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日期：2001年07月24日 來源：科技部

第四集：從二氧化碳到有機物

生命離不開能量。維持生命的能量是從哪裏來的呢？植物吸收了陽光中的能量，把它們變為電能，然後又變為化學能。用這些化學能作為動力,植物把吸入體內的二氧化碳變成了澱粉、葡萄糖等碳水化合物。這就是地球上絕大多數生物能量的來源。

既然碳水化合物是二氧化碳進入植物體內轉化出來的。人類就很想了解這個過程的究竟。 但這項工作遇到了很大的困難，因為植物體中大量的有機物都是含碳的。大氣中的二氧化碳被吸收後很快就變成了有機物，並且與原來的有機物質混合在一起，使人無從區分哪些有機物中的碳是新轉化的，哪些是舊的，所以也很難考察碳在植物體內的變化過程。

40年代中葉，核物理科學的進步使人們有可能利用放射同位素,來研究光合作用中碳的變化途徑。人們發現了長壽命的放射同位素碳-14，於是想到如果用它給二氧化碳作上記號，就使新轉化的碳有了放射特點，而和原有的碳區分開來。美國生物化學家卡爾文領導的一個小組用這種方法，經過了十年左右的艱苦工作，才弄清了二氧化碳進入葉綠體後，是怎樣一步步變成糖、澱粉等碳水化合物的。他們發現在這個過程中，最先形成的是含有三個碳原子的酸，然後經過一係列複雜的轉化，最後才變成碳水化合物。（這個同化過程稱為光合作用固定碳素的三碳循環）這個轉化過程就叫碳三循環，也叫卡爾文循環。

植物是大自然製造碳水化合物的機器，人們很快就發現這些機器的型號並不完全一樣。一些原產熱帶的植物，象玉米、甘蔗，把二氧化碳變成碳水化合物的時候，比碳三循環多了一道工序，它們先在體內的某些細胞裏，把二氧化碳固定在四碳酸上，然後運送到另一些細胞裏去，在那裏，分解成三個碳原子的酸和二氧化碳，再按照碳三循環的途徑來生成碳水化合物。這樣看來，這些植物多出的一道工序豈不是一種浪費？

原來，這些把二氧化碳固定在四碳酸裏的時候，把二氧化碳濃縮了,這實際上起到了一個二氧化碳泵的作用,使植物在二氧化碳濃度比較低的時候，也能很好地進行光合作用。

還有一些植物，象仙人掌，它們生活在高溫幹旱的沙漠裏，白天氣孔張開的幅度很小，進入體內的二氧化碳也就比較少，這時候，它們就先生成四個碳原子的酸，對二氧化碳進行固定和濃縮；而入夜的時候，它們再在細胞裏釋放出白天所固定的二氧化碳，按照碳三循環的途徑來製造碳水化合物。

植物的葉子利用太陽光能合成碳水化合物，這是地球上最大規模的把太陽能轉化為化學能的過程。地球上，植物每年通過光合作用所轉化並儲存在碳水化合物中的太陽光能，有50萬萬億千焦耳，這至少相當於20萬座設計中的長江三峽水電站的發電量。地球上所有生物所依靠的能量都由此而來。

葉子看起來很渺小也很脆弱，但在這渺小而脆弱的生命體內，卻有著支撐地球生命的偉大力量。所以，諾貝爾獎金獲得者，美國的生物化學家森.喬治感歎道："驅動生命的東西，不過是綠葉中陽光引起的那一小股電子流。"

第五集：生命演化的轉折點

生命誕生在海洋裏。一般認為，在太古時代，地球表層原始海洋中的無機物在閃電和太陽輻射中的紫外線等因素影響下，形成了一些有機物。這些有機物經過長期的作用和變化，產成了原始生物。

生命的存在需要能量的支持，原始生物要消耗原始海洋中的有機物來獲得能量。但在當時的條件下，有機物的合成速度總是比消耗的要慢，這樣，這些作為宇宙曆史的奇跡而出現的原始生命就麵臨著滅絕的危險。在當時的地球上充滿了陽光和二氧化碳，於是，在不斷的變異和演化中，一些原始生命產生了可以利用太陽光能把二氧化碳變成有機物的功能，這就是光合功能。這樣，它們就能夠自己製造有機物而獲得能量，從而避免了因為事物匱乏而覆滅的危險。不過，那時原始生物既不需要氧，它們的光合作用也不放出氧氣。

在生物體內，用太陽光能把二氧化碳轉化成生命可以利用的有機物的一係列反應，要通過分子之間的電子傳遞來實現。因此，對那些具有光合功能的原始生物來說，最重要的事情就是找到電子的來源。科學家們研究了一種地球上早期的生命物質——厭氧的光合細菌，發現它們能夠利用陽光中的能量，去奪取硫化氫或氫之類的氣體中的電子，把大氣中的二氧化碳變成體內的有機物。但是硫化氫或氫這類電子來源在地球後來的演化中變得越來越稀少，所以厭氧的光合細菌現在隻能存活在這類分子相當豐富的含硫溫泉、湖底以及類似的環境裏。可以想象，生物如果安於以這種獲得能量的方式存在下去，地球今天就不會出現如此多姿多彩的生命景象。

