【全国百强校】四川省绵阳中学高三生物复习素材：忆光合作用历程 学前贤经典方法

【全国百强校】四川省绵阳中学高三生物复习素材：忆光合作用历程 学前贤经典方法

忆光合作用历程 学前贤经典方法 自1771年至今，人类对光合作用的研究一直是方兴未艾，光合作用是生命的源头，曾经改变整个地球，让地球适合生物生存，它还是自然界最重要的化学反应，包括人类在内的生命体赖以生存和繁衍的基础。随着研究技术的革新改进，人们对此认识也是随之不断的深入。人类从最初的无知，到开始认识直到现今的熟知，整个认知的历程对学习光合作用者来说，不可不作一系统回顾和反思，回顾怀缅前贤，反思研究得失，借鉴创新自己的研学。‎ 一、发现的起因：‎ 人们对光合作用的研究开始于17世纪。‎ 但在17世纪以前，2400多年前，古希腊的大科学家亚里士多德认为，植物的根是一张嘴，植物生活和生长所需的一切物质，都是通过根从土壤中得到的。亚里士多德的结论实际上只是一个经验的推测，并没有进行相应的科学实验。但是由于亚里士多德是古希腊最伟大的生物学家、也是最伟大的哲学家。‎ 在以后的2000年间，人们都接受了这样的观点。所以，古时候的人们都一直以为小小的种子之所以能够长成参天的大树，它那粗壮的树干和繁茂的枝叶完全是由“土壤汁”的变化而来的。‎ ‎1642年，荷兰医生范·荷尔蒙特做了盆栽柳树称重实验，他把十分容易生根成活的一段柳树枝条种植在一个大瓦盆里。在种植之前，他称量了柳树枝条的质量（2．‎27kg）和瓦盆中干燥沙土的质量（90．‎8kg）。此后，只向盆中浇雨水，不再添加其他东西。5年以后，当赫尔蒙特再次进行称量时，柳树枝条已经长成重达76．‎86kg的柳树，而瓦盆中干燥沙土的质量仅仅减少了千分之一左右。柳树增加的质量远远大于土壤减少的质量。所以，根据这个试验，赫尔蒙特认为，使柳树生长并增加质量的物质，主要来源于雨水，而不是土壤。这个结论在今天看来虽然并不十分科学和严谨，但是，它开创了人们使用定量的方法来研究生物学的先例，是对生物学研究的一个重要贡献。他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成。‎ ‎『根据圣经创世记第一章，上帝创造世界的第一天，就创造了天，创造了地，也创造了水，水一定是非常重要的。我的柳树实验，是要证明上帝创造世界的第三天，上帝说：『天下的水要聚在一处，使旱地露出来。』事就这样成了。上帝说：『地要发生青草和结种子的菜蔬，并结果子的树木，各从其类，果子都包着核。』事就这样成了。这件事就是：树木只要有种子，只要有水，就能供给植物生长所需。』‎ 当然我们现今知道他的实验实在很精确，但是结论有点偏差(因为土壤损失的重量，不是他称重的误差，而是土壤提供植物成长所需养分的消耗)，不过在四百年前能够有这样的发现，实在是不简单。‎ 在此前后,大约在在1637年，中国明末的宋应星在《论气》一书中说:“‎ 气从地下催腾一粒，种性小者为蓬，大者为蔽牛干霄之木，此一粒原本几何？其余则皆气所化也。”他已注意到空气和植物的关系，提出“人所食物皆为气所化，故复于气耳”。他明确认识到植物(以及动物)身体的物质是由气转化而来。‎ ‎“柳树之谜”推翻了先哲的观点，但又产生了新谜，这个谜将人类的认识领向另一块天地。‎ 二、重重迷雾的破解：‎ ‎1727年，英国牧师黑尔斯在他的著作《植物静力学》中就曾经提出了与赫尔蒙特不同的观点。黑尔斯在这部书中说，植物体在生活过程中所形成并积累的固体物质，是植物叶子从空气中所吸收的养分变化而来的。‎ ‎1771年，英国化学家约瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley）发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气。