光合作用发现历程中恩格尔曼的研究贡献及启示

崔荣荣 凌 宏

(1首都师范大学生命科学学院 北京 100048； 2首都师范大学教育学院 北京 100048)

1988年的诺贝尔奖颁发给了一项光合作用研究成果，颁奖评语中称光合作用是“地球上最重要的化学反应”，光合作用对人类的生产生活都有着重大的作用。由于光合作用的复杂性，它的发现过程很漫长，经历了几百年的时间。光合作用的研究是多领域合作的结果，数百位科学家为此做出过重大贡献，西奥多·威廉·恩格尔曼(Theodor Wilhelm Engelmann, 1843—1909)便是其中的一位。

1 恩格尔曼生平简介

恩格尔曼是德国著名的生理学家、植物学家、微生物学家，一生在肌肉生理、微生物学、光合作用等多个研究领域作出重要贡献。恩格尔曼于1843年11月30日生于德国的莱比锡，他父亲是著名的书志学家和出版家，他在人文科学和自然科学的氛围中长大，兴趣十分广泛。年幼的恩格尔曼不仅对大提琴十分喜好，有相当高的造诣。而且，他受到著名解剖学家卡尔·格根包尔(Carl Gegenbaur)的影响，学会系统地观察活体生物，尤其擅长的是纤毛虫类。这一爱好是他后续利用好氧菌进行光合作用研究的关键因素之一[1]。

恩格尔曼在莱比锡系统地学习自然科学和药学。他于1867年发表关于角膜的学位论文吸引了荷兰著名生理学家弗兰西斯科斯·孔奈尼亚斯·唐德斯(Franciscus Cornelius Donders)的注意并为他提供助手的岗位。恩格尔曼在荷兰的乌得勒支市工作了30年，主要从事肌肉及其兴奋的生理学研究，1878年，他绘制出了第一幅锯齿波形的心电图，是肌肉和心脏兴奋收缩理论的奠基者之一[2]。他还用了十年时间(1881年—1890年)利用好氧菌来研究光合作用，并有突出的研究成果。1897年，他在柏林被授予生理学教授职位，因健康原因于1908年退休，1909年5月20日去世，享年65岁。

2 对光合作用的研究和成就

2.1 利用好氧微生物研究光合作用之缘起 1796年，简·英格豪斯(Jan Ingenhousz, 1730—1799)发表论文《植物的食物与土壤的修复》，文中确认植物在太阳照射下可以更新空气，这种对动物有益的空气是氧气(即光合作用释放氧气)[3]。英格豪斯的论文发表之后，引起多位研究者使用各种方法对产生的氧进行测量。例如，气体分析法(代表有英格豪斯、索绪尔、布森戈)，气泡计数法(代表有杜特罗歇、萨克斯、普费弗)，以及荧光粉法(代表布森戈)等[4]。

早年的兴趣使恩格尔曼一直保持着对微生物学的热情和观察微生物的爱好。尤其是同时代的巴斯德等科学家已将微生物的研究从形态描述推进到生理学研究阶段[3]。受此影响，恩格尔曼的关注点也在微生物生理特性方面。同时，恩格尔曼又十分关注当时研究的热点(如光合作用)和科学前沿。所以，恩格尔曼利用微生物进行光合作用的研究，绝不是一种偶然，而是在长年对微生物的观察研究基础上，结合光合作用的研究热潮，创造性地利用微生物的生理特性开展研究，并发表了大量的研究成果。如1881年发表论文《关于最低等生物的光感和色觉》《裂殖菌类生物学》，1883年的《光度测量菌》等十多篇文章。

2.2 利用微生物确定叶绿体是光合作用产氧的场所 恩格尔曼于1881年发表《用于研究植物和动物氧气释放的新方法》的论文，介绍了他使用“从根本上区别于迄今为止所有基于同样研究目的而采用的研究方法”，即利用好氧菌对氧的极度敏感来指示氧气。他的实验结果源自于巧妙的实验设计和细致的观察。论文中是这样描述的：“在一个载玻片上滴一滴菌液，盖上盖玻片，置于显微镜下观察，发现细菌大量积聚到液滴边缘，如果盖玻片下进了气泡，细菌则围绕着气泡。然后细菌的移动逐渐减弱并且停止。但是如果从盖玻片边缘给液滴注入一滴去除纤维蛋白的、并且通过在空气中晃动而充满氧气的血液，那么在这两种液体的交界处，细菌又会立刻开始移动。如果不使用动脉血，而是以较长时间接触了高浓度一氧化碳的血取而代之的话，那么上述移动就不会出现，或者顶多在极个别的点出现，而且时间很短”。根据一系列实验，恩格尔曼断定这种细菌有极其敏感的趋氧性，“敏感度之高，即使远小于百万亿分之一毫克的氧气量也能轻易测出来”[4]。

