光合作用是植物、藻类和一些细菌用来将阳光、二氧化碳和水转化为糖和氧气的过程。

光合作用是植物、藻类和一些细菌将阳光转化为能量的过程。该过程以化学方式将二氧化碳（CO2）和水转化为食物（糖）和氧气。化学反应通常依赖于一种叫做叶绿素的色素，它赋予植物绿色。光合作用也是我们的星球被富氧大气覆盖的原因。

光合作用过程的类型

有两种类型的光合作用：含氧和无氧。它们都遵循非常相似的原理，但前者是最常见的，在植物、藻类和蓝藻中可见。

在含氧光合作用过程中，光能将植物根系吸收的水（H2O）中的电子转移到CO2中以产生碳水化合物。在这种转移中，CO2被“还原”或接收电子，而水被“氧化”或失去电子。氧气与碳水化合物一起产生。

这个过程在地球上创造了一种平衡，其中呼吸生物在呼吸中消耗氧气时产生的二氧化碳被植物、藻类和细菌转化为氧气。

与此同时，无氧光合作用使用不是水的电子供体，并且该过程不会产生氧气，根据LibreTexts的“无氧光合作用细菌”（在新选项卡中打开）.该过程通常发生在细菌中，例如绿色硫细菌和光养紫色细菌。

光合作用方程

虽然这两种类型的光合作用都是复杂的，多步骤的事务，但整个过程可以整齐地概括为化学方程式。

含氧光合作用方程为：

6CO2 + 12H2O + 光能 → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

在这里，六个二氧化碳分子（CO2）与12个水分子（H2O）结合使用光能。最终结果是形成单个碳水化合物分子（C6H12O6或葡萄糖）以及氧气和水各六个分子。

同样，各种无氧光合作用反应可以表示为一个单一的广义公式：

CO2 + 2H2A + 光能→ [CH2O] + 2A + H2O

方程中的字母A是一个变量，H2A代表潜在的电子供体。例如，“A”可能代表电子供体硫化氢（H2S）中的硫。

二氧化碳和氧气是如何交换的？

植物从周围空气中吸收二氧化碳，并通过叶子上的微小孔释放水和氧气，称为气孔。

当气孔打开时，它们会让二氧化碳进入;然而，当打开时，气孔释放氧气并让水蒸气逸出。气孔接近以防止水分流失，但这意味着植物不能再获得二氧化碳进行光合作用。CO2增益和水分损失之间的这种权衡对于在炎热干燥环境中生长的植物来说是一个特殊的问题。

植物如何吸收阳光进行光合作用？

植物含有特殊的色素，可以吸收光合作用所需的光能。

叶绿素是用于光合作用的主要色素，根据科学教育网站自然教育，赋予植物绿色（在新选项卡中打开）.叶绿素吸收红光和蓝光并反射绿光。叶绿素是一种大分子，需要大量资源才能制造;因此，它在叶子寿命结束时分解，大部分色素的氮（叶绿素的组成部分之一）被重新吸收回植物中，当叶子在秋季失去叶绿素时，其他叶色素如类胡萝卜素和花青素开始显现。虽然类胡萝卜素主要吸收蓝光并反射黄色，但花青素吸收蓝绿色光并反射红光，根据哈佛大学的哈佛森林。

色素分子与蛋白质相关，这使它们能够灵活地向光移动并相互靠近。根据Wim Vermaas的一篇文章，100到5，000个色素分子的大量集合构成了一个“天线”，亚利桑那州立大学教授。这些结构以光子的形式有效地从太阳捕获光能。

细菌的情况略有不同。虽然蓝藻含有叶绿素，但其他细菌，例如紫色细菌和绿色硫细菌，含有细菌叶绿素以吸收光以进行无氧光合作用，根据“傻瓜微生物学”

