二百多年来，世界上许多科学家为了揭开光合作用的奥秘贡献了毕生的精力。不过，人们对于绿叶的光合作用，现在也只是知道一个粗略的轮廓，许多细节还不很了解。要想更深入地探求光合作用这样一个重要的自然现象的全部奥秘，还需要几代人长期不懈的努力。
光合作用是在一个很精致、很复杂的“工厂”中进行的。各种植物的“绿色工厂”的设备和装置也不完全一样，科学家们正在探索不同植物的“工厂”特点，分析“工厂”中的各种设备，力图抓住其中的关键环节，用遗传学知识提高现有农作物等的光合作用效率；并通过对“绿色工厂”设备的详细解剖和分析，在掌握它的生产原理以后，用现代化学、物理和工程学的知识来仿效它，以便高效率地生产品质最优良的产品。这是多么富有魅力的目标啊！
那么，当前科学家们对于光合作用的研究，正在开展哪些重大的研究课题呢？
变三碳植物为四碳植物
20世纪60年代，美国科学家发现植物可分为三碳植物和四碳植物两类。所谓三碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有三个碳原子的化合物，这类植物比如水稻、小麦、大豆、天竺葵等等。而四碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有四个碳原子的化合物，这类植物比如甘蔗、玉米、高粱等等。
科学家是怎样发现三碳植物和四碳植物的呢？
60年代初期，美国科学家用天竺葵做实验，发现在光照下，叶片吸进的氧气很多，放出来的二氧化碳也很多，科学家把这种现象叫做光呼吸。天竺葵的光呼吸是比较高的，但是光合作用的效率却很低。
到了60年代中期，他们又发现另一种植物甘蔗的光呼吸很低，甚至几乎没有光呼吸，可是它的光合作用效率却很高。这是怎么回事呢？
经过科学家的进一步研究，发现甘蔗叶片内的维管束部分有皇冠状的细胞组织，这种独特的结构和二氧化碳的结合能力比较强。比如，中午阳光比较强的时候，气孔开得很小、尽管吸进来的二氧化碳含量减少，但是光合作用能够照常进行。而天竺葵、小麦等就不是这样，平时，它们的气孔开得很大，这样就不能适应强光的照射，体内的水分都被蒸发到周围环境中去了，所以一到中午，气孔就关闭，叫做小麦“午睡”，需要等到太阳斜射的时候、叶片再恢复光合作用。
科学家还发现，四碳植物甘蔗进行光合作用的时候，还有一套比较复杂的酶系统和二氧化碳结合。具体讲，有两种酶和二氧化碳结合的很紧密：一种是二磷酸核酮糖羧化酶，另一种是磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。这两种酶都能把一丁点儿的二氧化碳尽快地送进“车间”。所以，在同样的条件下，甘蔗光合作用的效率比小麦高。
更有趣的是，那些长期生活在沙漠里的仙人掌，可称是景天科植物中的佼佼者了。白天，沙漠奇热，它惜水如金，紧闭气孔；一到晚上，气孔敞开，由一种酶把二氧化碳先运到细胞的液泡中，暂时贮存起来。等到白天，在强烈的阳光下再“闭门生产”。这时候，二氧化碳再源源不断地从液泡运到“车间”。科学家发现仙人掌负责和二氧化碳结合的酶，同四碳植物的酶一样，都是结合能力很强的酶。二氧化碳进入仙人掌的绿茎以后，也是先形成一个含有四个碳原子的化合物，但是又和甘蔗、玉米等四碳植物不同。甘蔗是在白天进行光合作用，直接利用二氧化碳作原料，不需要在液泡里暂时贮存。
从以上和二氧化碳产生不同变化的植物类型来看，四碳植物的光合作用效率比三碳植物高，所以，世界上许多农业专家、生物学家都力图把三碳植物变成四碳植物。从不同植物具有不同的光呼吸，科学家们得到启示：想办法降低光呼吸作用来提高光合作用效率。但是，做了许多实验都没有成功。经过研究，现在自然界中的四碳植物，大约有一百多种，大多都是起源于热带的植物；其余的基本上是三碳植物。科学家正继续探索三碳植物变成四碳植物的途径。
