18世纪中期,生理学家波内曾在著作《植物叶片研究》提到:波内将植物叶片放入水中时可以看到气泡产生,这些气泡应该为水中空气附着叶片并热胀冷缩所导致,由于在沸水中附着在植物附近的气泡就变少,而当波内在水中吹气时,波内解释:让水中充满气体。
这样的情况下将叶子放入水下就能更明显的看见更多气泡,因此波内认为这些气泡是源自水中空气附着所致,而因为太阳给予温暖气泡膨胀而变大所以能够观察。然而这却被荷兰生物学家英格豪斯推翻,因为英格豪斯发现把植物刚到水下不久就有气泡,而水温没有明显的变化,代表气体不是因为温度变化而热胀冷缩所产生的。
一、氧气助燃
经过实验后,英格豪斯发现植物能在有光的情况下就能够制造气体,因此英格豪斯认为波内所发现的水中空气应该是植物所制造出来的。另外英格豪斯利用氧气助燃以及呼吸的感受证实植物制造的气体是氧气,并非波内说的只是一般气体(空气)。瑟讷比埃是含着金汤匙长大的科学家,生于富商家庭,瑟讷比埃早年修习宗教学后被任命为服侍,1769年正式成为瑞士日内瓦的尚西(Chancy)教堂的牧师,1773年转职于图书馆工作。
另一位,拉扎罗是非常杰出的生理学家,由在1779年拉札罗到瑞士附近旅游时到波内于日内瓦外围的住处,瑟讷比埃与拉扎罗就是在那儿认识,由于拉札罗对生理学的兴趣,听完拉札罗的分享后,瑟讷比埃开始对生理学有兴趣并转战于植物生理学。
深受波内的影响,对植物生理学有兴趣后,瑟讷比埃重复波内的实验,把叶片埋入水下观察是否有气泡产生,但即使在有光的条件下,植物在沸水中依旧无法产生气泡(氧气),瑟讷比埃的研究结果不符合英格豪斯所说的植物在有光的条件下可以产生氧气。
因为依照英格豪斯的理论,只要在有光条件下,氧气就能产生,不论在何种水中,如不同温度的水,煮沸过后的水应该都要能产生氧气。瑟讷比埃联想:为什么在一般的水中植物可以产生气泡,但沸水却不行呢?
这让瑟讷比埃把重点放在一般的水,与沸水有何不同呢?瑟讷比埃想起,据前人波内提过,沸水跟蒸馏水中空气极少,让他思考为什么水中的空气变少会导致植物不能产生氧气呢?
二、排水集气法
于是瑟讷比埃假设,植物叶片需要含有氧元素的物质才能够产生氧气,因此一般生水中因为溶有这些叶子产生氧气所需要的原料,也就是含有氧元素的气体,使得叶子可以在生水中产生氧气。
而煮沸过的水则因为原本溶解在水中含有氧元素的气体因为加热的关系,而几乎都逸散掉了,使得煮沸过的水中没有能够让叶子产生氧气的原料(含有氧元素的气体),造成叶子在生水中可以产生氧气而煮沸过的水中则不行的现象。
为了证实植物生成氧气真的需要某种含有氧元素的气体,瑟讷比埃决定把植物叶片放入用溶有不同含氧元素气体的水溶液,并设计一个可以收集植物产生氧气多寡的装置,来看看植物的叶子是否真的在某个溶有含氧元素气体的溶液中会产生大量的氧气。
于是瑟纳比埃研发一种可以观测并收集气体的装置,主要是一个以有一端有开口的玻璃管与一个能装捞出来的水的等液体的大盘子组成的。瑟讷比埃先让管子开口朝上用待测试的液体将管子填满,之后在大盘子上固定叶子。
将盘子朝下叶片放入有待测液体的管子,盖紧后反转,并在盘子朝上后倒入更多的待测液体,就能确保原始的管内是没有空气的,再将盖紧的管子与盘子留空隙,当气体被植物释放时就会因为占有体积而把水排出去,这就是排水集气法。
瑟讷比埃实际尝试了40几种不同的液体,其中包含多种含氧元素物质,去观测氧气产生的效率。他发现比起其他溶液,植物在放入溶有二氧化碳的水溶液时会产生明显大量的氧气,使瑟讷比埃对二氧化碳产生兴趣。
由于当时化学条件的限制,瑟讷比埃没有单独的去除二氧化碳,然而他大胆推测,就同没有光就无法进行光合作用,瑟讷比埃提出了二氧化碳是植物光合作用的原料的假设,而且二氧化碳是由二氧化碳组成的。更推测光合作用的产物氧气,就是从二氧化碳而来。
在有了二氧化碳是植物光合作用的原料这样的假设后,瑟讷比埃更进一步的去检视这个假设,若二氧化碳是光合作用必需的原料成立,那么二氧化碳最大的可能性就是转换成氧气,但是,原料二氧化碳是由碳与氧组成,而产物氧气却只有氧。
瑟讷比埃发现,如果依照拉瓦节的化学理论,元素不可能凭空消失,二氧化碳被转换成氧气后碳却消失了不符合元素不会凭空消失的观点。因为二氧化碳是由氧元素与碳元素构成的,植物吸收二氧化碳应该排出等量的碳与氧,但最后植物只释放出氧气。若释放氧气解释了氧的去向,碳也不可能凭空消失,那剩下的碳去哪里了呢?
三、柳树实验
瑟讷比埃联想到海尔蒙特为了反驳亚里斯多德提出的植物的重量是来自直接吸收土壤作为养分的想法,而观察五年中除了浇水没有施加其他物质的柳树与其土壤重量先后的变化,发现五年后土壤的重量只有轻微减少而柳树重量大幅增加,提出植物会吸收水并将水转换成植物体的一部分,而使植物成长增加重量的结论。
瑟讷比埃联想那二氧化碳所剩下的碳元素是不是也可能被植物转化后成为植物体内的一部分呢?将上述推理得到的结果,瑟讷比埃认为依照拉瓦节化学理论元素不可能凭空消失,加上海尔蒙特提出的植物将水转换成自己身上的一部分,二氧化碳转换成氧气后碳元素可能与其他分子结合。
所以假设,在植物吸收二氧化碳后,二氧化碳的碳与氧分离,而碳的部分会与植物体内的某种物质结合,成为植物体的一部分使植物成长,导致植物释放的气体只有氧而没有碳元素。
英格豪斯否认瑟讷比埃理论中在与植物本身的某种物质结合的部分,英格豪斯认为二氧化碳中的碳与氧,应该是都拿去延伸成其他植物的必要物质,但双方根本无从证实。
四、总结
由于索绪尔比瑟讷比埃更晚出生因此天生就受化学理论而非燃素说洗礼。索绪尔后来利用化学基础证实了光合作用基本反应,是由水与二氧化碳,在光照之下并且在植物绿色的部分,会转换成氧气与将碳结合植物本身的物质贮存的概念。
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