草儿为什么是绿色的？——细看光合作用

“草儿为什么是绿色的？”你小时候也许这样问过。你满意当时所获得的答案吗？孩子提出的问题，例如上述一类的，有时牵涉到相当深奥的事物。这些问题促使我们对看来平平无奇的事物作较深入的研究，从而发现一些意想不到的奇妙。

如果我们想知道草儿为什么是绿色的，不妨首先想象一下一件看来跟草儿没有什么关系的东西：一座完善的工厂。完善的工厂在生产期间应能保持宁静，外形也当美观，岂不是吗？这样的工厂不但没有造成污染，反而会实际改善环境。完善工厂所生产的东西当然要对人有益，甚至是人人都需要的。这座工厂应当是靠太阳能进行生产的，不是吗？这样，完善的工厂既不靠电力，也不靠煤或石油来开动机器。

这座完善工厂靠太阳能进行生产，它所使用的太阳电池板比人类现时科技所及的优越得多。这些太阳电池板效率高、价低廉，在生产和使用的过程里绝不造成污染。这座工厂虽然采用最尖端的科技，可是它运作的方式却不大触目。此外，工厂的机器不会突然失灵或发生故障，也无需不断调校；然而，甚至现时最新的科技也不时会出现这些现象。我们期望这完善工厂是全自动化的，无需人手操作。不错，这座工厂能够自行维修，自行保养，甚至自行复制。

这样的一座完善工厂只是科幻小说的题材吗？不过是镜花水月吗？当然不是！这座工厂就像你脚下的青草一般真实。事实上，这座完善的工厂正是你脚下的青草，还有办公室里的蕨类植物，以及窗外的树木。不错，任何绿色植物都是一座完善的工厂！绿色植物从阳光吸取能量，把二氧化碳、水和矿物质转化成食物，直接或间接维持地上众生的生命。在制造食物的过程里，植物从空气吸取二氧化碳，然后把纯氧释放到空气中，以补充大气的氧。

地球上绿色植物每年制造的糖估计合共1500亿至4000亿公吨。这个产量比人类工厂所制造的铁、钢、汽车和航天器的总产量还要多。植物从阳光吸取能量，把水分子中的氢原子分解出来，然后把氢原子和空气中的二氧化碳分子结合起来，制造成一种碳水化合物，称为糖。这个非比寻常的过程称为光合作用。植物可以利用这些新形成的糖分子作为能源；或是把糖分子结合起来，形成淀粉，作为食物贮藏起来；又或是让糖分子形成纤维素，亦即构成植物纤维的坚硬物质。试想想：一棵90米高的参天红杉大部分竟是用空气制成的。在无数称为叶绿体的细小“装配线”上，植物把一个二氧化碳分子和一个水分子结合起来，这个过程反复进行。然而，这个过程究竟是怎样进行的呢？

细看光合作用

单靠空气（还有水和几种矿物质）就能够形成一棵参天红杉的确令人惊讶。然而，这并不是痴人说梦，而是聪慧设计、超凡技术融为一炉的成果，远比人类的设计和技术优越。科学家逐渐认识更多有关光合作用的复杂机制，个中极其复杂的生化过程叫他们赞叹不已。让我们跟科学家一起探索，看看这种维持地上众生生命的机制是怎样运作的。这样，对于“草儿为什么是绿色的？”这个问题，我们也许可以找到答案。

让我们取出一部可靠的显微镜来，仔细看看一片普通叶子是什么样子的。在肉眼之下，叶子看来一片青绿，可是这其实是个错觉。在显微镜下，植物每个细胞实际上并不那么翠绿。细胞有颇大部分是透明的，而每个细胞含有50至100个绿色小点。这些小点就是叶绿体，叶绿体里有些对光线非常敏感的东西——绿色的叶绿素，而光合作用就在叶绿体里进行。叶绿体里究竟有什么事发生呢？

