作者:藍家蓁

審定:鄭弼升、嚴天浩

科學家的時空背景

18世紀中期,生理學家波內曾在著作《植物葉片研究》(Recherches sur l'usage des feuilles dans les plantes)提到:波內將植物葉片放入水中時可以看到氣泡產生,這些氣泡應該為水中空氣附著葉片並熱漲冷縮所導致,由於在沸水中附著在植物附近的氣泡就變少,而當波內在水中吹氣時,波內解釋:讓這個水充滿氣體。這樣的情況下將葉子放入水下就能更明顯的看見更多氣泡,因此波內深信這些氣泡是源自於水中空氣附著所致,而因為太陽給予溫暖氣泡膨脹而變大所以能夠觀察。然而後來卻被英格豪斯推翻,因為英格豪斯發現把植物剛拖到水下不久就有氣泡,而且此時的水溫沒有明顯的變化,代表氣體並非是因為溫度變化而熱漲冷縮所產生的。經過實驗後,英格豪斯發現植物能在有光的情況下就能夠製造氣體,因此英格豪斯認為波內所發現的水中空氣應該是植物所製造出來的。另外英格豪斯利用氧氣助燃以及呼吸的感受證實植物製造的氣體是氧氣,並非波內說的只是一般氣體(空氣)。

科學家的經歷

瑟訥比埃是含著金湯匙長大的科學家,生於富商家庭,瑟訥比埃早年修習宗教學後被任命為服侍,1769年正式成為瑞士日內瓦的尚西(Chancy)教堂的牧師,1773年轉職於圖書館工作。

之後瑟訥比埃受到幾位科學家啟發:(1)化學家拉瓦節(2)生理學家拉扎羅·斯帕蘭札尼(3)博物學家夏勒·波內。其中,在1773年拉瓦節提出了基本化學理論,1783更詳細解釋他反對燃素說,且化學有別以往希臘哲學時代的四元素說,這大幅改變了原本認知建立於燃素說的瑟訥比埃。燃素說表明燃燒的物質都包含燃素,在物質燃燒時燃素會從被燃燒物轉移到空氣中,煙就最好的例子,拉瓦節的化學觀點反駁燃素說給予瑟訥比埃很大的認知基礎。另一位,拉扎羅是非常傑出的生理學家,由在1779年拉札羅到瑞士附近旅遊時到波內於日內瓦外圍的住處,瑟訥比埃與拉扎羅就是在那兒認識,由於拉札羅對生理學的興趣,聽完拉札羅的分享後瑟訥比埃開始對生理學有興趣並轉戰於植物生理學。

波內的理論促使瑟訥比埃的興趣,使瑟訥比埃開時著手植物產生氣體相關的研究。在這些研究的過程當中,1786瑟訥比埃一邊完成他另外的作品《日內瓦史》,之後1787受邀編輯《方法論百科全書》中的植物生理學相關篇章。

圖四,瑟訥比埃的圖像 (圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%91%9F%E8%A8%A5%E6%AF%94%E5%9F%83)

科學家發現的問題 I

深受波內的影響,對植物生理學有興趣後,瑟訥比埃重複波內的實驗,把葉片埋入水下觀察是否有氣泡產生,但即使在有光的條件下,植物在沸水中依舊無法產生氣泡(氧氣),瑟訥比埃的研究結果不符合英格豪斯所說的「植物在有光的條件下可以產生氧氣」,因為依照英格豪斯的理論,只要在有光條件下,氧氣就能產生,不論在何種水中,如不同溫度的水,煮沸過後的水應該都要能產生氧氣。

科學家的聯想與假設 I

瑟訥比埃聯想:「為什麼在一般的水中植物可以產生氣泡,但沸水卻不行呢?」這讓瑟訥比埃把重點放在「一般的水,與沸水有何不同呢?」瑟訥比埃想起,據前人波內提過,沸水跟蒸餾水中空氣極少,讓他思考「為什麼水中的空氣變少會導致植物不能產生氧氣呢?」。

於是瑟訥比埃假設,植物葉片需要含有氧元素的物質才能夠產生氧氣,因此一般生水中因為溶有這些葉子產升氧氣所需要的原料-也就是含有氧元素的氣體,使得葉子可以在生水中產生氧氣;而煮沸過的水則因為原本溶解在水中含有氧元素的氣體因為加熱的關係,而幾乎都逸散掉了,使得煮沸過的水中沒有能夠讓葉子產生氧氣的原料(含有氧元素的氣體),造成葉子在生水中可以產生氧氣而煮沸過的水中則不行的現象。

科學家的驗證方法與結論

為了證實植物生成氧氣真的需要某種含有氧元素的氣體,瑟訥比埃決定把植物葉片放入用溶有不同含氧元素氣體的水溶液,並設計一個可以收集植物產生氧氣多寡的裝置,來看看植物的葉子是否真的在某個溶有含氧元素氣體的溶液中會產生大量的氧氣。於是瑟納比埃研發一種可以觀測並收集氣體的裝置,主要是一個以有一端有開口的玻璃管與一個能裝撈出來的水的等液體的大盤子組成的。

