光合作用

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光合作用也称光能合成，是食物网基层的一些细胞生物利用感光色素吸收环境光（如日光）获取光能将二氧化碳、水或硫化氢等无机物转变成可以储存化学能的有机物（如碳水化合物）的生物过程，根据化学反应所产生的副产品可分为产氧光合作用和不产氧光合作用两类，分别使用不同的感光色素，而且会因为不同环境改变反应速率。通俗意义上的“光合作用”主要指自元古宙后期至今一直占据地球生物圈主流地位的产氧光合作用。

地球上的光合作用始于太古宙中期的原始微生物菌落中，使得自养生物不再依赖海底热泉提供化合作用所需的热能、无机物和酸碱度，生物圈得以脱离深海向浅海和潮间带扩展。光合作用也因此彻底取代化合作用成为主流初级生产模式。初期的光合作用主要是不产氧的，形式包括直接吸收日光驱动跨膜蛋白生产三磷酸腺苷和通过分解硫化物（如硫化氢）生产碳水化合物；但随着蓝绿菌和其后来与真核细胞发生内共生后演化出的原始质体生物（藻类和植物）的出现和演化辐射，通过分解水来进行固碳的产氧光合作用在元古宙成为主流。此类光合自养者使用卟啉衍生物——叶绿素作为反应中心的感光色素，主要吸收可见光谱中的红蓝色波段（不吸收绿光，因此呈现绿色），并以此光分解水分子获取氢正离子将二氧化碳聚合成碳水化合物，其过程中会释放游离态的单质氧气作为副产物，其理论最高能量转换效率约为4.6～6％，实际效率仅有1.9～2.5％。光合自养者生产的有机物可以被不参与初级生产的异养生物（消费者和分解者）摄入并消化，然后通过食物链将生物能传递给其它营养级更高的生物供其生存和种群繁衍。光合作用因此是除深海以外绝大多数生态系统赖以维持的关键，也是地球碳循环和氧循环中最重要的一环。

许多现生的微生物仍保留了不产氧光合作用的初级生产方式。一些厌氧菌（如绿硫细菌、紫细菌、酸杆菌和太阳杆菌）主要用菌绿素分解硫化氢获取氢离子和二氧化碳发生固碳反应并产生碳水化合物和硫，这种光合方式曾在硫化缺氧的元古宙中期十亿年期间占据生物圈主流；除此之外，一些古菌（如盐杆菌）可以用基于视黄醛的视紫质（菌紫质）来吸收绿光（因此呈现紫色）驱动离子泵直接生产三磷酸腺苷，这种更简单直接的光合作用很可能在古太古代就已经出现（参见紫色地球假说），是地球史上最早的一种利用光能生产有机物的生化现象，但在大氧化事件和休伦大冰期之后被彻底边缘化，现今这类古菌只能作为嗜极生物存在于其它生物都难以生存的火山硫磺温泉与缺氧的高盐湖泊和盐田中。

## 研究历史

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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。

- 古希腊哲学家亚里士多德认为，植物生长所需的营养全来自土中。
- 1642年比利时人范·海尔蒙特做了“柳树实验”，推论植物的重量主要不是来自土壤而是来自水。但他没有发现空气中的物质也参与了有机物的形成。
- 1771年，英国的普里斯特利发现植物能够更新由于蜡烛燃烧或动物呼吸而变得污浊了的空气；但他并没有发现光的重要性。普里斯特利还发现置于密封玻璃罩内的老鼠极易窒息，但是如果加入一片新鲜薄荷叶，老鼠就可以苏醒。
- 1773年，荷兰的英格豪斯证明只有植物的绿色部分在光下才能起使空气变“好”的作用。
- 1774年，英国的普里斯特利发现绿色的植物会制造、释放出氧气。
- 1782年，瑞士的让·塞纳比耶发现，即使植物有受到阳光照射，照样会释放出氧气。
- 1804年，瑞士的索绪尔通过定量研究进一步证实二氧化碳和水是植物生长的原料。
- 1845年，德国的迈尔发现植物把太阳能转化成了化学能。
- 1864年，德国的萨克斯发现光合作用会产生淀粉。
- 1880年，德国的发现叶绿体是进行光合作用的场所。
- 1883年，德国的恩格尔曼运用三棱镜将太阳光折射出各色光，照射丝状海绵。一段时间后放入好氧细菌，发现植物在红光与蓝光区释放较多氧气。
- 1897年，美国的Q289681首次在教科书中称它为光合作用。
- 1930年，C·B·凡尼尔借由对紫硫菌的研究推论植物光合作用产生的氧来自水而非二氧化碳，革新了当时的观念。
- 1941年，美国的和利用同位素标记法进行探究。证明光合作用释放氧气来自于水。
- 1945-1957年，梅尔文·卡尔文利用碳14当追踪标的，找出植物将二氧化碳转化成碳水化合物的途径。
- 1961年，彼得·米切尔发表化学渗透理论解释光反应中ATP的生成。
- 诺贝尔奖得主、科学家鲁道夫·马库斯发现电子转移链的作用和意义。
- 奥托·海因里希·瓦尔堡和迪安·伯克发现I-量子光合作用的反应，分裂二氧化碳，由呼吸作用激活。
- 2018年6月，美国《科学》杂志刊登的一项新研究说，蓝藻可利用近红外光进行光合作用，其机制与之前了解的光合作用不同。这一发现有望为寻找外星生命和改良作物带来新思路。新研究发现，上述蓝藻在有可见光的情况下，会正常利用"叶绿素a"进行光合作用，但如果处在阴暗环境中，缺少可见光，就会转为利用"叶绿素f"，使用近红光进行光合作用。

