研究起始1925年前后,在生物科学中兴起了一门新的分支学科——普通生理学。汤佩松在大学期间就对物理、化学兴趣极浓,又受到当时生物学潮流的影响,自然就会提出生物学中许多有意义的根本问题。例如,他在一次上胚胎学的课堂上,正当教授讲述种子萌发过程中胚乳内无结构的淀粉逐步转变成有形态组织的幼芽时,他突然发问:“在这个形态发生过程中,无组织的有机物质是以什么方式转变为有形态结构的幼苗的?”这个问题虽然当时并未得到任何解答,但却是他以后半个多世纪中钻研和提出代谢的系统观点的萌芽。如前所述,汤佩松曾两度到林穴海洋生物研究所学习和工作。在这里他受到极大的启发。他特别感兴趣的是瓦布尔格关于海胆卵受精后呼吸显著加强的工作,于是日夜埋头在实验室里研究海胆卵和海星卵受精前后呼吸强度的变化。他发现海胆卵在受精后的几分钟内,呼吸强度可提高四、五倍,甚至十几倍,而海星卵则否。他在这项研究上发表了3篇论文,发展了瓦布尔格的工作,这些论文当即受到重视,李利教授和杰拉德(Gerald)教授立即表示愿意资助汤佩松参加第二年的暑期讲习班,并请他作李利的助手。这些工作也马上被李约瑟在他所著的《化学胚胎学》(Chemical Embryology)中全部引用,以后又被拉谢夫斯基(Rashevsky)在他的《数学生物物理学》(MathmaticalBiophysics)中引用。证明“呼吸酶”的存在在哈佛大学工作期间,汤佩松独立做出了两项具有开创性的研究成果。那时关于呼吸的生化研究刚起步不久,对细胞色素和细胞色素氧化酶还不完全理解。虽然已经有了测定这些物质的光谱学方法,可是对于存在细胞色素氧化酶尚不明确。德国的瓦布尔格发现了“呼吸酶”(Atmungsferment),英国的凯林发现了“细胞色素”(其实是细胞色素氧化酶),但他们对这二者是否系同一种酶发生了激烈的争论。他们的工作都是用酵母或动物组织的匀浆在体外进行的。汤佩松改用整体的羽扇豆幼苗为材料,运用一氧化碳在暗中抑制氧的吸收而光又能消除这种抑制的特性(其实这就是细胞色素氧化酶的特性),证明在高等植物体内确实存在着“呼吸酶”,也就是细胞色素氧化酶。这是现在公认的细胞色素氧化酶在植物体内的首次发现。在此期间,汤佩松还总结了1932年以前大量关于氧分压(Po2)和动、植物、微生物组织及细胞呼吸耗氧量(Q02)间关系的数据资料而得出一个经验公式(图1):式中Q是在任何氧分压下的呼吸(耗氧)速率,Q0是在P增高到Q不再随之而增高的最高Q值,k是一个常数(相当于米氏常数)。这个公式的特点是适用于计算一个正常生活的完整细胞中细胞色素氧化酶和氧(底物)之间的亲和力(km)。在当时及以后的普通生理学及生物化学教科书中这个公式常被引用。进行“细胞呼吸动力学”的研究1933年到武汉大学后,汤佩松一面建立普通生理实验室,一面增聘合作人员和助手,开始进行“细胞呼吸动力学”课题的研究。这时他的主导思想是:研究一个完整的、同时又在进行正常生命活动的系统(细胞或组织,如萌发中的种子,分裂中的受精卵)中物质形态变化和能量变化之间的关系。所以用了“细胞呼吸的动力学”这一课题名称。其实当时他应该用“细胞呼吸的动力学和力能学”这一课题名称,才符合他的实际思想。不过当时尚无“生物力能学”这一名词。他独树一帜之处在于:用完整的活着的生物化学系统(如酵母、小球藻、卵细胞、植物幼苗)为对象,而以生物化学、生物物理的手段进行工作。这样,在对呼吸代谢途径进行探讨的工作中,汤佩松和他的同事发表了7篇论文。另外又开始了小球藻光合作用的研究以及细胞致死机制的研究,也发表了数篇论文。可惜好景不长。1937年抗日战争爆发,汤佩松不得不中断他的工作。