生 命 奇 葩-第6部分
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——光合作用的发现
在我们生活的地球上,生长着无数的绿色植物,这些绿色植物对于人类
有着重要的价值,它们就像一座奇妙的“绿色工厂”。在绿叶这个“车间”
里,通过叶绿素这架“机器”,利用水和二氧化碳为“原料”,加上阳光作
为“动力”,生产出了供全世界50亿人口、上百万种动物直接或间接赖以生
存的“产品”——氧气和淀粉等碳水化合物。这就是人们已经非常熟悉的绿
色植物光合作用的原理。然而,揭示“绿色工厂”之谜的过程,却历经了200
多年的漫长岁月,倾注了几代人毕生的精力。
拉开历史的帷幕,我们回到遥远的17世纪。1629年,荷兰科学家海尔
蒙做了一个很有意思的实验:柳树是“吃”什么长大的,试图以此揭开植物
靠什么生长之谜。他把一棵重2。25千克的柳树栽到一只装有90千克泥土的
桶里,然后只浇雨水,不加任何其他东西。5年以后,小柳树长大了。海尔
蒙把柳树挖出来,抖干净泥土,称一称重量,柳树竟长到85千克,而晒干以
后的泥土重量只减少了约60克。显然60克泥土是“变”不出80多千克柳树
的。那么柳树究竟是“吃”什么长大的呢?因为除了泥土之外,柳树得到的
唯一的东西就是水。这样,海尔蒙为我们找到了“绿色工厂”开工的原料之
一——水。但是,海尔蒙的认识却只限于这一点。那时,他还不知道光合作
用是怎么回事,而给人们留下了继续探索的问号。
1771年8月的一天,一向对气体感兴趣的英国化学家普利斯特列做了一
个实验。他在一只大瓶内点燃了一支小蜡烛,然后将瓶口盖住。过了一会儿,
蜡烛熄灭了。这时,他把一只小白鼠放进瓶内,小白鼠很快死去。当时,普
利斯特列认为燃烧后瓶中的空气变“坏”了,所以小白鼠死了。普利斯特列
设想了很多使燃烧后的“坏”空气重新变好的方法。他设想用水来净化空气,
但没成功。他又想用植物来试试。他在蜡烛燃烧后的瓶子里放进一根活的薄
荷枝,几天以后,薄荷枝长得很好,叶子也平展展地伸开来。再放进一只小
白鼠,盖上盖子,小白鼠也欢快地跑来跑去。一枝小小的薄荷枝居然有如此
奇妙的本领!于是,普利斯特列认为:植物能把燃烧后变“坏”的空气再变
好。他喜出望外地把自己的实验写成论文,告诉世人:绿色植物可使燃烧后
的“坏”空气变好,这种好的空气是动物和人生存所需要的。
普利斯特列虽然还不知道他发现的气体是什么,但他确实找到了“绿色
工厂”的产品之一——氧气。
普利斯特列的意外发现像长了翅膀,立刻传遍了四面八方,引起了许多
人的兴趣,人们纷纷重复他的实验,但得到的结果却不太一样。有的时候绿
色植物能把坏空气变好,有的时候却不能。普利斯特列也在重复着自己的实
验。有一次,当他参加庆祝会回来时,已经是快深夜了,兴奋使他失去了睡
意,他点着蜡烛,重复做起了他的实验。这一次他却得到了相反的结果:小
白鼠在放进一根薄荷枝的坏空气里,很快便一命呜呼了。这令普利斯特列非
常费解。
就在人们百思不得其解的时候,荷兰医生英杰豪斯的实验为人们打开了
天窗。1779年,英杰豪斯在伦敦近郊租了一所别墅,在整个夏季的3个多月
里,他做了500多次实验。他用一个盛水的大烧杯,把绿叶或水草浸在水里,
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水草上面扣上一个玻璃漏斗,漏斗管上再倒扣一个试管 (这一装置就如同中
学生物学课本中“光合作用产生氧气的实验”装置一样)。然后,他把这个
大烧杯放到阳光下,不久,漏斗里就有小气泡上升,等试管里收集了一大半
气体后,他就用带火星的小木条放到试管中,顿时木条复燃,而且火焰很亮。
如果把这个实验放在暗处做,漏斗中就没有气泡产生。他发现自己似乎得到
了这样的结论:植物只有在阳光下才能把坏空气变好,而在黑暗中却不能。
为了进一步证实这一点,英杰豪斯做了大量的观察和实验。他分别选取房屋
的阴面和阳面,高楼或树木的阴影下,太阳光升到地平线后,夕阳西下以后,
晴天或阴天等等各种不同的条件,反复多次进行研究,结果都是相同的,即
太阳光参与了绿色植物把“坏”空气变好的活动。
至此,普利斯特列实验的真相大白:空气变好变坏的关键,在于绿色植
物是否得到阳光的照射。同时,“绿色工厂”开工的“动力”问题得到解决。
英杰豪斯的实验结果是令人振奋的,但他最终还不能解决另一问题,就
是,在封闭的瓶子里,小白鼠和绿色植物为什么能够长期共存呢?绿色植物
以什么作为自身的营养物质呢?回答这个问题的是瑞士的牧师谢尼伯。
谢尼伯虽然以传教为业,但对于植物学却非常感兴趣。他继续研究着普
利斯特列和英杰豪斯的实验,直到3年后的1782年,他才发现植物在阳光下
不仅能使“坏”空气变好,而且能够把坏空气作为自身的养料。这样,封闭
瓶中小白鼠和绿色植物长期共存的问题立刻迎刃而解。“坏”空气(即二氧
化碳)作为“绿色工厂”开工的另一基本“原料”开始得到承认。
这样,“绿色工厂”的“原料”、“动力”和“产品”三大秘密由不同
国籍、不同职业的人,通过辛勤的劳动相继揭开了。然而,“绿色工厂”的
另一个重要的“产品”——淀粉又是怎样被认识的呢?
