Melvin Calvin由于光合作用方面的成就，曾于1961年获得诺贝尔奖金。他已开始一项实验，使他深信可以打开通向真正增长石油或者至少是其代用品的道路。他在培植一种能产生烃的名叫“地鼠”或“鼹鼠”植物（“gopher”or“mole”plant）的普通植物。他深信，这种烃可以像煤、石油和其它现有的烃类一样加以利用。能量捕集过程中的基本转换早已为人们所认识。阳光通过绿色植物把二氧化碳和水转换成碳水化合物和游离氧，Calvin及其同事们对绿色植物的叶绿体内部所发生的过程达到了远为深入的了解。但是，为了做到这一步，他们需要有两种实验工具。这就是直到第二次世界大战后不久才可供使用的核反应堆和纸上色层。前者能以合理的成本生产可用量的各种化学元素的放射性同位素；后者是一种用来分析极少量的很复杂的有机化合物混合物的方法。这两种工具结合一种富有高度想象力的实验方法，为Calvin及其同事们提供了探索绿色植物的单细胞最内部的奥秘的方法。

Ritchie R. Ward

过去几十年，我们已经研究了地球上绿色植物是怎样捕获阳光以及怎样利用阳光把太阳能以化学品形式贮存起来。这些化学品主要是碳水化合物、木质、糖类和植物制造出来的其它宏观物品。

最近100年来我们一直沿用的化石燃料（煤、石油和天然气）全都是太阳作用于远古时代的绿色植物而把太阳能贮存下来的产物。这些活的和死的植物被埋进泥土，随后它们的纤维素转化成我们今天得以随意利用的化石物质。新鲜的光合产物变成什么物质取决于贮存峒室的地质结构。

太阳能固定的这种初级产物需要几十亿年的时间转化成上述极为常用的化石形式。以碳水化合物这种物质形式固定下来的每年太阳能分数也许只占百分之一，而其中进入到煤、石油或天然气的无疑仅有百分之一，故净产率也许只有0.01%。

如果我们能通过某种方法直接把太阳用作能源和物质来源，那么就很有可能以太阳能代替最终必定会被耗尽的化石燃料。

太阳能的确是一项资源。应该认识到：一、太阳在十天时间照到地面的能量就相当于地球上全部探明的化石燃料的贮藏量；二、在北纬40°至南纬40°的地区，一块不到3米见方的面积，当利用率为10%时，便可以满足当前每人平均需要的能量，而这一地区现在居住着世界人口的80%，对能量有着最大的需求量；三、528公里见方的面积就足以供应目前人类对能量的需要。

现有两种收集太阳能的方法：热收集和量子收集。第一个方法使太阳能降级而当作热能利用，比较常规的太阳辐射收集法就是如此；依赖于量子转化的方法还有待于科学的发展。量子收集法利用的是高质量的可见光形式的太阳能。

光合作用是绿色植物捕集量子形式的能量量子并制造食物和物质——例如木质形式燃料的过程。量子转化的光化学方法大都尚未弄清，这是一个需要作大量基础科学研究的领域。

绿色植物中的量子转化靠极小巧的机器即所谓叶绿体进行。叶绿体由许多膜质片层结构所组成，量子转化正是在它的这种一叠叠的层状结构中进行的。人们认为：氧气是在被膜里放出，而二氧化碳则是在膜的外表面被还原。

太阳光量子是怎样对叶绿体被膜发生作用的呢？很显然，有两个大的量子参与复杂的光合电子传递系统。第二个光量子使电子跃迁到很高的能态，足以使电子能够将二氧化碳还原，而留下的正电荷便产生出氧。

这是植物在太阳的轻微帮助下用以由二氧化碳合成葡萄糖的化学路线的主要部分。这种光合作用的基本反应是：6CO₂+12H→C₆H₁₂O₆+3O₂。在Calvin-Benson循环中，RuDP（1.5-二磷酸阿东糖）与二氧化碳化合并通过一个两步过程形成PGA（3-磷酸甘油醛），但若无高能分子ATP（腺三磷）的驱动力，此过程就不会向前进行。有些PGA离开循环作其它工作，一些被转化成磷酸C₃糖，其余的与新生成的C₃糖化合制作磷酸C₆糖（果糖的一种变体）。这些反应需要另一种高能分子即简称NADPH（还原烟酰胺腺嘌呤磷酸二核苷，暗蓝路线）的帮助。光的唯一功能是不断地供给这些高的能量以产生ATP和NADPH分子。这两种化学推动力的分子也能促使氢参加该反应。果糖变体中有三分之一脱离循环参加最后生成葡萄糖和其它碳水化合物的副反应。其余的继续留在循环内制作另外一个RuDP，准备好又与另一个二氧化碳反应。这就回到了这段图解词开头的地方。