圖五,瑟訥比埃用來量測植物釋放氣體的裝置 (圖片來源 :<<ARCHIVES DES SCIENCES >> Jean Senebier’s thoughts on experimentation and their relevance for today’s researcher pp.187)

瑟訥比埃先讓管子開口朝上用待測試的液體將管子填滿,之後在大盤子上固定葉子,將盤子朝下葉片放入有待測液體的管子,蓋緊後反轉,並在盤子朝上後倒入更多的待測液體,就能確保原始的管內是沒有空氣的,再將蓋緊的管子與盤子留空隙,當氣體被植物釋放時就會因為佔有體積而把水排出去,這就是排水集氣法。

瑟訥比埃實際嘗試了40幾種不同的液體,其中包含多種含氧元素物質,去觀測氧氣產生的效率。他發現比起其他溶液,植物在放入溶有二氧化碳的水溶液時會產生明顯大量的氧氣,使瑟訥比埃對二氧化碳產生興趣,由於當時化學條件的限制,瑟訥比埃沒有單獨的去除二氧化碳,然而他大膽推測,就同沒有光就無法進行光合作用,瑟訥比埃提出了「二氧化碳是植物光合作用的原料」的假設,而且二氧化碳是由二氧化碳組成的。更推測光合作用的產物氧氣,就是從二氧化碳而來。

科學家發現的問題 II

在有了「二氧化碳是植物光合作用的原料」這樣的假設後,瑟訥比埃更進一步的去檢視這個假設,若二氧化碳是光合作用必須的原料成立,那麼二氧化碳最大的可能性就是轉換成氧氣,但是,原料二氧化碳是由碳與氧組成,而產物氧氣卻只有氧,瑟訥比埃發現,如果依照拉瓦節的化學理論,元素不可能憑空消失,二氧化碳被轉換成氧氣後碳卻消失了不符合元素不會憑空消失的觀點。因為二氧化碳是由氧元素與碳元素構成的,植物吸收二氧化碳應該排出等量的碳與氧,但最後植物只釋放出氧氣。若釋放氧氣解釋了氧的去向,碳也不可能憑空消失,那剩下的碳去哪裡了呢?

科學家的聯想與假設 II

瑟訥比埃聯想到海爾蒙特為了反駁亞里斯多德提出的植物的重量是來自於直接吸收土壤做為養分的想法,而觀察五年中除了澆水沒有施加其他物質的柳樹與其土壤重量先後的變化,發現五年後土壤的重量只有輕微減少而柳樹重量大幅增加,提出植物會吸收水並將水轉換成植物體的一部分而使植物成長增加重量的結論。瑟訥比埃聯想那二氧化碳所剩下的碳元素是不是也可能被植物轉化後成為植物體內的一部分呢?將上述推理得到的結果,瑟訥比埃認為依照拉瓦節化學理論元素不可能憑空消失,加上海爾蒙特提出的植物將水轉換成自己身上的一部分,二氧化碳轉換成氧氣後碳元素可能與其他分子結合,所以假設,在植物吸收二氧化碳後,二氧化碳的碳與氧分離,而碳的部分會與植物體內的某種物質結合,成為植物體的一部分使植物成長,導致植物釋放的氣體只有氧而沒有碳元素。

圖一,海爾蒙特的柳樹實驗示意圖,海爾蒙特將乾燥的土壤與小柳樹先秤重,中間過程只澆水,持續五年後將土乾燥與柳樹再次秤重發現,柳樹便重擔土壤只有非常些微的變輕,且土壤變輕的幅度遠小於植物變重的幅度所以不能解釋植物重量增加的來源是土,而是水 (圖片來源:https://slideplayer.com/slide/7289161/ )

科學家造成的影響

瑟訥比埃的發表引發了當時著名的植物學家的關注,包含英格豪斯與瑟訥比埃的朋友索緒爾。瑟訥比埃將原本平行的兩條線:(1)植物的營養來源(2)植物會淨化空氣,整合成為一條,這不是兩個反應而是同一件事情,而這個機制被後續科學家稱為光合作用。英格豪斯否認瑟訥比埃理論中「在與植物本身的某種物質結合」的部分,英格豪斯認為二氧化碳中的碳與氧應該是都拿去衍伸成其他植物的必要物質,但雙方根本無從證實。由於索緒爾比瑟訥比埃更晚出生因此天生就受化學理論而非燃素說洗禮,索緒爾後來利用化學基礎證實了光合作用基本反應,是由水與二氧化碳,在光照之下並且在植物綠色的部分,會轉換成氧氣與將碳結合植物本身的物質貯存的概念,雖然說從現今的角度知道氧氣其實是由水而非瑟訥比埃說的二氧化碳作為原料,但以當代的角度,瑟訥比埃的實驗給與科學一片重要的拼圖,讓後續科學家了解植物養分的來源不只是以往所知的水分,連二氧化碳也參與其中,更幫大家認知到植物產生氧氣與獲得營養的反應是同一個,從這個重要的基礎後續科學家才能做更多創新的研究。