一、光合作用總反應(yīng)式的確定
1771年英國化學(xué)家普利斯特利實(shí)驗(yàn)提出植物可以“凈化”空氣，人們發(fā)現(xiàn)光合作用。以后又經(jīng)許多人的研究，到了19世紀(jì)末，人們寫出了如下的光合作用的總反應(yīng)式：
6CO2+6H2O → C6H12O6＋6O2 （1-1）
從（1-1）式中可以看出：光合作用本質(zhì)上是一個(gè)氧化還原過程。其中CO2是氧化劑，CO2中的碳是氧化態(tài)的，而C6H12O6中的碳是相對(duì)還原態(tài)的，CO2被還原到糖的水平。H2O 是還原劑，作為CO2還原的氫的供體。（1）式用了幾十年，后來又把它簡化成下式：
CO2+H2O →（CH2O）＋O2 （△G°′＝4．78×105J） （1-2）
（1-2）式用（CH2O）表示一個(gè)糖類分子的基本單位，比較簡潔。用葉綠體代替綠色植物，說明葉綠體是進(jìn)行光合作用的場所。由于葡萄糖燃燒時(shí)釋放2870 kJ·mol-1的能量，因而每固定1mol CO2(即12g碳)就意味著轉(zhuǎn)化和貯存了約478kJ的能量。
應(yīng)該注意到光合作用反應(yīng)式中所有的反應(yīng)物和產(chǎn)物都含有氧，而上面兩式并沒有指出釋放的O2是來自CO2還是H2O。很多年來，人們一直以為光能將CO2分解成O2和C，C與H2O 結(jié)合成（CH2O），然而以下三方面研究證實(shí)了光合作用釋放的O2來自于H2O 。
1．光合細(xì)菌
能進(jìn)行光合作用的細(xì)菌稱之為光合細(xì)菌（photosynthetic bacteria）。光合細(xì)菌包括藍(lán)細(xì)菌、紫細(xì)菌和綠細(xì)菌等。其中藍(lán)細(xì)菌的光合過程與真核生物相似，紫細(xì)菌和綠細(xì)菌則不能分解水而需利用有機(jī)物或還原的硫化物等作為還原劑。例如：紫色硫細(xì)菌（purple-sulfur bacteria）和綠色硫細(xì)菌（green-sulfur bacteria）利用H2S為氫供體，在光下同化CO2：
CO2+2H2S →（CH2O）+2S+H2O （1-3）
光合細(xì)菌在光下同化CO2而沒有O2的釋放。因此，細(xì)菌光合作用是指光合細(xì)菌利用光能，以某些無機(jī)物或有機(jī)物作供氫體，將CO2還原成有機(jī)物的過程。
1931年微生物學(xué)家尼爾（C．B．Van Niel）將細(xì)菌光合作用與綠色植物的光合作用加以比較，提出了以下光合作用的通式：
CO2+2H2A →（CH2O）+2A+H2O （1-4）
這里的H2A代表一種還原劑，可以是H2S、有機(jī)酸等，對(duì)綠色植物而言，H2A就是H2O，2A就是O2。綠色植物光合作用中的最初光化學(xué)反應(yīng)是把水分解成氧化劑（OH）與還原劑（H）。還原劑（H）可以把CO2還原成有機(jī)物質(zhì)；氧化劑（OH）則會(huì)通過放出O2而重新形成H2O。
綠色植物和光合細(xì)菌都能利用光能將CO2合成有機(jī)物，它們是光合自養(yǎng)生物。從廣義上講，所謂光合作用，是指光養(yǎng)生物利用光能把CO2合成有機(jī)物的過程。
2．希爾反應(yīng)
1939年英國劍橋大學(xué)的希爾（Robert．Hill）發(fā)現(xiàn)在分離的葉綠體（實(shí)際是被膜破裂的葉綠體）懸浮液中加入適當(dāng)?shù)碾娮邮荏w（如草酸鐵），照光時(shí)可使水分解而釋放氧氣：
4Fe3+＋2H2O → 4Fe2+＋4H+＋O2 （1-5）
這個(gè)反應(yīng)稱為希爾反應(yīng)（Hill reaction）。其中的電子受體被稱為希爾氧化劑（Hill oxidant），鐵氰化鉀、草酸鐵、多種醌、醛及有機(jī)染料都可作為希爾氧化劑。希爾不但證明了給葉綠體照光可使水分解放氧，氧的釋放與CO2還原是兩個(gè)不同的過程，而且也是第一個(gè)用離體的葉綠體做試驗(yàn)，把對(duì)光合作用的研究深入到細(xì)胞器水平，為光合作用研究開創(chuàng)了新的途徑。
以后發(fā)現(xiàn)生物中重要的氫載體NADP+也可以作為生理性的希爾氧化劑，從而使得希爾反應(yīng)的生理意義得到了進(jìn)一步肯定。在完整的葉綠體中NADP+作為從H2O到CO2的中間電子載體，其反應(yīng)式可寫為：
2NADP+＋2H2O →2NADPH＋2H+＋O2 （1-6）
CO2也可看作為一種生理性的希爾氧化劑，因?yàn)橄蛲暾娜~綠體懸浮液中充入CO2或加入能產(chǎn)生CO2的試劑如NaHCO3，照光時(shí)葉綠體能發(fā)生放氧反應(yīng)。
3．18O的研究
更為直接的證據(jù)是標(biāo)記同位素的實(shí)驗(yàn)。1940年美國科學(xué)家魯賓（S．Ruben）和卡門（M．D．Kamen）等用氧的穩(wěn)定同位素18O標(biāo)記H2O或CO2進(jìn)行光合作用的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)標(biāo)記物為H218O時(shí)，釋放的是18O2，而標(biāo)記物為C18O2時(shí)，在短期內(nèi)釋放的則是Ｏ2。這清楚地指出光合作用中釋放的Ｏ2來自于 H2O。
