绿色植物的生存离不开光合作用

2　绿色工厂——光合作用

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光合作用是绿色植物、藻类等生产者和某些细菌利用叶绿素等光合色素、某些细菌利用其细胞本身，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量，效率为10％左右。对于生物界的大多数生物来说来说，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是其中最重要的一环。

光合作用

光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。光合作用是绿色植物将来自太阳的能量转化为化学能（糖）的过程。

生态系统的“燃料”来自太阳能。绿色植物在光合作用中捕获光能，并将其转变为碳水化合物存储化学能。然后能量通过食草动物吃植物和食肉动物吃食草动物这样的过程，在生态系统的物种间传递。这些互动形式组成了食物链。

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光合作用的意义

光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光能才能进行，这个阶段叫作光反应阶段。光反应阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的；光合作用第二个阶段中的化学反应，没有光能也可以进行，这个阶段叫作暗反应阶段。暗反应阶段中的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中，二者是紧密联系、缺一不可的。

对于绿色植物来说，在阳光充足的白天，它们将利用阳光的能量来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分。这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉，同时释放氧气。

光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。因此，光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。

（1）制造有机物。据估计，地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物，所以，人们把地球上的绿色植物比成庞大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。

煤炭

（2）转化并储存太阳能。地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。

（3）使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定。绿色植物广泛地分布在地球上，不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧，从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。

（4）对生物的进化具有重要的作用。在距今20亿～30亿年以前，绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势以后，地球的大气中才逐渐含有氧，从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。由于大气中的一部分氧转化成臭氧。臭氧在大气上层形成的臭氧层，能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线，从而使水生生物开始逐渐能够在陆地上生活。经过长期的生物进化过程，最后才出现广泛分布在自然界的各种动植物。

光合作用的过程对于生物界的几乎所有生物来说都是至关重要的、不可或缺的，因此光合作用也历来是科学家们关注的焦点。

日本京都大学

近期来自日本和法国的科学家们获得了令人惊讶的光合作用研究成果，前者挑战了以往对光合作用光源的看法，后者则利用植物光合作用产生的物质开发出一种新型生态电池。

日本京都大学三室守教授领导的一个研究小组发现，尽管植物光合作用吸收的光能高低有所不同，但其效率相同。这一发现使低电力粮食生产成为可能。

光合作用能释放氧气和糖分，是“地球生命的维持装置”。光合作用生物可利用光能进行电分解水制成氧气，而水的分解需要较高电压，在生物中却难以实现标准电位为1.1伏以上的高电压，因此，水的电解反应成了光合作用系统中最大的谜团。

光合作用系统利用叶绿素吸收光能来发电，与太阳能电池原理相同。一般的光合作用生物含有能吸收可见光的叶绿素a，但研究小组此前发现唯一可利用近红外线进行光合作用的海洋蓝藻也能利用叶绿素d发电。研究小组比较叶绿素d和叶绿素a后发现，叶绿素d获得的电压偏低，但能制作水分解所需的氧化还原电位。此外，虽然叶绿素种类有所不同，其电位保持不变。这一结果表明，无论光合作用生物利用的叶绿素种类是否相同，都能获得一定的氧化电位进行水分解反应，这也意味着光合作用的水电分解反应都是同一原理。

太阳能电池

此次研究证明，除肉眼可见的太阳光外，肉眼不可见的低能量红外线同样可使植物进行同等效率的光合作用。

另外一项研究是植物光合作用的新用途：新型生态电池。这一研究为开发生态新能源提供了思路。

绿色植物的叶绿素在光的照射下会把二氧化碳和水合成有机物质和氧气，这种新型生态电池就是利用光合作用的产物开发出来的。研究人员通过仙人掌进行了相关实验，结果发现一旦仙人掌发生光合作用，生态电池就会产生电流。研究人员认为，这个实验不但能即时观测到植物的光合作用，还提供了开发生态新能源的可能。研究人员通过使用激光脉冲激发藻类的单分子，揭示了常温光合作用中的量子物理过程。该发现颠覆了众多有关量子机制的固有观念。一般认为量子干涉只能出现在低温下，然而蓝隐藻却在21℃的温度下做到了这点。光合作用蛋白的物理特性将被用来改进太阳能电池的设计，并将改变人们看待光合作用和量子计算的方式。

知识扩展

植物栽培与光能的合理利用

光能是绿色植物进行光合作用的动力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使绿色植物充分地进行光合作用。合理利用光能主要包括延长光合作用的时间和增加光合作用的面积两个方面。延长全年内单位土地面积上绿色植物进行光合作用的时间，是合理利用光能的一项重要措施。