釐清光合作用基本化學反應的早期實驗 Early Experiments Clarified the Basic Chemical Reactions of Photosynthesis

探索生命《生物學》49

1.        早在1772年，英國探險家Joseph Priestley提出綠色植物會吐出某種會影響燃燒或呼吸的東西。

2.        他做的實驗率先證明植物會製造氧氣，不過當時他並不知道植物是怎麼製造出來的，他也不知道光對植物製造氧氣的重要性。

圖說：Joseph Priestley將植物、動物放在密閉的玻璃罩，中間的圖顯示將植物單獨放在玻璃罩內，植物會活；左圖顯示將老鼠單獨放在玻璃罩內，老鼠會死；右圖顯示，將植物與老鼠一起放在玻璃罩內，植物與老鼠都會活，這是因為植物製造老鼠需要的氧氣，老鼠製造植物需要的二氧化碳。

3.        無論如何，他的發現是一個刺激，讓人類開始對植物如何製造出氧氣的過程感到興趣，這個過程稱為光合作用，並且引領了更進一步的發現。因為Priestley的關係，19世紀早期人類已經瞭解光合作用中的重要程序，摘要如下：

二氧化碳＋水＋陽光→綠色植物→有機物質＋氧

carbon dioxide＋water＋sunlight→green plant→organic material＋oxygen

4.        曾經有一段時間科學家以為氧氣是因為光合作用時切開二氧化碳分子，，但是現在我們知道，氧氣的來源是水分子被切開：

水＋陽光→綠色植物→4顆質子＋4顆電子＋氧氣

2H2O＋sunlight→green plant→4H⁺＋4electrons＋O2

5.        我們也發現，切開水分子所需的能量來自於陽光，植物用來攔截陽光的分子是葉綠素chlorophyll。切開水分子後產生的自由質子H⁺(氫原子核)用來將二氧化碳轉換成碳水化合物，並且形成新的水分子：

二氧化碳＋4顆質子＋4顆電子→綠色植物→碳水化合物＋水

CO2＋4H⁺＋4electrons→green plant→(CH2O)＋H2O

括弧內的CH2O代表各種碳水化合物。

6.        現在一般廣為接受的光合作用反應程序是：

1顆二氧化碳分子＋2顆水分子→綠色植物→
1個碳水化合物＋1顆新形成的水分子＋1顆氧分子

CO2＋2H2O→green plant→
(CH2O)＋H2O＋O2

7.        光合作用的其中一個產物是葡萄醣，葡萄醣是由6個碳組成的單醣，光合作用製造葡萄醣的過程摘要如下：

6顆二氧化碳分子＋12顆水分子→光與葉綠素反應製造出→
6顆氧分子＋1顆葡萄醣分子＋6顆新形成的水分子

6CO2＋12H2O→light, chlorophyll→6O2＋C6H12O6＋6H2O

在光合作用過程中，反應物與產物的位置都有水，顯示水是進行光合作用所需的原料，也是光合作用的產物。，

8.        光合作用製造葡萄醣摘要版的方程式看起來很單純，但實際過程並不是這麼簡單。光合作用由幾十種反應組成，有些反應需要光，稱為光反應light reactions，有些反應不需要光，稱為暗反應dark reactions。

光合作用涉及氧化還原反應 Photosynthesis Involves Linked Oxidation-Reduction Reaction

9.        光合作用的原料「二氧化碳」是低能量的化合物，而光合作用的產物「醣類」則是高能量的化合物。由此可見，光合作用不僅將光能轉換成化學能，也將光能儲存在它合成的醣裡面。

10.     用化學的說法，能量透過還原反應reduction程序儲存起來了，經由增加反應物1顆或更多的電子的方法將能量儲存在產物醣裡面。

11.     與還原反應相反的化學程序是氧化反應oxidation，這個反應程序是透過移除化合物一顆或更多顆的電子，釋放儲存在化合物中的能量。

12.     過去，氧化反應與還原反應是指化合物反應後增加了氧或移除了氧。現在氧化還原反應也指沒有氧參與其中、但是涉及電子轉移的反應。舉例來說，生物反應中電子轉移交換一個或多個氫原子，也屬於氧化還原反應。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》圖片來源／Nationalgeographic.com、Minnesotansforglobalwarming.com