光合作用——大自然中最普通常見的化學反應！

看著山上的野花，你可能會覺得大自然太奢侈了。美麗的東西越來越少，因為“稀缺性更珍貴”。在人們的印象中，重要的和美麗的東西往往是最不重要的。但不一定。光合作用獲得了不少於10個諾貝爾獎，不僅被稱為“地球上最重要的化學反應”，而且被稱為“地球上最常見的化學反應”。

光合作用通常是指植物利用光能將二氧化碳和水轉化為糖和澱粉等有機物質，同時釋放氧氣的過程。它是大自然原始生產的源動力。葉綠體和細胞質是光合作用的主要場所。植物的葉子是綠色的，因為它們含有葉綠體，所以有些人認為只有葉子才能進行光合作用。事實上，許多植物組織和器官都含有葉綠體，它是光合作用普遍存在的根本原因。除了綠色植物，細菌、藻類甚至動物都能進行光合作用。這篇文章將揭示這個古老化學反應的奧秘。

種子光合作用

很多人喜歡吃小扁豆，但你知道嗎，像小扁豆這樣的種子除了能傳遞遺傳物質外，還能像葉子一樣進行光合作用？密歇根州立大學的科學家們發現油菜和大豆種子可以進行顯著的光合作用。研究人員發現，這些重要的酶在光照下的活性顯著高於黑暗中，酶的啟用促進了種子對二氧化碳的再吸收。他們的進一步研究還表明，種子光合作用的最大好處是它可以產生更多的脂肪酸。此外，種皮的明顯陰影表明，即使在低光照下，種子的質量也會受到影響。種子光合作用除了能合成有機物和重新吸收二氧化碳外，還能顯著增加種子含氧量，減輕缺氧症狀。德國科學家發現，豌豆和大麥種子在發育早期可以利用弱光進行光合作用。當光線充足時，就會產生多餘的氧氣。

水果光合作用

沒有成熟的番茄果實能吃嗎？如果你不怕口感不佳，你可以試試。但在你下口之前，它可是一直在努力工作呢！它的工作之一是光合作用——吸收二氧化碳，製造美味的營養物質。最近，科學家們發現，如果番茄果實被阻止了光合作用，它不僅變得更小，而且含有更少的種子，這影響了植物的繁殖。在棉鈴（棉花果實）的光合作用研究中也發現了類似的現象。為了抑制棉鈴的光合作用，研究人員首先遮蔽棉鈴，然後計算鈴數和種子重量等引數的差異。遮蔭處理降低鈴重24。1%，種子重35。9%，說明如果棉鈴不進行光合作用，將嚴重影響棉花產量。番茄和棉鈴的光合作用補充了葉片的光合作用，但目前還不清楚果實的光合作用對先開花後離開的植物有什麼貢獻，如榆樹的翅果。然而，在對落葉松球果光合作用的研究中發現，幼果的小淨光合速率對生殖早期（光合功能不完全）葉片的生長有重要影響。

東北林業大學的王文傑等人發現，薇甘菊幾乎是綠色的，它的花、果、莖甚至根都可以進行光合作用。如果我們通常吃的土豆暴露在陽光下，由於光合作用，它們很快就會變綠。植物對資源的利用就是“一切”。

苞葉光合作用

玉米是最受歡迎的食物，但我們可能不知道它的美味也是由於最外層的苞片。玉米苞片不僅能在穗軸纏繞的過程中起到保護作用，而且由於苞片含有葉綠素，在發育早期還能自行進行光合作用。

一般來說，植物或植物器官只能有一種光合作用途徑——C3、C4或CAM。澳大利亞國立大學的科學家在研究玉米苞片的光合特性後發現，苞片的光合能力較差，其光合途徑與葉片不同。苞片具有C3植物的一些光合特性，但不完全是C4途徑，表明玉米可能是光合途徑早期分化的關鍵物種。C3和C4植物的起源和分化時間是目前困擾學術界的科學問題之一，因此具有兩種光合途徑的植物為闡明這一問題提供了機會。

高山冰緣植物大黃的苞片也進行光合作用。此外，它的苞片像一個小溫室，被雄蕊包裹，以保護它免受寒冷天氣的影響。苞片內外溫差可達8 ~ 10℃。它還能隔離93%到98%的紫外線，這有助於它在極端寒冷的環境中繁殖。

