把两盆绿色植物放在暗处一两天，然后分别把它们放在特制的A、B两个玻璃钟罩内。罩底边是严密封闭的，罩口的软木塞上各插一支弯曲的玻璃管。A罩里放置一小株氢氧化钠溶液，上口的玻璃弯管装进小块的碱石灰（氢氧化钠加氧化钙）；B罩里放一小杯清水，上口的玻璃弯管装些小石块，空气可以自由地流动。然后，把它们移到阳光下照射几小时，再分别摘取叶片，照前面讲的方法进行检验。最后可以看到：A罩里的叶片没有变成蓝色，而B罩里的叶片变成了蓝色。这是由于A罩里有氢氧化钠和碱石灰，都是碱性的，它们吸收了空气中的二氧化碳，使A罩里几乎没有二氧化碳了；而在B罩里的空气中，含有正常含量的二氧化碳。
这个实验充分说明：二氧化碳是绿色植物制造淀粉的必需原料。
朱里斯·萨克斯以三个关键性的实验，总结了19世纪以前科学家对“绿色工厂”的探索，进一步验证了凡·海尔蒙、英根·浩斯、谢尼伯分别提出关于水、二氧化碳和阳光是“绿色工厂”必需条件的理论的正确。
直到1896年，法国科学家贝尔纳斯在前人研究的基础上，给绿色植物这种独特的生理化学过程，命名为“光合作用”。
综观19世纪以前科学家探索“绿色工厂”的历史事实告诉我们：一个人在某些方面取得成就，总是离不开前人在这方面打好的基础。牛顿曾经说过：“如果说我比别人看得远些，那是因为我是站在巨人肩上的缘故。”也就是说，科学是有继承性的。了解前人的工作历史，才能懂得现代科学是怎样发展来的。
氧从何处来
唐代大诗人杜甫在《登高》一诗中写道：“无边落木萧萧下，不尽长江滚滚来。”科学的发展犹如滚滚长江，后浪推前浪。到了20世纪，科学家就深入到“绿色工厂”内部，来窥探它的秘密了。
科学家通过实验已经证明了“绿色工厂”的原料是水和二氧化碳；又知道这两种物质里面都含有氧。那么，绿色植物进行光合作用放出来的氧是来自水呢，还是来自二氧化碳？这是一个十分有趣的问题。这个问题引起许多人争论了几十年。有人说来自二氧化碳，有人说来自水，众说纷纭，谁都拿不出确凿的证据来。
20世纪30年代开始，科学家对细菌的研究，大大推进了人们对植物光合作用的认识。细菌一般是寄生或腐生的，也就是依赖现成的有机物来生活的。当时发现，有些细菌有颜色，生活中需要光；有些细菌没有颜色，生活中不需要光。那么，这些有颜色、需要光的细菌是怎么生活的呢？和植物的生活有什么区别呢？
1930年，美国的凡·尼尔做了一个很重要的实验：他把有颜色的细菌分离纯化，发现紫色和绿色的细菌，完全能在无机培养液中生活，但是需要有三个重要条件，一是光，二是二氧化碳，三是硫化氢。如果没有硫化氢，也可以在亚硫酸钠、硫代硫酸钠等物质中生活。这样看，这些物质中必须含有硫。这就好像植物进行光合作用必须要有水一样。最后，凡·尼尔弄清楚了这些绿色和绿色的细菌在生活中，用二氧化碳和硫化氢作原料，在光的照射下，制成碳水化合物，并产生硫。它们同样是利用光能形成碳水化合物的。凡·尼尔指出，光合作用不是植物所特有的，有些细菌也利用色素来吸收光能，自己制造养料，这种细菌就叫做光合细菌。
凡·尼尔的发现，对进一步研究植物光合作用产物中的氧是来自哪里，提供了一个十分重要的研究方法，就是用不同生物的比较研究方法，进一步研究。
