光合作用
光合作用（photosynthesis）是植物、藻類等生產者和某些細菌，利用光能把二氧化碳、水或硫化氫變成碳水化合物的過程。可分为產氧光合作用和不產氧光合作用。光合作用會因為不同環境，改變反應速率。
植物之所以称为食物链的生产者，是因为它们能够透过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量，其能量轉換效率約為6%。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物所贮存的能量，效率为10%左右。對大多數生物來説，這個過程是賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循环，光合作用是其中最重要的一环。
虽然一些在光合作用中的步骤仍不能被完全理解，但是整体的光合方程式自19世纪以来是已知的。
光合作用文字-{方程式}-：二氧化碳+水+光能→葡萄糖+氧氣+水 植物與動物不同。綠色植物与部分微生物在陽光充足的白天，能利用太阳提供的能量來進行光合作用，以獲得生長發育必需的養分，这就是所谓的自營生物。此種自營又稱為光合自營。
這個過程的關鍵參與者是细胞内部的葉綠体。葉綠体在陽光的作用下，把經由氣孔進入葉片内部的二氧化碳和由根部吸收的水轉變成爲葡萄糖，同時釋放出氧氣：
-{注意}-：上式中等号两边的水不能抵消，虽然在化学上此方程式显得很特别。原因是左边的水分子是植物吸收所得，而且用于制造氧气和提供电子和氢离子。而右边的水分子的氧原子则是来自二氧化碳。为了更清楚地表达这一原料产物起始过程，人们更习惯在等号左右两边都写上水分子，或者在右边的水分子右上角打上星号。
植物的光合作用可分为"光反应"和"碳反应"两个步骤如下：
12HO +陽光→ 12H + 6O [光反應]
12H (來自光反應) + 6CO → CHO (葡萄糖) + 6HO [碳反应] 意义：
詳細過程如下：
光系統由多種色素，如葉綠素a（Chlorophyll a）、葉綠素b（Chlorophyll b）、類胡蘿蔔素（Carotenoids）等組成。多种色素既拓寬了光合作用的作用光譜，其他的色素也能吸收過度的強光而產生所謂的光保護作用（Photoprotection）。在光系統裡，當光子击中系統裡的色素分子時，會如圖片 所示，使電子在分子之間移轉，直到到达反應中心為止。反應中心有兩種，分别位于光系统一与光系统二。光系統一的吸收光譜於700nm達到峰值，系統二則以680nm為峰值。反應中心由葉綠素a及特定蛋白質所組成（這邊的葉綠素a是因為位置而非結構特殊），蛋白質的種類決定了反應中心吸收光線的波長。吸收相应波长的波長的光線後，葉綠素a激發出一個電子，而旁邊的酶使水光解成氫離子、电子和氧原子。此时多餘的電子去補葉綠素a分子上的缺少。然後葉綠素a透過如圖所示的過程，生產ATP與NADPH分子，该過程稱為電子傳遞鏈。
電子傳遞鏈分為兩種，即循環電子傳遞鏈（cyclic electron transfer system）和非循環電子傳遞鏈（noncyclic electron transfer system）
非循環電子傳遞鏈過程大致如下：
從光系統2出發： 光系統2→初級接受者（Primary acceptor）→质体醌（Pq）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白質，Pc）→光系統1→初級接受者→鐵氧化還原蛋白（Fd）→NADP+還原酶（NADP+ reductase）
電子傳遞鏈從光系統2出發后，會光解水，釋放氧氣，產生三磷酸腺苷 (ATP)與NADPH。
循環電子傳遞鏈的過程如下：
從光系統1出發： 光系統1→初級接受者（Primary acceptor）→鐵氧化還原蛋白（Fd）→細胞色素複合體（Cytochrome Complex）→質體藍素（含銅蛋白的循環電子傳遞鏈不會產生氧氣，因為電子來源並非是水的光解），最後會生產出三磷酸腺苷（ATP）。
在非循環電子傳遞鏈中，細胞色素複合體會將氫離子打到類囊體（Thylakoid）裡面。高濃度的氫離子會順浓度差向類囊體外擴散。由于類囊體膜由雙層磷脂分子组成，所以氢离子必須靠通道蛋白進行擴散，這個通道蛋白就是ATP合酶。
固碳作用实质上是一系列酶促反应的结果。生物界有几种固碳方法，其中以卡尔文循环为主，但并非所有进行光合作用的细胞都使用卡尔文循环进行碳固定，例如绿硫细菌会使用还原性三羧酸循环，绿曲挠菌（"Chloroflexus"）会使用3-羟基丙酸途径（3-Hydroxy-Propionate pathway），还有一些生物会使用核酮糖-单磷酸途径（Ribolose-Monophosphate Pathway）和丝氨酸途径（Serine Pathway）进行碳固定。
卡尔文循环是光合作用裡碳反应的一部分。反应场所为叶绿体内的基质。循环可分为三个阶段：羧化、还原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物会将吸收到的一分子二氧化碳，通过核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的作用，整合到一个五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位碳原子上。此过程称为二氧化碳的固定。这一步反应的意义是，把原本并不活泼的二氧化碳分子活化，使之随后能被还原。但这种六碳化合物極不稳定，会分解为两分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。后者被在光反应中生成的NADPH与氢离子还原，此过程需要消耗ATP。产物是3-磷酸丙糖。后来经过一系列复杂的生化反应，一个碳原子将会被用于合成葡萄糖而离开循环。剩下的五个碳原子经一系列变化，最后再生成一分子1，5-二磷酸核酮糖，循环重新开始。卡尔文循环每进行六次，生成一分子葡萄糖。
