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植物生理学是研究植物生命活动的科学它的主要研究对象是绿色高等植物绿色植物的光合作用是地球上一切有机物质的源泉，人类生活所需的植物材料主要仰仗于高等植物研究绿色植物的光合作用对物质有特殊的重要意义。
植物生理学的历史可追溯到比利时人JB．赫尔蒙特(1577—1644)的盆栽柳枝的实验，他的不完整的结论的一部分指出了植物与水分的关系以后的研究者补充了植物营养来自土壤的观念。G·普利斯特利(1733—1804)的气体交换实验为光合作用的发展作出了贡献。 19世纪，细胞学说(1839年)，物质与能量守恒定律(1842年)和《物种起源》的确立为植物生理学的理论提供了依据。到了这一时期植物生理学已达到成长与成熟的阶段，有了植物生理学的专门课程以及植物生理学手册和教科书出版，如J。萨克斯(1865年)及w·费弗尔(1881年)的巨著。但是植物生理学的更进一步发展还是在20世纪初，特别是30年代以后，由于生物化学、生物物理学和分子生物学的推动，现代化实验技术如，层析、电泳、同位素、电子显微镜、x一衍射超速离心机以及核磁共振等的应用，使代谢生理的内幕得到了揭示，光合作用的研究进入了崭新的阶段。
1961年、1978年及1988年的诺贝尔化学奖分别授予了与植物生理学研究(尤其是光合作用)密切相关的内容。它们分别是：卡尔文循环(又称C，途径，获奖者M．Calr5n，1961年)、化学渗透学说(获奖者P．M5tcLeH，1978年)及光合反应中心三度空间结构的阐明(获奖者：J．De5senh。fet，R·HMber和H．Micbell988年)。以上三项研究的突破对植物生理学(尤其是光合作用)的发展作出了巨大的贡献，本文将分别对这三项研究的研究内容、贡献以及这些研究给我们的启示(方法论上的意义)作—简要介绍，以期对从事植物生理学及科学史研究的工作者有些参考价值。
一、卡尔文循环
M．CalVIn由于成功地解释了光合碳代谢途径而获1961年诺贝尔化学奖。卡尔文1911年4月生于美国明尼苏达州首府圣保罗，1933年获博士学位之后去英国曼彻斯特大学边学习边工作在那里他系统地研究了络合催化作用，特别是金属卟啉的作用，1937年应邀回美国加里福尼亚大学讲学，1946年任劳伦斯放射实验室生物一有机化学组负责人，1947年成为该校教授，1960年任该校化学生物动态学研究所所长。
1．光台碳代谢途径内容
可以概括为以下四个方面：
a．二氧化碳加入到二磷酸核酮糖中形成二个分子的PGA (3一磷酸甘油酸)或者是一分子的PGA与一个分子的GA2P(磷酸甘油醛)。
b．PGA可能是被NADPH还原为磷酸甘油醛，在这个过程中需ATP的参与，而且NADPH与ATP都是在光合作用的光反应中产生的。
c．某些磷酸甘油醛分子被转变成二磷酸果糖，部分二磷酸果糖又转变成5一磷酸木酮糖，其它的磷酸甘油醛分子则与7一磷酸景天庚酮糖结合生成5一磷酸核糖与5一磷酸木酮糖， 5一磷酸核酮糖是直接从这两个糖之一产生的。
d．5一磷酸核酮糖被ATP磷酸化，形成二磷酸核酮糖，它能接收Co2，使得循环得以继续进行。
2．贡献
在授奖仪式上，米尔贝克教授对卡尔文的贡献作了高度的评仇他说：“为了生存，每个生命有机体都必须有一适当形式的能量，从这方面来说，我们这个星球上生存的生物体可以分为两大类：一类是所有动物(包括人)以及一些较低等生物，它们需要获得富能的有机物质，也就是说需要卡路里的食物，这种食物所提供的能量是通过碳水化合物、脂肪等的生物氧化(燃烧)而生成的，……”，“很清楚，光合作用对于地球上的所有生物都是必不可少的，由此可以理解，为什么光合作用的反应吸引了这么多科学家的注意力，然而一个多世纪以来人们对光合作用的机理研究一直进展缓慢，部分原因可能是缺少必要的手段”。“卡尔文的杰出贡献就解决了这一问题，一个多世纪以来，一直使科学家困惑不解的是：吸收co2的最初产物究竟是什么？植物吸收的co2：首先会发生什么变化？卡尔文的实验证明了事情并不象人们原来想象的那样，接受co2的物质不是首先将其还原，而是有一个受体将其固定生成一个有机化合物磷酸甘油酸，这一发现对光合作用的研究具有重大意义。人们从中可以得出结论：光合作用与新陈代谢之间有着极其密切的关系。二、化学渗透学说