CO2+2 H218O →（CH2O）+ 18O2+H2O （1-7）
為了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以區(qū)別，表明光合作用中釋放的Ｏ2全來自于H2O，而CO2中的一個(gè)O又被還原成H2O，因此，最終可用下式作為光合作用的總反應(yīng)式：
CO2+2H2O →（C H2O ）+ O 2+H2O （1-8）
二、光合作用中水的變化
光反應(yīng)階段有水的光解，光反應(yīng)包括光能吸收、電子傳遞、光合磷酸化等三個(gè)主要步驟。在反應(yīng)過程中,來自于太陽的光能使綠色生物的葉綠素產(chǎn)生高能電子從而將光能轉(zhuǎn)變成電能。然后電子通過在葉綠體類囊體膜中的電子傳遞鏈 間的移動(dòng)傳遞,并將H+ 質(zhì)子從葉綠體基質(zhì)傳遞到類囊體腔,建立電化學(xué)質(zhì)子梯度,用于ATP的合成。光反應(yīng)的最后一步是高能電子被NADP+接受,使其被還原成NADPH。光反應(yīng)的場所是類囊體。
光反應(yīng)總反應(yīng)式可寫為：
2H2O+2NADP++2ADP+2Pi → O2+2NADPH+2H++2ATP （2-1）
這一反應(yīng)成為非環(huán)式光合磷酸化作用，但由于在暗反應(yīng)中每還原一個(gè)CO2需要3個(gè)ATP，所以還會(huì)存在另一ATP途徑：
ADP+Pi →ATP （2-2）
這就是環(huán)式光合磷酸化參加反應(yīng),這種反應(yīng)需要水的參與，反過來則會(huì)生成水。
卡爾文（Calvin）循環(huán)總反應(yīng)式可寫成：
3CO2＋9ATP＋6NADPH＋5H2O →TP＋9ADP＋8Pi＋6NADP+＋3H+
然而，當(dāng)我們一旦考慮非環(huán)式和環(huán)式磷酸化時(shí)，卡爾文（Calvin）循環(huán)總反應(yīng)式就可以縮寫為：
CO2＋3ATP＋2NADPH＋2H+ →（CH2O）＋3ADP＋3Pi＋2NADP+＋H2O （2-3）
此時(shí)，我們將（2-1）、（2-2）、（2-3）加起來，可得：CO2+H2O → （CH2O）＋O2，表面上只有水參與氧化，沒有水的生成，也就是說光合作用凈反應(yīng)是沒有水生成的。要說明的是，由于環(huán)式反應(yīng)中既有水的參與又有水的生成，所以這里的水可以省略；在暗反應(yīng)中，這種“水”循環(huán)置換變化也被省略，且在暗反應(yīng)各步也不好顯示，因?yàn)槟悴恢绤⑴c反應(yīng)的ATP是否是環(huán)式反應(yīng)還是非環(huán)式反應(yīng)，但環(huán)式反應(yīng)會(huì)帶來CO2中的一個(gè)O進(jìn)入生成H2O中，所以，才有“為了把CO2中的氧和H2O中的氧在形式上加以區(qū)別，表明光合作用中釋放的Ｏ2全來自于H2O，而CO2中的一個(gè)O又被還原成H2O，”的說法。
三、典型例題
例題：將二氧化碳中的氧用同位素18O標(biāo)記，然后用于光合作用實(shí)驗(yàn)，在以下那些產(chǎn)物中可以找到18O標(biāo)記氧。
A．糖和水 B．氧氣和糖 C．水和氧氣 D．糖、水和氧氣
解析：聯(lián)系光合作用的總反應(yīng)式來分析光合產(chǎn)物和反應(yīng)物中各元素的來路和去向：
CO2＋2H2O*→（CH2O）＋Ｏ*2＋H2O
生成的氧氣來自參加反應(yīng)的水，碳水化合物和生成水中的氧則應(yīng)來自二氧化碳，將同位素18O標(biāo)記在底物二氧化碳中，產(chǎn)物的碳水化合物和水中可以找到18O標(biāo)記氧。
答案：A
四、總結(jié)
由以上分析可以得出：光合作用就局部來講是水的生成，而且和暗反應(yīng)有直接關(guān)系，因而也就可以說暗反應(yīng)有生成水反應(yīng)。
本文參考資料：
1、《光合作用過程中有沒有水的生成》---《生物學(xué)通報(bào)》1992年第5期 吳相鈺 北京師范大學(xué)生物系）
本文涉及網(wǎng)址：（摘自高校國家精品課程揚(yáng)州大學(xué)植物生理學(xué)網(wǎng)站）
1、http://eol．yzu．edu．cn/eol/jpk/elamanager/applycourse/course_view．jsp?cId=1045
2、http://jpkc．yzu．edu．cn/course/zhwshl/ppebook/04z/ppe0401．htm
3、http://jpkc．yzu．edu．cn/course/zhwshl/xxzn/xxzn04．htm
本文來自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaozhong/164676.html
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