1、光合作用發(fā)現(xiàn)歷史資料整理一、傳統(tǒng)史料-光合作用反應(yīng)式的發(fā)現(xiàn)1.過(guò)去，人們一直以為，小小的種子之所以能夠長(zhǎng)成參天大樹(shù)，古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，植物生長(zhǎng)所需的物質(zhì)完全依靠于土壤。2 ,1648年，一位荷蘭科學(xué)家范赫爾蒙特對(duì)此產(chǎn)生了懷疑，于是他設(shè)計(jì)了盆栽柳樹(shù)稱(chēng)重實(shí)驗(yàn)，得出植物的重量主要不是來(lái)自土壤而是來(lái)自水的推論。雖然他沒(méi)有認(rèn)識(shí)到空氣中的物質(zhì)參與了有機(jī)物的形成，但從此拉開(kāi)了光合作用的研究史。赫爾蒙特把90千克的土壤放在花盆中，然后種上2千克重的柳樹(shù)，并經(jīng)常澆水，5年過(guò)去了，柳樹(shù)長(zhǎng)到76千克重，而花盆中的土壤只少了60克。3,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)

2、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(guān)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。在1771年發(fā)現(xiàn)植物可以恢復(fù)因蠟燭燃燒而變壞”了的空氣。4, 1779年,荷蘭科學(xué)家英恩豪斯(JanIngenhousz)進(jìn)一步證明只有植物的綠色部分在光下才能起使空氣變好”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)。5,1872年，科學(xué)家塞尼比爾

3、(J.Senebier如何做實(shí)驗(yàn)證明光和第1頁(yè)/共16頁(yè)CO2的必要性。6.1804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。他認(rèn)為是CO2和H2O乃是植物體有機(jī)物之來(lái)源。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。德索敘爾實(shí)驗(yàn)告訴我們，定量分析法在科學(xué)研究中的重

4、要性，7、1845德國(guó)科學(xué)家梅耶R。Mayer.據(jù)能量轉(zhuǎn)化定律指出，植物在進(jìn)行光合作用時(shí)，把光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。8.德國(guó)的又一位科學(xué)家薩克斯在1864年用紫蘇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 這一實(shí)驗(yàn)成功地證明了綠色葉片在光合作用中產(chǎn)生了淀粉。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。二、近代思想與技術(shù)應(yīng)用，光反應(yīng)和暗反應(yīng)概念提出1、1880年，德國(guó)科學(xué)家恩格爾曼(C.Engelmann)用水綿進(jìn)行了進(jìn)行了光合作用的實(shí)驗(yàn)。恩吉爾曼的實(shí)驗(yàn)巧妙地證明了光合作用的場(chǎng)所是葉綠體。決光合作用產(chǎn)生的氧是來(lái)自什么物質(zhì)？應(yīng)該注意到光合作用反應(yīng)式中所有的反應(yīng)物和產(chǎn)物都含有氧，而上面兩式并沒(méi)有指出釋放的O2是來(lái)自CO2

5、還是H2O。很多年來(lái)，人們一直以為光能將CO2分解成O2和C,C與H2O結(jié)合成(CH2O)。3、1931年微生物學(xué)家尼爾(C.B.VanNiel)將細(xì)菌光合作用與綠色植物的光合作用加以比較，提出了以下光合作用的通式：CO2+2H2A7(CH2O)+2A+H2O,這里的H2A代表一種還原劑，可以是H2S、有機(jī)酸等，紫色硫細(xì)菌(purple-sulfurbacteria)和綠色硫細(xì)菌(green-sulfurbacteria)利J用H2s為氫供體，在光下同化CO2：CO2+2H2s一(CH2O)+2S+H2O,光合細(xì)菌在光下同化CO2而沒(méi)有O2的釋放，O2不是來(lái)自二氧化碳而是水。因此他第一次提出光

