光合作用定义

引言

植物、藻类和一些微生物将光能转化为葡萄糖或其他糖形式的化学能的过程称为光合作用。 这个过程对于这些生物的生存至关重要，对于依赖它们获取食物的其他生物的生存也至关重要。光合作用发生在植物细胞的叶绿体中。叶绿体含有叶绿素，叶绿素是赋予植物绿色并吸收太阳光能的色素。然后，吸收的光能用于驱动一系列化学反应，将空气中的二氧化碳（CO2）和土壤中的水（H2O）转化为葡萄糖（C6H12O6）和氧气（O2）。

下面的方程可以用来描述该反应

6 CO2 + 6 H2O + 光能 = C6H12O6 + 6 O2

该方程利用光能将水分子分解成氧气和氢离子。然后，氢离子与二氧化碳结合形成葡萄糖，同时氧气作为副产品释放到空气中。

光合作用所需资源

1. 叶绿素

光合作用固碳过程需要叶绿素，即植物中的绿色色素。所有绿色植物都自然产生这种化学物质，它是光合作用中光的吸收剂，太阳能启动了我们所知道的光合作用过程。

2. 阳光

阳光为光合作用提供运行所需的能量输入。太阳启动了光合作用中的初始反应——光反应。在此阶段，水分解成氧气和氢，氧气随着阳光刺激叶绿素而释放到大气中。

3. 水

植物通过根系从土壤中吸收水分。水通过复杂的输送系统向上输送到植物的茎，直到到达叶子，在那里它被用作光合作用的原材料。

4. 二氧化碳

植物周围的大气中含有大量的这种气体。大多数植物的叶子都覆盖着一层蜡质层，以防止它们干燥。通常，这也会阻止像二氧化碳这样的气体进入叶子。然而，叶子也有称为气孔的独特开口，允许气体进入叶子细胞。光合作用后，产生的氧气也通过气孔离开细胞。当二氧化碳和第一光反应步骤中的氢结合时，就会形成碳水化合物。

光合作用的阶段

1. 光反应

在光反应的化学反应中，二磷酸腺苷（ADP）、被氧化的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADP+）以及水中的氢是反应物。光能通过转移氢离子和电子，将 NADP+ 转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）。当磷酸基团同时加到 ADP 上时，就会产生三磷酸腺苷（ATP）。由于这个反应，产生了两种新的分子，它们以化学能的形式储存光能。

光合作用的初始阶段发生在植物细胞叶绿体的类囊体膜附近。类囊体囊含有叶绿素，NADP+ 分子在膜中吸收氢离子和电子。叶绿体分布在植物的叶子中，每个植物细胞中都有几个。

2. 暗反应

暗反应利用光合作用初始阶段产生的 NADPH 和 ATP 化学物质来制造光合作用的碳水化合物终产物。在植物细胞的基质中，NADPH 和 ATP 化学物质固定空气中的二氧化碳，产生可作为植物食物的糖。二氧化碳提供碳水化合物所需的碳原子，反应将 NADPH 和 ATP 分子转化回 NADP+ 和 ADP，以便它们可以再次积极参与新的光反应。

虽然暗反应不需要光，但它们仍然需要光反应不断提供 NADPH 和 ATP。因此，暗反应仅在有光且光反应正在进行时发生。两者共同为其他植物和动物提供新陈代谢所需的能量。

光合作用的重要性

由于光合作用是产生几乎所有生物赖以生存的食物和氧气的过程，因此它对地球上的生命至关重要。植物和其他一些生物将太阳光能转化为以糖和氧气等分子形式储存的化学能的过程称为光合作用。通过光合作用，植物利用阳光的能量将二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气。然后，细胞利用这种葡萄糖的能量进行生长和繁殖等过程。此外，光合作用产生氧气，这是所有地球生命形式所必需的。

除了植物，地球上的所有生命都依赖光合作用。没有植物，我们的氧气水平会大大降低，因为它们是氧气的主要生产者。此外，植物是其他生物的主要食物来源，为维持地球上所有生命提供能量。此外，光合作用是将大气中的二氧化碳转化为有机分子的关键过程，因此，它在全球碳循环中起着重要作用。因此，通过调节大气中的二氧化碳含量，这种机制有助于减轻全球变暖的影响。

