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什麼是光合作用？概念、特徵、方程式和階段

2024-09-14自然科學302

我們解釋什麼是光合作用、它的特徵、方程式和階段。此外，為什麼它對全球生態系統很重要。

光合作用是植物和其他自養生物的主要營養機制。

什麼是光合作用？

光合作用是植物、藻類和光合細菌利用陽光的能量將無機物（二氧化碳和水）轉化為有機物（糖）的生化過程。這是所有含有葉綠素的自養生物的主要營養機制，葉綠素是光合作用過程的必需色素。

光合作用是地球上最重要的生化機制之一，因為它涉及有機營養物質的製造，這些有機營養物質將來自太陽的光能儲存在不同的有用分子（碳水化合物）中。事實上，這個過程的名稱來自希臘語“foto”（“光”）和“ synthesis ”（“合成”）。

光合作用後，合成的有機分子可用作化學能源來維持生命過程，例如細胞呼吸和生物新陳代謝的其他反應。

為了進行光合作用，需要葉綠素的存在，葉綠素是一種對陽光敏感的色素，賦予植物和藻類特有的綠色。這種色素存在於葉綠體中，葉綠體是植物細胞中典型的各種大小的細胞器，尤其是葉細胞（葉子）。葉綠體含有一組蛋白質和酶，可促進光合作用過程中複雜反應的發生。

光合作用過程對於我們所知的生態系統和生命至關重要，因為它允許有機物的產生和循環以及無機物的固定。此外，在含氧光合作用過程中，產生了大多數生物呼吸所需的氧氣。

另請參閱：生產組織

光合作用的類型

根據生物體進行反應所使用的物質，可以區分出兩種類型的光合作用：

產氧光合作用。其特點是利用水（H 2 O）來減少二氧化碳（CO 2）的消耗。在這種類型的光合作用中，不僅產生對身體有用的糖，而且還獲得氧氣（O 2）作為反應產物。植物、藻類和藍藻進行產氧光合作用。
無氧光合作用。該生物體不使用水來減少二氧化碳(CO 2 )，而是利用陽光來分解硫化氫(H 2 S)或氫氣(H 2 )分子。這種類型的光合作用不會產生氧氣 (O 2 )，而是釋放硫作為反應產物。無氧光合作用是由所謂的綠色和紫色硫細菌進行的，這些細菌含有名為細菌葉綠素的光合色素，與植物的葉綠素不同。

光合作用的特點

在植物和藻類中，光合作用發生在稱為葉綠體的細胞器中。

概括地說，光合作用有以下特點：

它是利用陽光來獲取有機化合物，即由水（H 2 O）和二氧化碳（CO 2）等無機元素合成營養物質的生化過程。
它可以由各種自養生物進行，只要它們具有光合色素（最重要的是葉綠素）。它是植物（陸生和水生）、藻類、浮游植物、光合細菌的營養過程。有一些動物能夠進行光合作用，其中包括海蛞蝓Elysia chlorotica和斑點蠑螈Ambystoma maculatum（後者透過與藻類共生來實現這一點）。
在植物和藻類中，光合作用發生在稱為葉綠體的特殊細胞器中，葉綠素存在於葉綠體中。光合細菌也有葉綠素（或其他類似的色素），但沒有葉綠體。
光合作用有兩種類型，取決於用於從二氧化碳 (CO 2 ) 中固定碳的物質。產氧光合作用使用水 (H 2 O) 並產生氧氣 (O 2 )，然後釋放到周圍介質中。無氧光合作用使用硫化氫(H 2 S)或氫氣(H 2 )，不產生氧氣但釋放硫。
自古希臘以來，人們就已經假設了陽光與植物之間的關係。然而，由於 18、19 和 20 世紀一系列科學家的貢獻，光合作用的研究和理解的進展開始變得越來越重要。例如，第一個證明植物中氧氣產生的是英國牧師約瑟夫·普里斯特利（Joseph Priestley，1732-1804），第一個制定光合作用基本方程式的是德國植物學家費迪南德·薩克斯（Ferdinand Sachs， 1832-1897）。後來，美國生物化學家梅爾文·卡爾文（Melvin Calvin，1911-1997）又做出了巨大貢獻，闡明了卡爾文循環（光合作用的階段之一），並因此獲得了1961年諾貝爾化學獎。

光合作用方程

產氧光合作用的一般方程式如下：

正確的化學方程式，即該反應的平衡方程，如下：

光合作用的階段

光合作用的光化學階段發生在有陽光的情況下。

光合作用作為化學過程發生在兩個不同的階段：光（或光）階段和黑暗階段，之所以這麼稱呼是因為只有陽光的存在才能直接幹預第一個階段（這並不意味著第二個階段必然發生在黑暗中））。

發光或光化學階段。在此階段，植物內部發生光依賴性反應，即植物透過葉綠素捕獲太陽能，並用其產生 ATP 和 NADPH。這一切都始於葉綠素分子與太陽輻射接觸，其外層電子被激發，產生電子傳輸鏈（類似電），用於合成ATP。（三磷酸腺苷）和 NADPH（菸鹼腺嘌呤二核苷酸磷酸）。在稱為「光解」的過程中水分子的分解使葉綠素分子能夠恢復在激發時失去的電子（需要激發多個葉綠素分子才能進行光相）。由於兩個水分子的光解，產生了一個氧分子，該氧分子作為該光合作用階段的副產品釋放到大氣中。
黑暗或合成階段。在這個發生在葉綠體基質或基質中的階段中，植物使用二氧化碳並利用前一階段產生的分子（化學能）通過一系列非常複雜的化學反應合成有機物質-本森循環。在此循環中，透過不同酵素（先前形成的 ATP 和 NADPH）的干預，植物從大氣中吸收的二氧化碳合成了葡萄糖。將二氧化碳摻入有機化合物稱為碳固定。