光合作用在植物的哪个地方发生？

光合作用发生在叶绿体中，叶绿体是一种含有叶绿素的质体（带有膜的细胞器），主要存在于植物叶片中。

叶绿体类似于细胞的能量动力源线粒体，因为它们有自己的基因组或基因集合，包含在环状DNA中。这些基因编码蛋白质（在新选项卡中打开）对细胞器和光合作用至关重要。

叶绿体内部是称为类囊体的板状结构，负责收集光的光子进行光合作用，根据生物学术语网站生物学在线（在新选项卡中打开）.类囊体在称为格拉纳的列中相互堆叠。在格拉纳之间是基质 – 一种含有酶，分子和离子的流体，糖形成在那里发生。

最终，光能必须转移到色素 – 蛋白质复合物中，该复合物可以将其以电子的形式转化为化学能。在植物中，光能被转移到叶绿素色素上。当叶绿素色素排出电子时，即可完成化学能的转换，电子可以转移到适当的受体。

将光能转化为化学能并开始电子转移过程的色素和蛋白质被称为反应中心。

光依赖性反应

当光子撞击反应中心时，叶绿素等色素分子会释放出电子。

释放的电子通过一系列连接在一起的蛋白质复合物逃逸，称为电子传递链。当它通过链时，它产生能量来产生ATP（三磷酸腺苷，细胞的化学能来源）和NADPH – 这两者都是卡尔文循环光合作用的下一阶段所必需的。原始叶绿素色素中的“电子空穴”是通过从水中获取电子来填充的。水分子的这种分裂将氧气释放到大气中。

与光无关的反应：加尔文循环

加尔文循环是为植物产生糖分的三步过程，以茂文加尔文命名几十年前发现它的诺贝尔奖得主科学家。加尔文循环利用叶绿素中产生的ATP和NADPH来产生碳水化合物。它在植物基质中占据半边，叶绿体中的内部空间。

在这个循环的第一步，称为碳固定，一种称为RuBP羧化酶/加氧酶的酶，也称为rubiso，有助于将CO2结合到称为3-磷酸甘油酸（3-PGA）的有机分子中。根据LibreTexts的说法，在这个过程中，它打破了六个ATP分子上的磷酸基团，将它们转化为ADP，在此过程中释放能量。

在第二步中，3-PGA被还原，这意味着它从六个NADPH分子中获取电子并产生两个甘油醛3-磷酸（G3P）分子。

这些G3P分子之一离开卡尔文循环，在植物中做其他事情。剩余的G3P分子进入第三步，即再生rubisco。在这些步骤之间，植物产生葡萄糖或果糖。

根据教育网站可汗学院的数据，生产六个G3P分子需要三个CO2分子，并且需要围绕加尔文循环旋转六圈才能产生一个碳水化合物分子。

光合作用的类型

光合作用途径主要有三种类型：C3、C4和CAM。它们都使用加尔文循环从二氧化碳中产生糖，但每种途径略有不同。

C3光合作用

大多数植物使用C3光合作用，根据光合作用研究项目实现提高光合作用效率（RIPE）.C3植物包括谷物（小麦和大米），棉花，土豆和大豆。该过程以其在加尔文循环中使用的三碳化合物3-PGA命名。

C4光合作用

玉米和甘蔗等植物使用C4光合作用。该过程使用四碳化合物中间体（称为草酰乙酸），将其转化为苹果酸盐，据生物学在线报道。然后苹果酸被输送到束鞘中，在那里它分解并释放出二氧化碳，然后由rubisco固定并在Calvin循环中制成糖（就像C3光合作用一样）。根据生物学在线的说法，C4植物更好地适应炎热干燥的环境，即使它们的气孔关闭也可以继续固定碳（因为它们有一个聪明的存储解决方案）。

凸轮光合作用

根据可汗学院的说法，Crassulacean 酸代谢 （CAM） 存在于适应非常炎热和干燥环境的植物中，例如仙人掌和菠萝。当气孔打开以吸收二氧化碳时，它们可能会将水分流失到外部环境中。正因为如此，非常干旱和炎热的环境中的植物已经适应了。一种适应是CAM，植物在夜间打开气孔（当温度较低且水分流失风险较小时）。根据可汗学院的说法，CO2 通过气孔进入植物并固定成草酰乙酸并转化为苹果酸盐或其他有机酸（如 C4 途径）。然后，CO2 可用于白天的光依赖性反应，并关闭气孔，从而降低水分流失的风险。