于是，年轻的费雪就带领一个实验小组，对叶绿素分子的结构进行测定。由于这项工作十分复杂，要一点一点地分离，一次一次地测量，来不得半点浮躁和粗心，因而有些成员沉不住气了，就半途而废，先后退出了实验小组。然而，费雪并不气馁，他几十年如一日，孜孜不倦地坚持实验。他像工人拆卸机器零件那样，把叶绿素一部分一部分提取出来分析、研究，终于发现叶绿素是由四个叫吡咯的小环组成的一个叫卟啉的大环〔吡咯bǐ luò、卟啉pǔ lín〕，大环的中央有一个镁原子。这就好像机器的四个零件组成一个总部件，零件之间用镁做“桥梁”彼此连接起来。正是因为有了它才使“工厂”的动力太阳光能像运输卡车那样一辆辆地通过镁“桥”，送往“车间”，把“机器”发动起来，进行生产。
费雪还发现，植物叶绿素的结构和动物血液中的血红素结构几乎一模一样，只是叶绿素的中心是镁原子，而血红素的中心是铁原子。这个有趣的现象告诉我们：动物和植物有共同的祖先。后来，由于环境和生活方式的改变，促进了生物的进化，才使动植物分家。在这两种重要的色素结构中，只是换上各自需要的不同“桥梁”，履行不同的功能罢了。
费雪在测定叶绿素结构的过程中，光是实验的原料就用了几十吨；每一个实验成果的取得都要通过几百个化学反应，经过几千道关口。他力求采用当时最先进的方法进行实验。有时候，他为了测定一个反应数据，竟要用上几个月的时间。就这样，费雪勤勤恳恳，不知疲倦地奋斗了30年，才把这个号称“头等化学难题”——叶绿素的结构攻下来了。这中间凝结了科学家的多少心血啊！难怪他在1930年接受诺贝尔奖金的时候，激动地掉下了晶莹的泪珠。
化学合成大师
叶绿素的内部结构研究清楚以后，科学家们又集中攻破了关于人工合成叶绿素的新课题。是谁走在前边呢？美国化学家伍德沃德经过几年的苦心钻研，破天荒地合成了叶绿素。
伍德沃德继续费雪的实验，运用现代先进的科学技术，先后合成了四个吡咯小环，然后，像高级焊接师那样，小心翼翼地把四个吡咯环“焊接”在“镁桥”上。这部奇妙的“机器”十分娇嫩，连接每个“零件”和“部件”都必须十分小心，有条不紊，一丝一毫也不能有差错，否则，就得全盘返工。伍德沃德在合成叶绿素的过程中，还发明了许多试剂来保护和检查每一道工序。经过四年的奋战，终于在1960年人工合成了叶绿素。人工合成的叶绿素和从绿叶中提炼出来的叶绿素不但物理、化学性质相同，而且还有同样的生物和光合作用的活性。
伍德沃德被人们称颂为“化学合成大师”。叶绿素的合成和胰岛素、核酸的合成一样，是近代有机物合成的三大成就。
伍德沃德所以能取得辉煌的成就，是和他从小立志做个化学家分不开的。
伍德沃德出生在美国波士顿一个职员的家里。他从小就立志向富兰克林、爱迪生等前辈科学家学习。念小学的时候，他就酷爱化学，常把零用钱节省下来，购买化学药品和简陋的仪器，在家里的地下室，办起一个小小的“实验室”。假日，他就一头钻进实验室，专和试管、烧瓶、药品打交道，沉醉在这个有无穷乐趣的小天地里，甚至往往忘了吃饭。进中学，他就赢得了“小化学家”的浑名。大学一年级时，他在化学方面显示了独特的才能，被当时麻省理工学院的教授称为出类拔萃的化学天才。
40年代，他最先合成了治疗疟疾的特效药奎宁，后来又合成了番木鳖碱，从而崭露头角。50年代，又合成了胆固醇。到了60年代，他成功地人工合成了叶绿素。1965年他荣获了诺贝尔化学奖金。