6、在光合作用中的作用是將水光解。同時(shí)認(rèn)為光合作用放出的O2不是來(lái)源于CO2,而是來(lái)源于H2O。 綠色植物光合作用中的最初光化學(xué)反應(yīng)是把水分解成氧化劑(OH)與還原劑(H)。 還原劑(H)可以把CO2還原成有機(jī)物質(zhì)； 氧化劑(OH)則會(huì)通過(guò)放出O2而重新形成H2O。4、1941年魯本(S.Ruben)制備的同位素標(biāo)記的H218O和C18O2分別進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)，證明了O2來(lái)源于水。5、光合作用需要光，然而是否其中每一步反應(yīng)過(guò)程都需要有光呢？20世紀(jì)初英國(guó)的布萊克曼(Blackman/1905、 德國(guó)的瓦伯格(O.Warburg)等人在研究光強(qiáng)、溫度和CO2濃度對(duì)光合作用影響時(shí)發(fā)現(xiàn),在弱光下增加光強(qiáng)

7、能提高光合速率，但當(dāng)光強(qiáng)增加到一定值時(shí)，再增加光強(qiáng)則不再提高光合速率。這時(shí)要提高溫度或CO2濃度才能提高光合速率。據(jù)測(cè)定，在1030c的范圍內(nèi)，如果光強(qiáng)和CO2濃度都適宜的話(huà)，光合作用的Qio=22.5（Qio為溫度系數(shù)，即溫度每增加10C,反應(yīng)速度增加的倍數(shù)）。按照光化學(xué)原理，光化學(xué)反應(yīng)是不受溫度影響的，或者說(shuō)它的Qio接近1;而一般的化學(xué)反應(yīng)則和溫度有密切關(guān)系，Qi。為23,這說(shuō)明光合過(guò)程中有化學(xué)反應(yīng)的存在。用藻類(lèi)進(jìn)行閃光試驗(yàn)，在光能量相同的前提下，一種用連續(xù)照光，另一種用閃光照射，中間隔一定暗期，發(fā)現(xiàn)后者光合效率是連續(xù)光下的200%400%。這因此，Blackman認(rèn)為光合作用中存在兩個(gè)

8、反應(yīng)，一個(gè)是葉綠素對(duì)光能的吸收反應(yīng)，稱(chēng)為光反應(yīng)，另一個(gè)是受溫度影響的酶促反應(yīng)，稱(chēng)為暗反應(yīng)，也稱(chēng)為Blackman反應(yīng)。光合作用是光反應(yīng)和暗反應(yīng)共同作用的結(jié)果。光反應(yīng)暗反應(yīng)光合作用受光影響受溫度影響（CO2）光反應(yīng)受光影響，暗反應(yīng)受溫度和CO2影響。Blackman反應(yīng)發(fā)現(xiàn)的意義是：證明光能不是直接用于CO2的同化，而是經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化，否則受溫度影響就小。后來(lái)的試驗(yàn)表明，光反應(yīng)和暗反應(yīng)可在時(shí)間上分隔。正在光下進(jìn)行光合作用的植物材料，短暫閉光，使之處于黑暗中，仍能吸收14CO2。這說(shuō)明光反應(yīng)的作用可能是吸收和轉(zhuǎn)換光能，而暗反應(yīng)是利用光反應(yīng)轉(zhuǎn)換的能量，同化CO2。這也證實(shí)了Blackman發(fā)現(xiàn)的正確性。但

9、是，第4頁(yè)/共16頁(yè)這時(shí)科學(xué)家仍不清楚光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)換為何種化學(xué)能形式。(希爾反應(yīng)說(shuō)明光反應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化成電能)三、暗反應(yīng)研究歷程1946年后，美國(guó)的馬爾文卡爾文與他的同事們研究一種小球藻，以確定植物在光合作用中如何固定CO2。經(jīng)9年左右的時(shí)間，他終于弄清了光合作用中二氧化碳同化的循環(huán)式途徑。1 ,采用什么技術(shù)探明CO2中碳的途徑？?簡(jiǎn)介同位素標(biāo)記法、雙向?qū)游龇ê惋@微自顯影技術(shù)。此時(shí)14C示蹤技術(shù)和雙向紙層析法技術(shù)都已經(jīng)成熟，卡爾文正好在實(shí)驗(yàn)中用上此兩種技術(shù)。他們將培養(yǎng)出來(lái)的藻放置在含有未標(biāo)記CO2的密閉容器中，然后將14C標(biāo)記的CO2注入容器，培養(yǎng)相當(dāng)短的時(shí)間之后，將藻浸入熱的乙醇中殺死細(xì)胞，