叶绿体活像个小口袋，里面有一些甚至更细小的扁平口袋，称为类囊体。我们终于找到草儿呈绿色的所在了。绿色的叶绿素分子就藏在类囊体的表层里，它们并不是杂乱无章的，刚相反，叶绿素分子有条不紊地排列起来，组合成光系统。绿色植物大多有两种光系统：光系统I和光系统II。光系统好比工厂里特殊的生产队伍，每支队伍负责照料光合作用中一连串特定的程序。

“废物”利用

当阳光照射在类囊体上，属于光系统II的叶绿素分子——称为吸光区，就会吸收光。这些叶绿素分子特别会吸收某种波长的红光。光系统I的叶绿素分子则位于类囊体不同的位置，这个系统的叶绿素负责吸收波长较大的光线。与此同时，叶绿素和其他物质的分子（例如类胡萝卜素），也会吸收蓝光和紫光。

那么，草儿究竟为什么是绿色的呢？原因是，在所有照射到植物上不同波长的光当中，惟有绿光对植物并不适用，植物于是把绿光反射出去，结果，我们所看见或照相机所摄得的草儿都是绿色的。试想想，春之青葱、夏之翠绿，原来是由于绿光的波长为植物所不要，才令我们人类赏心悦目！这种“废物”光当然不会白白浪费，绿油油的草原、葱翠的树林多么令人神往，跟人类工厂排出的废物和造成的污染有霄壤之别。

让我们再看看叶绿体。在光系统II里，叶绿素分子的电子从太阳的红光吸收能量，其中一个电子由于吸收了过盛的能量，亦即受到“激发”，以致从整个系统跳出来，跟类囊体膜一个载体分子结合。正如跳舞者跟一个又一个舞伴跳舞一样，这个电子也从一个载体分子跳到另一个载体分子去。在这个过程里，电子的能量会不断流失。电子的能量降至一个相当水平时，就会用来补充另一个光系统——光系统I——的电子。——见图1。

现在，由于光系统II缺了一个电子，结果变成带正电荷，它会设法获得一个新电子，好补充所失去的。现在光系统II当中称为释氧区的部分不禁“捶胸顿足”，情形正如人发现自己的皮夹子给扒窃了一样。它可以从哪里取回一个电子呢？有办法了！一个水分子就在附近徘徊，算它倒霉好了，因为光系统II准备向它突袭，令它措手不及。

分解水分子

每个水分子含有一个较大的氧原子和两个较小的氢原子。光系统II的释氧区含有四个锰离子，这些离子能够从水分子中的氢原子取去电子。结果，水分子被分解为两个带正电荷的氢离子（质子）、一个氧原子，以及两个电子。随着有越来越多的水分子被分解，氧原子就会两个两个结合起来，形成氧分子，被植物释放到空气中，让我们吸取。氢离子则会积聚在类囊体里，供植物使用。电子则用来补充光系统II所失去的电子。这个过程每秒钟反复进行许多遍。——见图2。

在类囊体里，氢离子越积越多，需要找寻出路。每当一个水分子分解时，类囊体就会增加两个氢离子。不但这样，随着光系统II的电子不断流失到光系统I去，这些电子也把其他氢离子吸进类囊体去。不久，氢离子仿佛拥挤蜂巢的蜜蜂一样，显得“烦躁不安”，欲寻解脱。氢离子可以怎样摆脱类囊体呢？

看来光合作用的睿智设计者提供了一道“单向旋转门”，这道“旋转门”是一种特殊的酶，用来制造一种非常重要的细胞燃料，称为三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，简称ATP）。当氢离子争相从这道“旋转门”离开类囊体的时候，它们为能量耗尽的ATP分子提供所需的能量，使这些分子再度充电。（见图3。）ATP分子就像细小的电池组一样，在细胞范围内提供一点点的能量，使细胞内的各种反应得以进行。当植物稍后通过光合作用制造糖的时候，这些ATP分子也占一席地位。