## 原理

thumb光合作用文字方程式：二氧化碳$+$水$+$光能$->$葡萄糖$+$氧气$+$水植物与动物不同。绿色植物与部分微生物在阳光充足的白天，能利用太阳提供的能量来进行光合作用，以获得生长发育必需的养分，这就是所谓的自营生物。此种自营又称为光合自营。

这个过程的关键参与者是细胞内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下，把经由气孔进入叶片内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为葡萄糖，同时释放出氧气：

$12H2O{+}6CO2->[hv]$（与叶绿素产生化学作用）$C6H12O6$（葡萄糖）${+}6O2{+}6H2O$

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：

$12H2O{+}$阳光$->24H+{+}6O2{+}12e-$ 光反应

$24H+$（来自光反应）${+}6CO2->C6H12O6$（葡萄糖）${+}6H2O$ 碳反应

### 光反应

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- 定义：光反应是反应中心色素所吸收的光能与原初电子受体和次级电子受体之间进行的氧化还原反应，从而实现光能转化为电能，并转变为化学能的过程。
- 场所：类囊体膜
- 影响因素：光强度，水分供给，氧含量
- 过程：叶绿体膜上有两套光合作用系统（光系统）：光合作用系统一和光合作用系统二（光合作用系统一比光合作用系统二要原始，但电子传递先在光合作用系统二开始，一、二的命名则是按其发现顺序）。在光照条件下，两系统分别吸收700nm和680nm波长的光子作为能量，将从水分子在光解过程中得到的电子不断传递，该过程还有细胞色素b6/f的参与。电子最后被传递给辅酶NADP，通过铁氧还蛋白-NADP还原酶将NADP还原为NADPH。而水光解所得的氢离子则顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体而从类囊体内向外移动到基质，势能降低。其间的势能用于合成ATP，以供碳反应所用。此时势能已降低的氢离子则被氢载体NADP带走，一分子NADP可携带两个氢离子。这个NADPH与氢离子则在碳反应中充当还原剂的作用。

意义：

- 光解水，产生氧气。
- 将光能转变成化学能，产生三磷酸腺苷 (ATP)，为碳反应提供能量。
- 利用水光解的产物氢离子，合成NADPH及氢离子，为碳反应提供还原剂。

详细过程如下：

光系统由多种色素，如叶绿素a（Chlorophyll a）、叶绿素b（Chlorophyll b）、类胡萝卜素（Carotenoids）等组成。多种色素既拓宽了光合作用的作用光谱，其他的色素也能吸收过度的强光而产生所谓的光保护作用（Photoprotection）。在光系统里，当光子击中系统里的色素分子时，会如图片 所示，使电子在分子之间移转，直到到达反应中心为止。反应中心有两种，分别位于光系统一与光系统二。光系统一的吸收光谱于700nm达到峰值，系统二则以680nm为峰值。反应中心由叶绿素a及特定蛋白质所组成（这边的叶绿素a是因为位置而非结构特殊），蛋白质的种类决定了反应中心吸收光线的波长。吸收相应波长的波长的光线后，叶绿素a激发出一个电子，而旁边的酶使水光解成氢离子、电子和氧原子。此时多余的电子去补叶绿素a分子上的缺少。然后叶绿素a透过如图所示的过程，生产ATP与NADPH分子，该过程称为电子传递链。

