草兒為什麼是綠色的？——細看光合作用

「草兒為什麼是綠色的？」你小時候也許這樣問過。你滿意當時所獲得的答案嗎？孩子提出的問題，例如上述一類的，有時牽涉到相當深奧的事物。這些問題促使我們對看來平平無奇的事物作較深入的研究，從而發現一些意想不到的奇妙。

如果我們想知道草兒為什麼是綠色的，不妨首先想像一下一件看來跟草兒沒有什麼關係的東西：一座完善的工廠。完善的工廠在生產期間應能保持寧靜，外形也當美觀，豈不是嗎？這樣的工廠不但沒有造成污染，反而會實際改善環境。完善工廠所生產的東西當然要對人有益，甚至是人人都需要的。這座工廠應當是靠太陽能進行生產的，不是嗎？這樣，完善的工廠既不靠電力，也不靠煤或石油來開動機器。

這座完善工廠靠太陽能進行生產，它所使用的太陽電池板比人類現時科技所及的優越得多。這些太陽電池板效率高、價低廉，在生產和使用的過程裡絕不造成污染。這座工廠雖然採用最尖端的科技，可是它運作的方式卻不大觸目。此外，工廠的機器不會突然失靈或發生故障，也無需不斷調校；然而，甚至現時最新的科技也不時會出現這些現象。我們期望這完善工廠是全自動化的，無需人手操作。不錯，這座工廠能夠自行維修，自行保養，甚至自行複製。

這樣的一座完善工廠只是科幻小說的題材嗎？不過是鏡花水月嗎？當然不是！這座工廠就像你腳下的青草一般真實。事實上，這座完善的工廠正是你腳下的青草，還有辦公室裡的蕨類植物，以及窗外的樹木。不錯，任何綠色植物都是一座完善的工廠！綠色植物從陽光吸取能量，把二氧化碳、水和礦物質轉化成食物，直接或間接維持地上眾生的生命。在製造食物的過程裡，植物從空氣吸取二氧化碳，然後把純氧釋放到空氣中，以補充大氣的氧。

地球上綠色植物每年製造的糖估計合共1500億至4000億公噸。這個產量比人類工廠所製造的鐵、鋼、汽車和航天器的總產量還要多。植物從陽光吸取能量，把水分子中的氫原子分解出來，然後把氫原子和空氣中的二氧化碳分子結合起來，製造成一種碳水化合物，稱為糖。這個非比尋常的過程稱為光合作用。植物可以利用這些新形成的糖分子作為能源；或是把糖分子結合起來，形成澱粉，作為食物貯藏起來；又或是讓糖分子形成纖維素，亦即構成植物纖維的堅硬物質。試想想：一棵90米高的參天紅杉大部分竟是用空氣製成的。在無數稱為葉綠體的細小「裝配線」上，植物把一個二氧化碳分子和一個水分子結合起來，這個過程反覆進行。然而，這個過程究竟是怎樣進行的呢？

細看光合作用

單靠空氣（還有水和幾種礦物質）就能夠形成一棵參天紅杉的確令人驚訝。然而，這並不是痴人說夢，而是聰慧設計、超凡技術融為一爐的成果，遠比人類的設計和技術優越。科學家逐漸認識更多有關光合作用的複雜機制，箇中極其複雜的生化過程叫他們讚嘆不已。讓我們跟科學家一起探索，看看這種維持地上眾生生命的機制是怎樣運作的。這樣，對於「草兒為什麼是綠色的？」這個問題，我們也許可以找到答案。

讓我們取出一部可靠的顯微鏡來，仔細看看一片普通葉子是什麼樣子的。在肉眼之下，葉子看來一片青綠，可是這其實是個錯覺。在顯微鏡下，植物每個細胞實際上並不那麼翠綠。細胞有頗大部分是透明的，而每個細胞含有50至100個綠色小點。這些小點就是葉綠體，葉綠體裡有些對光線非常敏感的東西——綠色的葉綠素，而光合作用就在葉綠體裡進行。葉綠體裡究竟有什麼事發生呢？

