人們對植物光合作用這一重要生命現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)以及對光合作用總反應式的認識,經歷了由表及里的漫長過程,是各國科學家共同努力的結果.
眾所周知,一顆種子播種在土壤中,在適宜的條件下便可萌發(fā)生長.有的可長成高達數(shù)十米的參天大樹；有的在其最適合生長的季節(jié)里具有驚人的生長速度.如玉米在拔節(jié)期每天大約可長高8厘米,而大牡竹曾有一天增高41厘米的記錄.那么,植物生長所需的營養(yǎng)物質是從哪里來的?
早在兩千多年前,人們受古希臘著名哲學家亞里土多德的影響,認為植物體是由“土壤汁”構成的,即植物生長發(fā)育所需的物質完全來自土壤.到17世紀上半葉,比利時醫(yī)生海爾蒙脫設計了一個巧妙的實驗：他把一棵稱過重的柳樹種植在一桶事先稱好重量的土壤中,然后只用雨水澆灌而不供給任何其他物質.5年后,他發(fā)現(xiàn)這棵柳樹的重量竟是剛栽種時的33.8倍,而土壤的重量只減少62.2克.因此,他認為構成植物體的物質來自水,而土壤只供給極少量的物質.這個結論首先提出了水參與植物體有機物質合成的觀點,但是沒有考慮到空氣對植物體物質形成所起的作用.
早在1637年,我國明代科學家宋應星在《論氣》一文中,已注意到空氣和植物的關系,提出“人所食物皆為氣所化,故復于氣耳”.可惜因受當時科學技術水平的限制,未能用實驗來證明這一精辟的論斷.直到1727年,英國植物學家斯蒂芬·黑爾斯才提出植物生長時主要以空氣為營養(yǎng)的觀點.而最先用實驗方法證明綠色植物從空氣中吸收養(yǎng)分的是英國著名的化學家約瑟夫·普利斯特利.他還證明植物能“凈化”因燃燒或動物呼吸而變得污濁的空氣,使空氣變好,這就是后來人們才知道的植物在光合作用中釋放出氧氣的緣故.然而他卻把這種現(xiàn)象歸因于植物緩慢的生長過程,而沒有認識到光在此過程中的重要作用.由于他的杰出貢獻和實驗完成于1771年,因此,現(xiàn)在把這一年定為發(fā)現(xiàn)光合作用的年份.
隨后有人重復普利斯特利的實驗,但卻得出與他相反的結論,認為植物不僅不能把空氣變好,反而會把空氣變壞（這是由于植物同樣有呼吸作用的緣故）.這種截然不同的結論引起人們的極大關注,導致了1779年荷蘭的簡·英格豪斯進行一系列實驗,他的實驗證實了普利斯特利的實驗結果,確認植物對污濁的空氣有“解毒”能力,同時指出這種能力不是由于植物生長緩慢所致,而是太陽光照射植物的結果,從而證明綠色植物只有在光下,才能把空氣變好.同時他發(fā)現(xiàn)植物有很強的釋放氣體的能力（這就是后來人們知道的植物在光下進行光合作用時放出氧氣的結果）,而且這種能力的活性與天氣的晴朗程度尤其與植物受光照的強度成正相關.他還證明植物在暗中不僅不能“凈化”空氣,反而會像動物一樣把好空氣變壞（這是后來知道的在暗中植物呼吸會釋放出二氧化碳的緣故）.他通過進一步實驗發(fā)現(xiàn),只有葉片和綠色的枝條在陽光下才有改善空氣的作用,而其他所有器官即使在白天也會使空氣變壞.這些實驗結果為后來人們認識植物綠色部分和光在植物光合作用中的重要性奠定了基礎.
1782年,瑞士的牧師吉恩·森尼別在化學分析的基礎上,指出植物“凈化”空氣的活性,除與光照密切相關外,還取決于所“固定的空氣”（即后來知道的二氧化碳）.但是由于受當時氣體化學發(fā)展水平的限制,對植物在光下和暗中所釋放的氣體究竟分別屬于何種氣體仍然不清楚.直到1785年,在弄清空氣的組成成分后,人們才明確認識到植物的綠色部分在光下釋放出的氣體為氧氣,而植物各器官（包括綠色部分）在呼吸過程釋放的氣體是二氧化碳.到此時,人們對植物光合作用與氣體間的關系才有較深刻的認識.