光合作用是植物、藻類和一些細菌用來将陽光、二氧化碳和水轉化為糖和氧氣的過程。

光合作用吸收所有呼吸生物産生的二氧化碳，并将氧氣重新引入大氣中。

光合作用是植物、藻類和一些細菌将陽光轉化為能量的過程。該過程以化學方式将二氧化碳（CO2）和水轉化為食物（糖）和氧氣。化學反應通常依賴于一種叫做葉綠素的色素，它賦予植物綠色。光合作用也是我們的星球被富氧大氣覆蓋的原因。

有兩種類型的光合作用：含氧和無氧。它們都遵循非常相似的原理，但前者是最常見的，在植物、藻類和藍藻中可見。

在含氧光合作用過程中，光能将植物根系吸收的水（H2O）中的電子轉移到CO2中以産生碳水化合物。在這種轉移中，CO2被“還原”或接收電子，而水被“氧化”或失去電子。氧氣與碳水化合物一起産生。

這個過程在地球上創造了一種平衡，其中呼吸生物在呼吸中消耗氧氣時産生的二氧化碳被植物、藻類和細菌轉化為氧氣。

與此同時，無氧光合作用使用不是水的電子供體，并且該過程不會産生氧氣，根據LibreTexts的“無氧光合作用細菌”（在新選項卡中打開）.該過程通常發生在細菌中，例如綠色硫細菌和光養紫色細菌。

雖然這兩種類型的光合作用都是複雜的，多步驟的事務，但整個過程可以整齊地概括為化學方程式。

含氧光合作用方程為：

6CO2 12H2O 光能 → C6H12O6 6O2 6H2O

在這裡，六個二氧化碳分子（CO2）與12個水分子（H2O）結合使用光能。最終結果是形成單個碳水化合物分子（C6H12O6或葡萄糖）以及氧氣和水各六個分子。

同樣，各種無氧光合作用反應可以表示為一個單一的廣義公式：

CO2 2H2A 光能→ [CH2O] 2A H2O

方程中的字母A是一個變量，H2A代表潛在的電子供體。例如，“A”可能代表電子供體硫化氫（H2S）中的硫。

氣孔是葉子的守門人，允許葉子和周圍空氣之間進行氣體交換。

植物從周圍空氣中吸收二氧化碳，并通過葉子上的微小孔釋放水和氧氣，稱為氣孔。

當氣孔打開時，它們會讓二氧化碳進入;然而，當打開時，氣孔釋放氧氣并讓水蒸氣逸出。氣孔接近以防止水分流失，但這意味着植物不能再獲得二氧化碳進行光合作用。CO2增益和水分損失之間的這種權衡對于在炎熱幹燥環境中生長的植物來說是一個特殊的問題。

植物含有特殊的色素，可以吸收光合作用所需的光能。

葉綠素是用于光合作用的主要色素，根據科學教育網站自然教育，賦予植物綠色（在新選項卡中打開）.葉綠素吸收紅光和藍光并反射綠光。葉綠素是一種大分子，需要大量資源才能制造;因此，它在葉子壽命結束時分解，大部分色素的氮（葉綠素的組成部分之一）被重新吸收回植物中，當葉子在秋季失去葉綠素時，其他葉色素如類胡蘿蔔素和花青素開始顯現。雖然類胡蘿蔔素主要吸收藍光并反射黃色，但花青素吸收藍綠色光并反射紅光，根據哈佛大學的哈佛森林。

色素分子與蛋白質相關，這使它們能夠靈活地向光移動并相互靠近。根據Wim Vermaas的一篇文章，100到5，000個色素分子的大量集合構成了一個“天線”，亞利桑那州立大學教授。這些結構以光子的形式有效地從太陽捕獲光能。

細菌的情況略有不同。雖然藍藻含有葉綠素，但其他細菌，例如紫色細菌和綠色硫細菌，含有細菌葉綠素以吸收光以進行無氧光合作用，根據“傻瓜微生物學”

植物需要來自陽光的能量才能進行光合作用。

光合作用發生在葉綠體中，葉綠體是一種含有葉綠素的質體（帶有膜的細胞器），主要存在于植物葉片中。

葉綠體類似于細胞的能量動力源線粒體，因為它們有自己的基因組或基因集合，包含在環狀DNA中。這些基因編碼蛋白質（在新選項卡中打開）對細胞器和光合作用至關重要。

葉綠體内部是稱為類囊體的闆狀結構，負責收集光的光子進行光合作用，根據生物學術語網站生物學在線（在新選項卡中打開）.類囊體在稱為格拉納的列中相互堆疊。在格拉納之間是基質 - 一種含有酶，分子和離子的流體，糖形成在那裡發生。