原始生命麵對生存挑戰的時候，再次顯示了它頑強的適應。大約在30億年前，出現了藍藻這樣的生物，它們能夠從一種幾乎到處都有的物質——水中汲取電子，把水分解成電子、質子和氧氣，然後把二氧化碳變為自身所需的有機物。於是在生命演化的曆史中出現了極為重要的一頁——放氧的光合作用。對於藍藻這類生物來說，它們想要的是幫助提供能量的電子和質子，而氧隻是一個無助輕重的副產品，但對於生命的演化，氧的大規模出現卻仿佛是點燃熊熊烈焰的火種。

在藍藻出現以後，光合作用使地球大氣層中氧的含量逐漸增加。氧氣的存在使得一些生物發展出一種新的功能，就是利用氧來徹底分解體內的有機物，從而獲得更多供生命活動利用的能量，使它們能進行更複雜、更活躍的生命活動，這樣，生物就開始由單細胞向多細胞的方向進化，並形成不同功能的組織和器官。

地球大氣層中氧氣的積累，還使大氣中有足夠的氧氣轉化為臭氧，使大氣上層形成一個對紫外線的天然屏障，避免紫外線對生命的殺傷。這樣，生物就不再局限於生活在水中，而是開始登上陸地，生棲、繁殖和進一步演化。

這樣看來，光合作用的出現就成了生命演化史上具有轉折意義的一點。它使生命有了可靠的能量來源；它提供了複雜的生命活動所需要的氧；並且為生命創造了廣闊而安全的生存環境，使它們擴展到地球的幾乎每一個角落。

第六集：留住生命的綠色

幾十億年前，在源源不斷的紫外線輻射之下，年輕的金星和地球的大氣都演化出了以氮和二氧化碳為主的穩定的大氣層，但後來，這兩個星球卻出現了截然不同的變化。

二氧化碳是一種能引起溫室效應的氣體，它使到達地表的熱量不能釋放到太空裏去，熱量的聚集使得行星表麵的溫度不斷升高。金星就經曆了這樣一次失控的溫室效應，從而變成了一個高溫難耐的荒涼世界。 而地球的溫室效應卻沒有使它遭逢金星那樣的厄運。地球比金星離太陽更遠一些，這當然是一個原因，但更重要的一點是，生命在這個星球上開始發展了。

就象我們已經知道的，植物的光合作用使細胞借助陽光中的能量把水分子分解成氫和氧，其中氫不斷與二氧化碳結合，形成維持生命的碳水化合物；而氧則被釋放到大氣中。由於光合作用的存在， 地球的大氣逐漸由以氮和二氧化碳為主，變成了以氮和氧為主。現在，大氣中氧占21%，二氧化碳占0.035%。這樣，溫室效應被降到最低的程度，地球仍然涼爽，並且能留下獨特的液態的海洋和充滿遊離態氧的大氣層。

作為生命曆史的後來者，那些需要氧氣的生物，包括我們人類能擁有一個適於生存的大氣層，應該感謝那些進行光合作用的綠色生命---植物。

工業革命以後，人類的活動規模和範圍越來越大，由植物的光合作用所建立起來的二氧化碳和氧的比例平衡麵臨被打破的危險。高大樹木構成的森林是地球上進行光合作用的重要植被。然而，它們在快斧利鋸的歡歌中一片片地消失了。50年來，世界森林由占地球陸地麵積的1/4銳減到1/6。遠古植物演化而成的煤、石油、天然氣等化石燃料被大量利用，每年向空氣中排放的二氧化碳總量超過60億噸。由於人類活動，大氣中的二氧化碳濃度增加了10%。

二氧化碳增加所產生的溫室效應人們已經談論很多了，而這種變化對動植物的影響在很長的時間尺度內才能顯現出來，不過，人們已經發現，一些植物對二氧化碳濃度增高不適應，它們會逐漸改變基因遺傳類型；一些適應不強的植物會滅絕；而且，植物體內的碳和氮的比例發生變化，合成的碳水化合物增多，而蛋白質數量下降。這些變化會對整個生物圈發生難以預料的影響，比如，實驗表明，在二氧化碳濃度高的環境裏，植物的雌花數量明顯高於雄花數量，與之相應，雄昆蟲的數目也大大減少。

甚至有的科學家預言

植物通過幾十億年的光合作用在地球上構築起了龐大的生物圈和包括碳與氧在內的物質循環，這是大自然和諧運轉的基礎，而這一基礎一旦被人類在頃刻之間打破，它的後果將是什麽？

第七集 更多的糧食

農業和自然的生態係統不一樣，在農田裏人們總是有意識的想盡各種辦法去影響作物的生長發育，保證它進行旺盛的光合作用，從而盡可能多的獲得光合作用的產物並轉化成人類所需的產品。

自然界中影響作物進行光合作用的因素有很多。比如，從土壤和空氣中吸收的氮、磷、鉀等無機營養雖然植物幹重的百分之幾，但卻是植物進行光合作用的生命活動所不可缺少的，所以，土壤的肥力常常是作物高產的必要條件。水是植物進行光合作用的原料，如果水分供應不足，葉片的氣孔就會部分關閉，這樣，光合作用的另一種原料二氧化碳的吸入就會減少。在高溫幹旱的中午,許多作物的光合作用速度常常大幅度下降，出現所謂的“午睡”現象。其原因主要就是水分供應不足，植物的光合機構處於低水平運轉的“亞健康”狀態。

第一次世界大戰後，在一些發達地區實現了灌溉排水、田間作業的機械化，並大量使用化肥，這些措施係統的改良了作物光合作用的外部條件，使得作稻、麥等作物的產量由畝產50--100kg上升到250--300kg的範圍，這是人類農業生產史上的第一次飛躍。

本文到此結束，希望對大家有所幫助呢。