光合作用讲解：植物如何将阳光转化为化学能

光合作用是将光能转化为储存在糖中的化学能的生物过程。根据美国国家地理教育，植物利用阳光、水和二氧化碳来创造氧气和以糖形式的能量，吸收二氧化碳和水，释放氧气，同时在葡萄糖分子中储存能量。

发生位置：叶绿体内部

根据美国国家地理教育，该过程在叶绿体内进行，叶绿体是植物和藻类细胞中的细胞器。根据bio.libretexts.org上的生物学参考资料，叶绿体包含两个关键区域：进行光反应的类囊体膜和进行卡尔文循环光独立反应的基质。

根据美国国家地理教育所述，叶绿素是装在类囊体膜中的绿色色素，主要吸收蓝色和红色光的能量，同时反射绿光，这就是为什么大多数叶子呈绿色。

第一阶段：光反应

根据bio.libretexts.org所述，在类囊体膜中，光系统II中的叶绿素吸收的光能被用来分裂水分子。该分裂释放了两个电子、两个氢原子和一个氧原子；氧气被释放为副产品，这是植物释放的氧气的来源。

根据bio.libretexts.org所述，释放的电子通过从光系统II经过称为细胞色素b6f的复合体到光系统I的电子传递链传递，在途中失去能量并被光系统I吸收的光重新激活。当电子通过细胞色素b6f时，氢离子被泵过类囊体膜，形成浓度梯度。该梯度驱动化学渗透，其中ATP合酶向ADP添加磷酸基团以形成ATP。在光系统I处，高能电子最终被用于将NADP+转化为NADPH。

根据bio.libretexts.org的总结，该阶段的净反应是：2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP。在这里产生的ATP和NADPH将化学能输入第二阶段。

第二阶段：卡尔文循环

根据bio.libretexts.org所述，卡尔文循环发生在基质中，不需要直接光照。它分三个阶段进行。首先，在碳固定中，酶RuBisCO将二氧化碳与名为RuBP的五碳分子结合，对于每个固定的CO2产生两个3-磷酸甘油酸（3-PGA）分子。

其次，在还原中，光反应期间产生的ATP和NADPH将3-PGA转化为3-磷酸甘油醛（G3P），这是植物用来制造葡萄糖和其他碳水化合物的构建块。第三，在再生中，大部分产生的G3P被用来重建RuBP，使用额外的ATP，以便循环可以继续进行，根据bio.libretexts.org。

根据bio.libretexts.org所述，产生一个G3P分子需要循环进行三次，消耗三个CO2分子、九个ATP和六个NADPH；构建一个葡萄糖分子需要循环进行六次。

光合作用为什么对植物之外的物种很重要

美国国家地理教育指出，地球上的大多数生命依赖于光合作用：草食动物通过吃植物获得能量，肉食动物通过吃草食动物间接获得能量，使光合作用成为大多数食物链的能量入口。该过程也是大气氧气的主要来源。

陆地植物并不是对地球氧气供应重要的唯一光合生物。根据NOAA的国家海洋服务，地球大约一半的氧气来自海洋，由浮游植物产生——漂浮的植物、藻类和能够进行光合作用的某些细菌。NOAA强调了原绿球菌，被描述为地球上最小的光合生物，作为一种单独产生整个生物圈中高达20%的氧气的物种，超过了所有热带雨林的总和。

NOAA还指出一个重要的说明：在海洋中，光合作用产生的氧气大约与海洋生物通过呼吸和分解消耗的氧气一样多，所以海洋的功能更像一个平衡的氧气循环，而不是对大气的净增益。

两个阶段一览