太阳滋养地球万物,动物晒太阳用来取暖和杀菌,极少数能够利用太阳光合成有用物质,也不是储存太阳能,真正能够储存太阳能的是种类万千的植物。植物被称为食物链的“生产者”,它们通过光合作用吸收太阳中的能量,将无机物转化为有机物并以能量的形式储存。通过亿万年的进化,绿色植物形成了非常完善的从光能到化学能的转化体系,实现了太阳能的高效利用。
正是因为漫山遍野的植物将太阳能储存起来,为生物提供营养,才有了地球上的万物繁盛。那么,植物是怎么储存太阳能的呢?
冬去春来,许多植物在成长之前,大多要先吐出绿叶,然后才慢慢成长。科学研究发现,绿叶正是植物合成新物质的场所,一切的奥秘都隐藏在绿叶当中。
很多植物的叶子直径有三五厘米,三片叠在一起的厚度也只有一毫米左右,这么小的叶子里面究竟隐藏着什么秘密呢?如果把一片叶子的体积放大10000亿倍,我们就会得到一个高度3米、长宽各300~500米的巨大的自动化生物工厂,这个工厂依靠一根直径50米的柱子(叶柄)撑在空中。如果能够走进叶子工厂的内部,就可以亲眼看到里面的秘密了。
从四周边缘看,工厂到处都是拥挤的锯齿状拐角,从叶子工厂的上面看,像是冬天结冰的湖面,有半米多厚无色透明屋顶,屋顶表层是几厘米厚的透明蜡质保护层,透过透明屋顶可以看到同样透明的立式紧密排列的约1米高的碧绿柱状反应器(栅栏组织的细胞)。
转到叶子工厂的下面就有了惊喜,下面是一层强化的透明底板,也有近半米厚,底板平面上几乎每隔1米多就有一个眼睛形状的气孔,可以睁开或闭合,打开时尺寸比马路上的井盖略小。底板之上是近1米厚的浅绿色透明海绵组织,排列较为疏松,透过海绵组织可以看到上层紧密排列的柱状栅栏组织,也可以看到从叶柄延伸而来的树状叶脉。叶脉中除了支撑结构外还有两种管道,一种是用于向叶子中输入水与无机盐的导管,另一种是用于从叶子中输出有机物的筛管。
从气孔进入叶子内部,可以在栅栏组织和海绵组织里,找到形如青提葡萄的叶绿体,每个叶绿体约有三粒青提大小,在每个栅栏组织的柱状反应器中,有几十个到几百个不等。在阳光照射下,叶子中的叶绿体吸收蓝紫光和红光得到能量,其中一部分能量将水分解开来,产生的氧气通过气孔释放到空气当中,另一部分能量与被叶绿体从水分子中捕获的氢,一起用于还原二氧化碳得到葡萄糖,葡萄糖等有机物可以从叶子中的筛管,输送到植物的各个部分供其成长所需。
葡萄糖是重要的生命能量供体,在高等生物生命活动中普遍存在,人类通过食物获取力量,也是通过将食物中的有用组分转化为葡萄糖才得以实现。由此,植物供养万物的奥秘被掀开了一角,人们将植物吸收太阳能制造新物质的过程称为光合作用。
叶子工厂就像人类的无人工厂一样,所有的操作环节都实现自动化控制。适宜的光照强度、二氧化碳含量和温度都是保证光合作用顺利进行的主要因素。当光线过强时,叶子可以通过气孔排出水分而散热,也可以利用叶绿体的聚集降低光的吸收率而避免升温。气孔的开闭总是恰到好处,叶子内部缺少二氧化碳就打开气孔吸收一些,氧气生成后就打开气孔向外释放。发生在叶绿体中的光合作用过程,一直令无数科学家孜孜以求。如果人类掌握了光合反应技术,就可以改变人类食物、能源乃至整个社会结构。
2021年,中国科学家取得突破,成功实现由二氧化碳出发合成淀粉的全部过程,这是人类在模仿光合作用的技术探索中的重大进步。
发生在绿叶中的光合作用与自然界的氧化过程结合,刚好构成一个循环,这个循环使地球上的氧气和二氧化碳含量可以保持相对稳定,不会因为各种氧化反应而将空气中的氧气耗尽。如果没有绿叶,大气中的氧气就会越来越少,许多地球生物将无法生存,人类可能也不复存在了。可以说,阳光洒巨能,绿叶养万物。