绿色分子

我们从小就被教育，当人类吸入氧气和呼出二氧化碳时，植物会帮助吸收二氧化碳，并排出新鲜的氧气。不久之后，我们发现这些相互支持的过程是由两个惊人相似的分子驱动的——血红蛋白和叶绿素。

科学家们试图破译叶绿素的结构和生物作用的故事充斥着诺贝尔奖得主，2015年是诺贝尔奖的百年纪念理查德Willstatter他因确定叶绿素的组成而获得诺贝尔化学奖罗伯特。伍德沃德同样因为完成了它的合成而获得荣誉。

为了理解这些成就的重要性，我们需要更早地开始讲述这个故事。18世纪的几位化学家和植物学家——包括英国人斯蒂芬·黑尔斯和约瑟夫·普利斯特利、瑞典人卡尔·舍勒、荷兰人扬·英根豪斯和瑞士人让·塞内比尔——观察到，当绿色植物暴露在阳光下时，它们会补充维持动物生命的那部分大气。

19世纪初，安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)的燃烧氧理论被普遍接受，这一过程得到了进一步的关注。另一位瑞士人Nicolas-Théodore德索绪尔(de Saussure)的定量实验证明，生长中的植物从大气中的二氧化碳中获取碳，但它们是如何做到这一点的仍然是个谜。

早期提取尝试

1817年，法国化学家皮埃尔·佩尔蒂埃(Pierre Pelletier)和让·卡文图(Jean Caventou)将他们从树叶中提取的绿色色素称为叶绿素——这个名字源于古典希腊语中绿色和叶子的意思。在接下来的几十年里，包括Jöns瑞典的Jakob Berzelius和英国人Edward Schunk在内的领先化学家试图净化和分析这种物质(以及其他彩色蔬菜产品)。

他们只取得了有限的成功，但与此同时，在其他领域也取得了进展。德国植物生理学家朱利叶斯·冯·萨克斯(Julius von Sachs)使用改进的显微镜发现了叶绿体——植物细胞内分泌叶绿素的微小体——盎格鲁-爱尔兰物理学家乔治·斯托克斯(George Stokes)绘制了叶绿素吸收光谱的显著波段。

到20世纪初，人们普遍认为植物利用叶绿素捕获太阳能，将二氧化碳和水转化为糖和淀粉。这个过程，从19世纪90年代中期开始被称为光合作用，可以方便地用一个简化的方程来表示:

6公司₂+ 6 h₂O ?C₆H₁₂O₆+ 6 o₂

破译叶绿素的组成

然而，很明显，植物细胞内发生着比这复杂得多的事情，当Willstätter在1902年开始研究这个问题时，仍有许多问题有待解释。

Willstätter于1872年出生在一个富裕的德国犹太人家庭，1894年在慕尼黑大学以一篇关于生物碱的论文获得博士学位。他继续留在慕尼黑做进一步的研究和教学，最终于1902年被任命为那里的初级教授。第二年，他与索菲·莱瑟结婚，在她1908年过早去世之前，他们有了两个孩子。

在苏黎世和柏林担任高级学术职位后，Willstätter于1916年回到慕尼黑，成为他的前导师阿道夫·冯·拜耳的继任者。第一次世界大战期间，他拒绝了弗里茨·哈伯(Fritz Haber)的邀请，让他研究毒气的攻击性使用，但他确实帮助开发了一种防毒面具，挽救了许多人的生命。

Willstätter在1924年辞去了他的主席职务，以抗议当时在大学里变得明显的反犹主义，他继续与一名前学生私下合作进行研究。1938年，盖世太保一直骚扰他，1939年3月，他逃到瑞士，并于1942年去世。

在1905年至1912年期间，Willstätter在瑞士进行了大部分关于叶绿素的研究。利用各种酸、碱和有机溶剂，他开发了将叶绿素从植物细胞中与其相关的许多其他物质中分离出来的技术，然后将其分解成更小的成分。早期的研究人员已经注意到植物灰烬中含有镁，但他证明了来自极广泛来源的纯叶绿素(包括松针和荨麻)总是含有相同比例的金属——略低于3%。

