什么是光合作用

光合作用是什么？

光合作用，通常是指绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程。其主要包括光反应、暗反应两个阶段，涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。1990年，一种红藻化石在加拿大北极地区被发现，这种红藻是地球上已知的第一种有性繁殖物种，也被认为是已发现的现代动植物最古老祖先。对红藻化石的年龄此前没有形成统一看法，多数观点认为它们生活在距今约12亿年前。 为了确定这种红藻化石的年龄，研究人员专门到加拿大巴芬岛收集包含这种红藻化石的黑页岩并用铼锇同位素测年法分析，认为红藻化石有10.47亿年的历史。在确认红藻化石年龄基础上，研究人员用一种名为“分子钟”的数学模型来计算基于基因突变率的生物进化事件。他们的结论是，约12.5亿年前，真核生物开始进化出能进行光合作用的叶绿素。

光合作用广泛存在于自然界，叶绿体收集太阳光能，将水和二氧化碳转化为有机物（首先是葡萄糖），并释放出氧气。但这只是最终结果，整个过程一开始是将水和二氧化碳气转化为氧，自由的质子和电子。在光合作用中产生了两个化学反应，叶绿素分子失去两个电子，水分子发生分解。尽管光合作用在各种教科书中都得到了详尽的阐述，但是想人工实现这一过程却绝非易事，主要的问题在于缺少有效地电解水的媒介，在植物中充当这一媒介的是叶绿体。

自然界其实总是比人类更智能，比人类做得更好，比如光合作用。长有绿色叶子的植物能够捕获太阳的能量并将其转化为有用的化学燃料。这一过程就比我们人类的光电太阳能电池板要高明、高效得多。有许多科学家在尝试人工光合作用。

众所周知，水能够电解成氢和氧，但整个过程毫无意义。为了提高这一性能，化学家们提供了能促使反应在更低电压情况下进行的催化剂。目前只有钌和铂能充当这种媒介，当然这两种金属都很昂贵，除此之外，反应要进行还需要特定的温度条件和气压。

模拟光合作用储存太阳能的技术早在上世纪70年代初就进入了科学家的视线。几十年来，研究人员一直在尝试复制绿色植物分解水的方式。利用化学方式，科学家早已能够完成水的分解反应，但这些化学反应条件非常苛刻，温度很高，溶液具有腐蚀性很强的碱性，而且催化剂需要用到铂等稀有而昂贵的化合物。丹尼尔的设计就像光合作用一样，分解水的反应在室温下就可进行，溶液也没有腐蚀性，更重要的是催化剂非常便宜，可以很容易地得到氢气和氧气。

据美国“每日科学”网站2009年3月12日报道，美国加州大学伯克利分校的科学家，在这一领域取得了重大突破，找到了可使光合反应顺利进行的特殊催化剂。在此基础上，科学家期望彻底弄清光合作用的奥秘，使人工光合作用能大规模用于生产和生活。

据国外媒体报道，美国麻省理工学院（MIT）的科学家日前在实验室内再现了光合作用的过程，在整个过程中光合作用将水分解成氢和氧，并产生了可供燃烧的氢气和氧气。该实验的意义在于光合作用产生的能量能够被人类利用，这种技术将引发一场太阳能使用革命，并补偿煤炭，石油等不可再生资源的损耗。这两名科学家名叫诺塞拉（Daniel Nocera）和卡南（Matthew Kanan），他们找到了一种简单实惠的方法将水分解成氢气和氧气，这种方法的原理和光合作用差不多，只是将太阳能转化了可燃烧的氢气和氧气。

研究人员已发现，特殊的蛋白质“光合体系Ⅱ”作为催化剂载体，起催化作用的是一种含锰的生化酶。在没有绿色植物这个光合作用载体的情况下，人们期望找到一种人工催化剂以替换“光合体系Ⅱ”。加州大学劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员正是找到了高效的催化剂----氧化钴纳米颗粒，实现了高转化率的光解反应，相关论文已发表在德国《应用化学》期刊上。

