光合作用

**光合作用**也稱**光能合成**（英語：photosynthesis），是很多植物、藻類和藍菌等生產者利用光能把水、二氧化碳或者硫化氫等無機物轉變成可以儲存化學能的有機物（比如碳水化合物）的生物過程。光合作用可分為產氧光合作用和不產氧光合作用兩類，而且 並會因為不同環境改變反應速率。

植物之所以稱為食物鏈的生產者，因為它們能夠透過光合作用利用無機物生產有機物並且貯存生物能，其能量轉換效率約為 6%。通過食用，食物鏈的消費者可以吸收到植物所貯存的能量，效率為 10% 左右。對大多數生物來説，這個過程是賴以生存的關鍵。而地球上的碳氧循環，光合作用是其中最重要的一環。

## 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，瑞士的瑟訥比埃發現，即使植物沒有受到陽光照射，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，德國的恩格爾曼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 Charles Reid Barnes 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，美國的魯賓和卡門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 CO2，由呼吸作用活化。
* 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

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 —hν→ （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。為了更清楚地表現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：

 $12H_{2}O+{\text{陽 光}}\rightarrow 2H^{+}+6O_{2}$ [光反應]

 $12H^{+}{\text{（ 來 自 光 反 應 ）}}+6CO_{2}\rightarrow C_{6}H_{12}O_{6}{\text{（ 葡 萄 糖 ）}}+6H_{2}O$ [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 於氫離子則在碳反應中充當還原劑的作用。

意義：

1. 光解水，產生氧氣。
2. 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。
3. 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 [1]（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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：

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醣 - 單磷酸途徑（Ribolose-Monophosphate Pathway）和絲胺酸途徑（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、還原和二磷酸核酮醣的再生。大部分植物會將吸收到的一分子二氧化碳，通過核酮醣 - 1,5 - 二磷酸羧化酶 / 加氧酶的作用，整合到一個五碳醣分子 1，5 - 二磷酸核酮醣（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 - 磷酸丙醣。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 - 二磷酸核酮醣，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，會導致水分通過蒸散作用過快的流失。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，但裡面並無基粒或異生。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。

## 參見

## 參考文獻