法国化学家维克多·格里纳德最近开发的有机镁试剂的威力和多功能性向一些观察者表明，镁可能在叶绿素中发挥类似的激活作用。然而，当时人们对光合作用的化学作用知之甚少，无法进一步发展这一假设。另一些人提出，主要反应可能是合成甲醛，然后以某种方式聚合生成碳水化合物。但是在植物中找不到甲醛——一旦接触到甲醛，植物通常会死亡——所以这个想法也没有得到什么支持。

一个令人满意的光合作用化学的解释在以后的许多年里仍然难以捉摸。然而，Willstätter的研究确实表明，仅靠叶绿素不能制造糖——整个叶片都是必需的——因此，他认为其他因素，最有可能是酶，参与了这个过程。他还证明了植物含有两种略有不同的叶绿素分子变体，正如斯托克斯的光谱数据已经表明的那样。(后来在光合藻类和细菌中发现了其他几种叶绿素。)

Willstätter证实了他的叶绿素a和叶绿素b的公式为C₅₅H₇₂O₅N₄Mg和C₅₅H₇₀O₆N₄结果表明，两种分子均含有4个吡咯环，外加一个与长链醇叶绿醇酯化的羧基。但完整的结构仍然没有找到，直到Willstätter获得1915年的诺贝尔奖(和其他几位战时获奖者一样，他直到1920年才获得诺贝尔奖)时，他已经放弃了搜索，忙着研究酶。

结构确认

直到1930年，另一位慕尼黑化学家，汉斯费歇尔，在Willstätter网站的鼓励下接受了这项任务。这是一个合乎逻辑的举动，因为Willstätter已经引起了人们对叶绿素和血红素(血液中的红色色素)之间化学相似性的注意，而费舍尔最近因血红素合成而获得了诺贝尔化学奖。

在1930年的诺贝尔奖演讲中，费舍尔警告说，“叶绿素分子仍然呈现出许多谜团”。在这十年的剩余时间里，他的庞大而组织良好的研究团队一直忙于解开这些谜团。他们就这一课题发表了100多篇论文，虽然无法合成叶绿素，但到1940年，他们已经确定了叶绿素的分子结构。

成功的合成

又过了20年，伍德沃德的哈佛研究小组才最终完成了叶绿素的合成。伍德沃德1917年出生于美国波士顿，在学校时就迷上了化学，并在家里深入学习。

1934年，他进入麻省理工学院学习，第二年几乎被开除，因为他忽视了自己不感兴趣的必修课，而主动从事高级化学研究。

幸运的是，富有同情心的导师们允许他继续深造，当伍德沃德年仅20岁，以一篇关于女性激素雌酮的论文获得博士学位时，他们的想法得到了证实。在哈佛大学进行了一年的博士后研究后，伍德沃德加入了哈佛大学，并在那里度过了他的职业生涯。他的几项研究取得了重大的商业成果，并得到了宝丽来、辉瑞和汽霸-盖基(现为诺华)等大公司的支持。但是，尽管他从这些联系中获利颇丰，但他从未放弃实验室而投身董事会，并一直是他那个时代领先的学术化学家之一。

在朋友和同事的回忆中，他被描绘成一个和蔼可亲但始终专注的人。当一名刚来的英国学生询问假期时，伍德沃德回答说:“嗯，我圣诞节放假。”他的研究团队努力工作，在实验室度过漫长的一天后，经常会在深夜举行头脑风暴研讨会。然而，从积极的方面来看，参与“伍德沃德分子”的合成往往成为通往杰出职业生涯的通行证。