最后科学家推论出，在紫、绿色细菌的生活中，它们用二氧化碳和硫化氢作原料，产生碳水化合物和硫，这个硫必定来自硫化氢；植物在生活中，用二氧化碳和水作原料，产生碳水化合物和氧，这个氧一定来自水，而不是来自二氧化碳。
40年代，美国科学家鲁宾和卡门又通过实验取得了可靠的证据。
鲁宾和卡门用示踪物质来探查绿叶里的化学变化过程。他们用的示踪物质是氧和碳的同位素。同位素就是指同属一种元素，但是质量不同的原子，它们的化学性质几乎相同，在元素周期表中占同一位置。比如氧的同位素有16氧、18氧；碳的同位素有11碳、12碳、13碳、14碳等等。有些同位素还有特殊的放射射线的本领，比如11碳、14碳等等。
他们制备许多含有18氧的水，每天用这种水浇植物，结果植物在光合作用中放出的氧里面就带有18氧这种同位素。他们又用含有18氧的二氧化碳供给植物进行光合作用，所放出来的氧和普通的氧一样，几乎没有18氧这种同位素。
所以，他们的实验表明，只有水，在光合作用中才会分开。换句话说，植物光合作用放出的氧是来自水，而不是来自二氧化碳。
卡尔文的贡献
在光合作用中，水被分解成氢和氧。放出来的氧，提供生物呼吸之用。那么氢又是怎样和二氧化碳结合，形成碳水化合物的呢？
解决这个问题，也是通过放射性同位素的实验来完成的。
在早期的实验中，使用11碳，它虽然有放射性，但是寿命很短，很不稳定，几乎在半小时左右就消失了，很难用它来进行研究。
1945年，在原子反应堆里出现了同位素14碳。它的寿命比较长，他很稳定，适合用来实验。
第二次世界大战以后，美国生物化学家卡尔文和本森领导的一个实验小组，把一种单细胞的绿藻放在含有14碳的二氧化碳里，经过短暂的暴露，目的是让绿藻进行最早阶段的光合作用。然后把细胞放在热酒精中杀死，再磨碎，涂抹在色谱纸上面进行分离，随即出现放射显影图，最后在纸上找出哪些点是放射性的，进一步研究这些物质的化学性质。
根据暴露的时间，他们发现仅仅一分半钟，在纸上就找出了十五种不同的放射性物质。种类太多了，不好研究，他们只好缩短暴露时间。后来只暴露5秒钟，结果在纸上找出五种放射性物质，其中有两种放射性很强。经过深入的研究，这两种物质都属于含有三个碳原子的物质，叫做磷酸甘油酸。
磷酸甘油酸的形成过程是比较复杂的。它再经过一系列的生物化学变化和许许多多的步骤，最后才形成了淀粉。
通过卡尔文的这个重要发现，人们才明白绿色植物在进行光合作用的时候，水里的氢和二氧化碳是怎样进行活动，最后形成碳水化合物的。
为了表彰卡尔文和他的同伴们十年的努力探索，瑞典科学院于1961年授予卡尔文诺贝尔奖金。
三、叶绿素的秘密
叶绿体
叶绿体好比工厂的车间。光合作用是在叶绿体上面进行的。
在电子显微镜下，可以看到叶绿体是椭球形的，周围有两层半透性的薄膜，它好像是“车间”的围墙。
叶绿体的面积大小不一，一般直径是5—10微米。叶绿体的外形和个体大小虽然千差万别，但是，“车间”内部的布置却有共同的特点，都像一层层重叠的云片，生物学家把它叫做叶绿体的片层结构，也叫层膜。片层里排列着叶绿素，就像澡塘里铺得整整齐齐的瓷砖那样。
用电子显微镜观察结果说明叶绿素不是均匀地分布在叶绿体里面的，而是集中在片层的光合膜上面。叶绿素在基粒上面有一定的排列顺序，才形成了片层结构。在片层结构上还有其他色素和蛋白质、脂肪等等。