大多数植物利用阳光、水和二氧化碳产生碳水化合物，即由碳、氧和氢组成的糖类，而不是只含碳和氢的烃类。糖甘蔗是产生碳水化合物的最有效的植物之一。已经开展大规模的研究工作由能产生碳水化合物的植物中提取燃料，特别是在巴西热带地区更是这样。其具体做法是先榨出糖分，再经过发酵处理产生酒精，后者便可用作燃料。

有些植物能将光合作用进行得更远，产生的是烃类。通称为巴西三叶胶的橡胶树是大家所熟悉的例子。“采割”这种橡胶树皮时所渗析出的橡浆就是含有三分之一的烃和三分之二的水的一种乳浊液。来自橡胶树的烃和石油烃的主要差别在于碳氢原子所构成的分子的链长度；树中的烃的链长度要长得多，因而使它具有橡胶状的稠度。

实际上，有数千种植物能产生合烃的橡浆乳浊液，但从未当作烃类燃料的一种可能来源加以开发。在这类产生橡浆的植物中，有一种被称作大戟属的植物（Euphorbia），其中包括生长在干旱地带的外形像树一样的非洲灌木林。不过，我在加利福尼亚自己的农场里也发现了一种一年生的叫作大戟属的豆科植物（lathyrus plant）或地鼠植物。它和橡胶树一样，也产生含有大约三分之一的烃的橡浆乳浊液。我深信，这种烃可用作石油代用品。

我们立即就扩大了种植这类大戟属豆科植物的实验园地，供实验和育种两用。我们期望收到充足的种子，能在一年或两年后种满大约40公顷土地，然后将有足量的植物供我们实地考察一下这些植物的出烃率和由它们制造燃料的成本。

根据从荒地适当挑选植物和种植的成本进行估算，这些植物造出的石油粗略估价为20美元/桶。马来西亚橡胶园已经使橡胶树的橡浆产率有了惊人的增长，由1945年每公顷230公斤增长到某些试验橡园的4500公斤，而某些试验树种甚至高达9000公斤。

我们在伯克利的研制工作中的主要突破之一，是制作出能够进行某些像绿色植物细胞的天然系统中发生的相同光化合反应的合成膜。植物的天然膜会疲劳失效。而我们制作合成膜的部分原因是要创制一种持久耐用的系统。我们希望这种合成的“光合作用”系统能够制出氢、烃或其它可供直接使用的物质，而不是像天然膜那样也制出碳水化合物、蛋白质、脂肪和核酸。这些膜应能利用阳光使水分解，又能造出氢气，氢气可以贮存起来用作燃料。我们已经制作出一张其正反两面能分别造氧和氢的原型人工膜，因而达到这种必要的分离。

我们已经达到这样的阶段：原则上我们可以制成使两种电荷具有专一功能即一种以氢而另一种以氧的形式消失的这样的人工膜，但尚未详细弄清所产生的正、负电荷的分子性质。

然而我们觉得，研制能为燃料生产和物质生产产生可以不断供给的原料的有效人工光合膜是最有潜力的。我深信，要不了25年，便可以借助其人工膜使光化细胞的效率达到工业化的要求。这种膜将能够年年利用照到地球表面的太阳能来贮藏使用方便、又能不断供给的能量，供人们普遍享用。

（Sciquest 1979年52卷6期）

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Melvin Calvin小传：他毕业于密执安技术大学和明尼苏达大学。是加利福尼亚大学（伯克利）的荣誉教授。Calvin博士不单是诺贝尔荣誉获得者，也是许多其它荣誉包括皇家学会的戴维奖章和美国化学学会吉布斯奖章的获得者。