他做了一个有名的实验，他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭了，小白鼠很快也死了。接着，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里，他发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里。他发现植物和小白鼠都能够正常地活着，根据这些试验，普利斯特里得出了植物能够把坏空气变成好空气的结论，而动物的呼吸和蜡烛的燃烧则将好空气变成坏空气。后来，普利斯特里写了一本书，名字就叫《各种气体的实验和观察》。现在就把1771年定为发现光合作用的年代。‎ 后来其他人重复他的实验时，有的成功，有的却失败。直到1779年夏天，荷兰科学家英格豪斯（Ingen-Housz）来到英国伦敦，也开始进行这方面的研究。他用漏斗把新鲜水草扣在装满水的大烧杯里，再用装满水的试管罩在漏斗颈部一端的开口上，然后给水草光照，并用试管收集水草接受光照后所产生的气体。一段时间以后，水草在光照下产生的小气泡在倒扣的试管底部越聚越多。英格豪斯慢慢地将试管从水中取出，再把点燃的蜡烛逐渐靠近试管口，只听“砰”的一声，蜡烛的火焰窜起老高。这个结果用当时人们已经掌握的化学知识，可以解释为是氧气的助燃现象。英格豪斯同时还做了不给水草照光的对比试验，结果很长时间后也没有看到小气泡产生出来。‎ 为了让试验的结果更加可靠，英格豪斯并不忙于下最后的结论。他又用了将近3个月的时间，选择不同的植物反复进行了总计500多次实验，终于找到了好空气与坏空气互变的关键原因是“光”。英格豪斯所得出的结论是：在光照下，植物会把坏空气变成好空气，没有光的时候则相反。‎ ‎1782年，日内瓦教师塞尼比尔（J．Senebier）发现经煮沸过的水中放入绿叶时，即使光照充足也不能收集到氧气。只有在水中通入CO2后，才能看到气泡（O2）出现。因此，他认为植物在光照下，为了产生O2就必须有CO2的存在，O2‎ 是来自CO2的。此外他指出CO2是光合作用的原料，氧气是产物，而且CO2也是产物氧气的来源。 1785年，随着空气组成成分的发现，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。‎ 关于赫尔蒙特的柳树问题还是等到1804年才由瑞士化学家索绪尔（nicholes． th． de． saussare）的工作弄清楚。他用精确的定量方法在含有不同数量二氧化碳空气中培养植物，然后精确地测量空气中二氧化碳含量和植物体的碳素含量，证明植物体碳素含量是来自植物同化的大气中的二氧化碳。他对植物灰分也做了精细的定量分析，植物吸收矿质元素是有选择的，灰分元素来自土壤；碳、氧和氢来自空气和水。绿色植物在阳光照射下，用CO2与H2O在植物体内合成有机物质，并产生与CO2大致相等体积的O2。他提出，CO2和H2O是植物体有机物质的来源。即两者是光合作用的原料。索苏尔的工作方法和结果都是正确的，可惜当时没有被人接受。‎ ‎1845年，德国的物理学家,能量守恒定律的发现者之一,热力学与生物物理学的先驱迈尔（J．R．Mayer，1814-1878）发现：植物把太阳能转化成了化学能贮存起来，成为能量的供给者。迈尔在海尔布隆自费出版了《论有机体的运动以及它们与新陈代谢的关系──一篇有关自然科学的论文》。文中还把物理能的形式分为5种：①重力势能（落体力）,②动能（简单运动与振动）,③热，④磁、电（电流）,⑤化学能（某些物质的化合、分解）；并列举了这些能量相互转化的25种方式。文中还指出太阳能是地球上取之不竭的物理能的来源。植物吸收了太阳能，把它转化为化学能。动物摄取了植物,通过氧化,把化学能转化为热与机械能。