德国植物生理学家朱里斯·萨克斯是认定淀粉是“绿色工厂”的“产品”
的第一人。朱里斯·萨克斯是一个酷爱植物的科学家,他对植物的生长和生
活习性特别感兴趣。一天清晨,他在给花草浇水时,望着千姿百态的绿色植
物沉思:如果绿色植物的“工厂”真的开在叶片里,那么叶片里一定有其合
成的化合物,如果这化合物是淀粉的话……淀粉通常不溶于水和酒精,但一
遇到碘,就会显出蓝色来。为何不试验一下,验证这叶片里到底有没有淀粉
呢?
他摘下几片天竺葵的叶子,把它们洗干净,放到盛有酒精的烧杯里加热,
使叶肉里的叶绿素溶解在酒精中。这时,叶片变成了黄白色,再用水冲洗一
下,滴上一滴碘酒,果然叶片显现出了蓝色。朱里斯·萨克斯高兴得跳了起
来,他证实了“绿色工厂”就开在绿叶里,并且它的“产品”之一是淀粉。
当天晚上,他就选取了一盆天竺葵,开始了更进一步的实验。他用不透
光的小黑纸片把一片绿叶遮蔽起来。第二天,把这盆天竺葵放在阳光下照射
几小时。然后,他把被黑纸片遮蔽的叶片和没被遮蔽的叶片同时摘下,也用
上面的方法进行实验。结果,滴上碘酒以后,没有遮光的叶片变成蓝色,而
遮光的叶片显现黄色。这说明植物要制造淀粉,必须借助阳光。
接着,朱里斯·萨克斯循着瑞士牧师谢尼伯的思路,即绿色植物既能把
坏空气变好,又能把坏空气当作自身养料这一结论,用简陋的实验证明了这
个“坏”空气(二氧化碳)就是植物制造淀粉的必需原料。
这样,朱里斯·萨克斯以三个关键性的实验,总结了19世纪以前科学家
对“绿色工厂”的探索,进一步验证了海尔蒙、英杰豪斯、谢尼伯分别提出
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的关于水、二氧化碳和阳光是“绿色工厂”必需条件的理论是正确的。
直到1896年,法国科学家贝尔纳斯才在前人的研究基础上,给绿色植物
这一独特的生理化学过程命名为“光合作用”。光合作用用化学语言来表达
就是:
纵观科学家探索“绿色工厂”之谜的历史,我们可以知道:一个人要在
某些方面取得成就,总是离不开前人所打好的基础。科学是有继承性的。正
如牛顿所说:“如果说我比别人看得远些,那是因为我是站在巨人肩上的缘
故。”
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人是由“猴子”变来的
——达尔文创立进化论
1831年12月27日,一艘英国海军所属的皇家勘探船贝格尔舰由英国德
翁港向着美洲大陆扬帆远航了。贝格尔舰将进行一次环球航行,主要任务是
测绘南美洲东西两岸和附近岛屿的水文地图,完成环球各地精确的计时测量
工作。船上有一位年轻的博物学家,他就是后来成为伟大的进化论奠基人的
查尔斯·达尔文。他在这次环球旅行中的主要任务是考察了解各地的地质和
动植物资源情况。当时的达尔文还只是位刚从神学院毕业的年轻的博物学
家,为了得到这次机会,他几经周折,说服了固执的父亲,终于踏上这满怀
希望和幻想的旅程。他实在太想认识这纷繁的世界,了解这充满神秘色彩的
大自然了。
达尔文1809年2月12日出生在英国塞文河畔的一个名叫施鲁斯伯里的
小镇上,父亲是当地一位有名望的医生,祖父是位博物学家。达尔文从幼年
起就对自然科学有着特殊的爱好。7岁时,他就开始搜集植物和昆虫。8岁时,
他进了镇上的一所小学读书,第二年便转入一所中学——巴特勒博士学校读
书,这个学校只教一些古代地理、历史和一些难懂的古典语言,达尔文对这
