光合作用

光合作用也稱光能合成，是食物網基層的一些細胞生物利用感光色素吸收環境光（如日光）獲取光能將二氧化碳、水或硫化氫等無機物轉變成可以儲存化學能的有機物（如碳水化合物）的生物過程，根據化學反應所產生的副產品可分為產氧光合作用和不產氧光合作用兩類，分別使用不同的感光色素，而且會因為不同環境改變反應速率。通俗意義上的「光合作用」主要指自元古宙後期至今一直占據地球生物圈主流地位的產氧光合作用。

地球上的光合作用始於太古宙中期的原始微生物菌落中，使得自養生物不再依賴海底熱泉提供化合作用所需的熱能、無機物和酸鹼度，生物圈得以脫離深海向淺海和潮間帶擴展。光合作用也因此徹底取代化合作用成為主流初級生產模式。初期的光合作用主要是不產氧的，形式包括直接吸收日光驅動跨膜蛋白生產三磷酸腺苷和通過分解硫化物（如硫化氫）生產碳水化合物；但隨著藍綠菌和其後來與真核細胞發生內共生後演化出的原始質體生物（藻類和植物）的出現和演化輻射，通過分解水來進行固碳的產氧光合作用在元古宙成為主流。此類光合自養者使用卟啉衍生物——葉綠素作為反應中心的感光色素，主要吸收可見光譜中的紅藍色波段（不吸收綠光，因此呈現綠色），並以此光分解水分子獲取氫正離子將二氧化碳聚合成碳水化合物，其過程中會釋放游離態的單質氧氣作為副產物，其理論最高能量轉換效率約為4.6～6％，實際效率僅有1.9～2.5％。光合自養者生產的有機物可以被不參與初級生產的異養生物（消費者和分解者）攝入並消化，然後通過食物鏈將生物能傳遞給其它營養級更高的生物供其生存和種群繁衍。光合作用因此是除深海以外絕大多數生態系統賴以維持的關鍵，也是地球碳循環和氧循環中最重要的一環。

許多現生的微生物仍保留了不產氧光合作用的初級生產方式。一些厭氧菌（如綠硫細菌、紫細菌、酸桿菌和太陽桿菌）主要用菌綠素分解硫化氫獲取氫離子和二氧化碳發生固碳反應並產生碳水化合物和硫，這種光合方式曾在硫化缺氧的元古宙中期十億年期間占據生物圈主流；除此之外，一些古菌（如鹽桿菌）可以用基於視黃醛的視紫質（菌紫質）來吸收綠光（因此呈現紫色）驅動離子泵直接生產三磷酸腺苷，這種更簡單直接的光合作用很可能在古太古代就已經出現（參見紫色地球假說），是地球史上最早的一種利用光能生產有機物的生化現象，但在大氧化事件和休倫大冰期之後被徹底邊緣化，現今這類古菌只能作為嗜極生物存在於其它生物都難以生存的火山硫磺溫泉與缺氧的高鹽湖泊和鹽田中。