最終，光能必須轉移到色素 - 蛋白質複合物中，該複合物可以将其以電子的形式轉化為化學能。在植物中，光能被轉移到葉綠素色素上。當葉綠素色素排出電子時，即可完成化學能的轉換，電子可以轉移到适當的受體。

将光能轉化為化學能并開始電子轉移過程的色素和蛋白質被稱為反應中心。

當光子撞擊反應中心時，葉綠素等色素分子會釋放出電子。

釋放的電子通過一系列連接在一起的蛋白質複合物逃逸，稱為電子傳遞鍊。當它通過鍊時，它産生能量來産生ATP（三磷酸腺苷，細胞的化學能來源）和NADPH - 這兩者都是卡爾文循環光合作用的下一階段所必需的。原始葉綠素色素中的“電子空穴”是通過從水中獲取電子來填充的。水分子的這種分裂将氧氣釋放到大氣中。

光合作用涉及一為加爾文循環的過程，該過程利用從光依賴性反應中儲存的能量将CO2固定成植物生長所需的糖。

加爾文循環是為植物産生糖分的三步過程，以茂文加爾文命名幾十年前發現它的諾貝爾獎得主科學家。加爾文循環利用葉綠素中産生的ATP和NADPH來産生碳水化合物。它在植物基質中占據半邊，葉綠體中的内部空間。

在這個循環的第一步，稱為碳固定，一種稱為RuBP羧化酶/加氧酶的酶，也稱為rubiso，有助于将CO2結合到稱為3-磷酸甘油酸（3-PGA）的有機分子中。根據LibreTexts的說法，在這個過程中，它打破了六個ATP分子上的磷酸基團，将它們轉化為ADP，在此過程中釋放能量。

在第二步中，3-PGA被還原，這意味着它從六個NADPH分子中獲取電子并産生兩個甘油醛3-磷酸（G3P）分子。

這些G3P分子之一離開卡爾文循環，在植物中做其他事情。剩餘的G3P分子進入第三步，即再生rubisco。在這些步驟之間，植物産生葡萄糖或果糖。

根據教育網站可汗學院的數據，生産六個G3P分子需要三個CO2分子，并且需要圍繞加爾文循環旋轉六圈才能産生一個碳水化合物分子。

光合作用途徑主要有三種類型：C3、C4和CAM。它們都使用加爾文循環從二氧化碳中産生糖，但每種途徑略有不同。

光合作用途徑的三種主要類型是C3，C4和CAM。大多數植物使用C3光合作用，包括水稻和棉花。

大多數植物使用C3光合作用，根據光合作用研究項目實現提高光合作用效率（RIPE）.C3植物包括谷物（小麥和大米），棉花，土豆和大豆。該過程以其在加爾文循環中使用的三碳化合物3-PGA命名。

玉米和甘蔗等植物使用C4光合作用。該過程使用四碳化合物中間體（稱為草酰乙酸），将其轉化為蘋果酸鹽，據生物學在線報道。然後蘋果酸被輸送到束鞘中，在那裡它分解并釋放出二氧化碳，然後由rubisco固定并在Calvin循環中制成糖（就像C3光合作用一樣）。根據生物學在線的說法，C4植物更好地适應炎熱幹燥的環境，即使它們的氣孔關閉也可以繼續固定碳（因為它們有一個聰明的存儲解決方案）。

根據可汗學院的說法，Crassulacean 酸代謝 （CAM） 存在于适應非常炎熱和幹燥環境的植物中，例如仙人掌和菠蘿。當氣孔打開以吸收二氧化碳時，它們可能會将水分流失到外部環境中。正因為如此，非常幹旱和炎熱的環境中的植物已經适應了。一種适應是CAM，植物在夜間打開氣孔（當溫度較低且水分流失風險較小時）。根據可汗學院的說法，CO2 通過氣孔進入植物并固定成草酰乙酸并轉化為蘋果酸鹽或其他有機酸（如 C4 途徑）。然後，CO2 可用于白天的光依賴性反應，并關閉氣孔，從而降低水分流失的風險。

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