主宰人类生存的光合作用

中国科学院植物研究所  张其德

人要生存,首先就得不断地进行呼吸,即吸进氧气(O₂)。呼出二氧化碳(C O₂)。如果不相信,你可以憋气或把鼻子捏住,让自己暂时停止呼吸作用, 时间长了甚至会因窒息而死亡。据最近报道,有位4岁的胖孩子,因睡觉时严重打鼾呼吸停顿时间过长而窒息死亡,就是一个可怕的例证。究其原因是因为呼吸停顿时,不能从空气中获得维持生命活动所需要的氧气和呼出有害的C O₂的缘故。

有的病人失去自主呼吸能力时,医生为了维持他的生命,以便进一步进行救治,通常用呼吸机帮助他呼吸,对于频繁呼吸停顿的严重打鼾者,医生也会建议他睡觉时使用呼吸机,以防不测。这一措施的目的就是帮助他们能及时获得所需的氧气和排除C O₂。可见,人类包括动物乃至于植物要生存,一刻也离不开氧气。

如果地球的大气层不存在氧气,那么地球上一切需氧生物便不复存在。地球便不可能像当今这一存在着如此绚丽多彩,朝气蓬勃又千姿百态的生物世界。可你知道吗,大约在几十亿年前,地球上的大气层恰恰没有氧气,只有氢、氨等气体和一些简单的碳水化合物。即使由于在高能量的紫外光和雷电的作用下,把少量的水光分解和电解释放出一定量的氧气,也因杯水车薪,难于持续地提供氧气。因此,当时的地球上不可能存在任何需氧的生物,只存在一些简单的生命物质。

由于地球上生物的演化,后来出现了绿色植物,使大气层才逐渐有了氧气的积累。随着绿色植物数量的不断增加,大气层中累计的氧气也随之增加,大约到3亿年前,大气中的含氧量才达到像如今大约21%的水平。那么为什么绿色植物的出现会使原来不含氧气的空气也同时有了氧气呢?经过许多科学家的不断实验研究和探索,早在1779年荷兰的简.英格豪斯在进行一系列实验室时,发现绿色植物在光下有很强的释放气体的能力。直到1785年,在搞清空气的组成成分后,人们才确认原来植物的绿色部分在光下释放的气体是氧气。这就无可辩驳地回答了为什么会有氧气伴随绿色植物的出现而存在于大气中。

进一步研究发现,凡是植物的绿色部分(包括禾本科植物绿色的叶鞘、茎秆、甚至穗子上的绿色的护颖和芒、豆科植物绿色的茎秆、叶柄豆芽类等,在通常情况下主要是叶片),他们的绿色细胞中含有许多成为叶绿体的微小细胞器,在光下能进行光合作用,即把空气中通过叶片表面进入细胞间隙,并传递到叶缘体的二氧化碳和水,利用所吸收的光能作动力把它们合成碳水化合物并释放出氧气,而释放出的氧气便是人类和一切需氧生物赖于生存的物质基础。

人类要生存除了需要氧外,还离不开衣食住行,而衣食住行所需的物质,绝大部分来自绿色植物光合作用的产物。因为植物能把光合作用合成碳水化合物,在体内进一步加工和转化而形成人类所需要的粮食、蔬菜、水果和植物油,以及木材、植物纤维(如棉花、蓖麻等)和柴草等等。甚至煤、石油和天然气等矿物燃料也是几百万年前陆生和水生动、植物遗体的分解产物;人们享用的各种动植物蛋白、脂肪、动物纤维(如羊毛等)和人造纤维,它们实际上都是光合作用的间接产物。

因为任何动物都必须以植物为饲料才能生存,而这些饲料实际上都是光合作用的直接或间接产物,即便是肉食动物,它们也得靠吃以植物卫生的其他动物才能生存。可见,如果没有光合作用,人类和其他生物就会因无从获得维持生命所需要的物质和能量而无法生存,更谈不上人类的发展和社会的进步了。因此说植物的光合作用主宰着人类的生存一点也不过分。

根据上面的介绍,光合作用似乎是一种极为简单的过程,其实不然,它包括光反应(用光引起的光物理和光化学反应)和暗反应(不需要光,而是由一系列具有活性的蛋白质-酶所催化的化学反应),这两个反应过程,涉及对光能的吸收、传递和转换,以及光合产物的行程等许多及其复杂的步骤。如果从1771年光合作用发现的年份算起,至今已过去两个多世纪,在这期间乃至今天,各国都有一大批科学家在对光合作用下进行孜孜不倦,深入细致地研究,但仍然存在许多奥秘未被揭示,还有待有志于这方面研究的年轻人加入到这支队伍来,以便共同努力,彻底搞清光合作用的奥秘和机理。