10、使細(xì)胞中的酶變性而失效。接著他們提取到溶液里的分子。然后將提取物應(yīng)用雙向紙層析法分離各種化合物， 再通過(guò)放射自顯影分析放射性上面的斑點(diǎn)， 并與已知化學(xué)成份進(jìn)行比較。在雙相紙層析放射自顯影圖譜中鑒定出20余種帶有C標(biāo)記的化合物，包括糖磷酸酯、有機(jī)酸和氨基酸等。2 .怎樣才能按反應(yīng)順序找到生成的各種化合物？縮短時(shí)間依次測(cè)定出的化合物種類(lèi)為ABCD-ABC-AB,推測(cè)化合物產(chǎn)生的順序3 .怎么確定第一個(gè)生成的化合物是什么？他發(fā)現(xiàn)當(dāng)把光照時(shí)間縮短為幾分之一秒時(shí)，磷酸甘油酸(C3)占全部放射性的90%,在5秒鐘的光合作用后，卡爾文找到了含有放射性的C3、C5和C6。實(shí)驗(yàn)表明：CO2-C3（酸）一C3（糖

11、）C5（C6）4 .怎么確定CO2的受體是什么最初推測(cè)二氧化碳受體為二碳化合物，實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有找到。卡爾文發(fā)現(xiàn)在光照下C3（酸）和C5很快達(dá)到飽和并保持穩(wěn)定。如果在光照下突然中斷二氧化碳的供應(yīng)，則C5就積累起來(lái)，C3（酸）濃度就急速降低。但當(dāng)把燈關(guān)掉后，C3（酸）的濃度急速升高，同時(shí)C5的急速降低。確定二氧化碳的受體是核酮糖-1,5-二磷酸。由于第一個(gè)被提取到的產(chǎn)物是一個(gè)三碳分子，所以將這種CO2固定途徑稱(chēng)為C3途徑，后來(lái)研究還發(fā)現(xiàn)，CO2固定的C3途徑是一個(gè)循環(huán)過(guò)程，人們稱(chēng)之為C3循環(huán)。這一循環(huán)又稱(chēng)卡爾文循環(huán)。他證明碳同化的過(guò)程需要消耗ATP與NADPH。采用科學(xué)的研究方法和最新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，卡爾

12、文一步步揭示出碳的行蹤。圖示卡爾文循環(huán)的復(fù)雜過(guò)程， 用九年時(shí)間、 五噸濾紙的具體數(shù)字說(shuō)明卡爾文所付出的努力四、光反應(yīng)的研究歷史-光反應(yīng)產(chǎn)物與意義。1、1939希爾實(shí)驗(yàn)希爾反應(yīng)是在離體葉綠體（實(shí)質(zhì)是被膜破裂的勻漿）懸浮液中，加入適當(dāng)?shù)碾娮邮荏w（如草酸鐵），照光時(shí)可使水分解而釋放氧氣：4Fe3+2H2O74Fe2+4H+O2反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變r(jià)Gm=-ZFE=2x96485x1.3469Jmol=259.9113JxmQl希爾反應(yīng)所需光子的波長(zhǎng)：根據(jù)希爾反應(yīng)的平衡常數(shù)，通過(guò)計(jì)算推導(dǎo)可得到希爾反應(yīng)能夠進(jìn)行的最大波長(zhǎng)入=686nm,即希爾反應(yīng)進(jìn)行所需的光子的波長(zhǎng)為K686nm。這一理論值與產(chǎn)生紅