大约到70年代初期，美国科学家又发现在滨藜科的植物中，既有三碳植物，又有四碳植物。
他们用这两种植物进行杂交实验，也就是让三碳植物和四碳植物进行异花传粉。结果，在后代植株上面，表面看起来像四碳植物，实际上，四碳植物的优点却没有了。分析主要原因是由于三碳植物和四碳植物的内部结构和功能不同。从这个实验说明用杂交的办法目前是不行的。
科学家认为，解决这个问题最有希望的办法是基因移植，也叫做遗传工程，这样才有可能提高低光呼吸植物的光合作用效率。
什么是基因呢？平时，你所看到的植物各种各样，有的高，有的茎细，有的花小，有的果大等等，这些叫做不同的性状，而且这些性状可以遗传下去。是谁控制着生物体中多种多样的性状呢？原来，在细胞核里有许多棒状的染色体，在染色体上面就排列着许许多多基因，一个基因控制着一个性状。因为基因可以一代一代地遗传下去，所以生物的性状也就跟着遗传了。
随着现代生物学的发展，科学家能够运用一种专门的技术给生物细胞做“手术”，把基因从一个生物体的细胞里移植到另一个生物体的细胞里去。这个专门技术叫做遗传工程。如果把四碳植物的遗传基因移植到三碳植物里面，这样，三碳植物也就像四碳植物那样长出先进的“生产设备”，从而大大提高生产效率。如果能做到这一点，“绿色工厂”合成的产品，就可以翻几番，地球上就可以增加多少亿吨的粮食。
开发能源的新途径
目前，全世界每年大约耗费煤炭等能源物资几十亿吨，1979年，美国单石油一项就消耗九亿两千四百万吨之多。如果按这个速度耗费，要不了二百年，地下贮藏的石油、煤等能源就要消耗殆尽。所以，科学家正在千方百计地寻找新能源。
探索光合作用的秘密，是开发能源的理想办法之一。
大家知道，太阳光是用之不尽，取之不竭的能源，水也是最丰富的资源。如果能像“绿色工厂”那样，吸收太阳光来分解水，把水变成氢气和氧气，那该是多么理想的办法！氢气是不污染空气的良好能源，现在一般用电分解水得到它，还要消耗大量的电源。所以，模拟光合作用用光来分解水是重要的方向。
人类有没有办法实现这个理想呢？
这，乍看起来似乎十分困难。因为通常绿色植物利用太阳光分解水总是放出氧气和生成还原态氢，再用还原态氢去还原二氧化碳，生成碳水化合物，而不会放出氢气来。
然而，人们通过长期的观察和研究，也找到一些植物用光分解水以后是能放出氢气的。比如，有一些藻类——绿藻、红藻和蓝绿藻等等，它们身上就有一种特殊的放氢酶。人们把它们放在无氧条件下培养一个时期以后，在光照下就可以产生氢气。虽然这些植物产生氢气的量很少，而且放氢的速度也慢，但它毕竟给人类仿照植物的光合作用来分解水作出了启示。
1973年，美国科学基金会特别拨出一笔经费，成立专门研究小组，研究如何仿照“绿色工厂”分解水制取氢气和氧气的办法。经过努力，果然有所突破。研究小组提出用叶绿体和放氢酶联合作战的方案来光解水。他们从菠菜叶子中提取叶绿体，从梭菌体内提取放氢酶，把它们混在一块，再加进一个能传递电子的化合物——甲基精紫。然后，把它们安置在无氧的环境中，经过太阳光的照射，结果，很快地放出了氢气。
1977年，这项研究又取得进展。他们的光解装置效率是每毫克叶绿素每小时可产生125微克的氢气，而且这个光解装置可以连续工作六个半小时。虽然得到的氢气量还是比较少，但它说明人类用植物光解水取得能源是完全可能的。
但是，光合作用分解水是一个非常复杂的问题，目前还只是停留在实验室里进行。要大规模生产还有许多问题有待解决。比如，叶绿体品种的选择、放氢酶的稳定性等等。不过，用光分解水的办法解决能源的课题，已得到世界各国的重视。美国、澳大利亚、日本、英国等都相继成立专门的组织和联合会，致力研究。相信在不久的将来，人类一定能实现以光解水取得能源的宏伟目标。
绿色“发电厂”
植物利用太阳光分解水获得氢气和氧气，只是一个间接解决人类对能源需求的办法。能不能把太阳光直接转变成电能呢？用半导体材料制作的光电池，就是这样一种装置。不过现在人们还正求助于“绿色工厂”建立绿色“发电厂”，从另一个途径实现这个宏伟目标。