肌肉只是转化能量的工具，它本身在运动中并没有消耗。因此，迈尔也是第一个把能量转化概念应用于生物学现象的人，是生物物理学的先驱。他还分析了肌肉的活动，认为运动神经犹如轮船中的舵手,起着控制的作用；新陈代谢提供了能量,犹如轮船中煤的燃烧。这接近于把控制论思想引进生物学的研究。可惜这篇论文在当时科学界又未得到重视。‎ 光能转换成化学能，储存于什么物质中呢?也就是植物在吸收水分和二氧化碳、释放氧气的过程中，还产生了什么物质呢?这一问题迟迟未能解决。1864年，德国的萨克斯(Julius Sachs) 用天竺葵做材料做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉，然后把这个叶片一半曝光，一半遮光。过一段时间后，用碘蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。实验证明了天竺葵的叶子在光下制造了淀粉，同时也说明光合作用需要光，产物为淀粉（糖类）。并提出了公式：‎ CO2+H2O→〔CH2O〕+O2‎ 至此，柳树之谜得到了解决，但这时人类在光合作用这一块的认识已一发而不可收势。‎ 三、光合作用的具体研究 ‎1、场所及过程：‎ 直到1897年，科学家们才归纳出了光合作用的反应式：二氧化碳＋水＋光→氧＋有机物＋化学能，1897年，在人类开始探索植物生命活动原理的一百多年以后，一位名叫佩弗的法国科学家，为植物体在光照下的这种重要的合成代谢起了一个贴切而又响亮的名字──“光合作用”， 首次在教科书中称它为光合作用。‎ ‎1880年，美国的恩格尔曼（G．Engelmann,1809-1884）发现叶绿体是进行光合作用的场所，氧是由叶绿体释放出来的。他把载有水绵（水绵的叶绿体是条状，螺旋盘绕在细胞内）和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵，通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中，如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则分布在叶绿体所有受光部位的周围。恩吉尔曼的实验证明：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。‎ ‎1905年，英国植物的生理学家布莱克曼（F·F·Blackman）研究光合效率与光强、温度和CO2浓度的关系时发现：在弱光下增加光强能提高光合速率，但当光强增加到一定值时，再增加光强则不再提高光合速率。这时要提高温度或CO2浓度才能提高光合速率。据测定，在10～‎30℃‎的范围内，如果光强和CO2浓度都适宜的话，光合作用的Q10＝2～2．5(Q10为温度系数，即温度每增加‎10℃‎，反应速度增加的倍数)。按照光化学原理，光化学反应是不受温度影响的，或者说它的Q10接近1；而一般的化学反应则和温度有密切关系，Q10为2～3，这说明光合过程中有化学反应的存在。‎ 因此，Blackman认为光合作用中存在两个反应，一个是叶绿素对光能的吸收反应，称为光反应，另一个是受温度影响的酶促反应，称为暗反应，也称为Blackman反应。‎ ‎1905年，德国化学家维尔施泰特（Richard Willst?tter，1872-1942）在瑞士苏黎世大学取得教授职位之后，最重要的研究是关于植物的色素。人们对植物色素感兴趣有两点理由。其一，植物色素中的一种──叶绿素，它能将太阳能转化成养分，所有生物都要赖以生存；其二，各种色素都是由非常复杂而相似的物质组成，分离它们的问题极富吸引力。