5.1：光合作用概述
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光合作用所产生的能量不断进入我们星球的生态系统，并从一种生物转移到另一种生物体。 因此，光合作用过程直接或间接地提供了地球上生物所需的大部分能量。 光合作用还导致氧气释放到大气中。 简而言之，要吃东西和呼吸，人类几乎完全依赖进行光合作用的生物。
概念在行动
单击以下链接以了解有关光合作用的更多信息。
对太阳能的依赖和粮食生产
有些生物可以进行光合作用，而另一些则不能。 autotroph 是一种可以自己生产食物的生物。 autotroph 这个词的希腊语词根意为 “自我”（自动）“feeder”（troph）。 植物是最著名的自养体，但也存在其他自养物，包括某些类型的细菌和藻类（图\(\PageIndex{1}\)）。 海洋藻类为全球食物链贡献了大量的食物和氧气。 植物也是 photoautotrophs，这是一种自养物，它利用阳光和二氧化碳中的碳来合成碳水化合物形式的化学能。 所有进行光合作用的生物都需要阳光。
Heterotrophs 是无法进行光合作用的生物，因此必须通过消耗其他生物从食物中获取能量和碳。 heter otroph 一词的希腊语词根意为 “其他”（异类）“喂食者”（t roph），意思是它们的食物来自其他生物。 即使食物生物是另一种动物，这种食物的起源也可以追溯到自养和光合作用过程。 人类是异养动物，所有动物也是如此。 Heterotrophs 直接或间接依赖自养体。 鹿和狼是异养动物。 鹿通过吃植物获得能量。 狼吃鹿获得的能量最初来自那只鹿吃掉的植物。 植物中的能量来自光合作用，因此它是本例中唯一的自养物（图\(\PageIndex{2}\)）。 根据这个推理，人类吃的所有食物也都与进行光合作用的自养生物有关。
生物学在行动：杂货店的光合作用
美国的主要杂货店分为几个部门，例如乳制品、肉类、农产品、面包、麦片等。 每个通道包含数百甚至数千种不同的产品供客户购买和消费（图\(\PageIndex{3}\)）。
尽管种类繁多，但每种物品都与光合作用有关。 肉类和奶制品与光合作用有关，因为这些动物是用植物性食物喂养的。 面包、谷物和意大利面主要来自谷物，谷物是光合植物的种子。 甜点和饮料呢？ 所有这些产品都含有糖，糖是直接由光合作用产生的基本碳水化合物分子。 光合作用关系适用于一个人食用的每顿饭和每种食物。
光合作用的主要结构和摘要
光合作用需要阳光、二氧化碳和水作为起始反应物（图\(\PageIndex{4}\)）。 该过程完成后，光合作用会释放氧气并产生碳水化合物分子，最常见的是葡萄糖。 这些糖分子含有生物生存所需的能量。
光合作用的复杂反应可以用图中所示的化学方程来概括\(\PageIndex{5}\)。
尽管这个方程看起来很简单，但在光合作用过程中发生的许多步骤实际上相当复杂，就像总结细胞呼吸的反应代表许多个体反应一样。 在了解 photoautotrophs 如何将阳光转化为食物的细节之前，必须熟悉所涉及的物理结构。
在植物中，光合作用主要发生在叶子中，叶子由多层细胞组成，顶部和底部有区别。 光合作用过程不是发生在叶子的表层，而是发生在称为叶肉的中间层（图\(\PageIndex{6}\)）。 二氧化碳和氧气的气体交换是通过称为气孔的小型调节开口进行的。
在所有自养真核生物中，光合作用发生在称为叶绿体的细胞器内。 在植物中，叶肉中存在含有叶绿体的细胞。 叶绿体具有双膜（内膜和外膜）。 叶绿体内有第三层膜，它形成堆叠的圆盘状结构，称为 thylakoids。 嵌入在 thylakoid 膜中的是叶绿素分子，叶绿素是一种色素（一种吸收光的分子），整个光合作用过程通过它开始。 叶绿素是植物呈绿色的原因。 thylakoid 膜封闭了一个名为 thylakoid 空间的内部空间。 其他类型的色素也参与光合作用，但叶绿素是迄今为止最重要的。 如图所示\(\PageIndex{6}\)，一堆 thylakoids 被称为颗粒，颗粒周围的空间被称为基质（不要与气孔，叶子上的开口混淆）。
艺术连接
在炎热干燥的日子里，植物会闭上气孔以节约用水。 这将对光合作用产生什么影响？
光合作用的两个部分
光合作用分为两个阶段：光依赖反应和加尔文循环。 在 thylakoid 膜上发生的依赖光的反应中，叶绿素吸收来自阳光的能量，然后用水将其转化为化学能。 光依赖性反应从水的水解中释放出氧气作为副产物。 在基质中发生的加尔文循环中，来自光依赖反应的化学能既驱动二氧化碳分子中碳的捕获，也推动了糖分子的随后的组装。 这两种反应使用载体分子将能量从一种反应输送到另一种反应。 将能量从依赖光的反应转移到加尔文循环反应的载流子可以被视为 “充满”，因为它们带来了能量。 能量释放后，“空” 能量载流子会返回光依赖反应以获得更多能量。
摘要
光合作用的过程改变了地球上的生命。 通过利用来自太阳的能量，光合作用使生物能够获得大量的能量。 由于光合作用，生物获得了足够的能量，使它们能够进化出新的结构并实现当今显而易见的生物多样性。
只有某些被称为 autotrophs 的生物才能进行光合作用；它们需要叶绿素的存在，叶绿素是一种可以吸收光并将光能转化为化学能的特殊色素。 光合作用使用二氧化碳和水来组装碳水化合物分子（通常是葡萄糖）并将氧气释放到空气中。 真核生物自养体，例如植物和藻类，具有称为叶绿体的细胞器，其中发生光合作用。
艺术联系
图\(\PageIndex{6}\)：在炎热干燥的日子里，植物会闭上气孔以节约用水。 这将对光合作用产生什么影响？
- 回答
-
二氧化碳（一种反应物）的含量将下降，氧气（一种产物）的含量将上升。 结果，光合作用的速度将减慢。
词汇表
- autotroph
- 能够自己生产食物的生物
- 叶绿素
- 捕获驱动光合作用反应的光能的绿色色素
- 叶绿体
- 发生光合作用的细胞器
- 颗粒
- 一堆位于叶绿体内的 thylakoids
- heterotroph
- 一种消耗其他生物作为食物的生物
- 光依赖性反应
- 光合作用的第一阶段，可见光被吸收形成两个携带能量的分子（ATP 和 NADPH）
- mesophyll
- 叶子中细胞的中间层
- photoautroph
- 一种能够利用光能合成自己的食物分子（储存能量）的生物
- 颜料
- 一种能够吸收光能的分子
- 造口
- 调节树叶和环境之间气体交换和水分调节的开口；plural：stomata
- 基质
- 叶绿体内格拉纳周围充满液体的空间，光合作用的加尔文循环反应发生在那里
- thylakoid
- 叶绿体内部的圆盘状膜结构，光合作用的光依赖反应是使用嵌入膜中的叶绿素发生的