光合作用对环境和人类健康也很重要。光合作用通过吸收大气中的有害气体二氧化碳来减少其含量。在光合作用的帮助下，还产生了对人类和动物呼吸都至关重要的氧气。光合作用还具有多种工业和农业用途，包括生产生物燃料和供人类及动物消费的作物。

总之，光合作用是地球上所有生命必不可少的过程。它是植物和其他生物将阳光转化为能量的主要功能，并且对于生产食物和氧气至关重要。此外，光合作用具有众多的工业和农业用途，并有助于减少大气中的二氧化碳。没有光合作用，地球上的生命将大不相同，并且多样性大大降低。

光呼吸及其对光合作用的影响

植物进行光呼吸，当酶 RuBisCO 将 RuBP 氧合时，光合作用的能量会丢失。当大气中的氧气与二氧化碳的比例过高时，就会发生这种情况，从而降低光合作用的效率。在光呼吸过程中，酶 RuBisCO 会与氧分子结合，而不是与光合作用所需的二氧化碳分子结合。在此过程中会产生一种称为乙醇酸的废物，光合作用产生能量的能力会降低。光呼吸会使光合作用的效率降低高达 50%。

光呼吸可能对植物产生灾难性的影响。它可能减少用于生长的能量，这可能导致生长迟缓和产量下降。因此，植物总体上产生的氧气量可能会减少。它还可能降低光合作用的效率和从大气中吸收的二氧化碳的量。

科学家们正在研究通过基因改造植物使其更能抵抗高氧和低二氧化碳水平的影响，以减轻光呼吸的影响。例如，已开发出一些植物，它们可以在高氧和低二氧化碳水平下使用一种称为 C4 光合作用的替代途径，这种途径效率更高。

此外，研究人员正在研究引入其他酶的方法，例如在蓝细菌中发现的酶，这些酶比 RuBisCO 更有效地利用 CO2 分子，以提高光合作用的效率。其他方法包括限制大气中的氧气量和使用不同的光频率。

总的来说，光呼吸是一个可能显著影响光合作用效率和植物健康的過程。通过探索基因改造植物的方法和改变大气条件，科学家们希望减轻光呼吸的负面影响并提高光合作用的效率。

细胞呼吸对光合作用的重要性

光合作用和细胞呼吸是世界上两个最关键的生物过程。生物体通过细胞呼吸将葡萄糖衍生的能量转化为 ATP 形式的可用能量，而植物通过光合作用将太阳能转化为葡萄糖中的化学能。地球上生命的生存取决于这两个过程的相互作用和相互依存。

植物必须进行光合作用来产生它们生存所需的能量，如果光合作用停止，植物将很快死亡，因为它们无法制造葡萄糖。同样，所有生物都需要细胞呼吸将葡萄糖转化为 ATP，而 ATP 是所有新陈代谢功能所必需的。

细胞呼吸和光合作用对维持地球生命至关重要，但它们对全球碳循环也至关重要。细胞呼吸将二氧化碳返回大气层，而光合作用则将大气中的二氧化碳转化为有机物质。这个循环对于维持大气中 CO2 的平衡和防止全球变暖至关重要。

光合作用的演化

产氧光合作用过程除了为植物生产食物外，还产生氧气，植物将氧气释放到环境中。这种氧气使地球适合人类和其他生命形式生存，使地球与其他太阳系行星不同。有趣的是，除了植物和藻类，其他生物也能通过光合作用产生自身所需的养分。根据加州理工学院的说法，一些被称为蓝细菌的细菌也使用产氧光合作用来维持自身。这些细菌很可能是现代植物和藻类的进化后裔。

此外，一些细菌物种使用一种称为无氧光合作用的机制来制造自己的食物，这种机制不会产生氧气。光合自养生物，意为“利用光自给自足的生物”，是可以进行光合作用的生物。

尽管光合作用已经在地球上存在了数十亿年，但我们对其工作原理和起源的了解仍处于早期阶段。随着科学家们在前辈工作的基础上不断发展，他们正在更深入地理解这个复杂的过程，这个过程不仅对光合自养生物，而且对地球上的所有生命都至关重要。