在后续实验中，恩格尔曼试着向菌液中加入绿色细胞，如绿眼虫、水绵以及舟形硅藻等，观察到围绕着绿色细胞的菌运动活跃，而液滴其他部位的菌已经停止运动。经过重复多次实验，得出相同的结果。最后给出“唯一可能的解释是： 含叶绿素的细胞能够在光照下释放氧气，正是这些释放出的氧气使细菌发生移动，并在产生氧气的地方聚集”[4]。恩格尔曼的这个重要发现确立了叶绿体在光合作用中的重要作用的认识——光合作用中产氧的场所。

2.3 利用好氧微生物发现光合作用中最适光谱 在实验过程中，恩格尔曼观察到光的作用，并且断言：“在所有实验中，氧气释放与光线的作用有绝对的关联”。首先，他做了不同光强对光合作用产氧速率影响的实验。“光线的作用完全是局部的。如果细胞或单个的叶绿体只局部受到光照，其余部分处于黑暗(或半黑暗)中，那么细菌只会聚集在受光照的部分(光线不能在没有活的叶绿素作用的情况下直接影响细菌的移动)。当光照强度增加，氧气释放量也会在相当大的范围内随之增加。能够让(氧气释放)过程开始显现的最小光照强度与细胞及细菌的种类和状态有关。在我实验的条件下，该最小值似乎总是远远高于肉眼所能观察到的最小值”[4]。

其次，恩格尔曼研究了不同颜色的光线对产氧的影响。一方面，他利用吸收可见光的溶液，如用含碘二硫化碳溶液滤出红外光，发现好氧菌运动不活跃；另一方面，经过滤光镜处理，获得单色光。结果发现，红光、橙光和黄光处菌活跃度高；蓝光处有一定活跃度；而绿光几乎一直是作用最弱的。

用滤光溶液或者滤光镜进行实验已经非常巧妙，但恩格尔曼并没有满足，进一步使用了更精密的仪器——显微光谱仪，对太阳光全光谱中不同波段的光对光合作用产氧量的影响进行研究(该显微光谱仪是由卡尔·蔡司为恩格尔曼最新设计制作的。1889年，恩格尔曼单独写了一篇文章介绍这台显微镜的设计、原理以及使用。该光谱仪由照明系统、一个聚光透镜、棱镜以及物镜组成，可以观察到极细光束下好氧细菌的密度变化)。在实验中，恩格尔曼通过仪器在载物台处投射出连续光谱，并将样品放置于连续光谱区域[5]。在开始实验之前，用纯氢气处理以除去微室中的氧。当藻类被照射时，细菌沿着氧梯度游动到光合作用产生最大量的氧的区域。细菌的积累开始于波长为650～680nm的红色区域，并继续进入橙色区域(590nm)和紫色、蓝色区域(480～490nm)。恩格尔曼用不同的藻类做了实验，经测量显示： 刚毛藻属，羽纹藻属和颤藻属的氧气产量最大值处于在660～680nm波长区域处，伊乐藻属在约570nm处的氧气产量为最大值[5]。

2.4 利用好氧微生物定量的研究光能的吸收转导 恩格尔曼在光谱实验中，首先确定了光合作用的作用光谱，并通过仪器调节，使放置样品的狭缝区域和平行空白对照的狭缝区域的光强度相同[6]。然后，将藻类置于样品区域，通过对比两个区域中光强度的差别，计算出光的吸收量。在进一步测定、比较藻类细胞中含叶绿素区域和无叶绿素区域光的散射损失的基础上，恩格尔曼总结得出： 在光照和CO2存在的量确定的实验条件下，不同的藻类，在不同的光谱波段下，光照吸收量和产氧量的比值(用细菌积累量衡量)是常数。恩格尔曼还注意到叶片的厚度对光合作用的影响。他将一个厚度为0.028mm的刚毛藻细胞放在光谱的不同位置(即细胞表面朝上和细胞表面朝下)，然后测量相对氧气释放量的数据。尽管恩格尔曼还不能确定光量子的输入与O2产生的确切比率，然而，他知道在光谱的各个区域的光的不同强度和光散射的损失。他在当时利用微光谱来测量藻类细胞中光能的吸收和转导已是很大的突破。

3 启示

恩格尔曼作为一位主要研究肌肉及其兴奋的生理学家，在肌肉生理学方面有杰出贡献[7]，同时，他开创了光合作用中“光”因素的研究，包括光谱的不同波段对光合作用影响以及光能的利用率等方面。恩格尔曼在光合作用方面的研究成果给后人的启示是： ①兴趣是最好的老师，恩格尔曼对微生物持续不断的仔细观察实验始于其青少年时代的兴趣爱好；②作为一名生理学家去研究光合作用与他关注科学前沿和研究热点密切相关；③实验设计环节呈现极强的内在联系，环环相扣，脉络清晰；实验过程坚持严谨的科学态度，不放过任何微小的发现；④学科交叉，利用简单又巧妙的方法推动研究工作的开展[8]，特别是运用好氧细菌去测定光合作用所释放出的氧气；⑤运用当时最新的光学仪器进行精细的量化研究，定制的显微光谱仪器为他进行最适光谱和光的吸收转导的定性研究提供了可能。