这个系列实验是在加州大学劳伦斯伯克利国家实验室“太阳神”太阳能研究中心完成的，该研究中心由华裔科学家、诺贝尔奖获得者朱棣文创立。他也是劳伦斯伯克利实验室的主任。主要参加者是研究中心主任海因茨?弗雷和他的博士后、旅美华人学者焦锋（音译）。弗雷介绍说，光解反应对催化剂要求极为苛刻，在经过无数次实验后，他们发现氧化钴纳米晶体既高效又快速，反应持久，也容易得到，正好能满足要求。

最开始，他们用毫米级的氧化钴颗粒做实验，效果不理想。后来改用纳米级的氧化钴颗粒，欣喜地发现反应速度大大提高。弗雷表示，使用氧化钴纳米“团簇”（多个纳米束组成的团状结构）做催化剂的反应速度是毫米团簇的1600倍，每个团簇每秒约能裂解1140个水分子，反应功率（指每秒吸收的能量）与地面附近的太阳辐射能相当，约为每平方米1000瓦。

光饱和点：在一定的光照强度范围内，光合作用随光照强度的增加而增加，但超过一定的光照强度以后，光合作用便保持一定的水平而不再增加了，这个光照强度的临界点称为光饱和点。 光补偿点：在光饱和点以下，当光照强度降低时，光合作用也随之降低，当植物通过光合作用制造的有机物质与呼吸作用消耗的物质相平衡时的光照强度称为光补偿点。

光合作用的本质，就是利用电子跃迁，把太阳光能进行存储与转移。

光本质上具有粒子行为，其能量是一份一份的。电子也具有一定的能量，能量不改变，它就会围绕自己固定的轨道运转。可是，当光子打到电子时，就会使电子能量升高，从而跑到更高的能级轨道上运行。如果想把这个能量释放出来，电子就得重新跃迁到能量低的轨道。经过这样的循环，就实现了把光能储存和转移的效果。

如果我们是植物，我们如何才能设计一个最有效的装置实现这个功能呢？

我们首先要考虑到效率和周边可利用的材料。

氢对我们肯定是首选。这个体系只涉及一个电子，操作过程相对简单。那我们可能会说，钠的性质和氢很像，外围都是一个电子，为什么不选择钠？钠的体积和重量比氢大得多，而且，钠并不是非常广泛分布的元素。而氢组成的水到处都是。

于是，水就成了我们第一需要利用的物质。它提供氢，并且还是非常好的载体，溶解各种物质。并被携带到各处。而水中的氧对于这个过程，则是一种废物，需要被排出体系，也就是通过光合作用，形成了大量氧气，殊不知，对于植物而言，那是一种废气。

作为载体，我们还需要一种运载工具，碳链。碳是形成链状结构最佳材料。虽然硅也可以，但是，硅链形成的物质是固体，当然不能被选择。含有的碳的CO2也就被植物选择，参与了光合作用。

那么，现在地球已经给植物准备好H2O和CO2，关键是如何才能利用这两种物质，通过电子转移，把光能存储到含有碳和氢的化合物中。

我们可以简单地进行如下解释。

在CO2 中，C是正四价，也就是相当于把四个电子给予了氧，处于低能状态。而在碳氢化合物中，比如葡萄糖C6H12O6，C则是负四价，类似于获得了四个电子。显而易见，后者形式的碳具有较高能量。这个多出来的能量，就来自太阳的光能。

其实，如果有其他能量来源，不一定非要光能，植物也能够形成葡萄糖。比如，在海底的黑暗世界。

定义：

1、光合作用是植物、藻类等生产者和某些细菌，利用光能，将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物。

2、光合作用可分为产氧光合作用和不产氧光合作用。

3、植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量，其能量转换效率约为6%。意义：1、把无机物转变成有机物。2、将光能转变成化学能，绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能，并蓄积在形成的有机化合物中。3、维持大气O2和CO2的相对平衡。