研究工作的開展[8]，特別是運用好氧細菌去測定光合作用所釋放出的氧氣；⑤運用當時最新的光學儀器進行精細的量化研究，定制的顯微光譜儀器為他進行最適光譜和光的吸收轉導的定性研究提供了可能。