## 研究歷史

雖然一些在光合作用中的步驟仍不能被完全理解，但是整體的光合方程式自19世紀以來是已知的。

- 古希臘哲學家亞里斯多德認為，植物生長所需的營養全來自土中。
- 1642年比利時人范·海爾蒙特做了「柳樹實驗」，推論植物的重量主要不是來自土壤而是來自水。但他沒有發現空氣中的物質也參與了有機物的形成。
- 1771年，英國的普里斯特利發現植物能夠更新由於蠟燭燃燒或動物呼吸而變得污濁了的空氣；但他並沒有發現光的重要性。普里斯特利還發現置於密封玻璃罩內的老鼠極易窒息，但是如果加入一片新鮮薄荷葉，老鼠就可以甦醒。
- 1773年，荷蘭的英格豪斯證明只有植物的綠色部分在光下才能起使空氣變「好」的作用。
- 1774年，英國的普里斯特利發現綠色的植物會製造、釋放出氧氣。
- 1782年，瑞士的讓·塞納比耶發現，即使植物有受到陽光照射，照樣會釋放出氧氣。
- 1804年，瑞士的索緒爾通過定量研究進一步證實二氧化碳和水是植物生長的原料。
- 1845年，德國的邁爾發現植物把太陽能轉化成了化學能。
- 1864年，德國的薩克斯發現光合作用會產生澱粉。
- 1880年，德國的發現葉綠體是進行光合作用的場所。
- 1883年，德國的恩格爾曼運用三稜鏡將太陽光折射出各色光，照射絲狀海綿。一段時間後放入好氧細菌，發現植物在紅光與藍光區釋放較多氧氣。
- 1897年，美國的Q289681首次在教科書中稱它為光合作用。
- 1930年，C·B·凡尼爾藉由對紫硫菌的研究推論植物光合作用產生的氧來自水而非二氧化碳，革新了當時的觀念。
- 1941年，美國的和利用同位素標記法進行探究。證明光合作用釋放氧氣來自於水。
- 1945-1957年，梅爾文·卡爾文利用碳14當追蹤標的，找出植物將二氧化碳轉化成碳水化合物的途徑。
- 1961年，彼得·米切爾發表化學滲透理論解釋光反應中ATP的生成。
- 諾貝爾獎得主、科學家魯道夫·馬庫斯發現電子轉移鏈的作用和意義。
- 奧托·海因里希·瓦爾堡和迪安·伯克發現I-量子光合作用的反應，分裂二氧化碳，由呼吸作用激活。
- 2018年6月，美國《科學》雜誌刊登的一項新研究說，藍藻可利用近紅外光進行光合作用，其機制與之前了解的光合作用不同。這一發現有望為尋找外星生命和改良作物帶來新思路。新研究發現，上述藍藻在有可見光的情況下，會正常利用"葉綠素a"進行光合作用，但如果處在陰暗環境中，缺少可見光，就會轉為利用"葉綠素f"，使用近紅光進行光合作用。

## 原理

thumb光合作用文字方程式：二氧化碳$+$水$+$光能$->$葡萄糖$+$氧氣$+$水植物與動物不同。綠色植物與部分微生物在陽光充足的白天，能利用太陽提供的能量來進行光合作用，以獲得生長發育必需的養分，這就是所謂的自營生物。此種自營又稱為光合自營。

這個過程的關鍵參與者是細胞內部的葉綠體。葉綠體在陽光的作用下，把經由氣孔進入葉片內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：

$12H2O{+}6CO2->[hv]$（與葉綠素產生化學作用）$C6H12O6$（葡萄糖）${+}6O2{+}6H2O$

注意：上式中等號兩邊的水不能抵消，雖然在化學上此方程式顯得很特別。原因是左邊的水分子是植物吸收所得，而且用於製造氧氣和提供電子和氫離子。而右邊的水分子的氧原子則是來自二氧化碳。為了更清楚地表達這一原料產物起始過程，人們更習慣在等號左右兩邊都寫上水分子，或者在右邊的水分子右上角打上星號。

植物的光合作用可分為光反應和碳反應兩個步驟如下：

$12H2O{+}$陽光$->24H+{+}6O2{+}12e-$ 光反應

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

### 光反應

- 定義：光反應是反應中心色素所吸收的光能與原初電子受體和次級電子受體之間進行的氧化還原反應，從而實現光能轉化為電能，並轉變為化學能的過程。
- 場所：類囊體膜
- 影響因素：光強度，水分供給，氧含量
- 過程：葉綠體膜上有兩套光合作用系統（光系統）：光合作用系統一和光合作用系統二（光合作用系統一比光合作用系統二要原始，但電子傳遞先在光合作用系統二開始，一、二的命名則是按其發現順序）。在光照條件下，兩系統分別吸收700nm和680nm波長的光子作為能量，將從水分子在光解過程中得到的電子不斷傳遞，該過程還有細胞色素b6/f的參與。電子最後被傳遞給輔酶NADP，通過鐵氧還蛋白-NADP還原酶將NADP還原為NADPH。而水光解所得的氫離子則順濃度差通過類囊體膜上的蛋白質複合體而從類囊體內向外移動到基質，勢能降低。其間的勢能用於合成ATP，以供碳反應所用。此時勢能已降低的氫離子則被氫載體NADP帶走，一分子NADP可攜帶兩個氫離子。這個NADPH與氫離子則在碳反應中充當還原劑的作用。

