光合作用
guāng hé zuò yòng
光合作用是植物、藻类和某些细菌利用光能，把二氧化碳和水转化为葡萄糖和氧气的过程。
Formula
6CO_2 + 6H_2O + \text{light} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2
Definition
光合作用是植物制造自身食物的方式：它们吸收空气中的二氧化碳和土壤中的水，利用阳光的能量把它们转化为糖分，并把氧气作为副产物释放出来。植物、藻类和蓝细菌等生产者在叶绿体内把光能转化为储存在葡萄糖中的化学能，叶绿素在此吸收光能，总反应式为$6CO_2 + 6H_2O + \text{光能} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2$。这一过程分为相互耦合的两个阶段。在类囊体膜上进行的光反应中，光系统II利用光子能量分解水分子（$2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2$），电子经过电子传递链，将质子泵入类囊体腔，ATP合酶利用由此产生的梯度合成ATP，光系统I则把NADP$^+$还原为NADPH。在基质中进行的卡尔文循环中，核酮糖二磷酸羧化酶把$CO_2$固定到核酮糖1,5-二磷酸上，ATP和NADPH把产物还原为三磷酸甘油醛，葡萄糖和其他碳水化合物正是由此构建而成的。
Example
放在阳光充足窗台上的一株豆苗，每周都在长大，尽管没有人给它喂食，因为它是用空气、水和光能制造出的糖分来构建叶片和茎干的。制造$1$个葡萄糖分子需要消耗$6$个$CO_2$分子和$6$个$H_2O$分子，同时释放出$6$个$O_2$分子；如果统计原子数，方程式两边各有$6$个碳原子、$12$个氢原子和$18$个氧原子，方程式是配平的。卡尔文循环每合成一个葡萄糖分子要消耗$18$个ATP和$12$个NADPH，光合作用每摩尔葡萄糖大约能储存$2{,}870\ \text{kJ}$的能量，但农作物从太阳光能到生物量的整体转化效率通常只有$1$到$2$百分比。
Key Insight
你呼吸的氧气几乎全部来自光合作用，而你吃下的每一餐食物，追根溯源都来自某株捕获阳光的植物。释放出的氧气来自水分子，而不是二氧化碳，来自$CO_2$的碳原子最终进入糖分中，这也是为什么植物的主要成分是从空气中获取的碳。光合作用是一个氧化还原反应，水被氧化，二氧化碳被还原，这恰好与细胞呼吸的方向相反；由于叶绿体和线粒体使用的是同一种化学渗透机制，一个植物细胞既是太阳能收集器，又是一个燃料电池。