些课程毫无兴趣,只对诗歌还比较爱好,所以他也只是个成绩很一般的学生。
然而,在课外学习中达尔文却是一名勤奋好学的好学生。他向一位家庭
教师学习几何学;向叔父学习气压计的原理。除了学习自然科学,他还饶有
兴趣地阅读了各种各样的书籍,如莎士比亚的历史剧和各类诗歌,他祖父所
写的《动物生理学》,以及孩子们都喜欢的《世界奇观》等等,心中产生了
对自然科学的兴趣,希望将来有一天能到遥远的地方去考察。
博物学是动物学、植物学和地质学的总称。小小年纪的达尔文,对博物
学有着浓厚的兴趣。在学校生活的早期,他就狂热地搜集昆虫和植物,并想
给它们分类。他甚至对植物的变异也产生了极大的好奇心。
有一天,他拿着一朵花到学校,遇到一位叫赖顿的同学。
“告诉你一个秘密,我能改变花的颜色。”达尔文很神秘地说。
“是吗?你用什么办法呢?”赖顿有些怀疑,但很感兴趣地问。
“我用不同颜色的水浇花,就可以开出不同颜色的花朵。”达尔文笑着
回答。
可事实上,他从未实验过,这只不过是一种想象而已。
10岁时,达尔文到威尔士海边玩耍,遇到一些大昆虫和许多飞蛾,这是
他在城里从未看到过的。于是,他被这些昆虫迷住了。他想:“这些昆虫和
城里的昆虫种类不同吗?这里为什么会有这么多昆虫呢?”他仔仔细细地观
察它们,并下决心开始搜集所有能找到的昆虫。
他还搜集各种各样的东西,如贝类、钱币、矿物、书信的印章等。他的
小卧室简直成了一个小型博物馆。在每一件“展品”上,他都仔细地拴上了
标签。
在学校生活的后期,达尔文特别喜欢打猎,尤其喜欢打鸟。可他打鸟并
不是因为好玩,而是为了搜集鸟类。他认为搜集鸟类是最高尚的活动。他还
特别喜欢观察鸟类的生活习性,常常天不亮就去寻找鸟和鸟蛋,并对它们的
生活习性做记录。
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达尔文对博物学的热爱,得到了舅舅的鼓励和支持。他告诉达尔文:“只
做个摘记是不够的,你可以把自己当作一个画家,但还要使用文字,而不光
是用画笔与颜色。当你描述一种蝴蝶,甚至一种苔藓的时候,你必须使别人
能够根据你的描述,立刻辨别出这种东西来。”在达尔文16岁生日时,舅舅
还送给他一本《塞尔伯恩博物学》,这使他兴奋不已,更加酷爱自然科学。
对自然科学的广泛、特殊的兴趣,对达尔文后来研究生物进化问题非常
重要。因为在科学的道路上,兴趣是获取知识的动力。有了兴趣,就有了求
知的激情,就会产生强大的毅力,去探索大自然无穷无尽的奥秘。
1825年秋天,年仅16岁的达尔文遵从父命,到爱丁堡大学学习医学。
可由于教授们的课大多讲得极其乏味,激发不起达尔文的兴趣。他甚至不忍
心看到对一个孩子施行截肢手术。但他对博物学的爱好和兴趣依然不减。由
于他“不务正业”,违背父亲的心愿,在爱丁堡大学度过2年后,父亲又不
得不把他叫回来,重新安排他的前程。
父亲决定让他将来当一名乡村牧师。经过一番补习后,又把他送进了剑
桥大学基督学院。这就意味着他将要成为一个虔诚的基督徒。达尔文想,当
一名牧师也好,可以借闲暇时间读书,探索生物界的秘密。
在剑桥的学习是很认真的,他的毕业考试获得了良好的成绩,名列第十,
获得了神学学位。当时,达尔文一点儿也不怀疑《圣经》上的每一个字都是
准确的真理,他成了一名地地道道的神学教徒。
在剑桥大学学习期间,达尔文阅读了洪堡德的《南美旅行记》。洪堡德
是18世纪末到19世纪初的一个伟大的科学探险家,《南美旅行记》是他的
科学考察记