光合作用发现历史资料整理一、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 O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和H2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C18O2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10～30℃的范围内，如果光强和CO2浓度都适宜的话，光合作用的Q10＝2～2.5(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2～3，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）三、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：CO2—C3(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四、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+＋２H2O→4Fe2+＋４Ｈ+＋Ｏ2反应的标准吉布斯自由能变ΔrGm=- ZFE= 2 ×96485 × 1. 3469J·mol= 259. 911 ×103J·mol，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λ= 686nm，即希尔反应进行所需的光子的波长为K< 686nm。

这一理论值与产生红降现象的波长( λ> 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。