二次大战后，美国加州大学柏克萊分校的梅尔文·卡尔文与他的同事们研究一种綠球藻，以确定植物在光合作用中如何固定CO。此时C示踪技术和双向纸层析法技术都已成熟，卡尔文正好在实验中用上此两种技术。
他们将培养出来的綠球藻，放置在含有未标记CO的密闭容器中，然后将C标记的CO注入容器，培养相当短时间后，将綠球藻浸入热的乙醇中杀死细胞，使细胞中的酶变性而失效。接着他们提取到溶液裡的分子。然后将提取物应用双向纸层析法，分离各种化合物，再通过放射自显影，分析放射性上面的斑点，并与已知化学成份比较。
卡尔文在实验中发现，标记有C的CO很快就能转变成有机物。在几秒钟内，层析纸上就出现放射性斑点，经与已知化学物比较，斑点中的化学成分是3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate,PGA），是糖酵解的中间体。这第一个被提取到的产物是一个三碳分子，所以将这种CO固定途径称为C途径，将通过这种途径固定CO的植物称为C植物。后来研究还发现，CO固定的C途径是一个循环过程。人们称之为C循环。这一循环又称「卡尔文循环」。
C类植物，如米和麦，二氧化碳经气孔进入叶片后，直接进入叶肉进行卡尔文循环。而C植物的维管束鞘细胞 (bundle-sheath cells) 很小，不含或含很少叶绿体，卡尔文循环不在这里发生。
1960年代，澳洲科学家哈奇（M. D. Hatch）和斯莱克（C. R. Slack）发现玉米、甘蔗等热带绿色植物，除了和其他绿色植物一样，具有卡尔文循环外，CO首先通过一条特别的途径被固定。这条途径也被称为「哈奇-斯莱克途径」。
C植物主要是一些生活在干旱热带地区的植物。在这种环境中，植物倘若长时间开放气孔吸收二氧化碳，会导致水分通过蒸腾作用过快的流失。所以，植物只能短时间开放气孔，二氧化碳摄入量必然少。植物必须利用这少量的二氧化碳进行光合作用，合成自身所需物质。
在C植物叶片维管束的周围，有维管束鞘围绕，这些维管束鞘细胞含有叶绿体，但裡面并无基粒或发育不良。在这裡，就是主要进行卡尔文循环的地方。
其叶肉细胞中，含有独特的酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧基化酶，使得二氧化碳先被一种三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸同化，形成四碳化合物草酰乙酸，这也是该暗反应类型名称的由来。这草酰乙酸在转变为苹果酸盐后，进入维管束鞘，就会分解释放二氧化碳和一分子丙酮酸。二氧化碳利用此细胞才进入卡尔文循环，后同C进程。而丙酮酸则会被再次合成磷酸烯醇式丙酮酸。此过程消耗ATP。
该类型的优点是，二氧化碳固定效率比C高很多，有利植物在干旱环境生长。C植物行光合作用所得的淀粉，会贮存在叶肉细胞中，因为这是卡尔文循环的场所，而维管束鞘细胞则不含叶绿体。而C植物的淀粉，将会贮存于维管束鞘细胞 (bundle-sheath cells) 内，因为C植物的卡尔文循环是在此发生的。
如果说C植物是空间上错开二氧化碳的固定和卡尔文循环的话，那景天酸循環就是时间上错开这两者。行使这一途径的植物，是那些有着膨大肉质叶子的植物，如凤梨。这些植物晚上开放气孔，吸收二氧化碳，同样经哈奇-斯莱克途径将CO固定。早上的时候气孔关闭，避免水分流失过快。同时在叶肉细胞中進行卡尔文循环。这些植物二氧化碳的固定效率也很高。
意义：二氧化碳的固定，使得原本化学性质不活泼的二氧化碳，化学活性增加，以利于被还原，最后合成葡萄糖。
真核藻類，如紅藻、綠藻、褐藻等，和植物一樣具有叶绿体，也能夠進行產氧光合作用。光被葉綠素吸收，而很多藻類的葉綠體中還具有其它不同的色素，賦予了它們不同的顔色。
進行光合作用的細菌不具有葉綠體，而直接由細胞本身進行。屬於原核生物的藍細菌（或者稱“藍藻”）同樣含有葉綠素，和葉綠體一樣進行產氧光合作用。事實上，目前普遍認爲葉綠體是由藍細菌演化而來的。其它光合細菌具有多種多樣的色素，稱作細菌葉綠素或菌綠素，但不氧化水生成氧氣，而以其它物質（如硫化氫、硫或氫氣）作爲。不產氧光合細菌包括紫硫細菌、紫非硫細菌、綠硫細菌、綠非硫細菌和等。
研究光合作用，对农业生产，环保等领域起着基础指导的作用。知道光反应暗反应的影响因害，如建造温室，加气流通，以使农作物增产。人们又了解到RuBisCO的两面性，即既能催化光合作用，又会推动光呼吸作用，正在尝试行改造，减少后者，避免和能量的消耗，提高农作物的产量。当了解到光合作用与植物呼吸的关系，人们就可以布置好家居植物摆设。比如晚上就不应把植物布置在室内，以避免因植物呼吸而引起室内二氧化碳浓度增高。
光合作用的重要作用有：把无机物转化为有机物，植物的光合作用间接或直接的为人类和动物界提供了食物；将太阳能转化为可利用的化学能，煤、木材、天然气的等必须的能源都是通过光合作用由太阳能转化而来的；维持了大气中二氧化碳和氧气的平衡。