光合作用发现的历程

1.光合作用的早期认识

18世纪后期，伴随着拉瓦锡（A.L.de Lavoisier，1743-1794）新化学体系的建立，人类开始了对光合作用的认识。

1771年英国化学家普利斯特利（J J.Priestley，1733-1804）通过把薄荷枝条和老鼠一同放入倒置于水容器中的玻璃罩内生长的简单实验，首先发现植物可“净化"空气的现象。随后，“净化”空气所必需的几个重要因素——植物绿色物质、光、二氧化碳和水便被发现。到1845年，德国生理学家迈耶（J R.Mayer，1814-1878）用能量转化的观点认识植物代谢过程，标志着对光合作用早期认识的初步完成。

2.对光的量子效率的探讨与发展

1905年以前，光合作用吸收光的研究工作停留在定性的描述上。直到爱因斯坦（A.Einstein，1879-1955）提出光子学说后，德国生理生化学家瓦伯（O.H.Warburg，1883-1970）把光量子概念引入光合作用的研究。他采用辐射热测定法快速而灵敏的测量气体交换。用此法，瓦伯获得了一系列光能利用效率的数值，但他的研究过程和结果受到他的学生爱默生（R.Emerson，1903-1959）的质疑，两者之间产生了一场争论。最终，爱默生的理论成为光合作用研究的重要基础。

3.对光合作用的氧化还原反应机理的研究

19世纪末20世纪初，在光合作用研究中处于权威地位的学说是德国化学家冯·贝尔（A.von Baeyer，1835-1917）的“甲醛说”，该假说认为CO₂在光作用下分解为CO和O₂，CO被还原为甲醛，后者再综合为糖。1923年，德国化学家桑伯格（T.Thunberg，1873-1952）从氧化还原的角度认识光合作用，提出光合作用可被认为是水和CO₂间的氢转移。范.尼尔（C.B.Van Niel，1897-1985）对光合硫细菌和高等植物光合作用进行了比较研究。他指出，光合作用的实质是光启动的转氢机制，供氢体被氧化，CO₂被还原。

4.叶绿体与光合作用的关系

19世纪，德国植物生理学家萨克斯（J.Sachs，1832--1897）观察到光照是叶绿体中形成淀粉的必要条件，将叶绿体与光合作用联系起来。到20世纪30年代，英国生化学家希尔（R.Hill，1899--1991）开创性地打碎植物细胞，对离体叶绿体行为的探讨正式起步。希尔利用肌红蛋白与氧可逆结合的灵敏性，定量测定微量氧。1937年，希尔在叶匀浆一肌红蛋白系统中加入叶的丙酮提取液（含有Fe³⁺，也可加入酵母的丙酮提取液，或直接加入Fe³⁺），然后照光，观察到了氧合肌红蛋白的光谱变化，看到了氧气的释放。希尔对此的解释如下。

光下：2A+2H₂O→2AH₂+O₂；AH₂+B→BH₂+A。

其中，A是植物体内的物质，B是外源氧化剂（如Fe³⁺）。A被解释为天然受氢体。随着时间的推移，植物生理学家发现了一大批受氢体，其中，NADP⁺可被叶绿体光还原的实验完全证实了希尔反应的生理意义，从而为亚细胞水平探索光合作用机制奠定了基础。但是希尔反应直到20世纪50年代初才被广泛认可。

5.碳还原途径的建立

1937年，鲁宾（S.Ruben，1913-2002）和卡门（M.Kamen，1913-1943）首先用放射性¹⁴C为示踪原子，证明光合作用中的CO₂固定为暗酶促反应。但是¹⁴C的半衰期太短，无法分析CO₂的受体，而后由于在第二次世界大战中鲁宾在实验室遇难，该工作一度停滞。“二战”后，卡尔文（M.Calvin，1911-1997）继续鲁宾等人的工作，他们利用¹⁴C饲喂小球藻，在不同时间杀死它们，采用各种有机分析方法提取并鉴定全部含¹⁴C的标记物，获得了有关碳循环的部分信息。

6.光合磷酸化的发现

20世纪早期，洛曼（K.Lohmann，1898-1978）等人关于ATP的研究，促使生物学家注意到ATP与生物力能学的关系。鲁宾和爱默生分别提出了光能导致ATP合成的假说。于是，有人打算用实验证实它。1951年，美国三个实验室几乎同时独立发现，当偶联合适的酶，照光叶绿体和叶绿体碎片可还原辅酶I和辅酶II。通过辅酶I和辅酶II，把叶绿体的光合放氧和许多酶促反应连接起来了。但奥乔亚（S.Ochoa.1905-1993）将NADPH生成ATP的过程，解释为呼吸链为基础的氧化磷酸化过程，美国生化学家阿依（D.I.Armon，1910-1994）在1954年获得了离体叶绿体既能固定CO₂，又能进行新形式磷酸化（光合磷酸化）的实验证据。弗伦凯尔（A.w.Frenkel，1919-2015）利用细菌的无细胞制剂也独立地找到了光合磷酸化的证据。于是，阿依将光驱动的电子流动与放氧、产生ATP和还原型轴酶有机地连接在了一起，最终促成了光合电子传递链的提出。

来源：人教版高中生物学新教材必修1教师用书

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