樹皮光合作用

葉子、種子和果實都有助於植物的生長和發育，樹皮當然也同樣重要。樹皮對植物生長的重要性可以用一個例子來最好地說明。在澳大利亞達爾文大學的科學家們發現，當桉樹樹皮與鋁箔塗層防止光合作用在樹皮上，它增加耐水運輸和一般的木材產量降低了11%（即森林具有大致相同的內部特徵），這對林業生產是一個相當大的損失。樹皮的光合作用從樹木的呼吸作用中重新吸收二氧化碳（吸收二氧化碳並將其轉化為糖的過程）。二氧化碳重吸收率一般為40-100%，表明樹皮光合作用可實現“零排放”，有助於減緩氣候變化。我們知道，一些植物的柔嫩裸露的莖在嚴冬之後會變粗。事實上，這也與樹皮的光合作用有關。樹枝的光合作用不僅有助於植物“運動肌肉和骨骼”（運輸營養物質和水分），還能產生氧氣，減少植物呼吸過程中過度使用氧氣造成的損害。澳大利亞研究人員發現，人工去除樹葉後，比沒有樹葉的樹皮能吸收更多的二氧化碳。樹皮似乎知道樹葉是靠不住的，必須自己努力工作。

動物光合作用

動物的光合作用聽起來很新奇，但如果你知道光合作用的起源，這可能並不奇怪。植物的葉綠體在進化的早期是獨立的。世界上五彩繽紛的植物世界是由共生形成葉肉細胞的{某些原因。葉綠體是一個具有獨立功能的結構單元，這一事實證實了這一點。除了葉綠素之外，葉綠體中還有類胡蘿蔔素可以傳遞電子。似乎還沒有完全進化的蚜蟲含有類胡蘿蔔素，因此它們可以利用類胡蘿蔔素進行光合＃電子傳遞，生成能量貨幣ATP，並進行不完全複製比如光合作用。事實證明，淺綠色的蚜蟲有很多技能。它的“膚色”不完全是為了模仿（接近環境的顏色），而是為自己提供能量。美國南佛羅里達州大學的生物學家發現，如果一個海蛞蝓吃足夠的藻類，它可以“偷”合成葉綠體的基因並進行光合作用。科學家們將這種“半植物半動物”的海蛞蝓在水族館裡養了幾個月，發現只要它們每天有12個小時的光照，它們就可以在沒有食物的情況下生存。最重要的是，下一代海蛞蝓繼承了這一特性，這表明海蛞蝓的葉綠體合成行為是可遺傳的。有鑑於此，有些人認為，如果人體也能自動合成葉綠體，難道它就不必吃飯和工作嗎？受蠑螈細胞和藻類共生關係的啟發，一些人甚至想將藻類和人類DNA結合起來，使人類具有水生能力，就像哈利·波特那樣，他在魔法小說中吃“鰓草”，不必在水中呼吸。人工光合作用

光合作用並不是自然界的專利。辛辛那提大學的科學家在南美泡泡蟾蜍的泡沫中使用人造RANSPAUMIN -2蛋白來模擬光合作用。在它們的反應體系中，二氧化碳在沒有葉綠體或葉綠素參與的情況下穩定地轉化為糖分子。而哈佛大學科學家諾塞拉發明了一種更簡單實用的“人造葉片”，它只是一個簡單的矽板，在水源和光的條件下產生氫氣和氧氣。根據諾塞拉的估計，一夸脫（約1。36升）的水可以讓一個100瓦的燈泡日夜發光。

那麼科學家們是如何做到這一點的呢？事實證明，人們已經掌握了光合作用的具體機制。從表面上看，光合作用只是一個將光能轉化為化學能的過程。事實上，它包含許多反應步驟。一般來說，光合作用包括光反應和暗反應。光反應包括光能的吸收、傳遞、轉化和光合磷酸化；暗反應主要包括卡爾文迴圈——穩定化學物質的積累。透過模擬每一步的光化學反應，人們基本上可以實現剛才提到的人工光合作用。人工光合作用具有高效、簡單、穩定和可控的特點。例如，植物的光能利用率僅為1％左右，而人工模擬的化學能轉換效率可高達96％；植物生物量的積累受天氣影響，而人工光合系統可以晝夜工作。由於這些優點，人工光合模擬有望解決世界糧食和能源問題。2010年，美國能源部撥款數十億美元支援人工光合作用的研究。

深入研究光合作用

光合作用本質上是從幾種無機物中合成新有機物質的過程，在綠色植物中最為常見。有趣的是，並不是所有的植物都能進行光合作用。例如，像烈當和遲暮這樣的植物不能進行光合作用。這些植物像蘑菇一樣是腐生的或寄生的。動物和人工光合作用是光合作用研究的向後延伸，科學家通常更關注光合作用的起源。人們對光合作用機理的認識也在逐漸加深，如單位長度Amy （1nm=10Amy）光系統結構分析；不同物種光合蛋白基因的轉化及高效光合表達系統的嘗試澳大利亞的陳敏博士等人發現了第五種葉綠素F，可以吸收紅外光譜。最近，來自美國、韓國、德國、澳大利亞等國家的科學家完成了異常藍藻的基因組測序，發現一種衣原體細菌透過內共生在光合作用的早期進化中發揮了重要作用。研究結果對理解光合作用的起源有一定的意義。

光合作用從何而來？你要去哪裡？光合作用機理的詳細分析一直是一個有待解決的科學問題。無論答案是什麼，人們一致認為光合作用是重要的，而且是普世的。