叶绿体细胞里的色素很多，其中主要是绿色的叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素，另外还有花青素等等。有时候，花青素的量还会很多，甚至叶片的绿色都会被它所遮盖，比如秋天枫树的红叶，红苋菜的叶子都是红色的。
原来，红苋菜的绿色是隐藏在红色之中的。那红色是叶片所含花青素显示的颜色。花青素能溶解在水中，水温越高，它越溶解得快。而叶绿素却不溶于热水。因而，在沸水中，红苋菜就脱去红色的“外套”，露出绿“衬衣”——叶绿素来了。每年秋天枫树的红叶，那是因为气温下降，树叶里的叶绿素被破坏，花青素就显出了美丽的红色。
别看花青素把红苋菜打扮得这么鲜红妖艳，虽然它也吸收阳光，却不能进行光合作用；而默默无闻地制造养料的，却是隐居在花青素背后的叶绿素。只是由于花青素浓妆艳抹，色彩太鲜艳了，才把生产的“主人”——叶绿素遮盖住了。秋海棠、枫树等植物，它们的叶子是红褐色或紫红色的，原因也是这样。
当然，也有例外的。比如，深海里的藻类植物红藻，它生活在海底，不能直接吸收太阳的红光和蓝紫光，因为它们被海水吸收了。尽管红藻里含有叶绿素，可是“绿色工厂”还是不能开工生产。它被迫改装了生产“机器”，利用它身体里边的藻红蛋白和藻蓝蛋白，来帮助吸收透射力很强的蓝紫光，然后把能量传递给叶绿素来进行光合作用。这种只帮助叶绿素吸收光能的色素，叫做铺助色素。这种辅助色素在普通绿色植物中也是存在的。叶绿素分为叶绿素a和叶绿素b。叶绿素b不能进行光合作用，但它能吸收光能，然后把光能全部传给叶绿素a。高等植物“绿色工厂”中的辅助色素是叶绿素b，它是黄绿色的，所以叶片外表是绿的。
红藻和褐藻（比如海带）的辅助色素是红的和褐色的，但进行光合作用的也是叶绿素a，尽管外表可以有各种颜色。
叶绿体是怎么样通过叶绿素吸收太阳光能的？对太阳光里的七色光吸收的情况又是什么样的？
俄国著名的生物学家季米里亚捷夫用了30多年的时间，研究探索植物在光合作用中绿叶是怎样摄取太阳光的。当时，他的实验是这样做的：
拿来几只试管，每一只试管中各放一片大小相同的绿叶，并且封入一定量的二氧化碳。然后，把试管分别插到试管架上，试管之间用黑纸隔开，避免它们之间相互干扰。再取三棱镜一枚，把射进来的太阳光分散成红橙黄绿蓝靛紫七种颜色。让七色光分别照射到试管上面。经过三小时以后，测定试管中消耗二氧化碳的量和绿叶内含的淀粉量。结果发现：照射红光的试管里二氧化碳减少得最多，叶片制造的淀粉也最多，照橙光的次之，照蓝光的第三；而照射绿光的试管，里面的二氧化碳几乎没有减少，叶片里也找不到淀粉。这个实验告诉人们：
绿叶有很强的吸收红光的能力，红光照射下的光合作用效率最高。
提取叶绿素
叶绿素吸收了光能以后，叶绿体才能进行光合作用。那么叶绿素是个什么样的物质，它有哪些物理和化学性质？只有把叶绿素提取出来才能进一步地研究它。
许多科学家进行了大量的研究工作，首先搞清楚几种叶绿素化学成分的人是威尔斯塔特。