电子传递链分为两种，即循环电子传递链（cyclic electron transfer system）和非循环电子传递链（noncyclic electron transfer system）

#### 非循环电子传递链

非循环电子传递链过程大致如下：

Thylakoid membrane｜svg｜类囊体膜上的非循环电子传递链。

从光系统2出发：

光系统2→初级接受者（Primary acceptor）→质体醌（Pq）→细胞色素复合体（Cytochrome Complex）→质体蓝素（含铜蛋白质，Pc）→光系统1→初级接受者→铁氧化还原蛋白（Fd）→NADP+还原酶（NADP+ reductase）

电子传递链从光系统2出发后，会光解水，释放氧气，产生三磷酸腺苷 (ATP)与NADPH。

#### 循环电子传递链

循环电子传递链的过程如下：

从光系统1出发：

光系统1→初级接受者（Primary acceptor）→铁氧化还原蛋白（Fd）→细胞色素复合体（Cytochrome Complex）→质体蓝素（含铜蛋白的循环电子传递链不会产生氧气，因为电子来源并非是水的光解），最后会生产出三磷酸腺苷（ATP）。

在非循环电子传递链中，细胞色素复合体会将氢离子打到类囊体（Thylakoid）里面。高浓度的氢离子会顺浓度差向类囊体外扩散。由于类囊体膜由双层磷脂分子组成，所以氢离子必须靠通道蛋白进行扩散，这个通道蛋白就是ATP合酶。

### 固碳作用（碳反应）

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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。

- 场所：叶绿体基质
- 影响因素：温度，二氧化碳浓度
- 过程：不同的植物，固碳作用的过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对环境的适应的结果。固碳作用可分为C3,C4和CAM（景天酸代谢）三种类型（见下文）。三种类型由二氧化碳固定过程的不同而划分。

#### 卡尔文循环

卡尔文循环是光合作用里碳反应的一部分。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。但这种六碳化合物极不稳定，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。

## 各类生物的光合作用

### C3类植物

二次大战后，美国加州大学柏克莱分校的梅尔文·卡尔文与他的同事们研究一种绿球藻，以确定植物在光合作用中如何固定CO2。此时C14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。

他们将培养出来的绿球藻，放置在含有未标记CO2的密闭容器中，然后将C14标记的CO2注入容器，培养相当短时间后，将绿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里的分子。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，并与已知化学成分比较。

卡尔文在实验中发现，标记有C14的CO2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CO2固定途径称为C3途径，将通过这种途径固定CO2的植物称为C3植物。后来研究还发现，CO2固定的C3途径是一个循环过程。人们称之为C3循环。这一循环又称“卡尔文循环”。

C3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C3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。

### C4类植物

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，CO2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”。

C4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C4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，但里面并无基粒或发育不良。在这里，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C3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C3高很多，有利植物在干旱环境生长。C3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C4植物的淀粉，将会贮存于维管束鞘细胞 (bundle-sheath cells) 内，因为C4植物的卡尔文循环是在此发生的。

### 景天酸代谢（CAM）植物

如果说C4植物是空间上错开二氧化碳的固定和卡尔文循环的话，那景天酸循环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CO2固定。早上的时候气孔关闭，避免水分流失过快。同时在叶肉细胞中进行卡尔文循环。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。

### 藻类和细菌

真核藻类，如红藻、绿藻、褐藻等，和植物一样具有叶绿体，也能够进行产氧光合作用。光被叶绿素吸收，而很多藻类的叶绿体中还具有其它不同的色素，赋予了它们不同的颜色。

进行光合作用的细菌不具有叶绿体，而直接由细胞本身进行。属于原核生物的蓝细菌（或者称“蓝藻”）同样含有叶绿素，和叶绿体一样进行产氧光合作用。事实上，目前普遍认为叶绿体是由蓝细菌演化而来的。其它光合细菌具有多种多样的色素，称作细菌叶绿素或菌绿素，但不氧化水生成氧气，而以其它物质（如硫化氢、硫或氢气）作为电子供体。不产氧光合细菌包括紫硫细菌、紫非硫细菌、绿硫细菌、绿非硫细菌和太阳杆菌等。