一粒种子长成一棵大树，它需要的养料是从哪里来的呢？人类对这个问题的认识经历过一个漫长的过程。
早在两千多年前，希腊哲学家亚里士多德就认为植物与动物的区别就在于植物没有胃及其他消化器官，因为这些器官已被土壤所代替，而植物体是由“土壤汁”所构成的。这种观点曾统治了很长时间，直到300年前，人们才认识到绿色植物的化学活动。
实验中的有趣发现
1648年，一位名叫范·海尔蒙特的荷兰医生做了一个有趣的实验。他把一根柳条插在一只装着泥土的木桶里。事先称了一下木桶、柳条、土壤的重量。以后就经常浇水，别的什么肥料也没加。5年以后，这枝柳条长成了大树。海尔蒙特把柳树挖出来，去掉根上的泥土，称了称。柳树比原来的柳条重了30倍，而桶内的土壤5年中只减少了不到100克。于是海尔蒙特否定了植物是靠泥土长大的传统说法，他猜想植物可能主要靠汲取水分长大的，土壤只供给了少量物质。
这种观点一直持续到18世纪70年代。200多年前的一天，英国化学家普利斯特列做了一个非常有趣的实验。他把一只点燃的蜡烛和一只老鼠分别放在玻璃罩下，不一会儿，烛光熄灭了，老鼠也因窒息而死。后来他采了一些薄荷的枝叶放在玻璃罩内，再把点燃的蜡烛和老鼠放入，结果过了很长时间老鼠还是活的，蜡烛仍闪烁着光芒。
这一发现，普利斯特列喜出望外，他把自己的实验写成论文，题目是：《各种气体之实验与观察》。他认为蜡烛燃烧和动物呼吸使瓶中的空气变坏，所以老鼠死亡；绿色植物能把坏空气变好，所以老鼠能安然无恙，蜡烛依然燃烧。
当时，普利斯特列还不知道氧气，所以不知道点燃的蜡烛和老鼠呼吸把空气变“坏”，以及绿色植物使空气变“好”的原因，但是他的实验给人们以启示：植物发出的气体是能够助燃的，也是动物和人生存所需要的。这是人类对植物光合作用最初的认识。
英格·豪茨的发现
1772年氧气的发现以及后来荷兰出生的奥地利医生英格·豪茨的发现，才是关于光合作用认识的真正开端。
1779年，英格·豪茨在伦敦近郊租了一所别墅，他利用夏天的3个月时间，做了500多次实验。在一次实验中，他用一个盛水的大烧杯，把绿叶和一些水草浸在水里，在水草上面倒扣一个玻璃漏斗，漏斗管上再倒扣一个试管。然后，英格·豪茨把这个大烧杯放到阳光下。不久，在漏斗里就有小气泡上升，等试管里收集了一大半气体以后，他就把点燃的蜡烛放到试管里，他看到火焰增亮了。他自己也吸进这种气体，感到胸部特别地轻松畅快。可是，他把这个烧杯放在没有阳光的暗处，就没有气泡产生。原来绿色植物只有在阳光下才会把“坏”空气变好。
英格·豪茨还分别选取了房屋的阴面、阳面、太阳升起、夕阳西下、晴天、阴天等等各种不同的条件，反复地实验研究，进一步证实了太阳光参与了绿色植物把“坏”空气变“好”的活动。这使人们对光合作用的认识又前进了一步。
但是英格·豪茨还不能解释，普利斯特列在封闭的玻璃罩里老鼠和绿色植物共存的实验的原因。
回答这个问题的，是瑞士的牧师谢尼伯。谢尼伯牧师虽然以传教为职业，但是他对植物学却有广泛兴趣。他继续重复并研究普利斯特列和英格·豪茨的实验，直到1782年，才发现植物在太阳光下既能把“坏”空气变好，又能把“坏”空气作为自身的养料。
他用实验证实：绿色植物在阳光的照射下，从空气中吸收二氧化碳，经过自身的加工制造出氧气。
1804年瑞士化学家赛逊尔把普利斯特列、英格·豪茨、谢尼伯等人各自独立的研究发现工作，统一起来，归纳成一个公式：
固定空气+水光绿色植物维持生命的空气+植物性营养
这个公式用现代化学语言来表示，就是：
水+二氧化碳光绿色植物碳水化合物+氧气
直到1896年，法国科学家贝尔纳斯给绿色植物这种独特的生理化学过程，命名为“光合作用”。
新技术为光合作用揭秘
由于实验手段落后，直到20世纪30年代末，人们还不太了解光合作用的大部分复杂反应。
英国的生理学家勃莱克曼在“限制因子定律”思想指导下观察温度与光对光合速率的影响，从结果推论光合作用过程中存在着两个反应程序：一个是需要光的而非化学反应（光反应），而另一个同温度有关的酶促化学反应（暗反应）。后经德国的瓦勃和美国的爱默生用实验证实了上述推论，从而为研究光合作用内部过程打开了大门。
20世纪40年代以后，新技术的发展为光合作用的研究开辟了迅速进展的道路。例如，高倍电子显微镜有助于对叶绿体结构的研究；采用色谱的化学方法，科学家们能够分析和分离出很少量的植物物质；利用有放射性的原子来研究光合作用中形成的物质，通过探测这些原子放射出的核辐射，追踪光合作用反应中的各种化学元素。此外，人们还能用其他一些很灵敏的方法来探测植物的化学物质。