意義：

- 光解水，產生氧氣。
- 將光能轉變成化學能，產生三磷酸腺苷 (ATP)，為碳反應提供能量。
- 利用水光解的產物氫離子，合成NADPH及氫離子，為碳反應提供還原劑。

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。多種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，當光子擊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，直到到達反應中心為止。反應中心有兩種，分別位於光系統一與光系統二。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。吸收相應波長的波長的光線後，葉綠素a激發出一個電子，而旁邊的酶使水光解成氫離子、電子和氧原子。此時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，該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

非循環電子傳遞鏈過程大致如下：

Thylakoid membrane｜svg｜類囊體膜上的非循環電子傳遞鏈。

從光系統2出發：

光系統2→初級接受者（Primary acceptor）→質體醌（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出發後，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

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濃度差向類囊體外擴散。由於類囊體膜由雙層磷脂分子組成，所以氫離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（碳反應）

固碳作用實質上是一系列酶促反應的結果。生物界有幾種固碳方法，其中以卡爾文循環為主，但並非所有進行光合作用的細胞都使用卡爾文循環進行碳固定，例如綠硫細菌會使用還原性三羧酸循環，綠曲撓菌（Chloroflexus）會使用3-羥基丙酸途徑（3-Hydroxy-Propionate pathway），還有一些生物會使用核酮糖-單磷酸途徑（Ribolose-Monophosphate Pathway）和絲氨酸途徑（Serine Pathway）進行碳固定。

- 場所：葉綠體基質
- 影響因素：溫度，二氧化碳濃度
- 過程：不同的植物，固碳作用的過程不一樣，而且葉片的解剖結構也不相同。這是植物對環境的適應的結果。固碳作用可分為C3,C4和CAM（景天酸代謝）三種類型（見下文）。三種類型由二氧化碳固定過程的不同而劃分。

#### 卡爾文循環

卡爾文循環是光合作用裡碳反應的一部分。反應場所為葉綠體內的基質。循環可分為三個階段：羧化、還原和二磷酸核酮糖的再生。大部分植物會將吸收到的一分子二氧化碳，通過核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶的作用，整合到一個五碳糖分子1，5-二磷酸核酮糖（RuBP）的第二位碳原子上。此過程稱為二氧化碳的固定。這一步反應的意義是，把原本並不活潑的二氧化碳分子活化，使之隨後能被還原。但這種六碳化合物極不穩定，會分解為兩分子的三碳化合物3-磷酸甘油酸。後者被在光反應中生成的NADPH與氫離子還原，此過程需要消耗ATP。產物是3-磷酸丙糖。後來經過一系列複雜的生化反應，一個碳原子將會被用於合成葡萄糖而離開循環。剩下的五個碳原子經一系列變化，最後再生成一分子1，5-二磷酸核酮糖，循環重新開始。卡爾文循環每進行六次，生成一分子葡萄糖。

## 各類生物的光合作用

### C3類植物

二次大戰後，美國加州大學柏克萊分校的梅爾文·卡爾文與他的同事們研究一種綠球藻，以確定植物在光合作用中如何固定CO2。此時C14示蹤技術和雙向紙層析法技術都已成熟，卡爾文正好在實驗中用上此兩種技術。

他們將培養出來的綠球藻，放置在含有未標記CO2的密閉容器中，然後將C14標記的CO2注入容器，培養相當短時間後，將綠球藻浸入熱的乙醇中殺死細胞，使細胞中的酶變性而失效。接著他們提取到溶液裡的分子。然後將提取物應用雙向紙層析法，分離各種化合物，再通過放射自顯影，分析放射性上面的斑點，並與已知化學成份比較。