对植物细胞水分关系的热力学解释在8年抗战期间,汤佩松虽然在昆明建立了植物生理研究室,但他没有条件对呼吸代谢进行系统研究,只能整理过去关于细胞呼吸的工作和思考遇到过的问题,以便理出一条学术思路来。即使如此,他也发表了3篇有意义的论文和1本著作。3篇论文中1篇是讨论一个完整的正在进行生命活动的细胞如何将无形态结构的物质变为自身的有序性的结构以及其中熵的变化与形态变化之间的关系。第二篇是讨论太阳能的生物转化,即以太阳能作为人类基本能源的认识。第三篇是和理论物理学家王竹溪合作的“活细胞吸水的热力学处理”。这篇文章意义重大,因为在植物生理学中,对于水分如何进出植物细胞,一直是用压力而不是用热力学函数来说明,所以在研究和教学工作中都遇到许多困难。西方的学者于60年代才意识到这个问题,并作了改正,就是现在通用的细胞水势这一热力学概念。然而汤佩松和王竹溪却比他们早20多年就已解决了这个问题。所以美国的水分生理研究权威P.J.克莱默尔(Kramer)在1985年写道:“20年后的今天,当人们早已讨论并认为已经在1960年解决了这个问题后方发现这篇论文。……希望本文能……弥补我们对汤和王关于细胞水分关系热力学的先驱性论文的长期忽视的遗憾。”汤和王的论文于1941年发表于美国的《物理化学学报》,可能当时没有受到植物生理学家的注意。应该说,对植物细胞水分关系的热力学解释是由我国的植物生理学家汤佩松首次提出的。《绿色的奴役》(Creen Thraldom)一书则是汤佩松对他在抗战前和抗战期间所进行研究工作的心得体会和对生命现象的一些基本观点和哲学思想的总结。该书由李约瑟作序并定名,在英国出版。对呼吸代谢作进一步的说明上述论文和书虽然表达了汤佩松关于呼吸代谢的基本思想,但具体的实验工作直到50年代才开始恢复。这时他以水稻幼苗及其他一些植物为材料,系统地研究了种子萌发过程中的形态发生和呼吸强度、呼吸的生物化学途径的变化及其与能量变化(放热)之间的关系,根据实验,他发现植物体内即使同一种代谢也都有多条途径,而代谢途径的变化则一方面影响着各种生理功能(例如生长或形态上的变化),另一方面又受着酶活性和内外环境因素的控制。根据这些研究,他把高等植物的呼吸代谢看作是一个生理功能而不仅是一系列的生化反应。这个生理功能本身可以沿着多种生化途径进行,而且与其它功能之间又有着许多相互调节与控制的途径。由此他又对呼吸代谢的概念作了进一步的说明:“呼吸代谢是这样一个过程:通过它,贮藏于植物(生物)机体中物质的一部分转化为生物功,用来维持其生活状态;而同一类物质的另一部分则转变为以结构及组织形式出现的、具高度有序性(即负熵)的物质(结构)。这些过程均受内外因素的调节。”对其他问题的考虑汤佩松的兴趣是多方面的,以上述系统研究为主,他同时考虑许多问题。1950年他和他的研究生阎隆飞一起发现绿色植物(小球藻)中存在着当时认为仅存在于动物血液中的碳酸酐酶,并从菠菜叶中进行了分离提取。这个提取方法已被国外用来提取此酶,在宇宙航行中应用。1956年他又和他的学生和同事吴相钰一起发现水稻幼苗中硝酸还原酶的诱导形成。这不仅是首次发现硝酸还原酶是诱导酶,而且也是首次证实高等植物体内存在诱导酶。太阳能的生物转化汤佩松的系统观点中还有一个重要方面,就是太阳能的生物转化。因此他始终对光合作用抱有极大的兴趣。1978年以后和匡廷云、戴云玲等一起,揭示了光合膜中色素蛋白质复合体种类和组成的多样性以及其结构和功能的关系和内外因素对它们的调控规律,该项成果于1987年获得国家自然科学奖二等奖。60多年来,一直念念不忘的就是生物学中这样的一个基本问题:生物体是如何成为一个活生生的机体的?从青年直到90高龄,不管其间经历过多少凄风苦雨、艰难曲折,从上述一系列的事实,可以看出他是如何执著地追求揭开这个生命之谜和所做出的杰出贡献 !