大自然的色彩是怎么来的

谢励勤

“绿杨烟外晓寒轻，红杏枝头春意闹。”的确，在春意盎然的日子里，大自然被装饰得五彩缤纷，鲜艳夺目，到处呈现出一派生气蓬勃的景象。

从生物学的角度来看，各类色彩当然都有其存在的价值。例如，妖娆迷人的花朵，常常招引大批蜜蜂之类的昆虫光顾，于是就可能更好地得到授粉机会；鸟类华丽的羽毛，是引诱异性的重要手段。但是，自然界里最重要的有色物质，却并非仅仅起装饰作用的花色、羽色，而是一类被称作为“卟啉”的色素。因为它和所有机体的生长、繁衍、合成、分解，有着密切关系，任何别的物质都无法替代，所以称得上是生命世界的关键性分子。

卟啉是什么

确切地说起来，卟啉是一种含氮的色素，它在自由状态时，平平庸庸，看不出有什么生物学功能。但它一旦和金属搭上关系，组成金属络合物的时候，就显得非同凡响了。

卟啉和镁的络合物，就是大名鼎鼎的叶绿素，是地球上几乎所有生命的食物来源，都仰赖于它那神话般的催化活力。

卟啉和铁的络合物，可组成血红素。鲜红的热血意味着什么，大家当然是很清楚的。还有一种铁卟啉络合物，被称为细胞色素，存在于一切需氧机体的细胞中，是动植物及细菌细胞氧化有机分子过程中最重要的基本元件。

除此之外，还有一些略为次要的卟啉物质，像维生素B12（抗恶性贫血因素），就是一种结构上和卟啉有关的红色钴络合物；非洲大杜鹃羽毛中的鲜红色物质，则是卟啉的铜络合物。所以说，从动物到植物，从细菌到人类，没有任何生命离得开卟啉分子。

叶绿素和它的功能

当然，自然界中，卟啉的最大作用还在于利用太阳能。这是卟啉镁络合物——叶绿素的基本职能。

光合作用中，绿色植物借助光能，将二氧化碳和水转变成为葡萄糖，接着进一步形成别的更加复杂的分子。这些分子以后作为异养生物的食料，被广泛利用。

现在已经查明，高等植物的叶绿素含有a和b两种形式，两者的区别仅仅在于叶绿素a结合着一个甲基，而叶绿素b则是结合着一个醛基。在绿色叶片中，此外还有类胡萝卜素之类的物质，通常叶绿素吸收红橙光及蓝紫光，类胡萝卜素则主要吸收蓝光，它们吸收的光量子最后传递给叶绿素a，而绝不可能“各自为政，自搞一套”。进一步研究还表明，不但其他色素吸收的光能要传给叶绿素a，就是在叶绿素a之间，也会进行能量传递。这样传来传去，最后都汇集到“作用中心”上来，由它加以利用。据估计，平均每300个叶绿素分子，就有一个作用中心。这种作用中心究竟是什么东西呢？很可能仍然是叶绿素a，不过它的存在状态有些不同，与有关酶联系得很紧密，所以光能传到这儿，会引起一连串的化学反应，有机合成才得以进行。

至于光合作用的具体过程，可概括为光合磷酸化和碳还原循环两方面。经历光合磷酸化，绿色细胞产生了化学能（ATP）和还原剂（NADPH），于是就可能将二氧化碳还原成碳水化合物。至此，光能终于找到了归宿，它的产物（被称为“光能罐头”）哺育着整个生命世界，使得大地生意盎然，到处都变得繁茂昌盛起来。

独特的结构

从演化的历程来看，血红素的产生远要迟得多，是在地球上充满氧气，动物发展到相当水平之后的事。可是对于哺乳动物来说，血红素的重要性却如同叶绿素对于植物那样，也是必不可缺的。它一方面由肺脏把氧气运输到机体的各个细胞中去，另一方面通过同样的线路，把细胞中排弃的二氧化碳运往肺脏，输出体外。在这一过程中，卟啉中心的二价铁离子，可以和氧形成一种不稳定的络合物，随着环境中氧分压的升高或降低，两者之间一会儿络合，一会儿脱离开来，所以作为运输气体的工具，实在是最理想不过了，想来这也是自然设计师的伟大杰作吧！

至于另一种卟啉铁络合物——细胞色素，则起了电子传递体的作用，是氧化还原过程中，不可缺少的元件。

写了这么多推崇赞美的介绍之后，有人必然会问：为什么卟啉分子会如此多才多艺，其中究竟有什么奥秘？现在人们终于明白，原来这和它结构上的一系列特点分不开。大家知道，卟啉的分子骨架，是一副由单双键交替组成的环状系统，这正是芳香族分子的基本特色，此外它和金属络合后，也带来了许多独特的性质。看来，它之所以能成为生化反应（光合作用、呼吸作用）中的主角，就是由于具有这些特点的缘故吧！

源远流长

有关卟啉的故事，就谈了这些，其中情节虽然并不动人，却也有值得深思之处。大家都知道，从外形来看，动物和植物是两类迥然有异的生命，可它们却用着同一种分子作为生化工具，这种分子对于两者都具有鲜艳的色彩，都能传递电子，虽然在结构上有着不少区别，但是合成过程的开始步骤，一律相同，只是形成原卟啉后，才出现了不同。动物细胞引入铁原子后，就成了血红素；而植物细胞则还需将侧链进一步的改造，最终形成叶绿素。至于卟啉的另一种铁络合物——细胞色素，不但存在于一切需氧的动植物细胞之中，而且也存在于细菌之中，以不同的变态行使同样的生化职能。这一系列特点，除了使我们联想起生命起源同一性的深刻含义外，还可能有什么别的解释吗？

人们设想，在那古老的岁月里，生命还处于襁褓之中，动植物还没有开始分化，就出现了一种类似卟啉的生化物质，由于它结构上的奇妙特点，在传递电子中颇有用处，所以得到自然设计师的青睐，经历各种方式的歧化和适应后，终于成了动物、植物、细菌中普遍存在的基本组件之一，并流传下来。于是今天我们在整个生命世界，到处都遇到这种重要而显眼的色素分子。

（编辑 孙世奇）