卡爾文在實驗中發現，標記有C14的CO2很快就能轉變成有機物。在幾秒鐘內，層析紙上就出現放射性斑點，經與已知化學物比較，斑點中的化學成分是3-磷酸甘油酸（3-phosphoglycerate,PGA），是糖酵解的中間體。這第一個被提取到的產物是一個三碳分子，所以將這種CO2固定途徑稱為C3途徑，將通過這種途徑固定CO2的植物稱為C3植物。後來研究還發現，CO2固定的C3途徑是一個循環過程。人們稱之為C3循環。這一循環又稱「卡爾文循環」。

C3類植物，如米和麥，二氧化碳經氣孔進入葉片後，直接進入葉肉進行卡爾文循環。而C3植物的維管束鞘細胞 (bundle-sheath cells) 很小，不含或含很少葉綠體，卡爾文循環不在這裡發生。

### C4類植物

1960年代，澳洲科學家哈奇（M. D. Hatch）和斯萊克（C. R. Slack）發現玉米、甘蔗等熱帶綠色植物，除了和其他綠色植物一樣，具有卡爾文循環外，CO2首先通過一條特別的途徑被固定。這條途徑也被稱為「哈奇-斯萊克途徑」。

C4植物主要是一些生活在乾旱熱帶地區的植物。在這種環境中，植物倘若長時間開放氣孔吸收二氧化碳，會導致水分通過蒸騰作用過快的流失。所以，植物只能短時間開放氣孔，二氧化碳攝入量必然少。植物必須利用這少量的二氧化碳進行光合作用，合成自身所需物質。

在C4植物葉片維管束的周圍，有維管束鞘圍繞，這些維管束鞘細胞含有葉綠體，但裡面並無基粒或發育不良。在這裡，就是主要進行卡爾文循環的地方。

其葉肉細胞中，含有獨特的酶，即磷酸烯醇式丙酮酸羧基化酶，使得二氧化碳先被一種三碳化合物磷酸烯醇式丙酮酸同化，形成四碳化合物草醯乙酸，這也是該暗反應類型名稱的由來。這草醯乙酸在轉變為蘋果酸鹽後，進入維管束鞘，就會分解釋放二氧化碳和一分子丙酮酸。二氧化碳利用此細胞才進入卡爾文循環，後同C3進程。而丙酮酸則會被再次合成磷酸烯醇式丙酮酸。此過程消耗ATP。

該類型的優點是，二氧化碳固定效率比C3高很多，有利植物在乾旱環境生長。C3植物行光合作用所得的澱粉，會貯存在葉肉細胞中，因為這是卡爾文循環的場所，而維管束鞘細胞則不含葉綠體。而C4植物的澱粉，將會貯存於維管束鞘細胞 (bundle-sheath cells) 內，因為C4植物的卡爾文循環是在此發生的。

### 景天酸代謝（CAM）植物

如果說C4植物是空間上錯開二氧化碳的固定和卡爾文循環的話，那景天酸循環就是時間上錯開這兩者。行使這一途徑的植物，是那些有著膨大肉質葉子的植物，如鳳梨。這些植物晚上開放氣孔，吸收二氧化碳，同樣經哈奇-斯萊克途徑將CO2固定。早上的時候氣孔關閉，避免水分流失過快。同時在葉肉細胞中進行卡爾文循環。這些植物二氧化碳的固定效率也很高。

意義：二氧化碳的固定，使得原本化學性質不活潑的二氧化碳，化學活性增加，以利於被還原，最後合成葡萄糖。

### 藻類和細菌

真核藻類，如紅藻、綠藻、褐藻等，和植物一樣具有葉綠體，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）作爲電子供體。不產氧光合細菌包括紫硫細菌、紫非硫細菌、綠硫細菌、綠非硫細菌和太陽桿菌等。