光合作用发现历史资料整理

光合作用发现历史资料整理1、 传统史料-光合作用反应式的发现 1.过去，人们一直以为，小小的种子之所以能够长成参天大树，古希腊哲学家亚里士多德认为，植物生长所需的物质完全依靠于土壤。 2. 1648年，一位荷兰科学家范赫尔蒙特对此产生了怀疑，于是他设计了盆栽柳树称重实验，得出植物的重量主要不是来自土壤而是来自水的推论。虽然他没有认识到空气中的物质参与了有机物的形成，但从此拉开了光合作用的研究史。赫尔蒙特把90千克的土壤放在花盆中，然后种上2千克重的柳树，并经常浇水，5年过去了，柳树长到76千克重，而花盆中的土壤只少了60克。 3.早在1637年，我国明代科学家宋应星在论气一文中，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”。可惜因受当时科学技术水平的限制，未能用实验来证明这一精辟的论断。直到1727年，英国植物学家斯蒂芬黑尔斯才提出植物生长时主要以空气为营养的观点。而最先用实验方法证明绿色植物从空气中吸收养分的是英国著名的化学家约瑟夫普利斯特利。在1771年发现植物可以恢复因蜡烛燃烧而变“坏”了的空气。 4. 1779年,荷兰科学家英恩豪斯（Jan Ingenhousz）进一步证明只有植物的绿色部分在光下才能起使空气变“好”的作用，而其他所有器官即使在白天也会使空气变坏。这些实验结果为后来人们认识植物绿色部分和光在植物光合作用中的重要性奠定了基础。 5.1872年，科学家塞尼比尔（J.Senebier）如何做实验证明光和CO2的必要性。 6.1804年，瑞士学者德索苏尔研究了植物光合作用过程中吸收的二氧化碳与放出的氧之间的数量关系，结果发现植物制造的有机物和释放出的氧的总量，远远超过它们所吸收的二氧化碳的量。由于实验中只使用植物、空气和水，别无他物，因此，他断定植物在进行光合作用合成有机物时不仅需要二氧化碳，水也必然是光合作用的原料。他认为是CO2和H2O乃是植物体有机物之来源。此结论不仅证实了海尔蒙脱关于柳树生长过程中合成植物体的物质主要来自水的推论，而且把人们对光合作用本质的认识提高到一个崭新的阶段。德索叙尔实验告诉我们，定量分析法在科学研究中的重要性， 7、1845德国科学家梅耶R。Mayer.据能量转化定律指出，植物在进行光合作用时，把光能转化成化学能储存起来。 8.德国的又一位科学家萨克斯在1864年用紫苏进行实验。这一实验成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。因此，最终确定了至今人们还在沿用的光合作用总反应式。二、近代思想与技术应用，光反应和暗反应概念提出 1、1880年，德国科学家恩格尔曼（C.Engelmann）用水绵进行了进行了光合作用的实验。恩吉尔曼的实验巧妙地证明了光合作用的场所是叶绿体。 2、19世纪60年代，科学家总结出光合作用的反应式能不能解决光合作用产生的氧是来自什么物质？应该注意到光合作用反应式中所有的反应物和产物都含有氧，而上面两式并没有指出释放的O2是来自CO2还是H2O。很多年来，人们一直以为光能将CO2分解成O2和C，C与H2O 结合成(CH2O ) 。 3、1931年微生物学家尼尔(C.B.Van Niel)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(CH2O)+2A+H2O ，这里的H2A代表一种还原剂，可以是H2S、有机酸等，紫色硫细菌(purple-sulfur bacteria)和绿色硫细菌(green-sulfur bacteria)利用H2S为氢供体，在光下同化CO2：CO2+2H2S(CH2O)+2S+H2O ，光合细菌在光下同化CO2而没有O2的释放，O2不是来自二氧化碳而是水。因此他第一次提出光在光合作用中的作用是将水光解。同时认为光合作用放出的O2不是来源于CO2，而是来源于H2O。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。 4、1941年鲁本（S.Ruben）制备的同位素标记的H218 O和C18 O2分别进行光合作用实验，证明了O2来源于水。 