维尔施泰特利用M·茨维特（Mikhail Tsvet，1872-1919）发展的色层分析技术，很快就能表明它是叶绿素a和叶绿素b组成的，并弄清了它们的分子式，他注意到叶绿素的重要特点之一就是其分子中含有一个镁原子，就像血红朊含单独一个铁原子一样。维尔施泰特因他在植物色素方面的研究成果，于1915年荣获诺贝尔化学奖。‎ ‎1919年德国生物化学家瓦尔伯(O．Warburg)在布莱克曼实验的启示下，进一步用藻类进行闪光试验，在光能量相同的前提下，一种用连续照光，另一种用闪光照射，中间隔一定暗期，发现后者光合效率是连续光下的200%～400%。这些实验表明了光合作用可以分为需光的光反应(light reaction)和不需光的暗反应(dark reaction)两个阶段。暗反应不需要光只受温度影响。如果间歇照光，比连续照光得到更高的光合产量。光合作用是光反应和暗反应共同作用的结果。‎ ‎30年代，德国有机化学家 H·费歇尔（Hans Fischer，1881—1945）确定了叶绿素的分子结构。它是由4个吡咯环排列成一个较大的环以镁为中心作桥联系而成的。这种环状体系通常吸收可见光，因此它们都有颜色。‎ ‎2、物质的来龙去脉：‎ ‎1931年美国微生物学家范·尼尔(C．B．Van Niel)第一个觉察到光在光合作用中的作用是将水分解成氢原子和氧。他的发现是在研究紫硫细菌的光合作用中间接获得的。紫硫细菌的光合作用不是利用水而是用硫化氢作为初始原料之一，在它的光合作用中放出的不是氧而是硫。由此他认为，光合作用中硫化氢分解为氢原子和硫，氢原子在一系列反应中去还原二氧化碳生成糖。即： CO2＋2H2S→（CH2O）＋H2O＋S  将细菌光合作用与绿色植物的光合作用加以比较，提出了以下光合作用的通式：‎ CO２+2H‎２A光 →光养生物 →(CH２O)+‎2A+H２O 这里的H‎2A代表一种还原剂，可以是H2S、有机酸等，对绿色植物而言，H‎２A就是H２O，‎2A就是O２。绿色植物光合作用中的最初光化学反应是把水分解成氧化剂(OH)与还原剂(H)。还原剂(H)可以把CO２还原成有机物质；氧化剂(OH)则会通过放出O２而重新形成H２O。‎ ‎1939年英国剑桥大学的希尔(Robert．Hill)发现在分离的叶绿体(实际是被膜破裂的叶绿体)悬浮液中加入适当的电子受体（A） (如草酸铁) 的水溶液中，照光时可使水分解而释放氧气： 4Fe3+＋２H2O→4Fe2+ ＋４Ｈ+＋Ｏ2 其中的电子受体被称为希尔氧化剂(Hill oxidant)，铁氰化钾、草酸铁、多种醌、醛及有机染料都可作为希尔氧化剂。希尔不但证明了给叶绿体照光可使水分解放氧，氧的释放与CO2还原是两个不同的过程，而且也是第一个用离体的叶绿体做试验，把对光合作用的研究深入到细胞器水平，为光合作用研究开创了新的途径。‎ 以后发现生物中重要的氢载体NADP+也可以作为生理性的希尔氧化剂，从而使得希尔反应的生理意义得到了进一步肯定。在完整的叶绿体中NADP+作为从H2O到CO2的中间电子载体，其反应式可写为：2NADP+＋2H2O→2NADPH＋2H+＋O2‎ CO2也可看作为一种生理性的希尔氧化剂，因为向完整的叶绿体悬浮液中充入CO2或加入能产生CO2的试剂如NaHCO3，照光时叶绿体能发生放氧反应。‎ ‎40年代初C·S·弗伦奇（French）与M·C·安森（Anson）一道重复了希尔实验，得到证实，并命名为希尔反应(Hill reaction)。希尔反应的意义在于，使人们了解到叶绿体在光下可分解H2O，氧气是水的光解过程产生的，同时产生电子，产生还原能力，使物质还原，即光反应可产生电子将物质还原。为人们研究光合作用产物氧气的来源提出了新的见解。‎ ‎1941年，美国加利福尼亚大学的寒缪尔·鲁宾(San Ruben）和他的同事卡门（M．D．