当时，有人问他成功的秘诀，他郑重地说：“缜密规划，力促其成。”也就是说，在进行研究之前，要认真总结前人的经验，周密部署，订出规划，并且利用一切先进的工具、仪器、方法等等。这句话应该成为科学工作者的座右铭。
从威尔斯塔特提取叶绿素、费雪测定叶绿素结构到伍德沃德巧夺天工地合成叶绿素，经历了半个多世纪，科学家呕心沥血，艰苦奋斗，才逐步揭开“绿色工厂”的秘密，特别是叶绿素合成，为人工模拟绿色植物的光合作用开辟了光辉的前景。
在植物体里，由叶绿体合成叶绿素。合成的步骤和动物血液中的血红素合成很相似。只不过合成叶绿素需要加入一个镁原子。可是，叶绿素的生物合成跟铁也有关系，当培养植物的土壤中缺乏铁的时候，叶绿素就不能合成，叶片上出现“缺铁现象”。如果往叶片发黄的盆花里加入一些硫酸亚铁，叶片就慢慢地恢复绿色了。至于铁在什么步骤以什么形式参与叶绿素合成的，目前还不清楚。
希尔试验
叶绿体在叶片细胞中，只要有太阳光，它就能正常生产。能不能把它从绿叶中搬出来生产呢？
19世纪中期，有许多科学家力图把叶绿体从活细胞中分离出来，看看它能不能继续生产。可是，实验接二连三地失败了。他们发现叶绿体一旦离开活细胞，就不能吸收二氧化碳，也不能放出氧气，光合作用立即停止。于是，有人振振有辞地说：“叶绿体只有在上帝创造的生命体内，才能赐给众生食物。”
年轻的英国科学家希尔，不相信这种宗教胡说。但是，叶绿体从细胞中分离出来以后，到底还能不能继续进行光合作用呢？他决心进一步研究这个问题。
1939年秋天，希尔采集了几十片野芝麻的绿叶，细心地撕去叶脉，把叶子切成碎片，放进研钵中，加上30毫升食盐磷酸盐溶液和少量的石英砂，用力研磨后，用两层纱布滤去残渣。把滤过液装进试管，在小离心机上旋转半分钟，然后除去砂粒和碎叶片。再把剩下的滤过液离心旋转以后，在试管下部沉淀下来的就是叶绿体了。最后，再取5毫升的食盐磷酸盐溶液，把叶绿体倒进去，叶绿体就悬浮在盐溶液中，从而做成了叶绿体悬浮液。
接着，希尔用两只试管，各装进2毫升叶绿体悬浮液，再分别加进去1毫升黄色的草酸铁溶液。然后，把一只试管放在阳光下照射，另一只放在暗箱里。3分钟以后分别取出，放在沸水中加热两分钟，再放进离心机里旋转，使叶绿体沉淀。
取出试管以后，看到照光的溶液变成了桔红色，而暗箱里的那只试管颜色没变。桔红色的溶液是什么呢？原来，阳光照射叶绿体以后，经光合作用放出的氧和草酸铁进行了化学变化，使得黄色的草酸铁变成了桔红色的草酸亚铁；在暗箱里的叶绿体没有进行光合作用，所以试管里的颜色没改变。同时，希尔还测到了在阳光下的那只试管里放出了氧气，不过数量很少。这个轰动世界的“希尔实验”证明：“车间”搬出来以后照常可以生产。
不过，美中不足的是，希尔在提取叶绿体的时候，把叶绿体的外被膜也就是“车间”的“围墙”给破坏了，进行卡尔文循环的酶流了出来，这样就不能和二氧化碳结合了。以后，科学家们细心地用种种方法保护了叶绿体，在试验过程中不使“围墙”破坏。这样搬出来的“车间”，还是能够和二氧化碳进行化学变化的。
希尔把叶绿体从细胞里搬了出来，这在光合作用的研究中起了突破作用。首先是他把细胞给打开了，这对于后来深入地研究光合作用内部反应的各个环节，都起到了开路先锋的作用。
四、一项重大的研究课题
