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光合作用原理

2016-10-16 17:18:58来源: 人学研究网 已浏览人数:
光合作用是绿色植物将来自太阳的能量转化为化学能(糖)的过程。生态系统的“燃料”来自太阳能。绿色植物在光合作用中捕获光能,并将其转变为碳水化合物存储化学能。
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   光合作用,即光能合成作用,是植物、藻类和某些细菌,在可见光的照射下,经过光反应和碳反应,利用光合色素,将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物,并释放出氧气(或氢气)的生化过程。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。通过食用,食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量,效率为10%~20%左右。对于生物界的几乎所有生物来说,这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环,光合作用是必不可少的。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和,是生物界赖以生存的基础,也是地球碳氧循环的重要媒介。

光合作用图示:

 

光合作用

 

植物的光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢。

光合作用是绿色植物将来自太阳的能量转化为化学能(糖)的过程。生态系统的“燃料”来自太阳能。绿色植物在光合作用中捕获光能,并将其转变为碳水化合物存储化学能。然后能量通过食草动物吃植物和食肉动物吃食草动物这样的过程,在生态系统的物种间传递。这些互动形式组成了食物链。
 

作用原理:植物与动物不同,它们没有消化系统,因此它们必须依靠其他的方式来进行对营养的摄取。就是所谓的自养生物。对于绿色植物来说,在阳光充足的白天,它们将利用阳光的能量来进行光合作用,以获得生长发育必需的养分。
 

这个过程的关键参与者是内部的叶绿体。叶绿体在阳光的作用下,把经由气孔进入叶子内部的二氧化碳和由根部吸收的水转变成为淀粉,同时释放氧气。
 

起源探索


光合作用不是起源于植物和海藻,而是起源于细菌。

从这些进程中能够很明显地看出,无论是宿主生物体,还是共生细胞,它们都在光合作用。此“半植半兽”微生物在宿主和共生体细胞之间的快速转变可能在光合作用演化过程中起过关键作用,推动了植物和海藻的进化。虽然目前科学家还不能培养野生Hatena来完全研究清楚他的生命周期,但是这一阶段的研究可能会为搞清楚什么使得叶绿体成为细胞永久的一部分提供了一些线索。科学家认为,此生命现象导致海藻进化出一种吞噬细菌的方法,最终使海藻进化出自己的叶绿体来进行光合作用。然而,这一过程到底是怎样发生的,目前还是一个不解之谜。从此研究发现可以看出,光合作用不是起源于植物和海藻,而是最先发生在细菌中。正是因为细菌的有氧光合作用演化造成地球大气层中氧气含量的增加,从而导致复杂生命的繁衍达十亿年之久。在其他的实验中,冈本和井上教授尝试了喂给Hatena其他的海藻,想看看它是否会有同样的反应。但是,尽管它也吞噬了海藻,却没有任何改变的过程。这说明在这两者之间存在着某种特殊的关系。判断出这种关系是否是基因决定的将是科学家需要解决的下一个难题。

光合作用的基因可能同源,但演化并非是一条从简至繁的直线科学家罗伯持·布来肯细普曾在《科学》杂志上发表报告说,我们知道这个光合作用演化来自大约25亿年前的细菌,但光合作用发展史非常不好追踪,且光合微生物的多样性令人迷惑,虽然有一些线索可以将它们联系在一起,但还是不清楚它们之间的关系。为此,布来肯细普等人通过分析五种细菌的基因组来解决部分的问题。他们的结果显示,光合作用的演化并非是一条从简至繁的直线,而是不同的演化路线的合并,靠的是基因的水平转移,即从一个物种转移到另一个物种上。通过基因在不同物种间的“旅行”从而使光合作用从细菌传到了海藻,再到植物。布来肯细普写道:“我们发现这些生物的光合作用相关基因并没有相同的演化路径,这显然是水平基因转移的证据。”他们利用BLAST检验了五种细菌:蓝绿藻、绿丝菌、绿硫菌、古生菌和螺旋菌的基因,结果发现它们有188个基因相似,而且,其中还有约50个与光合作用有关。它们虽然是不同的细菌,但其光合作用系统相当雷同,他们猜测光合作用相关基因一定是同源的。但是否就是来自Hatena,还有待证实。然而,光合作用的演化过程如何?为找到此答案,布来肯细普领导的研究小组利用数学方法进行亲缘关系分析,来看看这5种细菌的共同基因的演化关系,以决定出最佳的演化树,结果他们测不同的基因就得出不同的结果,一共支持15种排列方式。显然,它们有不同的演化史。他们比较了光合作用细菌的共同基因和其它已知基因组的细菌,发现只有少数同源基因堪称独特。大多数的共同基因可能对大多数细菌而言是“日常”基因。它们可能参加非光合细菌的代谢反应,然后才被收纳成为光合系统的一部分。
 

影响光合作用的条件:

光照。光合作用是一个光生物化学反应,所以光合速率随着光照强度的增加而加快。但超过一定范围之后,光合速率的增加变慢,直到不再增加。光合速率可以用CO2的吸收量来表示,CO2的吸收量越大,表示光合速率越快。

二氧化碳。 CO2是绿色植物光合作用的原料,它的浓度高低影响了光合作用暗反应的进行。在一定范围内提高CO2的浓度能提高光合作用的速率,CO2浓度达到一定值之后光合作用速率不再增加,这是因为光反应的产物有限。
 