5、光合作用需要光，然而是否其中每一步反应过程都需要有光呢?20世纪初英国的布莱克曼（Blackman/1905、德国的瓦伯格(O.Warburg)等人在研究光强、温度和CO2浓度对光合作用影响时发现,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1030的范围内，如果光强和CO2浓度都适宜的话，光合作用的Q1022.5(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23，这说明光合过程中有化学反应的存在。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。光合作用是光反应和暗反应共同作用的结果。光反应暗反应光合作用受光影响受温度影响（CO2）光反应受光影响，暗反应受温度和CO2影响。Blackman反应发现的意义是：证明光能不是直接用于CO2的同化，而是经过转化，否则受温度影响就小。 后来的试验表明，光反应和暗反应可在时间上分隔。正在光下进行光合作用的植物材料，短暂闭光，使之处于黑暗中，仍能吸收14CO2。这说明光反应的作用可能是吸收和转换光能，而暗反应是利用光反应转换的能量，同化CO2。这也证实了Blackman发现的正确性。但是，这时科学家仍不清楚光反应将光能转换为何种化学能形式。（希尔反应说明光反应将光能转化成电能）3、 暗反应研究历程 1946年后，美国的马尔文卡尔文与他的同事们研究一种小球藻，以确定植物在光合作用中如何固定CO2。经9年左右的时间，他终于弄清了光合作用中二氧化碳同化的循环式途径。1 采用什么技术探明CO2中碳的途径？ 简介同位素标记法、双向层析法和显微自显影技术。此时14C示踪技术和双向纸层析法技术都已经成熟，卡尔文正好在实验中用上此两种技术。他们将培养出来的藻放置在含有未标记CO2的密闭容器中，然后将14C标记的CO2注入容器，培养相当短的时间之后，将藻浸入热的乙醇中杀死细胞，使细胞中的酶变性而失效。接着他们提取到溶液里的分子。然后将提取物应用双向纸层析法分离各种化合物，再通过放射自显影分析放射性上面的斑点，并与已知化学成份进行比较。在双相纸层析放射自显影图谱中鉴定出20余种带有C标记的化合物，包括糖磷酸酯、有机酸和氨基酸等。2怎样才能按反应顺序找到生成的各种化合物？ 缩短时间依次测定出的化合物种类为ABCD-ABC-AB，推测化合物产生的顺序3怎么确定第一个生成的化合物是什么？ 他发现当把光照时间缩短为几分之一秒时，磷酸甘油酸(C3)占全部放射性的90，在5秒钟的光合作用后，卡尔文找到了含有放射性的C3、C5和C6。实验表明：CO2C3(酸)C3(糖)-C5(C6) 4怎么确定CO2的受体是什么最初推测二氧化碳受体为二碳化合物，实验中没有找到。卡尔文发现在光照下C3 (酸)和C5很快达到饱和并保持稳定。如果在光照下突然中断二氧化碳的供应，则C5就积累起来，C3 (酸)浓度就急速降低。但当把灯关掉后，C3(酸)的浓度急速升高，同时C5的急速降低。确定二氧化碳的受体是核酮糖-1，5-二磷酸。由于第一个被提取到的产物是一个三碳分子, 所以将这种CO2固定途径称为C3途径，后来研究还发现，CO2固定的C3途径是一个循环过程，人们称之为C3循环。这一循环又称卡尔文循环。他证明碳同化的过程需要消耗ATP与NADPH。 采用科学的研究方法和最新的实验技术，卡尔文一步步揭示出碳的行踪。图示卡尔文循环的复杂过程，用九年时间、五吨滤纸的具体数字说明卡尔文所付出的努力4、 光反应的研究历史-光反应产物与意义。1、1939希尔实验 希尔反应是在离体叶绿体（实质是被膜破裂的匀浆）悬浮液中，加入适当的电子受体（如草酸铁），照光时可使水分解而释放氧气：4Fe3+H2O4Fe2+2 反应的标准吉布斯自由能变rGm=- ZFE= 2 96485 1. 3469Jmol= 259. 911 103Jmol， 希尔反应所需光子的波长：根据希尔反应的平衡常数，通过计算推导可得到希尔反应能够进行的最大波长= 686nm，即希尔反应进行所需的光子的波长为K 685nm) 相吻合, 可以说, 红降现象的产生是由希尔反应的热力学所决定的。 