P．MIThell (米切尔)由于成功地解决了细胞合成ATP能量转移机制问题而被授予1978年诺贝尔化学奖。米切尔英国化学家，1920年9月生于美国，1943年获剑桥大学文学士学位，1950年获哲学博士学位，1964年他因不满当时校内的研究气氛而离开该校， 自己创立一个私人研究实验室——格林研究实验室，从事生物化学方面的研究，1974年他被选为皇家学会会员，1978年被聘为美国国家科学院外籍会员。
MItchELL的理论早在1961年就发表过，当时他还是爱丁堡大学动物系的一个青年教师，虽然他的理论能回答当时生物学的一个颇令人费解的问题——细胞合成ATP的能量转移，但当时并没有引起人们的重视。主要是因为他还年轻在科学界资历不深，他所攻克的这一难关，连许多权威都望而却步，但米切尔并末泄气，为了冲破旧的习惯势力，他用自己积累的钱在偏僻的康沃尔创立一个实验室，他和他的少数同事在那儿默默地工作着、研究着，对早先的理论进行反复的论证，在几年时间内，他自费连续发表了内容充实、说服力很强的论文，对化学渗透学说作了进一步的阐述，过去一些令人感兴趣的假说也都被他用实验数据一一证实了，事实胜于雄辩，后来每当人们谈起这段往事时，总是打趣地说：米切尔终于赢得了斯德哥尔摩的胜利局面(指获诺贝尔奖)。
1．内容：
肌肉的收缩、神经的传导、流萤的闪光、细胞的分裂、分子的合成、生物体和细胞的“一举一动”都需要能量，这些能量从何而来呢？如果我们把生物体的细胞当成一个大工厂，那么，细胞的线粒体以及绿色植物细胞的叶绿体就是其中的锅炉车间，正是在这里有机物通过氧化或光合作用释放的能量变成了生物界的能量“流通货币”——ATP的化学能，从而为细胞的各种生命活动提供了取之不尽的能量，可是氧化和光合能又是怎样导致ATP合成的呢？ Mitchell的化学渗透理论便成功地解释了这一点，他认为：绿色植物的叶绿体和细胞的线粒体均有内、外膜，当它们分别在太阳光照射下产生光合作用或因呼吸产生有机物氧化时，就使内外膜产生质子浓度差(APH)和电位差(A4)，从而促使ATP的合成。植物、动物以及细菌的大部分能量此由此而来。
2．贡献
除米切尔的化学渗透理论外，尚有其它许多假设，且仍在争论之中，诺贝尔奖金评选委员会独独看中米切尔的理论，这显然是经过深思熟虑的，诺贝尔奖金评选委员会认为：化学渗透理论开辟了一个新的领域，它有助于解决未来的能源需要及对抗细菌传染等问题，从基本学术研究的观点看，它的影响和意义将越来越大，如果我们进一步从医学、从提高植物光能利用效率、从人为方式模拟植物光合作用等方面加以探讨，则定可为解决人类社会的疾病预防、粮食与能源危机等问题做出贡献。
3．争论
诺贝尔奖虽然授给了米切尔，但并不意味着争论会因此而停息。
化学渗透假说在获得普遍的支持之后，仍有一些实验证据与其不一致：裁色体的电子传递被限制光强或其它手段所限制，ATP形成降低，但APH(A9，APH)却末降低；在线粒体中、在ATP合成速度和AAH之间有很陡的非线性关系，以丙二酸或CCCP抑制氧化磷酸化可达到80％，但AAH下降仅7％，1987年8月在北京举行的国际生物化学会议上，Slater.Ernster报告中都提到Kell等的双重抑制试验结果与化学渗透观点不一致的问题，Kell认为由特定的偶联于氧化还原反应的H泵所释放的能量仅被H一ATP合成酶所利用，水相的质子动力势不能是唯一的是主要的中间物，有关化学渗透机制的问题的争论也许还将继续下去，但这并不是什么坏事，有争论才会有探讨，有进展。