13、降現(xiàn)象的波長(zhǎng)（入685nm）相吻合，可以說(shuō)，紅降現(xiàn)象的產(chǎn)生是由希爾反應(yīng)的熱力學(xué)所決定的。最初他用離體的葉綠體加葉片提取液，測(cè)到有氧放出。接著加上其他氧化劑如高鐵富化鉀， 能測(cè)到更多的氧， 表明離體葉綠體能進(jìn)行光合作用光反應(yīng)。這證明在光中產(chǎn)生的氧氣是與一個(gè)氫受體或電子受體相對(duì)應(yīng)的。 在光下進(jìn)行的催化反應(yīng)之一是草酸高鐵鉀到低價(jià)鐵的還原。 如果葉綠體所表現(xiàn)的這個(gè)性能是光合作用一部分的話(huà)，似乎氧必然是從水中來(lái)的。由此，他預(yù)言：這種葉勻漿的鐵-氧反應(yīng)也許指示著一種與二氧化碳同化有關(guān)的機(jī)理。希爾進(jìn)一步研究證實(shí)，植物光合作用的光反應(yīng)是氧分子的產(chǎn)生，而不是二氧化碳的還原， 氧的產(chǎn)生是由于葉綠體以草酸鐵作受氫體

14、所致，其機(jī)理與完整細(xì)胞光合放氧過(guò)程相一致。希爾反應(yīng)的意義是：證明了光合作用在葉綠體中進(jìn)行；是第一次用離體的葉綠體做試驗(yàn)， 把對(duì)光合作用的研究深入到細(xì)胞器水平，為光合作用研究開(kāi)創(chuàng)了新的途徑。植物放出的氧是水在光下被分解和氧化，這種水的光氧化反應(yīng)與CO2的還原可分開(kāi)進(jìn)行， 氧的釋放與CO2還原是兩個(gè)不同的過(guò)程。 因而劃分出光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段；發(fā)現(xiàn)了光反應(yīng)中有光誘導(dǎo)的電子傳遞和水的光解及O2釋放;發(fā)現(xiàn)了水在光反應(yīng)中起到的是供氫體和電子供體的雙重作用。2、1951年，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，離體葉綠體可在光下將NADP還原。這是一個(gè)振奮人心的消息，因?yàn)榭茖W(xué)家們?cè)缫阎?，NADPH是生物體內(nèi)的重要的還原劑。生

15、物中重要的氫載體NADP+也可以作為生理性的希爾氧化劑，從而使得希爾反應(yīng)的生理意義得到了進(jìn)一步肯定。1954年美國(guó)科學(xué)家阿農(nóng)(D.I.Arnon)等在給葉綠體照光時(shí)發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)向體系中供給無(wú)機(jī)磷、ADP和NADP時(shí)，體系中就會(huì)有ATP和NADPH產(chǎn)生。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，只要供給了ATP和NADPH+,即使在黑暗中，葉綠體也可將CO2轉(zhuǎn)變?yōu)樘?。由于ATP和NADPH是光能轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物，具有在黑暗中同化CO2為有機(jī)物的能力，所以被稱(chēng)為“同化力”(assimilatorypower)?？梢?jiàn)，光反應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于產(chǎn)生“同化力”去推動(dòng)暗反應(yīng)的進(jìn)行， 而暗反應(yīng)的實(shí)質(zhì)在于利用“同化力”將無(wú)機(jī)碳(CO2)轉(zhuǎn)化為有機(jī)碳(CH2