最初他用离体的叶绿体加叶片提取液，测到有氧放出。接着加上其他氧化剂如高铁氰化钾，能测到更多的氧，表明离体叶绿体能进行光合作用光反应。这证明在光中产生的氧气是与一个氢受体或电子受体相对应的。在光下进行的催化反应之一是草酸高铁钾到低价铁的还原。如果叶绿体所表现的这个性能是光合作用一部分的话，似乎氧必然是从水中来的。由此，他预言：这种叶匀浆的铁-氧反应也许指示着一种与二氧化碳同化有关的机理。 希尔进一步研究证实，植物光合作用的光反应是氧分子的产生，而不是二氧化碳的还原，氧的产生是由于叶绿体以草酸铁作受氢体所致，其机理与完整细胞光合放氧过程相一致。 希尔反应的意义是：证明了光合作用在叶绿体中进行;是第一次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。 植物放出的氧是水在光下被分解和氧化，这种水的光氧化反应与CO2的还原可分开进行，氧的释放与CO2还原是两个不同的过程。因而划分出光反应和暗反应两个阶段; 发现了光反应中有光诱导的电子传递和水的光解及O2释放;发现了水在光反应中起到的是供氢体和电子供体的双重作用。2、1951年，科学家们发现，离体叶绿体可在光下将NADP+还原。这是一个振奋人心的消息，因为科学家们早已知道，NADPH是生物体内的重要的还原剂。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。1954年美国科学家阿农(D.I.Arnon)等在给叶绿体照光时发现，当向体系中供给无机磷、ADP和NADP时，体系中就会有ATP和NADPH产生。同时发现，只要供给了ATP和NADPH+，即使在黑暗中，叶绿体也可将CO2转变为糖。由于ATP和NADPH是光能转化的产物，具有在黑暗中同化CO2为有机物的能力，所以被称为“同化力”(assimilatory power)。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)。暗反应不直接需要光。可在暗中进行。因此，光合作用的总过程可分为光反应和暗反应两个阶段，光反应的作用是利用光能合成ATP和NADPH+H+，而暗反应则是利用ATP和NADPH来同化CO2，即固定CO2，并还原为糖。由于光反应中产生的ATP和NADPH用于CO2同化，因此称为同化力。 进一步研究发现光、暗反应对光的需求不是绝对的。即在光反应中有不需光的过程(如电子传递与光合磷酸化)，在暗反应中也有需要光调节的酶促反应。现在认为，“光”反应不仅产生“同化力”，而且产生调节“暗”反应中酶活性的调节剂，如还原性的铁氧还蛋白。五、光反应的研究历史-光反应的结构系统光合单位 1、释放一个氧分子需要吸收几个光量子?需要多少个叶绿素分子参与?在研究这些问题的过程中，提出了“光合单位”的概念。在研究光能转化效率时，需要知道光合作用中吸收一个光量子所能引起的光合产物量的变化(如放出的氧分子数或固定CO2的分子数)，即量子产额(quantum yield)或叫量子效率(quantum efficiency)。量子产额的倒数称为量子需要量，(quantum requirement)即释放1分子氧和还原1分子二氧化碳所需吸收的光量子数。1922年，瓦伯格等计算出最低量子需要量为4，而他的学生爱默生(R.Emersen)等则测定出最低量子需要量为8。后来的实验证据都支持了爱默生的观点，于是8的最低量子需要量得到了普遍的承认，这个数值相当于0.125的量子效率。根据光化学定律(一个分子吸收一个量子，发生一次光化学变化)，如果植物的每个叶绿素分子都能进行光化学反应，按还原1个CO2和释放1个O2需吸收8个光量子算，则每当有8个叶绿素分子在一起时，一次足够强的闪光就会造成1个O2的释放。但在1932年，爱默生及阿诺德(W.Arnold)对小球藻(chlorella)悬浮液做闪光试验，计算每次闪光的最高产量是约2 500个叶绿素分子产生1个O2分子，似乎在光合组织中是以2 500个叶绿素分子组成1个集合体进行放氧的，于是当时就把释放1分子氧或同化1分子CO2所需的2 500个叶绿素的分子数目称作1个“光合单位”(photosynthetic unit)。