英国物理学家威廉姆斯*汤姆森是一个有趣的人，他因为年轻时热力学的贡献获得了"开尔文"勋爵的称号。然而到了晚年，他却连连出错，大嘴巴不断的爆出乌龙，他说太阳的能源来自自身的引力坍缩，结果20世纪发现了核聚变。他还作为当时最权威的物理学家宣布物理的大厦已经建立的很完美了，结果两朵小乌云造就了20世纪物理学的最大发现：相对论和量子力学。
今天我们要说的是他的另一个故事，1898年他十分忧虑的说："随着工业的发达和人口的增多，400年后，地球上的氧气将被用光，人类将趋于灭亡。"
今天的我们带着调侃的口吻来叙说这位爵士的故事，但是客观的说，他的眼光很准，每一个乌龙都造就了一个大发现！这是人类认识发展的必经阶段，我们必须理解。
开尔文难道就不知道，100多年前，同为英国人的普利斯特里神父做过这样一个实验：他把一支点燃的蜡烛和一只小白鼠分别放到密闭的玻璃罩里，蜡烛不久就熄灭了，一段时间之后小白鼠也死了。接着，他把一盆植物和一支点燃的蜡烛一同放到一个密闭的玻璃罩里，他发现植物能够长时间地活着，蜡烛也没有熄灭。他又把一盆植物和一只小白鼠一同放到一个密闭的玻璃罩里，他发现植物和小白鼠都能够正常地活着。于是，他得出了结论：植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气。
需要注意的是，普神父没有发现光的重要性。
【我们的老熟人普神父又出现了，但是他为什么老是为人作嫁呢？】
在舍勒、普利斯特里和拉瓦锡们的努力之后，人们才明确绿叶在光下放出的气体是氧气，吸收的是二氧化碳。
1804年，法国的索叙尔通过定量研究进一步证实：二氧化碳和水是植物生长的原料。
1845年，德国科学家梅耶（R. Mayer）根据能量转化与守恒定律明确指出，植物在进行光合作用时，把光能转换成化学能储存起来。
1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。他做了一个试验：把绿色植物叶片放在暗处几个小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉，然后把这个叶片一半曝光，一半遮光。过一段时间后，用碘蒸汽处理发现遮光的部分没有发生颜色的变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功的证明绿色叶片在光合作用中产生淀粉，化学家的目标越来越精准了。
绿色是对人眼最柔和的颜色，原来是因为只有绿色的叶片才能给我们提供食物。
1880年，美国的恩格尔曼把载有水绵（一种多细胞低等绿色植物，细胞内有细而长的带状叶绿体）和好氧细菌的临时装片放在没有空气的暗环境里，然后用极细光束照射水绵通过显微镜观察发现，好氧细菌向叶绿体被光照的部位集中。恩格尔曼的实验证明了氧气是从中叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
他紧接着又做了一个实验：他用三棱镜散射后不同颜色的光去照射水绵临时装片，惊奇地发现大量的好氧细菌聚集在红光和蓝光区域。从而证明叶绿体中色素吸收红光、蓝紫光，用于光合、放出氧气。
恩格尔曼的实验确定了光合作用发生的位置，以及了解了叶绿体为什么是绿色的。
到了19世纪末，光合作用（Photosynthesis）这个词被首次提出了。Photo就是光嘛，synthesis就是合成的意思。大致道理大是懂了，但是科学家们不会满足于这么肤浅的认识。他们还需要知道，这个复杂的过程究竟经历了什么样的反应路径。
就一个最简单的问题：大家都知道绿叶把二氧化碳和水变成糖类，排出副产物氧气，二氧化碳和水都有氧元素，氧气究竟来源于二氧化碳还是水呢？
1941年，美国科学家鲁宾（S. Ruben）和卡门（M. Kamen）想：如果用掺了过量同位素的水或者二氧化碳通过植物，然后追踪它们的放射性，就可以知道他们是经历了怎样的过程。于是他们采用同位素标记法研究了这个问题，实验结果有力地证明了光合作用释放的氧气来自水。
20世纪40年代，美国的一个"开尔文"（更多被翻译成：卡尔文M. Calvin）做了一个更有名的实验，他用小球藻做实验：用14C标记的CO2（其中碳为14C）供小球藻（一种单细胞的绿藻）进行光合作用，然后追踪检测其放射性，最终探明了二氧化碳中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径被称为"卡尔文循环"。
卡尔文因此获得了1961年诺贝尔化学奖。
【1961年诺贝尔化学奖获得者卡尔文。】
根据卡尔文的研究，"卡尔文循环"分为三步骤：
第一步：叶绿体中有很多蛋白质rubisco，这种酶可能是地球上最多的蛋白质，在这种酶的催化下，二氧化碳和一个五碳糖（RuBP）反应生成一个六碳的中间产物，这个中间产物非常不稳定，立即分裂成两个三碳的3-磷酸甘油酸（3-PGA）。这个过程叫做："固碳"。
【"固碳"反应机理：一个二氧化碳分子 一个五碳糖分子变成两个三碳有机物。】
第二步：我们还知道，生物体内富含三磷酸腺苷（ATP），还有它的弟弟二磷酸腺苷（ADP），它们俩的差别就是少了一个磷酸，具体的我们到磷章节再说。这里还要提到生物体内还有一种物质叫做"烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸"，这名字太长，一般我们称它NADPH，或者叫"还原型辅酶II"，它在生物体内参与很多反应，起还原作用。
第一步固碳过程产生的3-PGA和ATP、NADPH反应，ATP分解成一个ADP和一个磷酸，高能磷酸键断裂，释放出能量，NADPH失去一个电子，被氧化成NADP ，这个东西叫"烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸"，你如果仔细阅读，会发现这东西比NADPH少了一个"酸"字。不过你真的不用去牢记这一大串，只需要知道NADP 也被叫做"氧化型辅酶"，是NADPH的氧化形态就行了。3-PGA则变成一个3-磷酸甘油醛（G3P），这是一种三碳糖。二氧化碳就通过这么复杂的过程，变成了这种糖。
第二步合并以后的示意图，ATP被分解成ADP和磷酸，NADPH还原酶变成NADP 氧化酶，3-PGA变成G3P。
第三步：既然是循环，那么就要有来有往。五个生成的G3P和三个ATP分子反应，又生成三个RuBP，如果你还没有被绕晕的话，你应该记得这就是第一步的起始物质五碳糖。
【RuBP的重生步骤，G3P又回复生成RuBP。】
我们统计整个循环，有几个G3P留下来了，没有循环回去呢？如果你有兴趣，可以排列组合一下这些方程式示意图，进行一番通分约分。如果你能得到下面的式子，说明你的脑子不坏，可以参加小学奥数比赛了。
【综合这个过程，配平化学方程式，三个二氧化碳生成一个G3P。】
【"卡尔文循环"的全景。】
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