16、O)。暗反應(yīng)不直接需要光?？稍诎抵羞M(jìn)行。因此，光合作用的總過(guò)程可分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個(gè)階段，光反應(yīng)的作用是利用光能合成ATP和NADPH+H+,而暗反應(yīng)則是禾I用ATP和NADPH來(lái)同化CO2,即固定CO2,并還原為糖。 由于光反應(yīng)中產(chǎn)生的ATP和NADPH用于CO2同化，因此稱(chēng)為同化力。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)光、暗反應(yīng)對(duì)光的需求不是絕對(duì)的。即在光反應(yīng)中有不需光的過(guò)程(如電子傳遞與光合磷酸化)， 在暗反應(yīng)中也有需要光調(diào)節(jié)的酶促反應(yīng)?，F(xiàn)在認(rèn)為，“光”反應(yīng)不僅產(chǎn)生“同化力”，而且產(chǎn)生調(diào)節(jié)“暗”反應(yīng)中酶活性的調(diào)節(jié)劑，如還原性的鐵氧還蛋白。五、光反應(yīng)的研究歷史-光反應(yīng)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)光合單位1、釋放一個(gè)氧分子需要吸

17、收幾個(gè)光量子？需要多少個(gè)葉綠素分子參與?在研究這些問(wèn)題的過(guò)程中， 提出了“光合單位”的概念。 在研究光能轉(zhuǎn)化效率時(shí)，需要知道光合作用中吸收一個(gè)光量子所能引起的光合產(chǎn)物量的變化(如放出的氧分子數(shù)或固定CO2的分子數(shù))，即量子產(chǎn)額(quantumyield)或叫量子效率(quantumefficiency)o量 子 產(chǎn) 額 的 倒 數(shù) 稱(chēng) 為 量 子 需 要 量 ，(quantumrequirement)即釋放1分子氧和還原1分子二氧化碳所需吸收的光量子數(shù)。1922年，瓦伯格等計(jì)算出最低量子需要量為4,而他的學(xué)生愛(ài)默生(R.Emersen痔則測(cè)定出最低量子需要量為8。后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)都支持了愛(ài)默生的

18、觀(guān)點(diǎn)， 于是8的最低量子需要量得到了普遍的承認(rèn)， 這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于0.125的量子效率。根據(jù)光化學(xué)定律(一個(gè)分子吸收一個(gè)量子， 發(fā)生一次光化學(xué)變化)， 如果植物的每個(gè)葉綠素分子都能進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)， 按還原1個(gè)CO2和釋放1個(gè)O2需吸收8個(gè)光量子算， 則每當(dāng)有8個(gè)葉綠素分子在一起時(shí)， 一次足夠強(qiáng)的閃光就會(huì)造成1個(gè)O2的釋放。但在1932年，愛(ài)默生及阿諾德(W.Arnold)對(duì)小球藻(chlorella)懸浮液做閃光試驗(yàn)，計(jì)算每次閃光的最高產(chǎn)量是約2500個(gè)葉綠素分子產(chǎn)生1個(gè)O2分子，似乎在光合組織中是以2500個(gè)葉綠素分子組成1個(gè)集合體進(jìn)行放氧的，于是當(dāng)時(shí)就把釋放1分子氧或同化1分子CO2所需的2

19、500個(gè)葉綠素的分子數(shù)目稱(chēng)作1個(gè)“光合單位”(photosyntheticunit)。 以后又認(rèn)為，光合是以吸收光量子開(kāi)始的，應(yīng)以量子基礎(chǔ)計(jì)算“光合單位”，1個(gè)光合單位應(yīng)是300(2500+8=300)個(gè)葉綠素分子。為什么要300個(gè)葉綠第9頁(yè)/共16頁(yè)素分子吸收1個(gè)光子？其解釋是：閃光可能被幾百個(gè)葉綠素分子吸收，可是激發(fā)能需傳遞到1個(gè)能夠產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)的“反應(yīng)中心”(reactioncenter)區(qū)域才能有效。這個(gè)反應(yīng)中心的反應(yīng)中心色素分子(reactioncenterpigment謔一種特殊性質(zhì)的葉綠素a分子，它不僅能捕獲光能，還具有光化學(xué)活性，能將光能轉(zhuǎn)換成電能。其余的葉綠素分子和輔助色素

