什麼是光合作用？

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介紹

光合作用是我們星球上最重要的生化過程之一。它是綠色植物和某些其他生物利用陽光、二氧化碳和水來產生氧氣和葡萄糖的過程。在本教程中，我們將探討什麼是光合作用，它的含義、階段和重要性。

含義

“光合作用”一詞來源於希臘語“photo”（意為“光”）和“synthesis”（意為“合成”）。因此，光合作用的字面意思是“用光合成”。這指的是植物利用陽光的能量，從二氧化碳和水中合成有機化合物。

光合作用的階段

光合作用分為兩個階段：光反應和暗反應。在光反應中，發生在葉綠體的類囊體膜上，光能轉化為ATP和NADPH形式的化學能。這個過程涉及兩個光系統：光系統I（PSI）和光系統II（PSII），它們協同工作以產生富含能量的分子。由於能量圖的形狀，該過程被稱為Z方案。

光系統II（PSII）負責吸收光能，並將能量用於將水分子分解成氧氣和氫離子。然後，這些氫離子和電子透過稱為化學滲透的過程產生ATP。同時，光系統I（PSI）透過從電子傳遞連結受電子和氫離子來利用光能產生NADPH。

暗反應，也稱為卡爾文迴圈，發生在葉綠體的基質中。在這個階段，二氧化碳利用光反應中產生的ATP和NADPH儲存的能量轉化為葡萄糖。該過程涉及多種酶和分子，包括催化迴圈第一步的RuBisCo。

Z方案和光系統1和2

Z方案是一個解釋電子透過光反應移動的模型。它被稱為Z方案，因為當繪製能量圖時，它看起來像一個Z。Z方案由兩個光系統組成：光系統I（PSI）和光系統II（PSII）。這些光系統協同工作以產生ATP和NADPH，它們是富含能量的分子。

光系統II（PSII）是Z方案中的第一個光系統。它吸收光能並利用它將水分子分解成氧氣和氫離子。此過程中產生的氫離子和電子用於產生質子梯度，然後透過化學滲透產生ATP。

光系統I（PSI）是Z方案中的第二個光系統。它利用光能透過從電子傳遞連結受電子和氫離子來產生NADPH。NADPH中儲存的能量用於卡爾文迴圈將二氧化碳轉化為葡萄糖。

卡爾文迴圈

卡爾文迴圈，也稱為暗反應，發生在葉綠體的基質中。該過程從酶RuBisCo催化二氧化碳固定到稱為3-磷酸甘油酸的分子開始。然後，該分子轉化為稱為3-磷酸甘油醛（G3P）的分子，用於產生葡萄糖。

卡爾文迴圈是在葉綠體基質中發生的，葉綠體基質是圍繞類囊體膜的充滿液體的空間。該過程從CO2分子固定到稱為RuBP（核酮糖-1,5-二磷酸）的有機分子開始，該過程由酶RuBisCo（核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶）催化。

CO₂固定後，生成的分子迅速分解成兩個3-磷酸甘油酸（3-PGA）分子。該反應需要以ATP的形式提供能量，以及以NADPH的形式提供電子，這些能量和電子是在光反應過程中產生的。能量和電子用於將3-PGA分子還原成G3P（3-磷酸甘油醛），這是一種三碳糖。

在卡爾文迴圈中產生的G3P分子大部分用於再生RuBP，這對於維持迴圈是必要的。但是，一些G3P分子用於合成葡萄糖和其他有機化合物，這些化合物可以被植物儲存或用作能量。

光合作用的重要性

光合作用對地球上的生命至關重要。它是大多數生物的主要能量來源。

氧氣的產生

光合作用負責大氣中氧氣的產生。光合作用過程中產生的氧氣被所有需氧生物（包括人類）用於呼吸。如果沒有光合作用，大氣中就不會有氧氣，我們所知的生活將無法存在。

食物生產

光合作用是所有生物的主要食物來源。植物透過光合作用產生碳水化合物和其他有機化合物，這些化合物被所有動物用作能量來源。人類也間接依賴光合作用獲取食物，因為我們的大部分食物來自植物或以植物為食的動物。

二氧化碳去除

光合作用負責去除大氣中的二氧化碳。二氧化碳是一種溫室氣體，會導致全球變暖。光合作用有助於調節大氣中二氧化碳的含量，並防止全球變暖的負面影響。

土壤保持

進行光合作用的植物有助於防止水土流失。它們的根部固定土壤，防止在暴雨期間沖走。這有助於維持土壤肥力並防止土地退化。

經濟意義

光合作用具有重要的經濟意義，因為它構成了農業和林業的基礎。植物是許多行業的原材料的主要來源，包括紡織品、造紙和建築業。光合作用還有助於生物燃料的生產，生物燃料是重要的可再生能源。

生物多樣性

光合作用透過為許多動植物物種提供棲息地和食物來支援生物多樣性。如果沒有光合作用，許多動植物物種將滅絕，導致生物多樣性下降。

生態平衡

光合作用透過調節碳迴圈來幫助維持生態平衡。碳是所有生物體的重要元素，光合作用有助於調節大氣和土壤中碳的含量。

結論

總之，光合作用是一個對地球上的生命至關重要的複雜過程。光反應將光能轉化為化學能，然後用於為卡爾文迴圈提供能量。卡爾文迴圈利用化學能將CO₂轉化為有機化合物，這些化合物對於植物的生長和生存是必要的。瞭解光合作用的複雜性對於提高作物產量、減輕氣候變化的影響以及為未來開發可持續能源至關重要。

常見問題

問1：光合作用的產物是什麼？

答：光合作用產生兩種主要產物：氧氣和葡萄糖。氧氣作為該過程的副產物釋放，而葡萄糖被植物用作能量來源，並且也作為更復雜的有機分子的組成部分。

問2：葉綠素在光合作用中的作用是什麼？

答：葉綠素是一種色素分子，它吸收來自太陽的光能並將其傳遞到植物細胞內的其他分子。它是光合作用中涉及的主要色素，使植物呈現綠色。葉綠素對於捕獲驅動光合作用過程所需的能量至關重要。

問3：光合作用如何使環境受益？

答：光合作用對地球上的生命至關重要，因為它為我們提供呼吸所需的氧氣，並且是大多數食物鏈的基礎。