以后又认为，光合是以吸收光量子开始的，应以量子基础计算“光合单位”，1个光合单位应是300(2 5008300)个叶绿素分子。为什么要300个叶绿素分子吸收1个光子?其解释是：闪光可能被几百个叶绿素分子吸收，可是激发能需传递到1个能够产生光化学反应的“反应中心”(reaction center)区域才能有效。这个反应中心的反应中心色素分子(reaction center pigment)是一种特殊性质的叶绿素a分子，它不仅能捕获光能，还具有光化学活性，能将光能转换成电能。其余的叶绿素分子和辅助色素分子一起称为聚(集)光色素(light harvesting pigment)或天线色素(antenna pigment)，它们的作用好象是收音机的“天线”，起着吸收和传递光能的作用。这样就把原来以叶绿素分子数为指标的光合单位看作了能进行光化学反应的光合机构，光合单位成了天线色素系统和反应中心的总称(图4-2)。天线色素捕获的一个光量子传递到反应中心色素分子，在那里发生光化学反应进行电荷分离。 2、进一步研究表明，高等植物光反应中电子的传递不只经过一个反应中心，而是要经过两个反应中心，引起两次光化学反应。20世纪40年代，以小球藻为材料研究不同光质的量子产额，发现大于680nm的远红光(far-red light)虽然仍被叶绿素吸收，但量子产额（吸收一个光量子所能引起的光合产物量的变化(如放出的氧分子数或固定CO2的分子数，即量子产额）急剧下降，这种现象被称为红降现象(red drop)。1957年，爱默生观察到小球藻在用远红光照射时补加一点稍短波长的光(例如650nm的光)，则量子产额大增，比这两种波长的光单独照射的总和还要高。这种在长波红光之外再加上较短波长的光促进光合效率的现象被称为双光增益效应，或叫爱默生增益效应(Emerson enhancement effect)。双光增益效应为位置上的一前一后对波长不同选择的进行光合作用的两个光系统的学说存在提供了有利的证据。 据上述实验结果，希尔(1960)等人提出了双光系统(two photosystem)的概念，把吸收长波光的系统称为光系统(photosystem,PS)，吸收短波长光的系统称为光系统(photosystem,PS)。1986年，霍尔(Hall)等人指出，光合单位应是包括两个反应中心的约600个叶绿素分子(3002)以及连结这两个反应中心的光合电子传递链。它能独立地捕集光能，导致氧的释放和NADP+的还原。PSI和PSII以串联方式协同完成电子从H2O向NADP+的传递。由氧化还原电位的高低可以看出，这一电子传递途径是不能自发进行的，有二处(P680P680*和P700P700*)是逆电势梯度的“上坡”电子传递，需要聚光色素复合体吸收与传递的光能来推动。除此之外，电子都是从低电势向高电势的自发“下坡”运动。光合链中的电子传递体是质体醌（plastoquinone,PQ），细胞色素（cytochrome,Cyt）b6/f复合体,铁氧还蛋白（ferredoxin,Fd）和质蓝素（plastocyanin,PC）。其中以PQ最受重视，因为它不仅数量多（菠菜叶绿体内PQ含量达全叶绿素干重的七分之一），而且它是双电子双H+传递体，它既可传递电子，也可传递质子，在传递电子的同时，把H+从类囊体膜外带入膜内，在类囊体膜内外建立跨膜质子梯度以推动ATP的合成。光合链中PSI、Cyt b-f和PSI在类囊体膜上，难以移动，而PQ、PC和Fd可以在膜内或膜表面移动，在三者间传递电子。 3.另外，从理论上讲一个量子引起一个分子激发，放出一个电子，那么释放一个O2，传递4个电子(2H2O4H+4e+O2) 只需吸收4个量子，而实际测得光合放氧的最低量子需要量为812。这也证实了光合作用中电子传递要经过两个光系统，有两次光化学反应。 4、20世纪60年代以后，人们已能直接从叶绿体中分离出PS和PS的色素蛋白复合体颗粒，分析各系统的组成与功能，证明了光系统与NADP+的还原有关，光系统与水的光解、氧的释放有关。可见，随着光合研究的深入，“光合单位”的含义已多次被修改。究竟一个“光合单位”包多少个叶绿素分子?这要依据这个“光合单位”所执行的功能而定。