20、分子一起稱(chēng)為聚(集)光色素(lightharvestingpigment)或天線(xiàn)色素(antennapigment),它們的作用好象是收音機(jī)的“天線(xiàn)”，起著吸收和傳遞光能的作用。這樣就把原來(lái)以葉綠素分子數(shù)為指標(biāo)的光合單位看作了能進(jìn)行光化學(xué)反應(yīng)的光合機(jī)構(gòu)，光合單位成了天線(xiàn)色素系統(tǒng)和反應(yīng)中心的總稱(chēng)(圖4-2)。天線(xiàn)色素捕獲的一個(gè)光量子傳遞到反應(yīng)中心色素分子，在那里發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行電荷分離。2、進(jìn)一步研究表明，高等植物光反應(yīng)中電子的傳遞不只經(jīng)過(guò)一個(gè)反應(yīng)中心，而是要經(jīng)過(guò)兩個(gè)反應(yīng)中心，引起兩次光化學(xué)反應(yīng)。20世紀(jì)40年代，以小球藻為材料研究不同光質(zhì)的量子產(chǎn)額，發(fā)現(xiàn)大于680nm的遠(yuǎn)紅光(far-red

21、light)雖然仍被葉綠素吸收，但量子產(chǎn)額(吸收一個(gè)光量子所能引起的光合產(chǎn)物量的變化(如放出的氧分子數(shù)或固定CO2的分子數(shù)，即量子產(chǎn)額)急劇下降，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為紅降現(xiàn)象(reddrop)。1957年，愛(ài)默生觀(guān)察到小球藻在用遠(yuǎn)紅光照射時(shí)補(bǔ)加一點(diǎn)稍短波長(zhǎng)的光(例如650nm的光)， 則量子產(chǎn)額大增，比這兩種波長(zhǎng)的光單獨(dú)照射的總和還要高。這種在長(zhǎng)波紅光之外再加上較短波長(zhǎng)的光促進(jìn)光合效率的現(xiàn)象被稱(chēng)為雙光增益效應(yīng)， 或叫愛(ài)默生增益效應(yīng)(Emersonenhancementeffect)雙光增益效應(yīng)為位置上的一前一后對(duì)波長(zhǎng)不同選擇的進(jìn)行光合作用的兩個(gè)光系統(tǒng)的學(xué)說(shuō)存在提供了有利的證據(jù)。據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，希爾(

22、I960)等人提出了雙光系統(tǒng)(twophotosystem*勺概念，把吸收長(zhǎng)波光的系統(tǒng)稱(chēng)為光系統(tǒng)I(photosystemI,PSI),吸收短波長(zhǎng)光的系統(tǒng)稱(chēng)為光系統(tǒng)H(photosystemn,PSH)。1986年，霍爾(Hall)等人指出，光合單位應(yīng)是包括兩個(gè)反應(yīng)中心的約600個(gè)葉綠素分子(300X2)以及連結(jié)這兩個(gè)反應(yīng)中心的光合電子傳遞鏈。它能獨(dú)立地捕集光能，導(dǎo)致氧的釋放和NADP+的還原。PSI和PSII以串聯(lián)方式協(xié)同完成電子從H2O向NADP+的傳遞。由氧化還原電位的高低可以看出，這一電子傳遞途徑是不能自發(fā)進(jìn)行的，有二處(P680fp680和P700fp700*慮逆電勢(shì)梯度的土坡”電子

23、傳遞， 需要聚光色素復(fù)合體吸收與傳遞的光能來(lái)推動(dòng)。除此之外，電子都是從低電勢(shì)向高電勢(shì)的自發(fā)下坡”運(yùn)動(dòng)。光合鏈中的電子傳遞體是質(zhì)體釀(plastoquinone,PQ,細(xì)胞色素(cytochrome,Cyt)b6/f復(fù)合體，鐵氧還蛋白(ferredoxin,Fd)和質(zhì)藍(lán)素(plastocyanin,PQ。其中以PQ最受重視，因?yàn)樗粌H數(shù)量多(菠菜葉綠體內(nèi)PQ含量達(dá)全葉綠素干重的七分之一)，而且它是雙電子雙H+傳遞體，它既可傳遞電子，也可傳遞質(zhì)子，在傳遞電子的同時(shí)，把H+從類(lèi)囊體膜外帶入膜內(nèi)，在類(lèi)囊體膜內(nèi)外建立跨膜質(zhì)子梯度以推動(dòng)ATP的合成。光合鏈中PSI、Cytb-f和PSI在類(lèi)囊體膜上，難以移

