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光合作用（Photosynthesis）

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作者：admin

2026-08-16

科普视频

产氧光合作用

$ 12H_2O+6CO_2\xlongequal{hv，叶绿素} C_6H_{12}O_6(葡萄糖)+6O_2+6H_2O $

> 注意：上式中等号两边的水不能抵消，虽然在化学上此方程序显得很特别。原因是左边的水分子是植物吸收所得，而且用于制造氧气和提供电子和氢离子。而右边的水分子的氧原子则是来自二氧化碳。为了更清楚地表达这一原料产物起始过程，人们更习惯在等号左右两边都写上水分子，或者在右边的水分子右上角打上星号。

flowchart TB
a[光]
b[$H_2O$]
a-->c[光反应]
b-->c
c-->d[$O_2$]
c-->e[ATP]
c-->f[NADPH]
e-->g[暗反应]
f-->g
h[$CO_2$]-->g
g-->i[$CH_2O$]

光合作用2个阶段

[[0. 光反应 ing]] [[0. 暗反应]]

不产氧光合作用

[[不产氧光合细菌分类]]

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称谓

光合作用 Photosynthesis

描述

光合作用是一系列生物过程组成的系统，通过这个系统，进行光合作用的生物体，如大多数植物、藻类和[[0. 蓝菌门（Cyanobacteria，蓝细菌）]]，将光能，通常来自阳光，转化为它们代谢所需的化学能。光合作用通常指的是产氧光合作用，这一过程会产生氧气。光合生物将产生的化学能储存在细胞内有机化合物（含碳化合物）中，如糖、糖原、[[纤维素（cellulose）|纤维素]]和淀粉。为了使用这种储存的化学能，生物体的细胞通过细胞呼吸代谢这些有机化合物。光合作用在产生和维持地球大气中的氧气含量方面起着关键作用，并且它为地球上复杂生命提供了大部分所需的生物能量。

一些[[0. 细菌（Bacteria，细菌域）]]也进行厌氧光合作用，这种过程使用细菌叶绿素来分解[[硫化氢]]作为还原剂而不是水，产生硫而不是氧气。

像[[盐杆菌属（Halobacterium）]]这样的[[0. 古菌（Archaea，古菌域，古细菌）]]也进行一种非固定碳的厌氧光合作用，其中使用更简单的光色素视黄醛及其微生物视紫红质衍生物来吸收绿光并驱动质子泵直接合成三磷酸腺苷（ATP），这是细胞的“能量货币”。这种[[0. 古菌（Archaea，古菌域，古细菌）]]的光合作用可能是地球上最早进化的光合作用形式，可以追溯到古太古代，早于[[0. 蓝菌门（Cyanobacteria，蓝细菌）]]的光合作用（参见紫色地球假说）。

尽管不同物种之间的细节可能有所不同，但这个过程总是从光能被反应中心吸收开始，这些反应中心是含有光合色素或色素体的蛋白质。在植物中，这些蛋白质是叶绿素（一种卟啉衍生物，可以吸收红光和蓝光谱的光，因此反射绿光）位于叶绿体内，在叶细胞中含量丰富。在细菌中，它们嵌入在质膜中。在这些光依赖反应中，一些能量被用来从合适的物质（如水）中剥离电子，产生氧气。水分解释放的氢用于创建两种参与能量过程的重要分子：还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和ATP。

在植物、藻类和蓝细菌中，糖是通过一系列光独立的后续反应合成的，这些反应被称为[[0. 卡尔文循环（Calvin cycle）]]。在这个过程中，大气中的二氧化碳被纳入已经存在的有机化合物中，例如[[C5：二磷酸核酮糖（ribulose bisphosphate，RuBP）]]。使用光依赖反应产生的ATP和NADPH，所得化合物随后被还原并移除，形成更多的碳水化合物，如葡萄糖。在其他细菌中，使用了不同的机制，如反向克雷布斯循环，来实现相同的目的。

最早的光合生物可能在生命进化史的早期就出现了，它们使用还原剂如氢或硫化氢，而不是水，作为电子的来源。[[0. 蓝菌门（Cyanobacteria，蓝细菌）]]出现得较晚；它们产生的过量氧气直接促进了地球的氧化，这使得复杂生命的进化成为可能。全球光合作用捕获的平均能量大约为130太瓦，这大约是人类文明总电力消耗的八倍。光合生物每年还将大约100–115亿吨（91–104Pg，即十亿吨）的碳转化为生物质。光合作用是在1779年由扬·英根豪斯发现的。他证明植物需要光，而不仅仅是空气、土壤和水。

光合作用对气候过程至关重要，因为它从空气中捕获二氧化碳并将其固定在植物、收获的农产品和土壤中。仅谷物每年就能固定3825Tg或3.825Pg的二氧化碳，即38.25亿吨。

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大多数光合生物是光能自养生物，这意味着它们能够直接从二氧化碳和水中合成食物，使用光的能量。然而，并不是所有生物都使用二氧化碳作为进行光合作用时碳原子的来源；光能异养生物使用有机化合物，而不是二氧化碳，作为碳的来源。

在植物、藻类和蓝细菌中，光合作用释放氧气。这种产氧光合作用是目前生物体使用最普遍的光合作用类型。一些喜阴植物（阴生植物）在光合作用过程中产生的氧气水平如此之低，以至于它们自己使用了所有的氧气，而不是将其释放到大气中。

尽管植物、藻类和蓝细菌之间的产氧光合作用存在一些差异，但这些生物的整体过程非常相似。还有许多种类的厌氧光合作用，主要被细菌使用，这些细菌消耗二氧化碳但不释放氧气。

二氧化碳在碳固定过程中被转化为糖；光合作用捕获阳光的能量将二氧化碳转化为碳水化合物。碳固定是一个吸热的氧化还原反应。总的来说，光合作用是细胞呼吸的相反过程：光合作用是将二氧化碳还原为碳水化合物，而细胞呼吸是将碳水化合物或其他营养素氧化为二氧化碳。细胞呼吸中使用的营养素包括碳水化合物、氨基酸和脂肪酸。这些营养素被氧化以产生二氧化碳和水，并释放化学能量来驱动生物体的代谢。

光合作用和细胞呼吸是不同的过程，因为它们通过不同的化学反应序列在不同的细胞区间进行（细胞呼吸在线粒体中进行）。

光合作用的一般方程式：

$ CO_2+2H_2A+光能 \rightarrow [CH_2O]+2A+H_2O $ 在产氧光合作用中，水被用作电子供体，该过程的方程式为：

$ CO_2+2H_2O+光能 \rightarrow [CH_2O]+O_2+H_2O $ 这个方程式强调水既是光依赖反应中的反应物，也是光独立反应的产物，但从等式两边各取消相同数量的水分子后，得到净方程式：

$ CO_2+H_2O+光能 \rightarrow [CH_2O]+O_2 $ 其他过程用其他化合物（例如砷化物）代替水在电子供应的角色；例如，一些微生物利用阳光将砷化物氧化为砷酸盐：这个反应的方程式为：

$ CO_2+AsO_3^{3-}+光能\rightarrow AsO_4^{3-}+CO（用于在后续反应中构建其他化合物） $ 光合作用发生在两个阶段。在第一阶段，光依赖反应或光反应捕获光的能量，并利用它来制造氢载体NADPH和能量储存分子ATP。在第二阶段，光独立反应使用这些产物来捕获和还原二氧化碳。

[[0. 光反应 ing]] [[0. 暗反应]]

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产氧光合作用

光合作用2个阶段

不产氧光合作用

称谓

描述

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