前面讲过，绿色植物的光合作用是在叶绿体中进行的。叶绿体里面有专门捕捉阳光的光合膜，它是由叶绿素分子、磷脂以及蛋白质组成并有严密结构的膜。光合膜体积很小，只有几个微米，但能力大得惊人，具有捕捉阳光、传递电子和能量转换等功能。它在光合作用中起主力作用。依靠它，通过一系列电子传递来实现光合作用。
于是，人们设想以叶绿素为主体制造一个人工光合膜，然后把光能激发，形成电流。如果形成的电流强大，那就成为一个绿色“发电厂”了。
这个宏伟的设想能不能成为现实呢？
能。美国科学家经过十年的努力，用这种模拟光合作用的光化学反应产生电流，已经获得成功，并且应用在“阿波罗三号”人造卫星上面。只是价格昂贵，需要进一步改进。
后来，日本著名科学家落合教授也用实验作出肯定的回答。
落合教授从小对“绿色工厂”就发生兴趣，立志要揭开它的奥秘。他大学毕业以后，从事光合作用的研究，取得了成绩。1979年，他为建立绿色“发电厂”迈出了可喜的第一步。
落合教授详细分析了光合膜的结构和功能，发现分离出来的叶绿素，在阳光照射下，可以进行两个化学反应。如果把这两个反应放在一起，就有电子转移。于是，他就模拟光合膜结构，以叶绿素为主体，制作了一个人工光合膜，铺在水面上形成单分子层，在太阳光照射下，膜的上下两面果然产生了电位差。
近来，落合教授又进一步改造人工光合膜的性能，添加了一些过渡元素化合物作催化剂，提高了膜电子传递的能力。据报导，利用中午的阳光照射，从人工光合膜上，可以获得12微安培的电流。这说明，利用“绿色工厂”的原理是可以发电的。
落合教授试验初步取得成功，人们设想：有朝一日，能造出一个巨大的人工光合膜，把它覆盖在厂房和住房的房顶上，一年四季都可以利用太阳能来发电，源源不断地供应工厂和家庭对电能的需要。
光合固氮
把空气里的氮变成含氮化合物的过程，叫做固氮。化学上固氮的办法比较复杂，需要在高温、高压和高活性催化剂的帮助下，才能做到。但是，生物固氮就简单得多了。比如，有一种叫根瘤菌的微生物，它和豆科植物共生，在常温常压下，就能不断地制造氮的化合物。
那么光合作用能固氮吗？
回答这个问题得从光合细菌说起。
前面讲过，本世纪30年代，科学家发现紫色和绿色的细菌也像绿色植物那样有光合作用的本领，它们也能把光能转变为化学能。
不过，真正揭开光合细菌之谜的，那还是近年的事。据美国科学家卡白昂许的研究，光合细菌身上有一种独特的光合器，里面有类似叶绿素那样的物质，能捕捉光能，传递电子，合成许多营养物质。有一种叫红色无硫细菌，它的光合器中就有一系列类似橙红色胡萝卜素的化合物。卡白昂许等人研究表明：光合细菌不仅能固定空气中的二氧化碳，还能进一步利用太阳光固氮。因此，光合细菌已作为生物氮肥施加在农田上，达到了增产的目的。据报导，光合细菌分别施加到水稻、茄子、辣椒等农作物上，可以分别增产46%、35%和54%。日本科学家小林达治把光合细菌喷洒到柿树和温州蜜桔上，不仅可以使果品鲜美，产量增加，而且提高果品的糖分、维生素B、维生素C等含量。
科学家在研究光合细菌固氮的同时，也发现有些绿色植物有光合固氮的能力，特别是有些热带植物和某些藻类植物，光合固氮的能力更为显著。
光合细菌和某些植物为什么能光合固氮呢？
这正是科学家研究的重大课题。他们初步认为，光合固氮是在光合膜上进行反应的。在光合膜接受光能以后，发生了一系列的电子传递，当“绿色工厂”里的一些高能物质把电子递交给氮的时候，氮就被还原成为氮的化合物了。
光合固氮的秘密揭开以后，人们就可以进一步地模拟它，把光合固氮推广到一般植物体上面，那样，我们就可以不给或少给庄稼施肥，同样获得丰收。
富有魅力的目标吸引了许多科学家。我们相信，再经过几代人的努力，这些光辉的理想，一定会变为灿烂的现实。