在制造糖方面，除了ATP以外，还有一种细小的分子也相当重要。这种分子就是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的一种还原态，简称NADPH。NADPH分子就像小货车一样，每个NADPH分子会把一个氢原子运到一种酶那里去，以便制造糖分子，而NADPH分子则由光系统I负责生产出来。这样，光系统II忙于分解水分子，以便制造ATP；另一方面，光系统I则不断吸收阳光，放出电子，这些电子最终会用来制造NADPH。ATP和NADPH两种分子会贮存在类囊体以外的空间，以备日后在生产糖的过程里使用。

晚间的工作

通过光合作用，植物每年制造数以亿吨计的糖。然而，在光合作用中利用光驱动的化学反应实际上并没有制造任何糖来。这些化学反应所制造的只是ATP（“电池组”）和NADPH（“货车”）。基质——类囊体以外的空间——的酶则利用ATP和NADPH来制造糖。事实上，植物能够在一片漆黑中制造糖！你大可以把叶绿体比作一座工厂，工厂内有两队员工（光系统I和光系统II），他们在类囊体里制造电池组和货车（ATP和NADPH），以供基质里的第三组员工——一些特殊的酶——使用。（见图4。）第三组员工，亦即基质的酶，把氢原子和二氧化碳分子结合起来，以便制成糖，其中牵涉到的化学反应按着精密的次序进行。这三组“员工”能够在日间工作，而制造糖的员工在晚间也要工作，至少直至日间所生产的ATP和NADPH耗尽为止。

你可以把基质比作一间婚姻介绍所，其中充满许多需要彼此“婚配”的原子和分子，可是它们却不会自行“择偶”。有些酶就像专门催婚的小媒人a一样，它们是一些形状特殊的蛋白质分子。由于具有特殊的形状，这些蛋白质分子能够抓住适当的原子或分子，来进行某种化学反应。但它们并不仅以介绍婚姻而满足。直至举行婚礼的时候，酶才会满意。因此，它们会抓住这对未来“新人”，强迫它们彼此接触，强制举行这宗生物化学上的“婚礼”。婚礼完成后，酶就把新形成的分子释放，然后酶又会重复进行这个“逼婚”过程。在基质里，酶以惊人的高速把不完整的糖分子重新组织，以ATP给它们能量，并且加上二氧化碳和氢，最后释放出一种含三个碳原子的糖。这种糖将会在细胞其他地方进一步转变成葡萄糖和其他物质。——见图5。

草儿为什么是绿色的？

光合作用绝非只是“基本的化学反应”罢了。这种生物化学上的反应配合得天衣无缝，过程精深奥妙，令人惊叹。《植物的生存机能》一书说：“光合作用是个卓越绝伦、精确细密的过程；在这个过程里，植物充分利用太阳光子的能量。植物的结构很复杂，用来进行光合作用的生化及遗传机制也精密得惊人。这一切大可称得上是植物从吸收光子这个基本过程，至植物把光子的能量转变为化学能的精华。”

换句话说，研究草儿为什么是绿色的，使我们对光合作用所牵涉到的设计和技术叹为观止。人类任何的发明都无法与之媲美——自动调节；自动维修；细小的“机器”每秒钟作数以千次甚或数以百万次的运作，却没有噪音，没有造成污染，美观悦目；把阳光转变为糖。此外，我们也能瞥见设计及操纵光合作用那位的智慧的一星儿，他就是我们的创造主耶和华上帝。你下一次欣赏耶和华所创造苍翠蓊郁、维持生命的“完善工厂”，或是当你下一次走在绿油油的草地上时，不妨细想一下这件事。

［脚注］

［第18页的图片鸣谢］

Insert photo: Colorpix, Godo-Foto

［第19页的图片］

光合作用怎样使这棵大树生长起来？

［第20页的图解］

图1

［第20页的图解］

图2

［第21页的图解］

图3

［第21页的图解］

图4

［第22页的图解］

图5