光合作用

光合作用是植物和其他生物将光能转化为化学能的过程，通过细胞呼吸，化学能随后可以释放出来为生物体的活动提供燃料。 一些化学能储存在碳水化合物分子中，例如糖和淀粉，它们由二氧化碳和水合成——因此得名光合作用，来自希腊语 phōs (φῶς)，光和合成 (σύνθεσις)，放在一起。 大多数植物、藻类和蓝藻进行光合作用； 这种生物被称为光合自养生物。 光合作用主要负责产生和维持地球大气层的氧气含量，并提供地球上生命所需的大部分能量。

尽管不同物种进行光合作用的方式不同，但这个过程总是在光能被称为反应中心的蛋白质吸收时开始，这些蛋白质包含绿色叶绿素（和其他有色）色素/生色团。 在植物中，这些蛋白质被保存在称为叶绿体的细胞器内，叶细胞中最丰富，而在细菌中，它们被嵌入质膜中。 在这些依赖于光的反应中，一些能量用于从合适的物质（例如水）中剥离电子，从而产生氧气。 水分解释放的氢被用于产生另外两种化合物，这些化合物用作短期能量储存，使其能够转移以驱动其他反应：这些化合物是还原的烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）和三磷酸腺苷（ ATP），细胞的能量货币。

在植物、藻类和蓝细菌中，糖类是通过随后的一系列不依赖于光的反应（称为卡尔文循环）合成的。 在卡尔文循环中，大气中的二氧化碳被并入已经存在的有机碳化合物中，例如二磷酸核酮糖 (RuBP)。 使用由光依赖性反应产生的 ATP 和 NADPH，然后将生成的化合物还原并去除，以形成更多的碳水化合物，例如葡萄糖。 在其他细菌中，使用不同的机制（例如反向克雷布斯循环）来达到相同的目的。

xxx批光合生物可能在生命进化史的早期进化，并且很可能使用氢或硫化氢等还原剂而不是水作为电子源。 后来出现了蓝藻； 它们产生的过量氧气直接促进了地球的充氧，从而使复杂生命的进化成为可能。 如今，全球光合作用捕获能量的平均速率约为 130 太瓦，约为当前人类文明耗电量的八倍。 光合生物每年还将大约 100-1150 亿吨（91-104 Pg 拍克，或十亿公吨）的碳转化为生物质。 除了空气、土壤和水之外，植物还从光中获得一些能量，这一点于 1779 年由 Jan Ingenhousz 首次发现。

光合作用对于气候过程至关重要，因为它从空气中捕获二氧化碳，然后将碳结合在植物中，并进一步结合在土壤和收获的产品中。 据估计，仅谷物每年就会吸收 3,825 Tg（太克）或 3.825 Pg（拍克）二氧化碳，即 38.25 亿公吨。

大多数光合生物都是光合自养生物，这意味着它们能够利用光能直接从二氧化碳和水中合成食物。 但是，并非所有生物都使用二氧化碳作为碳原子的来源来进行光合作用。 光合异养生物使用有机化合物而不是二氧化碳作为碳源。 在植物、藻类和蓝细菌中，光合作用释放氧气。 这种含氧光合作用是迄今为止生物体使用的最常见的光合作用类型。 尽管植物、藻类和蓝细菌的含氧光合作用之间存在一些差异，但这些生物体的整个过程非常相似。 无氧光合作用也有很多种，主要由细菌使用，它们消耗二氧化碳但不释放氧气。

二氧化碳在称为碳固定的过程中转化为糖； 光合作用从阳光中获取能量，将二氧化碳转化为碳水化合物。 碳固定是一种吸热的氧化还原反应。 总的来说，光合作用与细胞呼吸相反：光合作用是将二氧化碳还原为碳水化合物的过程，而细胞呼吸是将碳水化合物或其他营养物质氧化为二氧化碳的过程。 细胞呼吸中使用的营养物质包括碳水化合物、氨基酸和脂肪酸。 这些营养物质被氧化产生二氧化碳和水，并释放出化学能来驱动机体的新陈代谢。 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顺序发生。