Kamen）制备了有特殊“标记”的水，采用同位素标记法研究了“光合作用中释放出的氧到底来自水，还是来自二氧化碳”这个问题，他们发现当标记物为H218‎ O时，释放的是18O2，而标记物为C18O2时，在短期内释放的则是O2。这清楚地指出光合作用中释放的O2来自于 H2O。‎ CO2+2H218O→(CH2O)+ 18O2+H2O 为了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以区别，表明光合作用中释放的O2全来自于H2O，而CO2中的一个O又被还原成H2O，因此，可用下式作为光合作用的总反应式：‎ C*O2+2H2O →(CH2O )+ *O2+2H2O。‎ 二次世界大战之后,美国加州大学贝克利分校的卡尔文（Melvin Calvin）和他的同事们使用‎14C示踪和双向纸层析技术,研究一种名叫Chlorella的藻在光合作用中怎样固定CO2。‎ 他们把含有小球藻的溶液放入漏斗中，漏斗下面放置1 个大烧杯，装有沸腾的80%乙醇溶液。他们将培养的藻生长在含有未标记CO2的密闭容器中,然后将标记的CO2注入培养基, 然后照光，在照光后的不同时间,将培养的藻浸入热的乙醇中,这种处理有三种功效:杀死细胞、终止酶的作用、提取溶解的分子。然后将提取物点在层析纸上进行双向纸层析,最后通过放射自显影分析放射性斑点,并同已知化学成份进行比较。‎ Calvin等人发现，在电光后60秒，‎14C分布于许多化合物中，逐渐缩短照光时间，含‎14C的化合物越来越少，当照光时间缩短到7秒时，几乎所有的‎14C集中在一种化合物上，这种化合物就是3-磷酸甘油酸(3-phosphoglycerate,PGA)。将照光时缩短到2秒钟，‎14C也是出现在3-磷酸甘油酸上。由此确定，CO2固定后的原初产物是3-磷酸甘油酸（PGA）。由于被鉴定到的第一个中间体是三碳分子, 所以将CO2的这种固定途径称为C3途径,将通过这种途径固定CO2的植物称为C3植物。C3类植物，如米和麦，二氧化碳经气孔进入叶片后，直接进入叶肉进行卡尔文循环。‎ 然而，CO2固定的原初产物确定后，新的问题又提出了。这就是3-磷酸甘油酸是由3分子CO2聚合而成的？还是由CO2与体内的某种化合物结合而成的？他们经研究发现，在3-磷酸甘油酸中，只有羧基碳带有放射性，它提供了一个PGA来源的线索，它告诉我们一个问题，PGA是如何形成。这说明3-磷酸甘油酸不是由CO2聚合而成的，而是由CO2与体内某种化合物结合而成的，与CO2结合的化合物，我们把它叫做CO2的原初受体。‎ Calvin等人花了相当长的时间去寻找这个二碳化合物，但没有找到，因为它根本就不存在。后来他们设想，在光合作用中，受体是源源不断的产生的，在CO2供应充足时，CO2与受体结合，受体含量下降，当突然停止供应CO2‎ 时，受体不能与CO2结合，受体的浓度就会增大。为此，他们设计了一个试验。首先，他们让小球藻在高浓度的CO2下进行光合，然后突然转入低浓度的CO2下，再来检测各种化合物的含量变化。结果发现，突然降低CO2浓度，体内的一个五碳化合物含量升高，这个化合物就是1，5-磷酸核酮糖（RuBP）。这是出乎预料的！后来，Calvin受丙二酸和草酰乙酸脱羧反应机制的启发，认为RuBP，就是CO2的受体。RuBP与CO2结合，形成一个不稳定的六碳中间物，六碳中间产物分解，形成2分子的3-磷酸甘油酸（PGA），从而确定了CO2的原初受体。‎ 以后发现，CO2的受体RuBP，是由CO2固定后的产物PGA(3-磷酸甘油酸)转化而来的。从而确定，CO2的同化过程，是一个循环反应。当时被称为光合碳还原循环，由于发现者是Calvin，也称为Calvin循环。由于Calvin循环的发现，Calvin获得1961年的Nobel奖。