24、動(dòng)，而PQ、PC和Fd可以在膜內(nèi)或膜表面移動(dòng)，在三者間傳遞電子。3.另外，從理論上講一個(gè)量子引起一個(gè)分子激發(fā)，放出一個(gè)電子，那么釋放一個(gè)O2,傳遞4個(gè)電子(2H2O-4H+4e+O2f)只需吸收4個(gè)量子，而實(shí)際測(cè)得光合放氧的最低量子需要量為812。這也證實(shí)了光合作用中電子傳遞要經(jīng)過(guò)兩個(gè)光系統(tǒng)，有兩次光化學(xué)反應(yīng)。4、20世紀(jì)60年代以后，人們已能直接從葉綠體中分離出PSI和PSII的色素蛋白復(fù)合體顆粒，分析各系統(tǒng)的組成與功能，證明了光系統(tǒng)I與NADP+的還原有關(guān)，光系統(tǒng)II與水的光解、氧的釋放有關(guān)?？梢?jiàn)，隨著光合研究的深入，“光合單位”的含義已多次被修改。究竟一個(gè)“光合單位”包多少個(gè)葉綠素分子？

25、這要依據(jù)這個(gè)“光合單位”所執(zhí)行的功能而定。就O2的釋放和CO2的同化而言，光合單位為2500;就吸收一個(gè)光量子而言，光合單位為300;就傳遞一個(gè)電子而言，光合單位為600個(gè)葉綠素分子。目前多數(shù)人贊同霍爾的看法，認(rèn)為：所謂的“光合單位”，就是指存在于類(lèi)囊體膜上能進(jìn)行完整光反應(yīng)的最小結(jié)構(gòu)單位。六、水的還原發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)60年代，法國(guó)的喬利爾特(P.Joliot)發(fā)明了能靈敏測(cè)定微量氧變化的極譜電極，用它測(cè)定小球藻的光合放氧反應(yīng)。他們將小球藻預(yù)先保持在暗中，然后給以一系列的瞬間閃光照射(如每次閃光510ws,間隔300ms)。發(fā)現(xiàn)閃光后氧的產(chǎn)量是不均量的，是以4為周期呈現(xiàn)振蕩，即第一次閃光后沒(méi)有O2

26、的釋放，第二次釋放少量O2,第三次O2的釋放達(dá)到高峰，每4次閃光出現(xiàn)1次放氧峰。用高等植物葉綠體實(shí)驗(yàn)得到同樣的結(jié)果。氧形成量大約在第20個(gè)閃光后體系放O2的周期性會(huì)逐漸消失，放O2量達(dá)到某一平穩(wěn)的數(shù)值。(Joliot,1965)氧的四量子機(jī)理假說(shuō)”:PSII的反應(yīng)中心與H2O之間存在一個(gè)正電荷的貯存處(S)每次閃光，S交給PSII反應(yīng)中心1個(gè)e;當(dāng)S失去4e帶有4個(gè)正電荷時(shí)能裂解2個(gè)H2O釋放1個(gè)O2(圖13),圖中S即為M,按照氧化程度(即帶正電荷的多少)從低到高的順序，將不同狀態(tài)的M分別稱(chēng)為$0、$1、$2、$3和S。即So不帶電荷，Si帶1個(gè)正電荷，S4帶4個(gè)正電荷。每一次閃光將狀態(tài)S向