就O2的释放和CO2的同化而言，光合单位为2500；就吸收一个光量子而言，光合单位为300；就传递一个电子而言，光合单位为600个叶绿素分子。目前多数人赞同霍尔的看法，认为：所谓的“光合单位”，就是指存在于类囊体膜上能进行完整光反应的最小结构单位。六、水的还原发现。20世纪60年代，法国的乔利尔特(P. Joliot)发明了能灵敏测定微量氧变化的极谱电极，用它测定小球藻的光合放氧反应。他们将小球藻预先保持在暗中，然后给以一系列的瞬间闪光照射(如每次闪光510s，间隔300ms)。 发现闪光后氧的产量是不均量的，是以4为周期呈现振荡，即第一次闪光后没有O的释放，第二次释放少量O，第三次O的释放达到高峰，每4次闪光出现1次放氧峰。用高等植物叶绿体实验得到同样的结果。氧形成量大约在第20个闪光后体系放O的周期性会逐渐消失，放O量达到某一平稳的数值。 (Joliot，1965 )科克(B.Kok，1970)等人根据这一事实提出了关于HO裂解放氧的“四量子机理假说”： PS的反应中心与HO之间存在一个正电荷的贮存处(S) 每次闪光，S交给PS反应中心1个e； 当S失去4e带有4个正电荷时能裂解2个HO释放1个O(图13)， 图中S即为M，按照氧化程度(即带正电荷的多少)从低到高的顺序，将不同状态的M分别称为S、S、S、S和S。即S不带电荷，S带 1 个正电荷，S4带4个正电荷。每一次闪光将状态 S 向前推进一步，直至S。然后S从 2 个 HO中获取 4 个e，并回到S。 七、其它发现及进展以上仅就光合作用反应式的确定、光暗反应、光合单位、两个光系统等概念的建立介绍了光合作用研究历史中的部分情况。其实，还有许多杰出的成就值得一提。例如，叶绿素分子结构的确定(H.Fischer 1930)；光合碳循环的阐明(M.Calvin 1954)；叶绿素分子的人工合成(R.B.Woodward 1960)；CAM途径的确定(M.Thomas 1960)；磷酸化的化学渗透学说的提出(P.Mitchell 1961)；叶绿体DNA的分离(R.Sagar M.Ishida 1963)；C途径的确定(M.D.Hatch 1966 C.B.Slack)；PS放氧反应中心复合体的分离(葛培根1982等)；光合细菌反应中心三维空间结构的阐明(J.Deisenhofer 1982 H.Michel 1982 R.Huber)光电子传递理论的确定（Marcus 1992）;ATP酶的结构与反应机理的研究(Walker 2019 Boyer 2019)； 中国的光合作用研究自20世纪50年代开始，取得了长足的进展。如中国科学院上海植物生理研究所在光合作用能量转换、光合碳代谢的酶学研究等方面，中国科学院植物研究所在光合作用的原初反应和光合色素蛋白复合体研究等方面都有所发现和创新。2019年3月8日，中科院生物物理所和植物研究所发表“菠菜主要主要捕光复合物LHC-2.72A分辨率的晶体结构”。是蛋白质、色素、类胡萝卜素、脂质组成的复杂分子体系，镶嵌在生物膜中，具有很强的疏水性，难以分离和结晶。测定其晶体结构是国际公认的高难课题，也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志。破解其晶体结构之谜，可以为人类彻底认识进而控制光合作用奠定基础。 总之，光合作用研究历史不算长，从1771年至今才200多年，然而由于各国科学工作者的努力探索，已取得了举世瞩目的进展，为指导农业生产提供了充分的理论依据。当前光合作用的研究拟将进一步阐明以下几个关键问题：光合作用结构与功能的关系及其遗传控制 反应中心的结构与功能 放氧复合体的结构与功能 能量转换与电子、质子传递的规律 CO2同化调节机理等。只有弄清了光合作用的机理，人类才能更好地利用太阳能，以至模拟光合作用人工合成有机物。此外航天事业的迅猛发展也迫切需要为宇宙飞船、太空空间站乃至为开发其他星球提供氧气和食品等。这些都使光合作用的研究面临新的挑战与机遇。呼吸作用的发现历史一、糖酵解的发现历史。1897年，德国生化学家 E.毕希纳发现离开活体的酿酶具有活性以后，极大地促进了生物体内糖代谢的研究。酿酶发现后的几年之内，就揭示了糖酵解是动植物和微生物体内普遍存在的过程。英国的F.G.霍普