二百多年来，世界上许多科学家为了揭开光合作用的奥秘贡献了毕生的精力。不过，人们对于绿叶的光合作用，现在也只是知道一个粗略的轮廓，许多细节还不很了解。要想更深入地探求光合作用这样一个重要的自然现象的全部奥秘，还需要几代人长期不懈的努力。
光合作用是在一个很精致、很复杂的“工厂”中进行的。各种植物的“绿色工厂”的设备和装置也不完全一样，科学家们正在探索不同植物的“工厂”特点，分析“工厂”中的各种设备，力图抓住其中的关键环节，用遗传学知识提高现有农作物等的光合作用效率；并通过对“绿色工厂”设备的详细解剖和分析，在掌握它的生产原理以后，用现代化学、物理和工程学的知识来仿效它，以便高效率地生产品质最优良的产品。这是多么富有魅力的目标啊！
那么，当前科学家们对于光合作用的研究，正在开展哪些重大的研究课题呢？
变三碳植物为四碳植物
20世纪60年代，美国科学家发现植物可分为三碳植物和四碳植物两类。所谓三碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有三个碳原子的化合物，这类植物比如水稻、小麦、大豆、天竺葵等等。而四碳植物，是指二氧化碳进入绿叶以后，先形成一个含有四个碳原子的化合物，这类植物比如甘蔗、玉米、高粱等等。
科学家是怎样发现三碳植物和四碳植物的呢？
60年代初期，美国科学家用天竺葵做实验，发现在光照下，叶片吸进的氧气很多，放出来的二氧化碳也很多，科学家把这种现象叫做光呼吸。天竺葵的光呼吸是比较高的，但是光合作用的效率却很低。
到了60年代中期，他们又发现另一种植物甘蔗的光呼吸很低，甚至几乎没有光呼吸，可是它的光合作用效率却很高。这是怎么回事呢？
经过科学家的进一步研究，发现甘蔗叶片内的维管束部分有皇冠状的细胞组织，这种独特的结构和二氧化碳的结合能力比较强。比如，中午阳光比较强的时候，气孔开得很小、尽管吸进来的二氧化碳含量减少，但是光合作用能够照常进行。而天竺葵、小麦等就不是这样，平时，它们的气孔开得很大，这样就不能适应强光的照射，体内的水分都被蒸发到周围环境中去了，所以一到中午，气孔就关闭，叫做小麦“午睡”，需要等到太阳斜射的时候、叶片再恢复光合作用。
科学家还发现，四碳植物甘蔗进行光合作用的时候，还有一套比较复杂的酶系统和二氧化碳结合。具体讲，有两种酶和二氧化碳结合的很紧密：一种是二磷酸核酮糖羧化酶，另一种是磷酸烯醇丙酮酸羧化酶。这两种酶都能把一丁点儿的二氧化碳尽快地送进“车间”。所以，在同样的条件下，甘蔗光合作用的效率比小麦高。
更有趣的是，那些长期生活在沙漠里的仙人掌，可称是景天科植物中的佼佼者了。白天，沙漠奇热，它惜水如金，紧闭气孔；一到晚上，气孔敞开，由一种酶把二氧化碳先运到细胞的液泡中，暂时贮存起来。等到白天，在强烈的阳光下再“闭门生产”。这时候，二氧化碳再源源不断地从液泡运到“车间”。科学家发现仙人掌负责和二氧化碳结合的酶，同四碳植物的酶一样，都是结合能力很强的酶。二氧化碳进入仙人掌的绿茎以后，也是先形成一个含有四个碳原子的化合物，但是又和甘蔗、玉米等四碳植物不同。甘蔗是在白天进行光合作用，直接利用二氧化碳作原料，不需要在液泡里暂时贮存。
