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5.1：光合作用概述

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    地球上的所有活生物都由一个或多个细胞组成。 每个细胞都依靠主要存在于碳水化合物分子（食物）中的化学能运行，而这些分子中的大多数是由一个过程产生的：光合作用。 通过光合作用，某些生物将太阳能（阳光）转化为化学能，然后用于生成碳水化合物分子。 当生物分解食物时，用于将这些分子凝聚在一起的能量就会被释放。 然后，细胞利用这种能量进行工作，例如细胞呼吸。

    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。

    照片 a 显示了一片绿色的蕨叶。 照片 b 显示一个码头突出到一大片静水中；码头附近的水呈绿色，上面有可见的藻类。 照片 c 是蓝细菌的显微照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：（a）植物、（b）藻类和（c）某些细菌，称为蓝细菌，是可以进行光合作用的光自养生物。 藻类可以在水中的大片区域生长，有时会完全覆盖表面。 （来源 a：美国鱼类和野生动物管理局史蒂夫·希勒布兰德；来源 b：“富营养化与缺氧” /Flickr；来源 c：美国宇航局；来自 Matt Russell 的比例尺数据）

    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。

    这张照片显示了鹿在森林边缘的高草丛中奔跑。
    图\(\PageIndex{2}\)：光合作用产生的碳水化合物分子中储存的能量通过食物链。 吃掉这些鹿的捕食者获得的能量来自鹿消耗的光合植被。 （来源：美国鱼类和野生动物管理局的 Steve VanRiper）

    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\(\PageIndex{3}\)）。

    这张照片显示了人们在杂货店购物
    图\(\PageIndex{3}\)：光合作用是构成人类饮食主要成分的产品的起源。 （来源：Brasileira de Supermercados 协会）

    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。

    这张照片显示了一棵树。 箭头表示树使用二氧化碳、水和阳光制造糖和释放氧气。
    图\(\PageIndex{4}\)：光合作用利用太阳能、二氧化碳和水来释放氧气并产生储存能量的糖分子。

    光合作用的复杂反应可以用图中所示的化学方程来概括\(\PageIndex{5}\)。

    显示了光合作用方程。 根据这个方程式，六个二氧化碳分子和六个水分子产生一个糖分子和一个氧分子。 糖分子由 6 个碳、12 个氢和 6 个氧气组成。 阳光被用作能源。
    图\(\PageIndex{5}\)：光合作用过程可以用一个方程来表示，其中二氧化碳和水利用来自阳光的能量产生糖和氧气。

    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

    此图的上半部分显示了叶子的横截面。 在横截面中，叶肉夹在上表皮和下表皮之间。 叶肉的上半部分是连续排列的矩形细胞，下部有椭圆形细胞。 下表皮中存在一个叫做气孔的开口。 这幅插图的中间部分显示了一个具有突出中央液泡的植物细胞、一个核、核糖体、线粒体和叶绿体。 这幅插图的下半部分显示的是叶绿体，里面有煎饼状的膜堆。
    图\(\PageIndex{6}\)：并非叶子的所有细胞都进行光合作用。 叶子中间层内的细胞有叶绿体，叶绿体含有光合设备。 （来源 “leaf”：对科里·赞克作品的修改）

    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