Calvin成功的关键是：第一，大胆使用新技术（‎14C标记和纸层析技术）；第二，很强的试验设计能力；第三，有丰富的知识（如草酰乙酸的脱羧机制）；第四，创造性的分析能力。‎ Calvin曾经对他的学生说，当你获得全部数据时，得出正确结论答案，不算什么（No trick），因为计算机都能做！当你获得一半数据时，而且其中一半是错误的，你能得出正确结论，那才是真正的创造性（real creative trick）。‎ ‎1954年美国科学家阿农(D．I．Arnon)等在给叶绿体照光时发现，在离体叶绿体溶液中加入ADP、Pi、NADP+，在无CO2的条件下照光，叶绿体积累ATP和NADPH，这时闭光，并通入CO2，ATP和NADPH消失，同时有有机物糖的产生，说明ATP和NADPH用来同化了CO2。这说明，在光合作用中，光反应的作用是合成ATP和NADPH，暗反应的作用是利用ATP和还原型的辅酶Ⅱ（NADPH），同化CO2。暗反应不直接需要光。可在暗中进行。可见，光反应的实质在于产生“同化力”去推动暗反应的进行，而暗反应的实质在于利用“同化力”将无机碳(CO2)转化为有机碳(CH2O)。‎ ‎1943年，爱默生等发现红藻在长波红光（＞680毫微米）中，光合效率很低，这种现象称“红降”或爱默生效应。1957年，爱默生等又发现以长波红光与较短波的红光（680毫微米）同时照射，比单光照射的光合效率高，称双光增益效应或爱默生第二效应。1958年，爱默生等提出长波光仅为叶绿素a所吸收，而整个光合效率的提高，还依赖于同时吸收短波光。1957-1959年，美国生物学家布林克斯（L．R．Blinks，1900-？）等发现用波长不同的光交替照射植物，光合速率在交替的瞬间有突增或突减，称瞬间效应。在以上工作基础上，1960年英国的希尔和本多尔（F．Bendall）为解释叶绿体的非循环光合磷酸化的实验，提出两个光反应系统。不久，荷兰的迪伊森（L．N．M．Duysens，1921-）等于1961年测量红藻细胞色素f的氧化还原变化时，也得出两种光反应的概念，他们明确指出高等植物和藻类的光合作用包括两种连续进行的光反应：一种是吸收长光波还原辅酶Ⅱ的光系统I，另一种是吸收短光波从水脱氢产生氧的光系统Ⅱ。同时，德国、美国等许多科学家也从不同角度提出支持两种光反应系统的实验依据。以后，这种概念得到广泛承认，称为Z图式或连续图式。经过60年代多方面的努力，不但证实了两种光反应系统的存在，而且从离体叶绿体碎片分离出光系统Ⅰ和光系统Ⅱ，并做到两者的组合。‎ ‎60年代末，以分离提取色素-蛋白复合物为基础，开展对“作用中心”的结构与功能研究。1968年，美国生物物理学家里德（D．W．Reed）及克莱顿（R．K．Clayton，1922-）首先从光合细菌提取出作用中心复合物。它是一个色素蛋白复合体，含有四个细菌叶绿素分子、两个去镁细菌叶绿素分子、一个泛醌分子和一个镁原子，它们以非共价键与三条多肽链组成的蛋白相结合。70年代早期，公认绿色植物光系统Ⅰ的作用中心为P700［1956年在绿色藻类细胞中发现在波长为700毫微米时，光照引起一个色素吸收变化的高峰（氧化），熄光后退去（还原）。但不是立即恢复，而有一个延续期。这个现象称之为700毫微米光褪色，这个从动力学实验现象归纳出来的化学性质不明的“色素”（简称P），称为P700。］，光系统Ⅱ的作用中心为P680，光合细菌的作用中心为P870。1979年，美国的佩利（M．J．Pellin）等用人工方法复制类似的细菌作用中心，获得成功。‎ ‎3、特殊光合过程的发现 自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为光合碳代谢途径已经搞清楚了，不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。