海爾蒙（光合作用的發(fā)現(xiàn)）一個(gè)結(jié)論 2003
此結(jié)論不僅證實(shí)了海爾蒙脫關(guān)于柳樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中合成植物體的物質(zhì)主要來(lái)自水的推論,而且把人們對(duì)光合作用本質(zhì)的
早在兩千多年前,人們受古希臘著名哲學(xué)家亞里土多德的影響,認(rèn)為植物體是由“土壤汁”構(gòu)成的,即植物生長(zhǎng)發(fā)育所需的物質(zhì)完全來(lái)自土壤.到17世紀(jì)上半葉,比利時(shí)醫(yī)生海爾蒙脫設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)：他把一棵稱(chēng)過(guò)重的柳樹(shù)種植在一桶事先稱(chēng)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(zhì).5年后,他發(fā)現(xiàn)這棵柳樹(shù)的重量竟是剛栽種時(shí)的33.8倍,而土壤的重量只減少62.2克.因此,他認(rèn)為構(gòu)成植物體的物質(zhì)來(lái)自水,而土壤只供給極少量的物質(zhì).這個(gè)結(jié)論首先提出了水參與植物體有機(jī)物質(zhì)合成的觀點(diǎn),但是沒(méi)有考慮到空氣對(duì)植物體物質(zhì)形成所起的作用.
早在1637年,我國(guó)明代科學(xué)家宋應(yīng)星在《論氣》一文中,已注意到空氣和植物的關(guān)系,提出“人所食物皆為氣所化,故復(fù)于氣耳”.可惜因受當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平的限制,未能用實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這一精辟的論斷.直到1727年,英國(guó)植物學(xué)家斯蒂芬·黑爾斯才提出植物生長(zhǎng)時(shí)主要以空氣為營(yíng)養(yǎng)的觀點(diǎn).而最先用實(shí)驗(yàn)方法證明綠色植物從空氣中吸收養(yǎng)分的是英國(guó)著名的化學(xué)家約瑟夫·普利斯特利.他還證明植物能“凈化”因燃燒或動(dòng)物呼吸而變得污濁的空氣,使空氣變好,這就是后來(lái)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(zhǎng)過(guò)程,而沒(méi)有認(rèn)識(shí)到光在此過(guò)程中的重要作用.由于他的杰出貢獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)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(fù)普利斯特利的實(shí)驗(yàn),但卻得出與他相反的結(jié)論,認(rèn)為植物不僅不能把空氣變好,反而會(huì)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(jié)論引起人們的極大關(guān)注,導(dǎo)致了1779年荷蘭的簡(jiǎn)·英格豪斯進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn),他的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了普利斯特利的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,確認(rèn)植物對(duì)污濁的空氣有“解毒”能力,同時(shí)指出這種能力不是由于植物生長(zhǎng)緩慢所致,而是太陽(yáng)光照射植物的結(jié)果,從而證明綠色植物只有在光下,才能把空氣變好.同時(shí)他發(fā)現(xiàn)植物有很強(qiáng)的釋放氣體的能力（這就是后來(lái)人們知道的植物在光下進(jìn)行光合作用時(shí)放出氧氣的結(jié)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(qiáng)度成正相關(guān).他還證明植物在暗中不僅不能“凈化”空氣,反而會(huì)像動(dòng)物一樣把好空氣變壞（這是后來(lái)知道的在暗中植物呼吸會(huì)釋放出二氧化碳的緣故）.他通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),只有葉片和綠色的枝條在陽(yáng)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(huì)使空氣變壞.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為后來(lái)人們認(rèn)識(shí)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(chǔ).
1782年,瑞士的牧師吉恩·森尼別在化學(xué)分析的基礎(chǔ)上,指出植物“凈化”空氣的活性,除與光照密切相關(guān)外,還取決于所“固定的空氣”（即后來(lái)知道的二氧化碳）.但是由于受當(dāng)時(shí)氣體化學(xué)發(fā)展水平的限制,對(duì)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(rèn)識(shí)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(guò)程釋放的氣體是二氧化碳.到此時(shí),人們對(duì)植物光合作用與氣體間的關(guān)系才有較深刻的認(rèn)識(shí).
