地球上最重要的化学反应 [复制链接]

第7版(国际)
专栏：院士园地

　　地球上最重要的化学反应
　　中国科学院院士 沈允钢
　　作者简介：植物生理学家。生于1927年，杭州人。1951年浙江大学农业化学系毕业。长期在中国科学院上海植物生理研究所从事光合作用研究，着重光能转换成化学能机理和生理探讨。1980年被选为中国科学院学部委员（90年代后改称院士）。因光合磷酸化高能态的发现及有关机理研究曾获国家自然科学二等奖。中国植物生理学会理事长，国际光合作用委员会委员。
　　1988年，确定了光合作用反应中的立体结构的研究成果获得了诺贝尔奖。在宣布得奖的评语中指出，光合作用是地球上最重要的化学反应。在世界上成千上万种化学反应中，为什么要把光合作用评价得这么高呢？这是与它对探索自然和生产实践都有非常巨大的意义分不开的。
　　绿色植物光合作用的总过程就是利用光能将二氧化碳和水等无机物合成有机物并且释放出氧气。我们地球的表层存在一个生物圈，数量非常巨大的、形形色色的生物与周围环境之间在进行着活跃的物质转换。其中，植物和与它有着密切亲缘关系的自养微生物是生产者，它们的光合作用功能可利用太阳能将环境中的二氧化碳、水和其它无机物合成有机物，维持其生命活动；动物是消费者，它们直接或间接以食用植物形成的有机物为生；无数异养微生物是分解者，它们的生命活动可将动植物遗体等所含的有机物分解成无机物。地球表层生物圈中的物质循环就是通过这三大类生物复杂的生命活动而在不断运转着。
　　从已知的情况看，在生物演化到形成生物圈的进程中，光合功能的发生无疑是一个最关键的环节，因为它在两个方面都有重大作用：（1）地球上只有光合作用在极大规模地利用太阳能将周围环境中的无机物合成有机物以供给各种生物进行生命活动。这些生命活动都是靠降解有机物来获得能量和物质的。如果没有光合作用不断合成有机物，无数生物就无法继续生存和繁殖。（2）在进行光合作用时，伴随着有机物形成而从水中释放出来的氧气在大气中积累，它对生物的进化和生物从水中向陆地扩展具有决定性意义。这是由于氧气的存在为生物演化出可获得更多能量的有氧代谢提供了条件，单细胞的原始生物才有可能向具有不同功能的组织和器官的、可进行复杂生命活动的多细胞生物方向发展。因此，研究光合作用和探索生物圈形成和运转的奥秘密切相关。
　　以前人类生活所需要的一切基本上都是依靠光合作用提供的。近几百年来，尤其是进入20世纪以来，人们大量开采利用矿产能源和其它资源来发展工农业，经济和社会进步很快，可是也出现了人口膨胀、食物供应困难、矿产能源和其它资源逐渐枯竭以及生态环境受到严重破坏和污染等问题。有识之士们已感到当前的物质文明今后将发生难以为继的危机，因此提出了要走可持续发展的道路。
　　如何使经济和社会做到可持续性发展呢？这需要全方位、多途径的共同努力，但注意发挥植物光合作用的潜力并充分利用其同化产物是一个很重要的方面，因为它和缓解上述这些面临的问题都有密切的关系。人口膨胀主要出现在发展中国家，它引起最大的困难就是如何养活这么多的人；我国目前虽已能达到温饱，可是要使食物供应再增加40％则是一个非常艰巨的任务。如今科技虽迅猛发展，然而在可预见的将来，食物还得靠农业提供，最终仍需通过种植业加强植物光合作用功能来形成更多的有机物才可转化成多种食物。
　　石油和铜锌等已探明的储量只够几十年用了，已成为迫在眉睫的问题。人们在寻找的各种解决办法中，已知道地球上每年由光合作用所形成的有机物中所含的化学能比人类现在每年消耗的总能量要多好几倍，可惜绝大部分任其自然腐烂散失。就以可沤肥的作物秸秆和粪便来说，我国每年要产生5亿吨以上，但在不少地方未好好利用而胡乱处理，既造成浪费又污染环境。其实这是由光合作用利用太阳能转化而成的大量可再生能源和资源，应该为解决这方面的困境作贡献。
　　至于环境保护，人们最关心的问题是大量燃烧煤、石油、天然气等燃料而导致大气中二氧化碳浓度增加。它是有温室效应的气体，在大气中含量的不断上升会引起地球气候剧变、灾害频发。在探讨的多种缓解途径中，保护和加强森林的光合作用，以便将大量二氧化碳变成有机物较长期地贮存起来是最切实有效的措施。重视利用秸秆等由当代光合作用形成的可再生能源，也是有助于延缓大气中二氧化碳浓度上升的好办法。
　　从以上这些非常简单的叙述中，可看到为什么人们把光合作用称为地球上最重要的化学反应的部分原因了。因此，世界各国都很重视光合作用研究。1998年，我国已把《光合作用高效能量转化的机理及其在农业中的应用》列入第一批支持的国家重点基础研究发展规划的项目。（附图片）