什么是光合作用？
光合作用吸收所有呼吸生物体产生的二氧化碳，并将氧气重新引入大气中。（KPG|u Payless| Shutterstock）光合作用是植物、藻类和某些细菌利用太阳光能量并将其转化为化学能的过程。在这里，我们描述光合作用的一般原理，并强调科学家是如何研究这一自然过程，以帮助开发清洁燃料和可再生能源。
类型的光合作用有两种类型的光合作用过程：氧化光合作用和非氧化光合作用。氧合和氧合光合作用的一般原理非常相似，但氧合光合作用是最常见的，见于植物、藻类和蓝藻中。“KdSPE”“KdSPs”在氧合光合作用期间，光能将电子从水（H2O）转移到二氧化碳（CO2），以产生碳水化合物。在这种转移过程中，CO2“被还原”，或接收电子，水变成“氧化”，或失去电子。最终，氧与碳水化合物一起产生。“KdSPE”“KdSPs”氧合光合作用通过吸收所有呼吸生物体产生的二氧化碳并将氧气重新引入大气而起到呼吸的平衡作用。另一方面，“KdSPE”“KDSPs”，无氧光合作用使用除水以外的电子供体。这一过程通常发生在紫色细菌和绿色硫细菌等细菌中，这些细菌主要存在于各种水生生境中。
“无氧光合作用不产生氧气-因此得名，”威斯康星大学麦迪逊分校（University of Wisconsin Madison）植物学教授大卫•鲍姆（David Baum）说产生什么取决于电子供体。例如，许多细菌利用臭鸡蛋嗅到的硫化氢气体，产生固体硫作为副产品。
虽然这两种光合作用都是复杂的、多步骤的事情，整个过程可以概括为一个化学方程式。“KdSPE”“KdSPs”氧合光合作用的描述如下：“KdSPs”6CO2+12H2O+光能-C6H12O6+6O2+6H2O“KdSPE”“KdSPs”，这里六个分子的二氧化碳（CO2）与12个水分子（H2O）结合使用光能。最终的结果是形成一个碳水化合物分子（C6H12O6或葡萄糖）和六个可呼吸的氧和水分子。
类似，各种各样的无氧光合作用反应可以用一个单一的通用公式来表示：
CO2+2H2A+光能→[CH2O]+2A+H2O
方程中的字母a是一个变量，H2A代表潜在的电子给体。例如，A可以代表电子供体硫化氢（H2S）中的硫，伊利诺伊大学香槟分校的植物生物学家Govindjee和John Whitmarsh在《光生物学的概念：光合作用和光形态发生》（Narosa出版社和Kluwer学术出版社，1999）一书中解释道太阳光产生光合作用的能量。光合作用装置
以下是光合作用所必需的细胞成分。
色素
色素是赋予植物、藻类和细菌颜色的分子，但它们也负责有效地捕捉阳光。不同颜色的颜料吸收不同波长的光。下面是三个主要的类群。
叶绿素：这些绿色颜料能够捕捉蓝光和红光。叶绿素有三个亚型，称为叶绿素a、叶绿素b和叶绿素c。根据尤金·拉比诺维奇和戈文吉在其著作《光合作用》（Wiley，1969）中的说法，叶绿素a存在于所有光合作用植物中。还有一种细菌变种被恰当地命名为细菌叶绿素，它能吸收红外光。这种色素主要存在于紫色和绿色细菌中，它们能进行无氧光合作用。类胡萝卜素：这些红色、橙色或黄色颜料吸收蓝绿色光线。类胡萝卜素的例子有叶黄素（黄色）和胡萝卜素（橙色），胡萝卜素从中获得颜色。藻胆素：这些红色或蓝色的色素吸收波长的光，而叶绿素和类胡萝卜素对波长的光吸收不好。它们见于蓝藻和红藻中。质体
光合真核生物的细胞质中含有称为质体的细胞器。根据新泽西罗格斯大学研究人员Cheong Xin Chan和Debasish Bhattacharya在《自然教育》杂志上发表的一篇文章，植物和藻类中的双膜质体被称为原生质体，而浮游生物中发现的多膜质体被称为次生质体一般含有色素或能储存营养物质。无色和无色素的白质体储存脂肪和淀粉，而染色质体含有类胡萝卜素，叶绿体含有叶绿素，如杰弗里·库珀的书《细胞：分子方法》（Sinauer Associates，2000年）中所述。
光合作用发生在叶绿体中；特别是，在基粒和基质区。基粒是细胞器最里面的部分；一组圆盘状的膜，像盘子一样堆积成柱状。单个圆盘称为类囊体。电子的转移就是在这里发生的。基粒柱间的空隙构成基质。
