2　綠色工廠——光合作用

知識導(dǎo)航

光合作用是綠色植物、藻類等生產(chǎn)者和某些細(xì)菌利用葉綠素等光合色素、某些細(xì)菌利用其細(xì)胞本身，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放出氧氣的生化過程。植物之所以被稱為食物鏈的生產(chǎn)者，是因為它們能夠通過光合作用利用無機物生產(chǎn)有機物并且貯存能量。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物及細(xì)菌所貯存的能量，效率為10％左右。對于生物界的大多數(shù)生物來說來說，這個過程是它們賴以生存的關(guān)鍵。而地球上的碳氧循環(huán)，光合作用是其中最重要的一環(huán)。

光合作用

光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光合作用是綠色植物將來自太陽的能量轉(zhuǎn)化為化學(xué)能（糖）的過程。

生態(tài)系統(tǒng)的“燃料”來自太陽能。綠色植物在光合作用中捕獲光能，并將其轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔锎鎯瘜W(xué)能。然后能量通過食草動物吃植物和食肉動物吃食草動物這樣的過程，在生態(tài)系統(tǒng)的物種間傳遞。這些互動形式組成了食物鏈。

知識放大鏡

光合作用的意義

光合作用第一個階段中的化學(xué)反應(yīng)，必須有光能才能進行，這個階段叫作光反應(yīng)階段。光反應(yīng)階段的化學(xué)反應(yīng)是在葉綠體內(nèi)的類囊體上進行的；光合作用第二個階段中的化學(xué)反應(yīng)，沒有光能也可以進行，這個階段叫作暗反應(yīng)階段。暗反應(yīng)階段中的化學(xué)反應(yīng)是在葉綠體內(nèi)的基質(zhì)中進行的。光反應(yīng)階段和暗反應(yīng)階段是一個整體，在光合作用的過程中，二者是緊密聯(lián)系、缺一不可的。

對于綠色植物來說，在陽光充足的白天，它們將利用陽光的能量來進行光合作用，以獲得生長發(fā)育必需的養(yǎng)分。這個過程的關(guān)鍵參與者是內(nèi)部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下，把經(jīng)由氣孔進入葉子內(nèi)部的二氧化碳和由根部吸收的水轉(zhuǎn)變成為淀粉，同時釋放氧氣。

光合作用為包括人類在內(nèi)的幾乎所有生物的生存提供了物質(zhì)來源和能量來源。因此，光合作用對于人類和整個生物界都具有非常重要的意義。

（1）制造有機物。據(jù)估計，地球上的綠色植物每年大約制造四五千億噸有機物，所以，人們把地球上的綠色植物比成龐大的“綠色工廠”。綠色植物的生存離不開自身通過光合作用制造的有機物。人類和動物的食物也都直接或間接地來自光合作用制造的有機物。

煤炭

（2）轉(zhuǎn)化并儲存太陽能。地球上幾乎所有的生物，都是直接或間接利用這些能量作為生命活動的能源的。煤炭、石油、天然氣等燃料中所含有的能量，歸根到底都是古代的綠色植物通過光合作用儲存起來的。

（3）使大氣中的氧和二氧化碳的含量相對穩(wěn)定。綠色植物廣泛地分布在地球上，不斷地通過光合作用吸收二氧化碳和釋放氧，從而使大氣中的氧和二氧化碳的含量保持著相對的穩(wěn)定。

（4）對生物的進化具有重要的作用。在距今20億～30億年以前，綠色植物在地球上出現(xiàn)并逐漸占有優(yōu)勢以后，地球的大氣中才逐漸含有氧，從而使地球上其他進行有氧呼吸的生物得以發(fā)生和發(fā)展。由于大氣中的一部分氧轉(zhuǎn)化成臭氧。臭氧在大氣上層形成的臭氧層，能夠有效地濾去太陽輻射中對生物具有強烈破壞作用的紫外線，從而使水生生物開始逐漸能夠在陸地上生活。經(jīng)過長期的生物進化過程，最后才出現(xiàn)廣泛分布在自然界的各種動植物。

光合作用的過程對于生物界的幾乎所有生物來說都是至關(guān)重要的、不可或缺的，因此光合作用也歷來是科學(xué)家們關(guān)注的焦點。

日本京都大學(xué)

近期來自日本和法國的科學(xué)家們獲得了令人驚訝的光合作用研究成果，前者挑戰(zhàn)了以往對光合作用光源的看法，后者則利用植物光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)開發(fā)出一種新型生態(tài)電池。

日本京都大學(xué)三室守教授領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組發(fā)現(xiàn)，盡管植物光合作用吸收的光能高低有所不同，但其效率相同。這一發(fā)現(xiàn)使低電力糧食生產(chǎn)成為可能。

光合作用能釋放氧氣和糖分，是“地球生命的維持裝置”。光合作用生物可利用光能進行電分解水制成氧氣，而水的分解需要較高電壓，在生物中卻難以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)電位為1.1伏以上的高電壓，因此，水的電解反應(yīng)成了光合作用系統(tǒng)中最大的謎團。

光合作用系統(tǒng)利用葉綠素吸收光能來發(fā)電，與太陽能電池原理相同。一般的光合作用生物含有能吸收可見光的葉綠素a，但研究小組此前發(fā)現(xiàn)唯一可利用近紅外線進行光合作用的海洋藍(lán)藻也能利用葉綠素d發(fā)電。研究小組比較葉綠素d和葉綠素a后發(fā)現(xiàn)，葉綠素d獲得的電壓偏低，但能制作水分解所需的氧化還原電位。此外，雖然葉綠素種類有所不同，其電位保持不變。這一結(jié)果表明，無論光合作用生物利用的葉綠素種類是否相同，都能獲得一定的氧化電位進行水分解反應(yīng)，這也意味著光合作用的水電分解反應(yīng)都是同一原理。

太陽能電池

此次研究證明，除肉眼可見的太陽光外，肉眼不可見的低能量紅外線同樣可使植物進行同等效率的光合作用。

另外一項研究是植物光合作用的新用途：新型生態(tài)電池。這一研究為開發(fā)生態(tài)新能源提供了思路。

綠色植物的葉綠素在光的照射下會把二氧化碳和水合成有機物質(zhì)和氧氣，這種新型生態(tài)電池就是利用光合作用的產(chǎn)物開發(fā)出來的。研究人員通過仙人掌進行了相關(guān)實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一旦仙人掌發(fā)生光合作用，生態(tài)電池就會產(chǎn)生電流。研究人員認(rèn)為，這個實驗不但能即時觀測到植物的光合作用，還提供了開發(fā)生態(tài)新能源的可能。研究人員通過使用激光脈沖激發(fā)藻類的單分子，揭示了常溫光合作用中的量子物理過程。該發(fā)現(xiàn)顛覆了眾多有關(guān)量子機制的固有觀念。一般認(rèn)為量子干涉只能出現(xiàn)在低溫下，然而藍(lán)隱藻卻在21℃的溫度下做到了這點。光合作用蛋白的物理特性將被用來改進太陽能電池的設(shè)計，并將改變?nèi)藗兛创夂献饔煤土孔佑嬎愕姆绞健?/p>

知識擴展

植物栽培與光能的合理利用

光能是綠色植物進行光合作用的動力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使綠色植物充分地進行光合作用。合理利用光能主要包括延長光合作用的時間和增加光合作用的面積兩個方面。延長全年內(nèi)單位土地面積上綠色植物進行光合作用的時間，是合理利用光能的一項重要措施。