威尔斯塔特是德国人，出生在卡尔斯鲁厄城一个犹太小商人家庭中。他从小就喜欢花草树木，和“绿色工厂”结下不解之缘。中学时代，他学习成绩出众，聪明过人，不足之处是十分自负。他的老师贝耶，为了帮助他改正缺点，经常在课堂上提些问题让他思考。威尔斯塔特常常支支吾吾答不上来，贝耶老师当众批评他，指出骄傲是成材的拦路虎，勉励他培养虚心好学的品德。老师的教导，威尔斯塔特一直铭刻心怀，直到他成为举世闻名的大科学家时，常常以此来告诫自己的学生和子女。
1905年，当许多科学家因为提取叶绿素失败而偃旗息鼓的时候，威尔斯塔特却鸣锣开道，居然选定当时世界公认的大难题，并且以必胜的信心和百倍的勇气，向科学的尖端攀登。
他认真地总结前人失败的经验教训，认为前人的失败是在于分离方法上的错误。他开始用茨维特发现的色层分析法来提取叶绿素。
他割下自己住宅周围的青草，把它放到几个大瓶子里，并且倒上酒精，让叶绿素和其他的有机物都溶解在酒精里。等叶绿素全部溶解以后，再让溶液通过装有各种吸附剂的吸附柱，利用吸附柱对各种物质不同的吸附力，把其中杂质一一吸附干净，剩下的经过反复结晶，就得到叶绿素的纯品了。
威尔斯塔特在提取叶绿素以后，又继续做实验，分析它的成分。经过反复化验，才弄清楚叶绿素是由四种非金属元素碳、氢、氧、氮和一种金属元素镁五种元素组成的物质。接着，他对每种元素的含量一一作了测定。
威尔斯塔特在提取叶绿素的同时，还发现高等植物的叶绿体中含有两种叶绿素：一种是蓝绿色的，叫做叶绿素a；另一种是黄绿色的，叫做叶绿素b。叶绿素a和叶绿素b犹如兄弟俩，它们的成分相差无几，而且都有吸收太阳光的本领。只在内部结构上和吸收不同波长的光线方面，有一点点差别；不过，正如前面所说，叶绿素b是辅助色素，只有叶绿素a才能进行光合作用。
威尔斯塔特以惊人的毅力，顽强地苦战了十个年头，才完成这项课题。他在总结成功的经验时说：“研究科学最大的目的，是促进人类社会的发展……研究学问应从最难的地方入手，因为在深究难题的过程中，许多枝枝节节的小问题都会迎刃而解！”这真是字字珠玑，道出了治学的真谛。
瑞典科学院为表彰威尔斯塔特取得划时代的功绩，于1915年授予他诺贝尔化学奖金。
威尔斯塔特在取得重大成就的基础上，继续前进，后来和另一位科学家费雪共同合作，进一步探索了叶绿素的内部结构，又为科学事业做出了贡献。
勤奋的费雪
从威尔斯塔特成功地提取叶绿素以后，科学家的注意力都集中在叶绿素的内部构造上。因为只有掌握了它的具体结构，才能进一步进行人工合成叶绿素的研究。虽然威尔斯塔特提纯并且测定了叶绿素的组成成分，但是没有弄清楚这些成分的排列方式。这就好像人们只知道装配机器的部件，却不了解整部机器的构造而还是制造不出整部机器来一样。
费雪继威尔斯塔特之后，进一步探索叶绿素内部的秘密。他用了二三十年的时间，终于揭开了叶绿素内部化学结构的秘密。
费雪是怎么样一个人呢？
1881年，小费雪出生在碧波荡漾、风景如画的德国美因河畔。二十三岁那年，费雪大学毕业以后，就来到诺贝尔奖金获得者老费雪的实验室工作。
当时，老费雪正在研究糖类化合物，意外地发现一种叫做肼的化合物〔jǐn〕肼。肼是有毒的物质，在实验中老费雪曾多次中毒晕倒在实验室里。这种为科学献身的精神，深深地激励了年轻的费雪，使他懂得只有不畏艰险，孜孜不倦的人，才能攀登科学高峰。