即使在1954年，夏威夷的哈奇(M．D．Hatch) 和G．O．Bur等人用甘蔗叶实验，发现甘蔗叶片中14CO2在1秒钟内，80%在苹果酸和天冬氨酸中，只有10%在PGA中，与C3途径不同的光合最初产物，亦未受到应有的重视。直到1965年，美国夏威夷甘蔗栽培研究所的科思谢克(H．P．Kortschak)等人报道，甘蔗叶中‎14C标记物首先出现于C4二羧酸，以后才出现在PGA和其他C3途径中间产物上，而且玉米、甘蔗有很高的光合速率，这时才引起人们广泛的注意。澳大利亚的哈奇和斯莱克(C．R．Slack)(1966-1970)重复上述实验，进一步地追踪‎14C去向，探明了‎14C固定产物的分配以及参与反应的各种酶类，于70年代初提出了C4-双羧酸途径(C4-dicarboxylic acid pathway)，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循环)，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。‎ ‎1804年瑞士学者 N．T．de索绪尔注意到仙人掌与多数植物不同，它在黑暗中吸收CO2，而不释放CO2。1815年B．海涅发现若干肉质植物夜间体内累积苹果酸，但当时未认识到这两种现象的重要性以及二者之间的关系。‎ 一个多世纪后的1949年，M．托马斯和J．沃尔夫由於受到丙酸细菌非光合 C固定研究的启发，认识到肉质植物中C固定与苹果酸累积之间的因果关系，同年美国J．瑟洛和 J．邦纳用饲喂方法证明苹果酸是黑暗中固定C后形成最早的稳定产物。‎ ‎1961年E．L．尼伦贝格指出夜间C的净固定是这类植物从大气中获得碳元素的主要方式，描述了其生物化学途径：夜间，大气中CO2自气孔进入细胞质中，被磷酸烯醇式丙酮酸 (PEP)羧化催化，与 PEP结合形成草酰乙酸，再经苹果酸脱氢作用还原为苹果酸，贮於液泡中，其浓度每升可达100毫摩尔。苹果酸从细胞质通过液泡膜进入液泡是主动过程，而从液泡回到细胞质中则是被动过程。在日间，苹果酸从液泡中释放出来后，经脱羧作用形成CO2‎ 和C3化合物。有两种脱羧酶可催化这个反应。有些植物中NADP(辅酶Ⅱ)-或 NAD(辅酶Ⅰ)-苹果酸催化氧化脱羧酶，形成CO2和丙酮酸，另一些植物中PEP羧激酶催化形成草酰乙酸，并脱羧产生CO2及PEP。CO2产生后，通过光合碳循环重新被固定，最终形成淀粉等糖类。在弱光下，尤其是气温高时，有一部分CO2会被释放到大气中去。‎ 四、未来展望 ‎1、 光合作用反应机理、结构与功能的广泛探讨 ‎20世纪60年代初, 人们把Melvin Calvin(卡尔文)、Daniel Israel Arnon(阿农)、San Pietro(圣?彼得罗)、Robert Emerson(爱默生)和Lawrence Roger Blinks(布林克斯)等研究成果综合起来, 进而对光合作用的基本过程有了一个大概认识, 明确光合作用过程可分为原初反应、电子传递与光合磷酸化及碳同化三大阶段。此后几十年中, 许多学科的科学家都努力研究它们的反应机理和结构功能, 获得了不少的知识, 但还有许多关键之处至今仍不清楚。这就成为目前许多实验室大力探讨的热点,很多工作已深入到分子水平, 并取得了较大的进展。近几年来, 此方面最集中和最突出的研究领域是放氧过程、光能捕获和同化力形成。‎ ‎2、光合机构组装、运转与调节的深入揭示 有关光合机构组装、运转与调节的研究在近30年来蓬勃兴起, 着重揭示的是光合作用各过程之间的联系及结构功能是如何随生理状态和环境条件的不同而变动。它是前一方面研究达到一定程度后的自然延伸,既有助于阐明前一方面研究中难以解决的疑难问题和发现的新问题, 又可为基础研究通向应用搭建桥梁, 因而发展速度很快。