光合作用的爭論與希爾反應（Hill Reaction）

在十七世紀中期的比利時的菲爾普爾德（Vilvoorde，在布魯塞爾附近），有位退休的醫生范‧海爾蒙特（Jan Baptist van Helmont）。說他已經退休，並不代表他老了；事實上，他是因為娶了有錢人家的女兒瑪格麗特（Margaret van Ranst），由於瑪格麗特帶來豐厚的財產，使得他可以早早退休，花更多的時間在他喜歡的研究與自然觀察上。

范‧海爾蒙特。圖片來源：wiki

雖然范‧海爾蒙特是個神秘主義者，對煉金術非常有興趣；但是他也受到同時代的哈維（William Harvey）、伽利略（Galileo Galilei）以及培根（Francis Bacon）等人的影響，對於實證主義（Empiricism）相當的認同。

有一天，他在一個大盆子裡種下一棵柳樹。他把土壤與柳樹都秤重，同時也記錄下他每次加的水的重量。五年以後，他發現柳樹增加了74公斤重，但是土壤的重量幾乎沒有改變。

於是他做了一個結論：植物能把水轉化為它自身的質量。

當然這個結論並不十分正確，但是在當時也已經算是相當大的發現了；後來到十八世紀末瑞士的Jean Senebier與Nicolas-Théodore de Saussure（他同時也發現了植物需要特定元素才能存活）把參與光合作用的基本原料確立下來：水、二氧化碳、光。

但是，當時研究光合作用的人認為，光合作用的產物之一，也就是氧氣，是由二氧化碳產生的（「氣生派」）。現在當然知道這是錯誤的，但是以當時的知識與技術來看，由氣體轉化出氣體，似乎也沒什麼不對。

這個想法，直到Cornelius Bernardus (Kees) van Niel的出現，才被挑戰了。van Niel是一位微生物學家，他研究了兩種光合細菌（綠硫菌與紫硫菌），發現這些菌會產生黃色的元素硫（有些後來接著被氧化），於是提出「光合作用的氧氣不是來自於二氧化碳，而是來自於水」的說法（可以稱這個說法為「水生派」）。

但是畢竟細菌不是植物，所以還是有不少人不相信van Niel的說法。直到Robert Hill發現了Hill Reaction以後，「水生派」才開始佔上風。

Robert Hill，圖片來源：wiki

Robert Hill似乎對自己的名字有些意見，因此他要求大家稱呼他為Robin。他在1922年來到劍橋大學生化所，一開始是研究血紅素。1926年開始研究細胞色素c（cytochrome c）。1932年開始跨足植物界，而且在1937年發現了希爾反應：在提供外加的電子接受者給葉綠體時，葉綠體可以在不消耗二氧化碳、也不產生碳水化合物（也就是不進行卡爾文循環）的狀況下進行光反應並產生氧氣。

由於希爾反應並不消耗二氧化碳，但是還是會產生氧氣；這使得學界意識到，氧氣應該不是來自於二氧化碳，而是來自於水。

不過，有些科學家還是有懷疑。直到Samuel Ruben 與 Martin Kamen在1940年代早期，將用同位素氧18標定的水提供給植物，同位素氧的標記只出現在氧氣而非碳水化合物時，到底氧氣是來自於二氧化碳或是水的爭論，才終於底定。

我們現在在植物生理學實驗中，所做的希爾反應，就是重現當年Robin Hill所做的實驗。

當我們把分離出來的葉綠體放在加入電子接受者（如2,6-Dichlorophenolindophenol，DCPIP）中，並提供光照，由於DCPIP在還原後會由藍色轉為無色，所以就可以從顏色的變化了解到反應的進行；如果使用分光光度計來量化整體顏色的變化，就可以測定出反應速率。

 希爾反應在光照後顏色的變化。藍色是控制組。
photo courtesy: 周帛暄老師

最後要提到的事是，Robin Hill這個人其實非常有意思；雖然他一開始的研究主題是血紅素，但是他的後半生幾乎都奉獻給植物相關的研究，而且對於天然色素非常專精。閒來無事他會畫水彩畫，使用的顏料都是他自己萃取出來的。他在67歲那年（1966年）由劍橋退休，但仍一直研究不輟，直到以91高齡去世。

參考文獻：

Taiz and Zeiger, Plant Physiology, fourth edition.
Wikipedia, Robin Hill, Photosynthesis, C.B. van Niel