叶绿体类似于线粒体，细胞的能量中心，因为它们有自己的基因组或基因 *** ，包含在环状DNA中。这些基因编码细胞器和光合作用所必需的蛋白质。与线粒体一样，叶绿体也被认为是通过内共生过程起源于原始细菌细胞。
“质体起源于被吞噬的光合细菌，这些细菌是在十亿多年前由单细胞真核细胞获得的，”鲍姆告诉《生活科学》。鲍姆解释说，叶绿体基因的分析表明，它曾经是蓝藻群的一员，蓝藻群是“能完成产氧光合作用的一类细菌”。在他们2010年的文章中，
指出，次生质体的形成不能很好地解释为蓝藻，这类质体的起源仍然是一个争论的问题。“KdSPE”“KdSPs”触角“KdSPE”“KdSPs”色素分子与蛋白质相关联，这使得它们能够向光和向彼此移动。亚利桑那州立大学教授Wim Vermaas的一篇文章称，一个由100到5000个色素分子组成的大 *** 构成了“触角”。这些结构有效地以光子的形式从太阳捕获光能。
最终，光能必须转移到一种色素-蛋白质复合物上，这种复合物能够以电子的形式将光能转化为化学能。例如，在植物中，光能被转化为叶绿素色素。当叶绿素色素排出一个电子，这个电子就可以转移到一个合适的接受者身上时，就完成了向化学能的转换。
反应中心
色素和蛋白质将光能转换成化学能并开始电子转移过程，被称为反应中心。
光合作用过程植物光合作用的反应分为需要阳光和不需要阳光的反应。这两种反应都发生在叶绿体中：类囊体中的光依赖反应和基质中的光独立反应。
光依赖反应（也称为光反应）：当一个光子击中反应中心时，像叶绿素这样的色素分子释放出一个电子。
做有用工作的诀窍是阻止这个电子找到它的w“回到它原来的家，”鲍姆告诉现场科学这是不容易避免的，因为叶绿素现在有一个“电子空穴”倾向于吸引附近的电子。
释放的电子通过电子传输链设法逃逸，电子传输链产生产生产生ATP（细胞化学能源三磷酸腺苷）和NADPH所需的能量。原始叶绿素色素中的“电子孔”是通过从水中吸收一个电子来填充的。结果，氧被释放到大气中。
与光无关的反应（也称为暗反应，称为卡尔文循环）：光反应产生ATP和NADPH，这是驱动暗反应的丰富能源。卡尔文循环包括三个化学反应步骤：碳固定、还原和再生。这些反应使用水和催化剂。来自二氧化碳的碳原子是固定的，当它们被构建成最终形成三个碳糖的有机分子时。这些糖随后被用来制造葡萄糖或循环利用，再次启动卡尔文循环。
这张2010年6月的卫星照片显示，南加州的池塘正在生长藻类。（PNNL，QuickBird卫星）光合作用在未来
光合作用生物是一种可能的方式来产生清洁燃烧的燃料，如氢甚至甲烷。最近，芬兰图尔库大学的一个研究小组研究了绿藻产生氢气的能力。绿藻如果首先暴露在黑暗、厌氧（无氧）的环境中，然后暴露在光下，它们可以产生几秒钟的氢气。正如他们在2018年发表在《能源与环境科学》杂志上的研究报告所述，研究小组设计了一种将绿藻的氢气产生时间延长三天的方法在人工光合作用领域也取得了进展。例如，来自加利福尼亚大学的一组研究人员伯克利开发了一种人造系统，用纳米线或直径为几十亿分之一米的电线捕获二氧化碳。这些电线进入微生物系统，通过利用阳光的能量将二氧化碳还原成燃料或聚合物。该研究小组于2015在NealNo.No.No.KDSPE“KDSPs”杂志上发表了它的设计，该研究组成员在《科学》杂志上发表了一项研究，描述了另一种人工光合系统，其中专门设计的细菌被用来利用阳光、水和二氧化碳制造液体燃料。一般来说，植物只能利用大约1%的太阳能，并在光合作用期间利用太阳能生产有机化合物。相比之下，研究人员的人工系统能够利用10%的太阳能生产有机化合物。
继续研究光合作用等自然过程，帮助科学家开发利用各种可再生能源的新方法。在阳光的照耀下，植物和细菌无处不在，利用光合作用的能量是创造清洁燃烧和碳中性燃料的合理步骤。
附加资源：
加州大学，伯克利：光合色素亚利桑那州立大学：光合及其应用简介伊利诺伊大学香槟分校：什么是光合
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