27、前推進(jìn)一步，直至S。然后S，從2個(gè)H2O中獲取4個(gè)e,并回到So。七、其它發(fā)現(xiàn)及進(jìn)展科克(B.Kok,1970)等人根據(jù)這一事實(shí)提出了關(guān)于H2O裂解放IANO沙郎一相用中把一以上僅就光合作用反應(yīng)式的確定、光暗反應(yīng)、光合單位、兩個(gè)光系統(tǒng)等概念的建立介紹了光合作用研究歷史中的部分情況。其實(shí)，還有許多杰出的成就值得一提。 例如， 葉綠素分子結(jié)構(gòu)的確定(H.Fischer1930);光合碳循環(huán)的闡明(M.Calvin1954);葉綠素分子的人工合成(R.B.Woodward1960);CAM途徑的確定(M.Thomas1960);磷酸化的第13頁(yè)/共16頁(yè)化學(xué)滲透學(xué)說(shuō)的提出(P.Mitchell196

28、1);葉名體DNA的分離(R.SagarM.Ishida1963);C4途徑的確定(M.D.Hatch1966C.B.Slack);PSII放氧反應(yīng)中心復(fù)合體的分離(葛培根1982等)；光合細(xì)菌反應(yīng)中心三維空間結(jié)構(gòu)的闡明(J.Deisenhofer1982H.Michel1982R.Huber)光電子傳遞理論的確定(Marcus1992);ATP酶的結(jié)構(gòu)與反應(yīng)機(jī)理的研究(Walker2019Boyer2019);中國(guó)的光合作用研究自20世紀(jì)50年代開(kāi)始，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。如中國(guó)科學(xué)院上海植物生理研究所在光合作用能量轉(zhuǎn)換、光合碳代謝的酶學(xué)研究等方面，中國(guó)科學(xué)院植物研究所在光合作用的原初反應(yīng)和光合

29、色素蛋白復(fù)合體研究等方面都有所發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。2019年3月8日，中科院生物物理所和植物研究所發(fā)表“菠菜主要主要捕光復(fù)合物L(fēng)HC-H2.72A分辨率的晶體結(jié)構(gòu)”。是蛋白質(zhì)、色素、類(lèi)胡蘿卜素、脂質(zhì)組成的復(fù)雜分子體系，鑲嵌在生物膜中，具有很強(qiáng)的疏水性，難以分離和結(jié)晶。測(cè)定其晶體結(jié)構(gòu)是國(guó)際公認(rèn)的高難課題，也是一個(gè)國(guó)家結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究水平的重要標(biāo)志。破解其晶體結(jié)構(gòu)之謎，可以為人類(lèi)徹底認(rèn)識(shí)進(jìn)而控制光合作用奠定基礎(chǔ)?？傊夂献饔醚芯繗v史不算長(zhǎng)，從1771年至今才200多年，然而由于各國(guó)科學(xué)工作者的努力探索，已取得了舉世矚目的進(jìn)展，為指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了充分的理論依據(jù)。當(dāng)前光合作用的研究擬將進(jìn)一步闡明以下幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：光合作用結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系及其遺傳控制反應(yīng)中心的結(jié)構(gòu)與功能放氧復(fù)合體的結(jié)構(gòu)與功能能量轉(zhuǎn)換與電子、質(zhì)子傳遞的規(guī)律CO2同化調(diào)節(jié)機(jī)理等。只有弄清了光合作用的機(jī)理，人類(lèi)才能更好地利用太陽(yáng)能，以至模擬光合作用人工合成有機(jī)物。此外航天事業(yè)的迅猛發(fā)展也迫切需要為宇宙飛船、太空空間站乃至為開(kāi)發(fā)其他星球提供氧氣和食品等。這些都使光合作用的研究面臨新的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。呼吸作用的發(fā)現(xiàn)歷史一、糖酵解的發(fā)現(xiàn)歷史。1897年，德國(guó)生化學(xué)家E.畢希納發(fā)現(xiàn)離開(kāi)活體的釀酶具有活性以后，極大地促進(jìn)了生物體內(nèi)糖代謝的研究。釀酶發(fā)現(xiàn)后的幾年之內(nèi)，就揭示了糖酵解是動(dòng)植物和微生物體內(nèi)普遍存在的過(guò)程。英國(guó)的F.G.霍普金斯等于190