梦回金沙城 电影:光合作用中生成水的问题

一、光合作用总反应式的确定

　　1771年英国化学家普利斯特利实验提出植物可以“净化”空气，人们发现发现光合作用。以后又经许多人的研究，到了19世纪末，人们写出了如下的光合作用的总反应式：

6CO₂+6H₂O → C₆H₁₂O₆＋6O₂  （1-1）

从（1-1）式中可以看出：光合作用本质上是一个氧化还原过程。其中CO₂是氧化剂，CO₂中的碳是氧化态的，而C₆H₁₂O₆中的碳是相对还原态的，CO₂被还原到糖的水平。H₂O 是还原剂，作为CO₂还原的氢的供体。（1）式用了几十年，后来又把它简化成下式：

CO₂+H₂O →（CH₂O）＋O₂ （△G°′＝4.78×10⁵J）  （1-2）

（1-2）式用（CH₂O）表示一个糖类分子的基本单位，比较简洁。用叶绿体代替绿色植物，说明叶绿体是进行光合作用的场所。由于葡萄糖燃烧时释放2870 kJ·mol-1的能量，因而每固定1mol CO₂(即12g碳)就意味着转化和贮存了约478kJ的能量。

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），然而以下三方面研究证实了光合作用释放的O₂来自于H₂O 。

1．光合细菌

能进行光合作用的细菌称之为光合细菌（photosynthetic bacteria）。光合细菌包括蓝细菌、紫细菌和绿细菌等。其中蓝细菌的光合过程与真核生物相似，紫细菌和绿细菌则不能分解水而需利用有机物或还原的硫化物等作为还原剂。例如：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   （1-3）

光合细菌在光下同化CO₂而没有O₂的释放。因此，细菌光合作用是指光合细菌利用光能，以某些无机物或有机物作供氢体，将CO₂还原成有机物的过程。
　　1931年微生物学家尼尔（C.B.Van Niel）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   （1-4）

这里的H₂A代表一种还原剂，可以是H₂S、有机酸等，对绿色植物而言，H₂A就是H₂O，2A就是O₂。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。

绿色植物和光合细菌都能利用光能将CO₂合成有机物，它们是光合自养生物。从广义上讲，所谓光合作用，是指光养生物利用光能把CO₂合成有机物的过程。

2．希尔反应

1939年英国剑桥大学的希尔（Robert.Hill）发现在分离的叶绿体（实际是被膜破裂的叶绿体）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   （1-5）

这个反应称为希尔反应（Hill reaction）。其中的电子受体被称为希尔氧化剂（Hill oxidant），铁氰化钾、草酸铁、多种醌、醛及有机染料都可作为希尔氧化剂。希尔不但证明了给叶绿体照光可使水分解放氧，氧的释放与CO₂还原是两个不同的过程，而且也是第一个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。

以后发现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。在完整的叶绿体中NADP⁺作为从H₂O到CO₂的中间电子载体，其反应式可写为：

2NADP⁺＋2H₂O →2NADPH＋2H⁺＋O₂   （1-6）
　　CO₂也可看作为一种生理性的希尔氧化剂，因为向完整的叶绿体悬浮液中充入CO₂或加入能产生CO₂的试剂如NaHCO₃，照光时叶绿体能发生放氧反应。

3．¹⁸O的研究

更为直接的证据是标记同位素的实验。1940年美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.D.Kamen）等用氧的稳定同位素¹⁸O标记H₂O或CO₂进行光合作用的实验，发现当标记物为H₂¹⁸O时，释放的是¹⁸O₂，而标记物为C¹⁸O₂时，在短期内释放的则是Ｏ₂。这清楚地指出光合作用中释放的Ｏ₂来自于 H₂O。

　　CO₂+2 H₂¹⁸O →（CH₂O）+ ¹⁸O₂+H₂O    （1-7）
　　为了把CO₂中的氧和H₂O中的氧在形式上加以区别，表明光合作用中释放的Ｏ₂全来自于H₂O，而CO₂中的一个O又被还原成H₂O，因此，最终可用下式作为光合作用的总反应式：

CO₂+2H₂O →（C H₂O ）+ O ₂+H₂O   （1-8）

二、光合作用中水的变化

光反应阶段有水的光解，光反应包括光能吸收、电子传递、光合磷酸化等三个主要步骤。在反应过程中,来自于太阳的光能使绿色生物的叶绿素产生高能电子从而将光能转变成电能。然后电子通过在叶绿体类囊体膜中的电子传递链 间的移动传递,并将H+ 质子从叶绿体基质传递到类囊体腔,建立电化学质子梯度,用于ATP的合成。光反应的最后一步是高能电子被NADP⁺接受,使其被还原成NADPH。光反应的场所是类囊体。

光反应总反应式可写为：

2H₂O+2NADP++2ADP+2Pi → O₂+2NADPH+2H⁺+2ATP  （2-1）

这一反应成为非环式光合磷酸化作用，但由于在暗反应中每还原一个CO2需要3个ATP，所以还会存在另一ATP途径：

ADP+Pi →ATP  （2-2）

这就是环式光合磷酸化参加反应,这种反应需要水的参与，反过来则会生成水。

卡尔文（Calvin）循环总反应式可写成：

3CO₂＋9ATP＋6NADPH＋5H₂O →TP＋9ADP＋8Pi＋6NADP⁺＋3H⁺

然而，当我们一旦考虑非环式和环式磷酸化时，卡尔文（Calvin）循环总反应式就可以缩写为：

CO₂＋3ATP＋2NADPH＋2H⁺ →（CH₂O）＋3ADP＋3Pi＋2NADP⁺＋H₂O （2-3）

此时，我们将（2-1）、（2-2）、（2-3）加起来，可得：CO₂+H₂O → （CH₂O）＋O₂，表面上只有水参与氧化，没有水的生成，也就是说光合作用净反应是没有水生成的。要说明的是，由于环式反应中既有水的参与又有水的生成，所以这里的水可以省略；在暗反应中，这种“水”循环置换变化也被省略，且在暗反应各步也不好显示，因为你不知道参与反应的ATP是否是环式反应还是非环式反应，但环式反应会带来CO₂中的一个O进入生成H₂O中，所以，才有“为了把CO₂中的氧和H₂O中的氧在形式上加以区别，表明光合作用中释放的Ｏ2全来自于H₂O，而CO₂中的一个O又被还原成H₂O，”的说法。

三、典型例题

例题：将二氧化碳中的氧用同位素¹⁸O标记，然后用于光合作用实验，在以下那些产物中可以找到¹⁸O标记氧。

A．糖和水   B．氧气和糖   C．水和氧气   D．糖、水和氧气
    解析：联系光合作用的总反应式来分析光合产物和反应物中各元素的来路和去向：

CO₂＋2H₂O^*→（CH₂O）＋Ｏ^*₂＋H₂O

生成的氧气来自参加反应的水，碳水化合物和生成水中的氧则应来自二氧化碳，将同位素¹⁸O标记在底物二氧化碳中，产物的碳水化合物和水中可以找到¹⁸O标记氧。

    答案：A

四、总结

由以上分析可以得出：光合作用就局部来讲是水的生成，而且和暗反应有直接关系，因而也就可以说暗反应有生成水反应。