關(guān)于植物在光下放氧,我們可以用如下的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)加以證明：剪取生長(zhǎng)旺盛的幾枝金魚(yú)藻嫩枝（長(zhǎng)度約10厘米左右）,置于事先盛有清水的大燒杯中,再在藻體上罩一個(gè)大漏斗,燒杯中的水面應(yīng)高于漏斗柄,在有條件的情況下,可同時(shí)注入少量0.2％的碳酸氫鉀溶液,目的是增加水中二氧化碳的含量,然后在漏斗柄上,套一支事先已用橡皮塞塞緊上端、用石蠟或凡士林密封好并且裝滿水的玻璃管.完成上述工作后,把燒杯置于溫度較高并且光線充足的地方,便可以觀察到有成串氣泡（即金魚(yú)藻在光下進(jìn)行光合作用時(shí)釋放的氧氣）逸入試管中,使試管中的水面下降.
雖然當(dāng)時(shí)人們對(duì)光合作用與氣體間的關(guān)系有較深刻的認(rèn)識(shí),但是,對(duì)植物在光合作用中吸收的二氧化碳和釋放的氧氣之間的數(shù)量關(guān)系仍然不清楚.1804年,瑞士學(xué)者德·索蘇爾研究了植物光合作用過(guò)程中吸收的二氧化碳與放出的氧之間的數(shù)量關(guān)系,結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物制造的有機(jī)物和釋放出的氧的總量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)它們所吸收的二氧化碳的量.由于實(shí)驗(yàn)中只使用植物、空氣和水,別無(wú)他物,因此,他斷定植物在進(jìn)行光合作用合成有機(jī)物時(shí)不僅需要二氧化碳,水也必然是光合作用的原料.此結(jié)論不僅證實(shí)了海爾蒙脫關(guān)于柳樹(shù)生長(zhǎng)過(guò)程中合成植物體的物質(zhì)主要來(lái)自水的推論,而且把人們對(duì)光合作用本質(zhì)的認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)嶄新的階段.
1864年,德國(guó)科學(xué)家朱利葉斯·薩克斯又證明光合作用的產(chǎn)物除氧氣外,還有有機(jī)物.此時(shí)人們對(duì)植物在光合作用過(guò)程中吸收二氧化碳,釋放出氧氣并把二氧化碳和水合成有機(jī)物已確信無(wú)疑了.因此,最終確定了至今人們還在沿用的光合作用總反應(yīng)式.然而,當(dāng)時(shí)對(duì)于氧氣是從綠色部分的什么部位釋放出來(lái)的尚不清楚.1880年,德國(guó)學(xué)者恩吉爾曼用具有螺旋形葉綠體的水綿（一種綠藻）作實(shí)驗(yàn).當(dāng)他把放有水綿和嗜氧細(xì)菌懸浮液的載玻片置于沒(méi)有空氣的小室里,然后照光,結(jié)果發(fā)現(xiàn)嗜氧細(xì)菌向被光點(diǎn)照射的葉綠體部位附近集中,這便有力地證明了植物光合作用的放氧機(jī)構(gòu)是葉綠體.
從上面提供的資料可以看到,從海爾蒙脫到薩克斯和恩吉爾曼,人們對(duì)光合作用是綠色植物的葉綠體利用光能作為原動(dòng)力,把二氧化碳和水合成為有機(jī)物并釋放出氧氣的認(rèn)識(shí),經(jīng)歷了兩個(gè)多世紀(jì).在這個(gè)漫長(zhǎng)的歷史進(jìn)程中,人們對(duì)光合作用本質(zhì)的認(rèn)識(shí),是通過(guò)不斷探索、實(shí)驗(yàn)研究而逐步深化的；同時(shí)每一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)都是在繼承和發(fā)展前人研究成果的基礎(chǔ)上獲得的.這些認(rèn)識(shí)和對(duì)光合作用總反應(yīng)式的確定,為近代對(duì)光合作用這個(gè)極其復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程的機(jī)理進(jìn)行深入研究奠定了基礎(chǔ).