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诺贝尔奖获得者与儿童对话

为什么树叶是绿的

  你已经在高兴地期待着春天到来了吧?大自然又要变得五彩缤纷了:丁香闪耀着紫色的光,蒲公英闪烁着黄色的光,头一批罂粟花发出红光。只有树上的叶子是绿色的,绿色的,还是绿色的。为什么它们不与各种颜色的花朵争奇斗艳呢?唉,它们有更重要的事情要干呢,它们为此而需要它们的绿颜色。

  这种绿颜色就是叶绿素的颜色。叶绿色能使树木存活和生长,使地上长出新的树木来,而且它们不必吃掉任何别的生物,因为叶绿素能做任何别的颜色都做不到的事情:它把阳光变成电流,从而使纯粹的空气和水变成糖。我们化学家称这一魔术为“光合作用”,这是个希腊词儿,意思是“用光装配”。然后这些绿色植物就使这种糖和它们从地下吸取的别的养料结合在一起,并使植物成长出新的树叶、花朵和果实。

  为了让你懂得光合作用是如何进行的,我得先给你讲一讲光。阳光充满了颜色,如果你不相信,那么你就拿一根浇灌园地的长橡皮水管接通水流,直接向阳光喷射。这样你就能看到光的众多颜色。这些颜色一个个并排挨着,因为光在水滴里互相分开,并在空中画出一条小彩虹。这条彩虹最外边呈现出红色,接着是橙色、黄色、绿色、蓝色,最里边是紫色,这和天空中的那条大彩虹的情形一样。通常你能同时看到光的全部颜色,所以你觉得它们是无色的。但是,光中一旦缺少了一种颜色,你便会看到一种由剩余颜色组成的混合物。如果全部颜色都缺席,那就像黑夜那样一片漆黑。如果只剩下仅有的一种颜色,那么你也就只能看到这一种颜色了。蒲公英呈黄色,因为它把阳光中除了黄色以外的全部颜色都吃掉了。叶绿素是绿色,因为它让除了绿色以外的全部光的颜色都消失了。

  所以我们的肉眼总是只看到某种事物呈现的那种颜色,而其他的颜色到哪里去了呢?它们变了,而且往往变成热量。你只要想一想红光灯,人们将它们悬挂在洗澡间里,它就能使洗澡间很快地暖和起来。特别热的是紫色的光或紫外线的光,即紫外线。你晒太阳太多而得晒斑,这就是你看不见的这种紫外线造成的。

  你现在一定想从我这儿得知,有颜色的光是如何变成热量的吧?那么你就把太阳想像为一个小丑吧,这个小丑不停顿地往四下里抛掷红色、黄色、绿色和蓝色的球。我们科学家称这些球为光子。你再想像现有的一切事物——花、小汽车、衣服或你的皮肤——都充满了小小的跷跷板:每一个跷跷板的一边是空的,另一边放着一个球状物体。如果这个小丑把一个球——也就是一个光子抛向跷跷板的空的一边,所有的被我们称为电子的球状物体便跳往空中。每逢一个电子掉下来时,它便总是往空中吹出一点儿热量。

  在蒲公英里,当然没有什么小跷跷板,然而确实存在着电子。电子存在于一切事物的内核。一旦光照到这些电子并将自己的光子扔到电子上,电子就会上下跳动。在往下坠落时,正如我已经说过的那样,电子总是产生少量的热能。叶绿素可以将这种热量变成电流,就像一座小热电厂!所以植物中有绿色的叶子,而没有玫瑰红色的或蓝色的叶子。这对于各种植物都是至关重要的,因为叶绿素不会使被光旋转到高处的电子简简单单地回落下来,产生热量并消散,而是叶绿素的微粒将电子抛向其邻近的微粒。这颗邻近微粒截住这些电子,将它们继续传递给下一颗邻近微粒,直到这些电子被使用上为止。这只有在阳光照射下才得以进行,而且快得难以想像,即比一秒钟快10亿倍。但是,不用害怕,这时释放出来的电流对你是完全无害的,你感觉不到它。

