光合作用是地球上最重要的生物化學(xué)過程之一，它將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，為幾乎所有生命提供能量和有機物質(zhì)。這一過程分為光反應(yīng)和暗反應(yīng)兩個階段。光反應(yīng)階段直接在光下進行，而暗反應(yīng)階段傳統(tǒng)上被認(rèn)為可以在黑暗中進行，但科學(xué)家們通過深入研究，特別是對暗反應(yīng)中各個步驟的細(xì)致分析，揭示了暗反應(yīng)并非完全獨立于光，其中部分反應(yīng)間接依賴于光反應(yīng)提供的能量和還原力。

暗反應(yīng)，又稱卡爾文循環(huán)，主要包括三個關(guān)鍵步驟：羧化、還原和再生。其核心過程可簡述為：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP，即C5）與二氧化碳（CO?）結(jié)合，在RuBP羧化酶/加氧酶（Rubisco）的催化下，生成不穩(wěn)定的六碳中間體，隨即分解成兩分子的3-磷酸甘油酸（3-PGA，即C3）。3-PGA在一系列酶的作用下，利用光反應(yīng)產(chǎn)生的ATP和NADPH，被還原并轉(zhuǎn)化為三碳糖（如甘油醛-3-磷酸，G3P）。一部分G3P被輸出用于合成葡萄糖等糖類，另一部分G3P則經(jīng)過復(fù)雜的再生過程，重新生成RuBP（C5），以維持循環(huán)的持續(xù)進行。

為精確確定暗反應(yīng)階段中哪個具體反應(yīng)間接依賴于光，科學(xué)家們設(shè)計了巧妙的實驗。其中，利用單細(xì)胞綠藻——小球藻（Chlorella）進行的實驗具有里程碑意義。小球藻光合作用效率高，易于在受控條件下培養(yǎng)和進行生化分析，是研究光合作用的理想模式生物。

在經(jīng)典實驗中，科學(xué)家首先讓小球藻在光照下進行充分的光合作用，使其細(xì)胞內(nèi)積累充足的光反應(yīng)產(chǎn)物（ATP和NADPH）。將小球藻迅速轉(zhuǎn)移到黑暗環(huán)境中，并供應(yīng)帶有放射性同位素標(biāo)記的1?CO?。通過追蹤1?C在暗期間各種中間產(chǎn)物（如3-PGA、G3P、RuBP等）中出現(xiàn)的時間和順序，可以推斷反應(yīng)的進程。

實驗結(jié)果清晰地表明：在黑暗初期，1?CO?仍然能夠被固定，并迅速出現(xiàn)在3-PGA中，這說明RuBP與CO?結(jié)合的羧化反應(yīng)本身（即C5 + CO? → 2C3）在黑暗中可以短暫進行，只要存在預(yù)先由光反應(yīng)生成的RuBP。實驗也發(fā)現(xiàn)，如果沒有持續(xù)的光照，1?C標(biāo)記很快停滯在3-PGA階段，無法進一步向G3P和糖類轉(zhuǎn)化，同時RuBP（C5）的再生也迅速停止，導(dǎo)致整個循環(huán)中斷。

這一關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)揭示了暗反應(yīng)對光的間接依賴性主要體現(xiàn)在兩個后續(xù)步驟：

1. 還原階段：3-PGA還原生成G3P的反應(yīng)，直接需要消耗光反應(yīng)提供的ATP和NADPH。一旦黑暗中沒有新的ATP和NADPH生成，即使有CO?固定，還原反應(yīng)也無法進行。
2. 再生階段：由G3P重新生成RuBP（C5）的過程，同樣需要消耗大量的ATP。沒有持續(xù)的光反應(yīng)供應(yīng)ATP，RuBP庫將耗盡，羧化反應(yīng)也會因缺乏底物而停止。

因此，科學(xué)家得出結(jié)論：在光合作用的暗反應(yīng)（卡爾文循環(huán)）中，C3（3-PGA）經(jīng)一系列變化生成糖類和重新生成C5（RuBP）的過程，是間接依賴光的。這種依賴性并非對光本身的直接需求，而是對光反應(yīng)產(chǎn)物——ATP和NADPH的依賴。而C5與CO?結(jié)合生成C3的初始羧化反應(yīng)，在短時間內(nèi)可以不直接需要光能，但長期來看，其持續(xù)進行也依賴于光能驅(qū)動的再生步驟來提供底物C5。

這項利用小球藻的實驗不僅闡明了暗反應(yīng)的能量依賴本質(zhì)，也深化了我們對光合作用兩個階段緊密耦合、協(xié)同工作的理解。它表明，將光合作用簡單地劃分為“需光”和“不需光”的階段是一種簡化，實際上暗反應(yīng)是光反應(yīng)在代謝上的延續(xù)，共同構(gòu)成一個完整、高效的能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)。