从以上和二氧化碳产生不同变化的植物类型来看，四碳植物的光合作用效率比三碳植物高，所以，世界上许多农业专家、生物学家都力图把三碳植物变成四碳植物。从不同植物具有不同的光呼吸，科学家们得到启示：想办法降低光呼吸作用来提高光合作用效率。但是，做了许多实验都没有成功。经过研究，现在自然界中的四碳植物，大约有一百多种，大多都是起源于热带的植物；其余的基本上是三碳植物。科学家正继续探索三碳植物变成四碳植物的途径。
大约到70年代初期，美国科学家又发现在滨藜科的植物中，既有三碳植物，又有四碳植物。
他们用这两种植物进行杂交实验，也就是让三碳植物和四碳植物进行异花传粉。结果，在后代植株上面，表面看起来像四碳植物，实际上，四碳植物的优点却没有了。分析主要原因是由于三碳植物和四碳植物的内部结构和功能不同。从这个实验说明用杂交的办法目前是不行的。
科学家认为，解决这个问题最有希望的办法是基因移植，也叫做遗传工程，这样才有可能提高低光呼吸植物的光合作用效率。
什么是基因呢？平时，你所看到的植物各种各样，有的高，有的茎细，有的花小，有的果大等等，这些叫做不同的性状，而且这些性状可以遗传下去。是谁控制着生物体中多种多样的性状呢？原来，在细胞核里有许多棒状的染色体，在染色体上面就排列着许许多多基因，一个基因控制着一个性状。因为基因可以一代一代地遗传下去，所以生物的性状也就跟着遗传了。
随着现代生物学的发展，科学家能够运用一种专门的技术给生物细胞做“手术”，把基因从一个生物体的细胞里移植到另一个生物体的细胞里去。这个专门技术叫做遗传工程。如果把四碳植物的遗传基因移植到三碳植物里面，这样，三碳植物也就像四碳植物那样长出先进的“生产设备”，从而大大提高生产效率。如果能做到这一点，“绿色工厂”合成的产品，就可以翻几番，地球上就可以增加多少亿吨的粮食。
开发能源的新途径
目前，全世界每年大约耗费煤炭等能源物资几十亿吨，1979年，美国单石油一项就消耗九亿两千四百万吨之多。如果按这个速度耗费，要不了二百年，地下贮藏的石油、煤等能源就要消耗殆尽。所以，科学家正在千方百计地寻找新能源。
探索光合作用的秘密，是开发能源的理想办法之一。
大家知道，太阳光是用之不尽，取之不竭的能源，水也是最丰富的资源。如果能像“绿色工厂”那样，吸收太阳光来分解水，把水变成氢气和氧气，那该是多么理想的办法！氢气是不污染空气的良好能源，现在一般用电分解水得到它，还要消耗大量的电源。所以，模拟光合作用用光来分解水是重要的方向。
人类有没有办法实现这个理想呢？
这，乍看起来似乎十分困难。因为通常绿色植物利用太阳光分解水总是放出氧气和生成还原态氢，再用还原态氢去还原二氧化碳，生成碳水化合物，而不会放出氢气来。
然而，人们通过长期的观察和研究，也找到一些植物用光分解水以后是能放出氢气的。比如，有一些藻类——绿藻、红藻和蓝绿藻等等，它们身上就有一种特殊的放氢酶。人们把它们放在无氧条件下培养一个时期以后，在光照下就可以产生氢气。虽然这些植物产生氢气的量很少，而且放氢的速度也慢，但它毕竟给人类仿照植物的光合作用来分解水作出了启示。
1973年，美国科学基金会特别拨出一笔经费，成立专门研究小组，研究如何仿照“绿色工厂”分解水制取氢气和氧气的办法。经过努力，果然有所突破。研究小组提出用叶绿体和放氢酶联合作战的方案来光解水。他们从菠菜叶子中提取叶绿体，从梭菌体内提取放氢酶，把它们混在一块，再加进一个能传递电子的化合物——甲基精紫。然后，把它们安置在无氧的环境中，经过太阳光的照射，结果，很快地放出了氢气。