  为了使这种电流不再丢失,它通过叶绿素为它开辟出的这条道路,穿过墙进入树叶内部。化学物质在墙的另一边收到电能,并用它又制成了一种名叫ATP的物质。这种物质非常重要,因为这种物质可以将能量保存起来,就像硬币那样,保存在一只小钱箱里,直至树叶需要它们——譬如给自己做午饭。假定有人给你送鸡蛋、牛奶和面粉,你一定知道,人们是如何用它们做成一块油煎饼的:先把所有的东西用一个搅拌器搅拌,然后将面团在平底锅里煎得松脆可口。然而,这只有在有了供搅拌器和电灶用的电流时才可以进行。树叶的情况与此相似:它们能够完全免费地从大自然中获取空气和水,并且它们知道如何用它们制造贵重的糖。但是它们也需要能量,以便把各种配料结合起来,提供这种能量的就是ATP。你现在会问我,这一切我是怎么知道的?如果你用放大镜看一片树叶,你就会看见血管、凹槽和结节,但看不见微小的电子和叶绿素微粒。为了看见它们,你就需要一台特殊的显微镜,以便将叶绿素微粒放大一千万倍。在15年前,我的同事们和我用一台X射线的超级显微镜,看见了微小的叶绿素微粒,并且也发现了电子的道路。噢,不完全是这样。其实我们研究的不是树叶,而是细菌,这些细菌和树叶极其相似,也能进行光合作用。

  我们为了生存也需要大量的糖以及蛋白和脂肪。但是由于我们没有叶绿素和ATP,因此不能用太阳能制成能量。我们就必须从食物,譬如从水果、生菜、坚果和其他植物,或者从曾经也吃过某些植物的动物的肉中提取所有重要的物质。你立刻会发现:没有植物是不行的!没有它们,动物和人干脆就会饿死,而且还会窒息死亡!因为连我们生命中必不可少的氧气,也是从植物中获得的。植物在进行光合作用时,用水生成氧气,并将这氧气交给空气。

  在呼吸时,氧气被我们用肺部吸收,并通过血液输送到整个身体的各个部位。你的身体需要氧气,它会用氧气将你所吃的一切东西变为能量:这样你就可以踢足球、骑自行车和进行思维。你的大脑更是需要特别多的能量。现在你也许希望我们人类也能在自己的身体内拥有这种神奇的叶绿素,从而能自己制造糖和氧气。但是,这恐怕并不是一件好事,因为如果你往皮下注射叶绿素的话,你马上就会生命垂危。因为仅仅有叶绿素,而没有将它固定住的墙,并且没有ATP,这是极其危险的。这时候叶绿素只是收集电子,然后就不知道该如何处理它了。那么你的体内很快就会挤满了电子,这些电子会毁坏四周的一切,从而严重地伤害你的身体。另外,太多的变得无秩序的电子,也会在完全健康的绿色树叶里胡作非为。如果烈日炎炎,叶绿素就不能足够快地加工这些众多的光能。但遗憾的是,树木不可能像我们这样保护自己,使自己免受阳光暴晒。所以黄色的、橙色的和红色的叶色素便发生作用。它们干脆让多余的电子回落到原来的位置上,致使这些电子的能量,通过热能的形式消散掉,免于造成任何损害。

  在整个夏天,这些起防暴晒作用的各种颜色都蕴蓄在树叶里,但是它们的颜色被许许多多的叶绿素覆盖住。它们在秋天里变得尤其重要,因为一棵树在扔下它自己的叶子之前,它早就先将这些宝贵的叶绿素变成各种各样的物质,并将其储存起来供以后使用。随后树叶的绿色终于完全消退,别的色素就开始呈现出来,所以秋天的树叶才会闪耀着美丽的黄色、橙色和红色。

  (本文作者:罗伯特·胡伯尔,1937年2月20日出生。德国生物化学家。由于他测定了对细菌的光合作用至关重要的蛋白质复合物的结构,与J·戴森霍费和H·米歇尔共获1988年诺贝尔化学奖。)

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