梅尔文·卡尔文：光合作用寻“碳”踪

尹传红 王叙

梅尔文·卡尔文用碳-14跟踪二氧化碳在植物细胞内的变化轨迹，探明了光合作用中的碳固定途径，首次揭示了自然界最基本的生命过程，对生命起源的研究具有重要的意义。

植物生长所需营养物质来自哪里

从两千多年前古希腊的亚里士多德时代，直至18世纪中期，人们一直以为，植物体内的全部营养物质，都是从土壤中获得的。

不过，也有人不这么看。1643年，比利时医生范·海尔蒙特通过实验认为，构成植物体的物质来自于水，而土壤只供给极少量的物质。虽然这表明绿色植物体内存在化学活动，水参与了植物体有机物质的合成，可事情似乎又没有这么简单。1727年，英国植物学家斯蒂芬·黑尔斯提出了植物生长时主要以空气为营养的观点，但那个时候，人们连空气的主要成分是什么都还没搞清楚呢。

之后，英国化学家约瑟夫·普利斯特利于1771年通过一个有趣的实验指出，绿色植物能使因蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气“复原”，或变得清新。这个实验，青少年朋友在初中生物课上都会学到，这里就不再一一赘述。

1777年，由绿色植物产生、能使空气得到“净化”的那种气体，被法国化学家拉瓦锡命名为oxygen（中译名“氧气”），其含义是酸的物质。

关键因素

然而，普利斯特利那个有趣的实验，有人重复去做却不大成功，甚至得出了相反的结论：植物有时不仅不能把空气变好，反倒会让空气变糟。这到底是怎么回事呢？

1779年，荷兰化学家扬·英根豪斯做了一系列实验，观察到在阳光下植物产生的气体能把空气变好，而在黑暗中植物不仅不能“净化”空气，反而会像动物一样使好空气变坏。后来弄明白了，那是由于植物同样也有呼吸作用的缘故。此后几年间，人们明确了空气的组成成分，并且认识到绿色植物在光照下释放出的气体为氧气，而在夜间释放出的气体是二氧化碳。

进入19世纪后，光合作用物质和能量的转化才真正为人们所认识。最初是在1804年，瑞士化学家德·索苏尔通过定量研究，确立了植物光合作用过程中吸收的二氧化碳与放出的氧气之间的数量关系。他发现植物制造的有机物和释放出的氧气的总量，远远超过它们所吸收的二氧化碳的量。由此他断定植物在进行光合作用合成有机物时，必定也有水的参与。

1864年，德国植物学家朱利叶斯·萨克斯用他的天竺葵经典实验表明，光合作用的产物除氧气外，还有有机物。这又提出了一个新的问题：究竟是怎样的一种结构或机制，让植物叶片具有了制造有机物的能力？

被阳光聚集在一起

19世纪后半期人们发现，在大多数绿色植物细胞中存在着一种极微小的绿色结构，被称作叶绿体。它形似扁豆，直径仅数微米。后来又得知，叶绿体之所以呈绿色，是因为它含有叶绿素。叶绿素是植物体内含量最多的色素。此外，还有叶黄素、胡萝卜素等，它们会吸收不同颜色的光。

1880年，德国生物学家恩格尔曼用水绵实验证明，植物光合作用的场所和放氧部位是叶绿体，条件是要有光照。接着，他又研究了不同颜色的光对绿藻光合作用的影响，并惊奇地发现大量的嗜氧细菌聚集在红光和蓝光区域。这说明叶绿体中的色素对不同颜色的光吸收程度存在差异，对于红光和蓝光吸收最多。这也意味着被红光和蓝光照射的细胞的光合速率最快。

现在，人们通常把植物制造有机物的过程称为光合作用（photosynthesis）。这个术语出现于20世纪初，由希腊文photos（光）和synthesis（集合/合成物）两个词组合而成，意思是“被阳光聚集在一起”。更具体地说，光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿体，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生物化学过程。它可以用一个简单的总反应式表述如下：

12H2O + 6CO2 + 光 → C6H12O6 （葡萄糖） + 6O2↑+ 6H2O

然而，对光合作用本质及其诸多复杂过程的认识，还有艰难的路要走。

他是一个寻根问底的人

事实上，直到20世纪30年代末，人们还不太了解光合作用的大部分复杂反应。这方面取得的一个重要进展是，美国科学家鲁宾和卡门于1938年用示踪剂（同位素标记法）探测绿色叶子的化学作用，获得了一个轮廓清楚的发现：植物所放出的氧来自水分子，而不是来自二氧化碳分子。

此后不久，物理学家于1940年在放射实验室里用回旋加速器“造出”了长寿命的放射性同位素碳-14。机缘巧合，早年主要研究有机分子的化学家梅尔文·卡尔文跟物理学家开始了密切的合作。1946年，诺贝尔物理学奖获得者欧内斯特·劳伦斯建议卡尔文研究一下碳-14同位素。卡尔文对确定光合反应过程的化学细节特别感兴趣，自1949年起，他开始研究产生光合作用的化学反应。

最初，卡尔文用碳-14来追踪光合作用中碳元素的踪迹，并发现和分离各种中间产物，推断这些产物该如何衔接起来，从而了解到光合作用中各种复杂的化学反应，包括具体的化学反应步骤。他很好地利用了刚刚发明不久的气液色谱来鉴定光合作用过程中不同阶段的产物，分析其相关化合物。

1957年，卡尔文提出了著名的“卡尔文循环”，勾画出光合作用“暗反应”过程中，从最初原料二氧化碳到最终产物碳的化学反应路线图，并首次探明了光合作用中的碳固定途径。他指出，碳水化合物的合成需要一个反应循环，该循环受13种酶所催化。二氧化碳与二氧化碳接收物结合（稱为碳的固定），经过一系列化学反应，生成糖类离开循环；同时二氧化碳接收物获得新生，参与下一次循环。驱动循环所需的能量来自三磷酸腺苷（ATP）等高能化合物，这些化合物正是“光反应”阶段叶绿素吸收光能后形成的。

“卡尔文循环”被看作是自然界基本的生命过程之一，对生命起源研究具有重要的意义。因此项研究成果，卡尔文被授予1961年诺贝尔化学奖。

晚年的卡尔文致力于研究如何利用光合作用，用产油植物作为燃料的取代品。他一直对生命的化学进化过程，特别是光合作用在这一过程中所起的作用很感兴趣。他的女儿回忆并评价他说：“他是一个非常非常好奇的人，他喜欢寻根问底……”