即使考虑到伍德沃德从他忠实的助手军团那里得到的支持，他的个人产出也是惊人的。他通常每晚睡眠不足4个小时，虽然烟酒有助于缓解他繁重的日程安排带来的压力，但工作量似乎已经造成了损害——他的两次婚姻都以离婚告终，他去世时只有62岁。叶绿素只是他众多著名合成物之一，其中还包括奎宁，胆固醇松、马钱子碱、利血平、头孢菌素和维生素B₁₂。

光合作用的化学原理多年来一直难以捉摸

所有这些成就都得益于伍德沃德百科全书般的记忆力——在关键时刻，他经常能从中唤起模糊但相关的反应——以及他愿意采用新的物理调查技术，如核磁共振波谱学。然而，伍德沃德最激进的创新可能是他应用分子轨道理论来预测有机合成的最佳路线。

他所研究的分子通常包含几个不对称的碳原子，但在众多可能的立体异构体中，往往只有一个具有生物活性。因此，根据基本原理设计立体特定合成的能力可以节省大量时间和精力。这种预测技术最终在1965年出版的伍德沃德-霍夫曼规则中正式确立。美国化学家罗尔德·霍夫曼他对这些规则的贡献为他赢得了1981年的诺贝尔化学奖，如果伍德沃德没有在1979年去世，他几乎肯定会分享这个奖。(诺贝尔奖不追授，除非获奖者在颁奖典礼宣布之前去世。)

伍德沃德所有的实践和理论才能都需要在叶绿素合成的迷宫中导航，这涉及55个不同的化学反应。经过四年的艰苦努力(在十几名博士后研究人员的支持下)，他于1960年完成了这项任务，并于1965年获得了诺贝尔奖。

揭示叶绿素的作用

与此同时，加州伯克利的另一个研究小组也在应用同样创新的技术来探索叶绿素在植物代谢中的作用。其领导人,梅尔文卡尔文他曾在二战期间参与过核弹项目，这段经历为他在和平时期使用放射性同位素追踪化学反应的进展铺平了道路。

卡尔文通过将绿藻暴露在有碳14标记的二氧化碳的阳光下启动光合作用，然后在不同阶段通过将混合物倒入热酒精中来停止这一过程。结果产物的色谱分离和放射学测试揭示了碳-14原子沿着反应链移动了多远。

随着时间的推移，叶绿素分子(与叶绿体内的特定蛋白质密切相关)的主要功能变得清晰起来，即为光合作用提供能量。它们通过吸收太阳光子来做到这一点——叶绿素卟啉结构中的许多共轭双键促进了这一操作。捕获的阳光被用于合成高能量分子，比如三磷酸腺苷(三磷酸腺苷)和NADP(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸)。这些物质反过来为一系列不依赖光的反应提供动力。第一种稳定的产物是甘油醛3-磷酸，然后在植物内部合成更大的碳水化合物分子。

加尔文和他的助手(著名的安德鲁·巴萨姆和詹姆斯·本森)在20世纪50年代发表的一系列经典论文中揭示了这一过程，尽管加尔文独自一人获得了1961年的诺贝尔化学奖，但今天这个反应序列通常被称为加尔文-本森-巴萨姆循环。

今天，可能的光合作用替代方案给化学家们带来的挑战和机遇，与一个世纪前的Willstätter，或最近的加尔文和伍德沃德所面临的挑战和机遇大不相同。例如，在美国哥伦比亚大学地球研究所，研究人员正试图制造“人造树”来吸收我们无休止地消耗化石燃料所产生的二氧化碳。

在美国的其他地方，加州的人工光合作用联合中心目前正在开拓利用太阳能从水中释放氢的新技术。但是，即使在复杂的燃料电池中，氢也不是一种理想的便携式能源，因此该中心的最终目标是开发一种商业上可行的太阳能工艺，从水和大气中的二氧化碳中制造液体燃料。

然而，即使这一雄心勃勃的目标被证明是可以实现的，人类仍将(在可预见的未来)依赖叶绿素驱动的光合作用来生产我们呼吸的氧气和我们吃的碳水化合物。考虑到这一点，也许我们应该比目前所做的更好地照顾我们星球上的植物资源。