图说科学史：光合作用发现史，追问、实验与修正

来源公众号：趣探社　作者：李成龙

今天小学生都知道的光合作用，它的发现过程，经历了几百年。许多科学家不断追问、实验与修正，共同建立了整个过程。

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1. 植物增重来自土壤吗？

17世纪，海尔蒙特（van Helmont）进行了著名的柳树实验。
他把柳树种在土中，只浇水，数年后树重显著增加，而土壤质量几乎没有减少。

他据此认为，植物增长的质量不是来自土壤，主要来自水。

虽然这个结论并不完整（忽略了空气），但可以说是开启了对植物生长来源的定量思考。

参考资料：Chastain, Ben B.. Jan Baptista van Helmont. Encyclopedia Britannica, 8 Jan. 2026.

2. 绿色植物能“恢复空气”？

1770年代，普里斯特利实验发现，绿色植物能让密闭容器里的蜡烛不熄灭、小鼠不窒息。

他据此提出，植物能“恢复空气”。后来我们知道，其实是释放出氧气。

参考资料：Bassham, James Alan, Lambers, Hans. “photosynthesis”. Encyclopedia Britannica, 23 May. 2026.

3. 绿色植物“恢复空气”，需要光？

1779年，英根豪斯进一步实验，证明只有在光照下，而且主要是植物的绿色部分，才能释放这种“恢复空气”的物质，即氧气。

4. 植物增重跟二氧化碳有关？

1782—1804年，瑟讷比耶、德索绪尔等，明确植物吸收CO₂，植物增重与 CO₂和水有关。

参考资料：Bassham, James Alan, Lambers, Hans. “photosynthesis”. Encyclopedia Britannica, 23 May. 2026.

5. 能量和物质如何转化？

19世纪中叶，迈尔等提出光能可转化为化学能；萨克斯证明光照叶片中的叶绿体会形成淀粉，说明光合作用的产物可储存在植物体内。

6. 哪种颜色光更有利？

19世纪末，恩格尔曼做了“水绵—好氧细菌实验”。他用细菌聚集位置显示哪里氧气多，从而发现红光、蓝紫光最有利于光合作用，推动了“作用光谱”的研究。

参考资料：Alexandrina Stirbet, et al. Photosynthesis: basics, history and modelling, Annals of Botany, 2020 (126) 4: 511–537.

7. 氧气来自谁？

1930—1940年代，范尼尔等通过光合细菌提出：光合作用释放的 O₂不是来自 CO₂，而是来自水。而后，鲁本和卡门用同位素实验，证实氧气来源于水。

希尔通过实验证明，离体叶绿体在光下也能放氧，说明光反应可与碳固定分开研究。

8. 二氧化碳是怎么变成糖的？

1950年代，卡尔文、本森、巴沙姆等，利用¹⁴C 放射性同位素和纸层析，追踪 CO₂在藻类中的去向，解析出碳循环。

9. 光反应的过程是怎样的？

1950—1960年代，阿农、希尔、班达尔、米切尔等逐步建立现代光反应模型：光系统Ⅱ裂解水放氧，电子经传递链到光系统Ⅰ，形成 NADPH；跨类囊体膜的质子梯度驱动ATP合成。

参考资料：Hibberd, J., Furbank, R. Fifty years of C4 photosynthesis. Nature 538, 177–179 (2016).

回顾这个过程，可以学到许多经典科学实验方法，也能领略科学家假说、求证、建模等思维和精神，值得学习。

佳文推送 · 2026年6月28日