人们发现原来光合作用是一个极为复杂的过程，它在结构精致的叶绿体中，至少要经过几十个步骤。
光合作用碳循环揭秘
美国加州大学化学系的卡尔文是一位兴趣广泛、知识渊博的科学家，植物光合作用的奇异功能深深地吸引着他。1941年他放弃原来专业，去研究光合作用的机理。
当时，英国的希尔已经发现，分离的叶绿体在照光之后能把三价的铁离子还原并释放出氧。展现在人们面前的是一幅这样的光合作用机理图：光反应：绿色植物接受光能，从水中释放出氧，同时产生化学能；暗反应：绿色植物消耗化学能，把二氧化碳还原成碳水化合物。可见，光合作用这只神秘的“暗盒”已被打开一道小小的裂缝，但还有许多关键问题，如植物吸收二氧化碳最初的同化产物是什么等等，仍然是个谜。
年轻的卡尔文勇敢地向这一难关进击。他第一个用刚刚发现的一种新的同位素C14，作为一种示踪物来研究碳同化的转换途径。当他从仪器中清晰地看到反映出来的碳同化过程的时候，惊喜万分。同行们称赞他为揭开光合作用的奥秘开辟了一条新途径。
然而C14只能跟踪碳同化的转换过程，碳同化的产物却依然是个谜。卡尔文改进了传统色层分离法，采用纸进行层析的方法。他在一张滤纸上滴上一滴含放射性二氧化碳的植物汁，加上溶剂溶解后，各种物质便以不同的速度在纸上移动。接着，他又把这张有放射性物质的滤纸紧贴照相底片感光。结果梦寐以求的奇迹出现了：底片上呈现出的斑斑黑点，正是他要追寻的与二氧化碳结合的物质。
最后，只要找出与二氧化碳结合的物质究竟是什么，就基本上可以勾画出光合碳循环的面目。卡尔文重新审查了以前的实验结果，用改变光照条件和减少二氧化碳浓度等方法，发现磷酸甘油酸和二磷酸核酮糖确有明显的对应关系，从而肯定了植物吸收二氧化碳后最初的同化产物是二磷酸核酮糖。
1957年，卡尔文第一次描绘出了光合作用碳循环的机理。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年授予他诺贝尔化学奖。
富有魅力的前景
植物光合作用所制造的有机物，不仅是植物自身的营养物质，而且是动物和人的食物来源，以及多种工业原料的来源。光合作用产生的氧，是动植物和人进行呼吸的氧的来源。可见，光合作用是地球上一切生命的生存、繁荣和繁殖的保障。
探索光合作用的奥秘，摸清楚绿色植物的叶绿素在日光照射下把水和二氧化碳制成有机物质并放出氧气的详细过程，是当今世界科学研究的重要课题之一。
200多年来，为了进一步揭开光合作用的奥秘，经过成千上万科学工作者的努力，动用了世界上最先进的科学仪器和技术，已有四位科学家在阐明光合作用部分机理上取得成果而获得诺贝尔奖金。应该说，光合作用机制的粗略轮廓已经摸清楚了。可是人们越深入这个研究领域，越觉得里面还有不少奥秘有待人们去探索，越觉得这个领域在改造自然为人类服务方面还大有可为。
20世纪60年代，美国科学家用天竺葵和甘蔗做实验时发现，四碳植物的光合作用效率比三碳植物高，所以，世界上许多农业专家、生物学家都力图把三碳植物变成四碳植物。这样就可大大提高生产效率，“绿色化工厂”合成的产品，就可以翻几番，地球上就可以增加无数亿吨的粮食。
另外，探索光合作用的秘密，是开发能源的理想办法之一。太阳光是用之不尽，取之不竭的能源，水也是最丰富的资源。如果能像绿色植物那样，吸收太阳光来分解水，把水变成氢气和氧气，那该是最理想的办法。
科学家通过长期的观察和研究，已找到一些利用光分解水放出氢气的植物。但是由于光合作用分解水是一个非常复杂的过程，目前还只是停留在实验室里进行，要大规模生产还有许多问题有待解决。
本世纪30年代，科学家已发现紫色和绿色的细菌也像绿色植物那样有光合作用的本领，它们也能把光能转变为化学能。卡白昂许等人研究表明，光合细菌不仅能固定空气中的二氧化碳，还能进一步利用太阳光固氮。因此光合细菌已作为生物固氮肥施加在农田上，达到了增产的目的。
科学家发现有些绿色植物也有光合固氮的能力，特别是有些热带植物和某些藻类植物，光合固氮的能力更为显著。光合细菌和某些植物为什么能光合固氮呢？这正是科学家研究的重大课题。光合固氮的秘密揭开以后，人们就可以进一步地模拟它，把光合固氮推广到一般植物体上面，那样人们就可以不给或少给庄稼施肥，同样可获得丰收。
富有魅力的前景，吸引了许多科学家。我们相信，不久的将来，光合作用的奥秘一定会被全部揭开。在人类掌握了光合作用的原理以后，就可用现代化学、物理学和工程学的知识来仿效它，以便高效率地生产品质最优良的产品。