葉綠體活像個小口袋，裡面有一些甚至更細小的扁平口袋，稱為類囊體。我們終於找到草兒呈綠色的所在了。綠色的葉綠素分子就藏在類囊體的表層裡，它們並不是雜亂無章的，剛相反，葉綠素分子有條不紊地排列起來，組合成光系統。綠色植物大多有兩種光系統：光系統I和光系統II。光系統好比工廠裡特殊的生產隊伍，每支隊伍負責照料光合作用中一連串特定的程序。

「廢物」利用

當陽光照射在類囊體上，屬於光系統II的葉綠素分子——稱為吸光區，就會吸收光。這些葉綠素分子特別會吸收某種波長的紅光。光系統I的葉綠素分子則位於類囊體不同的位置，這個系統的葉綠素負責吸收波長較大的光線。與此同時，葉綠素和其他物質的分子（例如類胡蘿蔔素），也會吸收藍光和紫光。

那麼，草兒究竟為什麼是綠色的呢？原因是，在所有照射到植物上不同波長的光當中，惟有綠光對植物並不適用，植物於是把綠光反射出去，結果，我們所看見或照相機所攝得的草兒都是綠色的。試想想，春之青蔥、夏之翠綠，原來是由於綠光的波長為植物所不要，才令我們人類賞心悅目！這種「廢物」光當然不會白白浪費，綠油油的草原、蔥翠的樹林多麼令人神往，跟人類工廠排出的廢物和造成的污染有霄壤之別。

讓我們再看看葉綠體。在光系統II裡，葉綠素分子的電子從太陽的紅光吸收能量，其中一個電子由於吸收了過盛的能量，亦即受到「激發」，以致從整個系統跳出來，跟類囊體膜一個載體分子結合。正如跳舞者跟一個又一個舞伴跳舞一樣，這個電子也從一個載體分子跳到另一個載體分子去。在這個過程裡，電子的能量會不斷流失。電子的能量降至一個相當水平時，就會用來補充另一個光系統——光系統I——的電子。——見圖1。

現在，由於光系統II缺了一個電子，結果變成帶正電荷，它會設法獲得一個新電子，好補充所失去的。現在光系統II當中稱為釋氧區的部分不禁「捶胸頓足」，情形正如人發現自己的皮夾子給扒竊了一樣。它可以從哪裡取回一個電子呢？有辦法了！一個水分子就在附近徘徊，算它倒霉好了，因為光系統II準備向它突襲，令它措手不及。

分解水分子

每個水分子含有一個較大的氧原子和兩個較小的氫原子。光系統II的釋氧區含有四個錳離子，這些離子能夠從水分子中的氫原子取去電子。結果，水分子被分解為兩個帶正電荷的氫離子（質子）、一個氧原子，以及兩個電子。隨著有越來越多的水分子被分解，氧原子就會兩個兩個結合起來，形成氧分子，被植物釋放到空氣中，讓我們吸取。氫離子則會積聚在類囊體裡，供植物使用。電子則用來補充光系統II所失去的電子。這個過程每秒鐘反覆進行許多遍。——見圖2。

在類囊體裡，氫離子越積越多，需要找尋出路。每當一個水分子分解時，類囊體就會增加兩個氫離子。不但這樣，隨著光系統II的電子不斷流失到光系統I去，這些電子也把其他氫離子吸進類囊體去。不久，氫離子彷彿擁擠蜂巢的蜜蜂一樣，顯得「煩躁不安」，欲尋解脫。氫離子可以怎樣擺脫類囊體呢？

看來光合作用的睿智設計者提供了一道「單向旋轉門」，這道「旋轉門」是一種特殊的酶，用來製造一種非常重要的細胞燃料，稱為三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，簡稱ATP）。當氫離子爭相從這道「旋轉門」離開類囊體的時候，它們為能量耗盡的ATP分子提供所需的能量，使這些分子再度充電。（見圖3。）ATP分子就像細小的電池組一樣，在細胞範圍內提供一點點的能量，使細胞內的各種反應得以進行。當植物稍後通過光合作用製造糖的時候，這些ATP分子也佔一席地位。