三、光合作用反应中心 三度结构的阐明
在西德(原联邦德国)工作的三位科学家J．DeiseEhofe， R．Huher及H．MicheI由于阐明了光合作用反应中心三度空间结构而获1988年诺贝尔化学奖。这三位科学家均任职于原西德马谱学院生物化学研究所，H·Michel从事膜生物化学的研究，80年代初开始光合作用反应中心的研究工作，1981年宣布成功地获得了高度有序的光合反应中心结晶体。这就为x一衍射研究分子在晶体中的三度结构奠定了基础。DeiseEhofe与R．Hnber均从事结构研究，及H.Michel获得光合反应中心结构以后，他们便采用x一衍射方法对结晶体进行电子密度图的测量研究。1985年三人联名在NatMre上发表了他们获得的分辨率为3A的光合反应中心三度结构。
1．内容
光合反应中心是由四个细菌叶绿素h分子，形成两个不对称的二聚体，并各和一个细菌去镁叶绿素b分子组成两个结构上很相似的分支。二个四吡咯环系统的稳定是由乙酰化基因的氢键结合到氨基酸侧链上。毗咯环平面之间的平均距离为3A呈15度角差。二个镁原子之间相距为7A，单体细菌叶绿素b各自定位在距二聚体的闭环大约13A之处呈70度倾角。细菌叶绿素b与细菌去镁叶绿素之间相距11A呈64度差角。卟啉环的全部排列连接在一个被局部双折化了的旋转轴上，此轴从非血红素铁朝向二聚体转动。一个相当于原初电子受体的醌MQ与二个去镁叶绿素分子中的一个紧靠着，这就是说二个结构相似的分支中，只有一个分支含有原初电子受体MQ。反应中心还有三个延伸状的结构区，它由L型和M型多肽亚基构成一个截面呈椭圆形(70x 40A)，高为50A的圆柱体，以及由H型多肽亚基和细胞色素复合体构成一个球状结构，附着在圆柱体的表面，由此组成了一个总长为135A的膜蛋白分子。L与M多肽亚基都有五个贯穿膜的螺旋结构区，它们间的结构有些相似，主要差别是在N一末端的氨基链的长度上，即M多肽的氨基链比L多肽长。至此，人们第一次能在原子水平上看到光合作用反应中心的三度空间结构图像。
2．贡献
1．光合作用一直是人类探索自然奥秘的重要研究课题，并已取得不少成就，但长期以来对光能转化的原初步骤的了解依然模糊不清。他们能在原子水平上揭示出三度空间结构，进而阐明电荷分离的原初过程，这不仅是光合作用机理研究上的一项重要进展，也是生物膜和膜蛋白在分子结构研究上的一次突破，因为对光合反应中心这样庞大的膜蛋白三度空间结构的精细测量，可以说是史无前例的，也必将产生深远的影响。瑞典皇家科学院在颁布授奖公报中指出： “他们第一次成功地阐明膜蛋白形成的详细过程，并从原子水平上揭示了光合作用反应中心由原子形成的分子结构。
2，反应中心的模型又一次证明了蛋白螺旋结构是维持膜蛋白次级结构的必要因素。蛋白亚基不仅是光合色素结合的框架，而且由于它与光合色素有着特殊的相互作用，从而使得电子只沿着一条分支传递到原初电子受体MQ，而进行光驱电子穿膜的原初光化反应。这种光合色素分子排列与周围蛋白分子的相互作用，将对光合作用深入研究产生重大影响。
四、三项获奖的方法论探讨
纵观这三项与植物生理学相关的诺贝尔化学奖，我们不难发现他们之所以获取成功，都无一例外地与他们引进新的技术和方法对科学执着的追求以及敏锐的洞察力等密切相关，如若没有长寿命的示踪元素投入使用及引进新的分析方法(纸层析和放射自显影)是不可能发现卡尔文循环的：Mitchell如迷信于权威，一味地相信化学中间物假说而不对其化学渗透假说进行反复验证，发表数据确凿、说服力很强的论文也是不可能获奖的，没有三位西德科学家的通力合作，光合反应中心结构是难以在短时间内得以阐明，H.Michel在得知获奖后说:“光合反应中心结构的研究，经历了8年之久，前后参加此项工作的科学家不下50多位，可惜获奖者只有三人。”这些研究方法的特点可归纳如下：