它将分子、细胞器、器官和整体水平的研究贯穿起来进行, 即把机理研究和生理研究有机结合起来。‎ 由于叶绿体中的蛋白复合体和一些光合色素生物合成的遗传信息常常是一部分携带在叶绿体基因组上,另一部分携带在细胞核基因组上, 因此它们的合成和组装不但需要一系列步骤间的密切协调, 而且还涉及一些多肽或中间产物穿过叶绿体被膜或类囊体膜到达合适部位的过程。显然, 其中包含着许多非常复杂而微妙的问题, 吸引了众多科学家去深入阐释。‎ ‎2种光化学反应所引起的电子传递是串联在一起的, 在多变的环境中保证2种光化学反应可协调地发生就必须有一个灵活的控制途径。科学家已发现了一些端倪, 但距离阐明其奥秘还相差甚远。电子传递和光合磷酸化的偶联是电子在类囊体膜上进行定向传递产生质子动力势来推动ATP的合成, 但其详情和准量关系至今尚未确切了解。至于通过它们形成的NADPH和ATP, 如何在比例和数量上适合光合碳同化和各种需能过程,更是知之甚少, 至今还只能做一些定性描述。‎ 植物光合作用需要从太阳接受光能, 从空气中吸收二氧化碳, 从土壤中吸收水分和其它无机营养才能顺利进行。因此, 光合机构的运转需要与环境有非常密切的物质和能量交换,而环境又是时刻变动着的, 无论光、温、水、肥、气或者其它生物因素的改变都会影响光合作用的顺利进行。光合机构具有巧妙的应变能力, 在一般情况下它能“逆来顺受”, ‎ 在不利的环境中不仅可避免自身受到伤害, 而且还可保持相当的活性。当前很多实验室的科研人员正在努力探讨它们的适应机理。‎ ‎3、光合作用与人类的可持续发展 光合作用与植物生产改善光合作用及提高作物产量始终是大家努力的研究方向。有人预测在21世纪上半叶会出现以提高植物在自然条件下光合作用效率为中心的第2次绿色革命, 它将比第1次绿色革命的影响更深刻、更广泛且巨大。第1次绿色革命是在农业生产中以培育矮秆直立叶型作物品种为中心, 以显著提高大田群体光能利用率, 使尽可能多的光合产物转变为经济产量。第2次绿色革命则是力求在第1次绿色革命的基础上更进一步提高植物叶片等光合机构的光能转化效率, 使其由目前高产田的不到2%上升到接近光合作用在自然条件下可利用太阳能的理论效率(接近5%)。这就需要人们能及时诊断植物光合机构在田间光能利用率不高的原因, 并提供合适的改善措施。要做到这一点,难度非常大, 既需要深入掌握光合作用的机制, 又需要有相应的监测、分析和调控的高新技术。‎ 使用煤炭、石油和天然气等化石燃料可导致大气中的CO2浓度不断上升并产生温室效应, 进而引起全球气候变化。如何能减缓这种灾害性事态的发展速度呢？很重要的一项措施就是利用当代植物光合作用所产生的可再生能源; 加强植物种植, 把大气中的CO2固定起来, 成为新的可再生能源, 为人类所利用。除此以外, 物理学家模拟植物对光能利用的机理开发光电池, 实现人工捕获太阳能, 目前这一方面已成为一大研究热点。‎ 最后, 值得一提的还有两点。(1) 对海洋生物光合作用的关注。海洋生物形态结构的特异性、生存环境的特殊性和生物演化的过渡性, 使得它们在生物演化、改善生态环境、应对气候变化和制造生物能源等方面具有独特的优势, 因此越来越受到人类的青睐。(2) 光合作用研究与计算机科学的交叉越来越深入。从以前的群体光合作用模拟走向了光合机理和生理过程的模拟, 并逐步发展成为一门重要的分支学科──计算系统生物学（Computational Systems Biology)。‎ 深入研究光合作用的漫长发现历程使学生感受到科学发展的艰难、科学方法的重要，既培养了学生收集和处理信息的能力，激发学生学习的兴趣，增强学生的成就感，又能锻炼学生研究问题的科学分析方法，训练学生的推理、归纳能力以及学生的逻辑思维和创造力，还能使学生养成不畏艰险、持之以恒的科学精神，激发学生的创新意识。‎