在製造糖方面，除了ATP以外，還有一種細小的分子也相當重要。這種分子就是煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸的一種還原態，簡稱NADPH。NADPH分子就像小貨車一樣，每個NADPH分子會把一個氫原子運到一種酶那裡去，以便製造糖分子，而NADPH分子則由光系統I負責生產出來。這樣，光系統II忙於分解水分子，以便製造ATP；另一方面，光系統I則不斷吸收陽光，放出電子，這些電子最終會用來製造NADPH。ATP和NADPH兩種分子會貯存在類囊體以外的空間，以備日後在生產糖的過程裡使用。

晚間的工作

通過光合作用，植物每年製造數以億噸計的糖。然而，在光合作用中利用光驅動的化學反應實際上並沒有製造任何糖來。這些化學反應所製造的只是ATP（「電池組」）和NADPH（「貨車」）。基質——類囊體以外的空間——的酶則利用ATP和NADPH來製造糖。事實上，植物能夠在一片漆黑中製造糖！你大可以把葉綠體比作一座工廠，工廠內有兩隊員工（光系統I和光系統II），他們在類囊體裡製造電池組和貨車（ATP和NADPH），以供基質裡的第三組員工——一些特殊的酶——使用。（見圖4。）第三組員工，亦即基質的酶，把氫原子和二氧化碳分子結合起來，以便製成糖，其中牽涉到的化學反應按著精密的次序進行。這三組「員工」能夠在日間工作，而製造糖的員工在晚間也要工作，至少直至日間所生產的ATP和NADPH耗盡為止。

你可以把基質比作一間婚姻介紹所，其中充滿許多需要彼此「婚配」的原子和分子，可是它們卻不會自行「擇偶」。有些酶就像專門催婚的小媒人a一樣，它們是一些形狀特殊的蛋白質分子。由於具有特殊的形狀，這些蛋白質分子能夠抓住適當的原子或分子，來進行某種化學反應。但它們並不僅以介紹婚姻而滿足。直至舉行婚禮的時候，酶才會滿意。因此，它們會抓住這對未來「新人」，強迫它們彼此接觸，強制舉行這宗生物化學上的「婚禮」。婚禮完成後，酶就把新形成的分子釋放，然後酶又會重複進行這個「逼婚」過程。在基質裡，酶以驚人的高速把不完整的糖分子重新組織，以ATP給它們能量，並且加上二氧化碳和氫，最後釋放出一種含三個碳原子的糖。這種糖將會在細胞其他地方進一步轉變成葡萄糖和其他物質。——見圖5。

草兒為什麼是綠色的？

光合作用絕非只是「基本的化學反應」罷了。這種生物化學上的反應配合得天衣無縫，過程精深奧妙，令人驚嘆。《植物的生存機能》一書說：「光合作用是個卓越絕倫、精確細密的過程；在這個過程裡，植物充分利用太陽光子的能量。植物的結構很複雜，用來進行光合作用的生化及遺傳機制也精密得驚人。這一切大可稱得上是植物從吸收光子這個基本過程，至植物把光子的能量轉變為化學能的精華。」

換句話說，研究草兒為什麼是綠色的，使我們對光合作用所牽涉到的設計和技術嘆為觀止。人類任何的發明都無法與之媲美——自動調節；自動維修；細小的「機器」每秒鐘作數以千次甚或數以百萬次的運作，卻沒有噪音，沒有造成污染，美觀悅目；把陽光轉變為糖。此外，我們也能瞥見設計及操縱光合作用那位的智慧的一星兒，他就是我們的創造主耶和華上帝。你下一次欣賞耶和華所創造蒼翠蓊鬱、維持生命的「完善工廠」，或是當你下一次走在綠油油的草地上時，不妨細想一下這件事。

［腳注］

［第18頁的圖片鳴謝］

Insert photo: Colorpix, Godo-Foto

［第19頁的圖片］

光合作用怎樣使這棵大樹生長起來？

［第20頁的圖解］

圖1

［第20頁的圖解］

圖2

［第21頁的圖解］

圖3

［第21頁的圖解］

圖4

［第22頁的圖解］

圖5