1．采用新技术新方法 这以卡尔文循环及光合反应中心三度结构的阐明最为典型。1937年，美国加州大学伯克州分校的鲁本(s.Ruben)和卡门(M.D．Kamen)首先用放射性11C为示踪原子证明光合作用中co2固定是暗的酶促反应，只是由于11c半变期太短及无合适分析方法，co2受体物难以鉴定，后因战争爆发及Ruben不幸遇难，迫使研究中断，二次大战后长寿命同位素投入实验室使用为研究者带来了福音，一向对光合作用感兴趣的化学家M．Calvin组建了一个新的研究小组继续RMben等的工作。用14C研究碳同化机制，并采用放射自显影和纸层析技术，使分析14co2代谢物的速度和精度大为提高，很快便分离鉴定了一批在同化早期出现的产物，经不断分析和比较、修改与完善，卡尔文小组最终排出了第一个稳定产物PGA(磷酸甘油酸)到所在早期产物的相对位置，从而建立了最主要的生物合成反应——光合作用碳同化途径。不久，有关酶类也全被一一分离、纯化和鉴定，为后来光合作用的研究开辟了道路。
光合作用反应中心的阐明也与J.Deisenhofet创造的帕待森搜寻技术与晶形精细化相结合的电脑计算技术有关，采用这一新技术可以对蛋白晶体直接进行结构分析，而不需要在x一光衍射测量中对蛋白晶体引入重原子的同晶形替代作用(lsomor—Phous rePlacement)这项繁复而又必须的传统方法。
2，敏锐的洞察力及楔而不舍的科学态度
对于象calvin这样一个化学家来说，当时生物学界对其计划均表示反对，化学界认为从层析图谱位置不可能鉴定化合物，生物学界认为象他那样对光合作用了解甚少的科学家不会对此做出贡献。由此可见，在当时多数人均持否定态度的情况下卡尔文能率领小组及时利用新的研究手段锲而不舍地探索这一问题正说明他有敏锐的观察力和巨大的感染力。
60年代初，MitcheII提出化学渗透假说时，化学中间物假说正风行一时，加之他在科学界资历不深，没人理睬他的假说，但他并没有因此泄气，率领他的少数同事对此假说进行反复论证，连续自费发表论文，自己在偏僻的地方创立实验室，诺贝尔奖金评选委员会看中他的理论，显然是经过一番考虑，这是在奖励一个有创见、有罕见决心的科学家。
3，通力合作
光合反应中心结构有阐明可以说是几个不同专业领域中许多卓越科学家奋力协作的结果，H.micheI获得的高度有序的光合反应中心结晶体，为用x一光衍射研究分子在晶体中的三度结构奠定了基础，J．Deisenhofet在使反应中心的结晶体，通过x一光衍射分析计算出原子模型的工作中做出了贡献。R·Huber领导的结构研究室著名于此，他与J·DeisenhOfer合作用x一光衍射方法对结晶体进行电子密图的测量研究。这里还必须提及Lottspeich，正是与他的合作把编码四种蛋白亚基的基因分离出来。为解释电子密度图做出了贡献。
4．植物生理学家必须且有渊博的知识
在科学校术迅猛发展的今天，学科相互交叉渗透，新学科新技术层出不穷，对植物生理学工作者提出了更高的要求，分子生物学、分子遗传学的发展对植物生理学无疑是一种冲击，我们不要求也不可能使每个植物生理学家成为分子生物学家，但至少我们可以了解这些新方法新手段并用于自己的科研工作中。三项诺贝尔奖获得者没有一位是专门从事植物生理学研究的，但他们放锐的目光及对科学的追求都使他们在植物生理学这个领域作出了贡献，不能不令人钦佩，植物生理学工作者除了掌握自己的专门知识外，还必须努力掌握一些与本专业有关的新技术新方法并把这些技术方法及时地应用于自己的科研工作中，切实加强与不同专业领域科学工作者的精诚合作，努力把研究水平上一个档次，使工作作得更出色！ |
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