温度。温度对光合作用的影响较为复杂。由于光合作用包括光反应和暗反应两个部分,光反应主要涉及光物理和光化学反应过程,尤其是与光有直接关系的步骤,不包括酶促反应,因此光反应部分受温度的影响小,甚至不受温度影响;而暗反应是一系列酶促反应,明显地受温度变化影响和制约。

当温度高于光合作用的最适温度时,光合速率明显地表现出随温度上升而下降,这是由于高温引起催化暗反应的有关酶钝化、变性甚至遭到破坏,同时高温还会导致叶绿体结构发生变化和受损;高温加剧植物的呼吸作用,而且使二氧化碳溶解度的下降超过氧溶解度的下降,结果利于光呼吸而不利于光合作用;在高温下,叶子的蒸腾速率增高,叶子失水严重,造成气孔关闭,使二氧化碳供应不足,这些因素的共同作用,必然导致光合速率急剧下降。当温度上升到热限温度,净光合速率便降为零,如果温度继续上升,叶片会因严重失水而萎蔫,甚至干枯死亡。

矿质元素。矿质元素直接或间接影响光合作用。例如,N是构成叶绿素、酶、ATP的化合物的元素,P是构成ATP的元素,Mg是构成叶绿素的元素。
 

水分。水分既是光合作用的原料之一,又可影响叶片气孔的开闭,间接影响CO2的吸收。缺乏水时会使光合速率下降。
 

大气电场。大气电场作为一个新发现的光合作用调节因子正在生产中得到应用。正向的大气电场促进植物的光合作用,降低光饱和点;而负向的大气电场则促进呼吸作用。人工模拟大气电场变化的空间电场用于植物的光合作用调控,也用于高甜度水果化萝卜的生产工艺中。空间电场与二氧化碳增补相结合能促进植物生长和根菜类蔬菜甜度的增加。空间电场调控植物生长是空间电场生物效应的一个重要方面。

光合作用是绿色植物利用它特有的叶绿素吸收日光能。将二氧化碳和水转化为富含能量的有机物,并释放氧气的过程。这一过程极其复杂,包括光反应和暗反应。它的总过程常用一简单的方程式表示:

 

 

光合作用是地球上规模最大的无机物转变为有机物(每年约可合成4250亿吨)的过程,也是太阳能转变为化学能并蓄积在合成的有机物中(每年约6.3×1015兆焦)的过程。地球上只有绿色植物(还有光合细菌)能通过光合作用、直接从太阳光截获能量,并利用它将无机物(二氧化碳)还原成有机物,作为自身的养料。其他生物(包括人类在内)不能直接利用太阳能,而是直接或间接依靠绿色植物光合作用所提供的有机物和能量进行生命活动。因此,光合作用保证了整个生物界生命活动的进行和生命的延续。由于光合作用同化二氧化碳,释放氧气,因此使大气中二氧化碳和氧的含量长期以来保持基本稳定。另外,光合作用对生物进化也有重要意义。
 

地球上原始大气中几乎没有游离的氧,约在30亿年前,出现了最早具有光合能力的蓝藻,地球上开始有了氧气的积累,为需氧生物的发生、发展创造了条件。由此可见,光合作用是地球上生物生存、繁荣和发展的根本源泉。
 

光合作用合成的有机物可直接、间接地提供人类及全部动物界的食物,也可作为某些工业原料。光合作用能将光能转化为化学能贮藏在有机物中,供给了地球上几乎全部生活、运动所需的能量。人类利用的石油、煤碳等能源也来自于古代植物的光合作用。光合作用吸收了二氧化碳,放出氧气,使空气净化。古代植物光合作用使地球大气中有了氧气,为有氧呼吸的生物提供了产生、发展的环境,在地球大气上层形成臭氧层,滤去了阳光中的紫外线,使生物适宜在陆地上生存。光合作用是一系列非常复杂的化学反应,叶绿体是光合作用的细胞器。
 

绿色植物在阳光照射下可将二氧化碳和水等无机物转化成葡萄糖,并放出氧气,葡萄糖再进一步形成淀粉等有机物的过程。光合作用在叶肉细胞或嫩茎表皮的细胞里通过叶绿体进行,能进行光合作用的细胞像一座制造有机物的“工厂”,“工厂”的原料是由根吸收来的水和从空气中的二氧化碳,产品是葡萄糖,副产品是氧气,叶绿体好比工厂的机器,光好比工厂的能源,可以下面公式来表示
 

 

地球上每年通过绿色植物光合作用制造的有机物约4 400亿吨,贮存在有机物里的能量相当于24万个三门峡水电站所发的电力,同时放出约4 700亿吨氧气供生物呼吸,保证地球上氧气的充足供应。光合作用非常复杂,大体上分光反应和暗反应二个步骤。光反应过程是叶绿体里的叶绿素利用光的能量把水光解成氢和氧,氢暂时留下待用,氧气通过气孔排放到空气中去,与此同时一部分光能暂时存在特殊的化合物里。而暗反应过程,是把光反应生成的氢和二氧化碳合成葡萄糖,同时暂存的能量也转入葡萄糖里贮存。


人学网·宇宙探索栏目责编:自然子

 

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