GCSE 科學/光合作用

光合作用

丁香樹

像所有生物一樣，植物需要食物才能生存。這種食物用於能量，並在植物生長時製造新的物質。植物能夠吸收兩種無機化學物質，二氧化碳氣體和水，來製造一種有機化學物質，葡萄糖。這種簡單的食物可以用作能量來源，也可以轉化為其他有用的有機分子。

光合作用發生在葉綠體中：參與反應的蛋白質位於葉綠體的類囊體膜中。

光合作用需要能量輸入。植物已經找到一種利用葉綠素這種色素捕獲陽光能量的方法。一旦這種光能被捕獲，就可以用來製造葡萄糖，從而將光能轉化為化學能。氧氣被釋放出來作為廢物化學物質。

光合作用的公式是

6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

二氧化碳 + 水 → 葡萄糖 + 氧氣

反應

• 減少NADPH的產生
• 產生ATP形成的質子梯度
• 產生氧氣

光系統

光合作用中有兩種光系統，分別稱為光系統 I (PsI) 和光系統 II (PsII)。在 PsI 過程中，一種叫做葉綠素的光吸收色素，它是一種最有效地吸收 700 奈米波長紅光的分子，我們通常稱之為 P700。另一方面，PsII 反應中心葉綠素中的色素被稱為 P680，因為它在約 680 奈米處吸收光。光合作用有兩種系統的原因是，單獨一種系統無法捕獲足夠的能量來驅動碳固定反應並提供植物代謝的其餘能量需求。這些系統的組合會導致不同的機制將光能轉化為化學能，從而提供植物所需的能量。

然而，這個過程從 PsII 開始，而不是 PsI。PsII 反應中心中 P680 葉綠素分子吸收的能量首先將分子轉化為激發態，然後提高電子的能級，然後電子從分子中失去，電子傳遞系統接受電子，並立即將其移動到傳遞鏈中，在每次轉移中損失一些能量。我們可以看出，當 P680 分子失去一個電子時，它是不穩定的。為了使其再次穩定，我們需要從水中抽取另一個電子。這個過程不斷重複。

ATP 稱為能量資源，由電子傳遞過程中損失的能量產生。它是生物體普遍使用的快速能量來源。

到達電子傳遞鏈末端的能量被傳遞到 PsI 反應中心的 P700 葉綠素。如上所述，兩種光系統都相似，只是 PsI 在 700 奈米處捕獲光能。

迴圈光合磷酸化

在上面討論的光系統之間的過程中，迴圈光合磷酸化發生在類囊體膜上。在迴圈光合磷酸化過程中，電子被迴圈利用。PS I 吸收光能後產生的激發電子被初級電子受體接受，然後轉移到電子傳遞鏈（從供體移動到受體）。然後電子返回反應中心，再次重複這個過程。電子用於轉運質子，ATPase 利用質子合成 ATP。在這個過程中沒有發生 NADP+ 的還原。

輔助色素能夠將能量匯入反應中心

Chlorophyll A & B can absorb light and funnel the energy to reaction center. Robert Emerson and William Arnold did an experiment on Chlorella cells in 1932. The experiment implies that only 1 molecule of O2 was produced for 2500 chlorophyll molecules excited. Both additional chlorophylls A and B (A has methyl group and B has formyl group) are closely associated with reaction centers.

限制因素

光合作用需要以下 3 個因素

1. 二氧化碳
2. 水
3. 光

有 4 個因素會影響植物透過光合作用製造葡萄糖的速率。

1. 二氧化碳的濃度
2. 光照強度
3. 溫度
4. 任何影響葉綠素、酶或能量載體（ATP 和 NADPH）產生的因素。

如果空氣中二氧化碳含量更多，我們可以實現更高的光合作用速率，如果二氧化碳含量低於該過程所需的含量，光合作用將無法正常進行。據推測，由於二氧化碳增加而導致的全球變暖可能會促進植物生長。

光照強度是光合作用的另一個速率因素。我們可以增加光照強度以實現更高光合作用。但我們需要知道，當植物達到最高光合作用水平時，任何光照強度的增加都不會對植物造成進一步影響。

光合作用在高溫區域會更快。但另一方面，溼度也會影響光合作用。當空氣中充滿水蒸氣時，光合作用就會受到限制。這是因為在飽和水平，當植物開啟氣孔交換氣體時，空氣無法從植物中吸收更多水分。

葉片的結構

光合作用發生在植物的葉子中。葉子有許多適應性，以確保儘可能多的光合作用進行。植物光合作用越多，它製造的食物就越多，生長速度就越快。

1. 葉子有蠟質角質層，可以防止它失去水分並乾涸。
2. 表皮是保護性的細胞層，不含葉綠體。
3. 柵欄組織含有最多的葉綠體，因為它靠近葉子的頂部。葉綠體含有葉綠素色素。
4. 柵欄組織細胞垂直排列。這意味著光必須沿細胞長度方向穿過，從而增加了光線照射到葉綠體並被吸收的機會。
5. 海綿組織含有較少的葉綠體，足以捕捉柵欄組織無法吸收的光線。
6. 海綿組織有氣隙，使氣體更容易在葉片中迴圈。
7. 維管束為葉子提供水分，透過木質部血管運輸。在葉片中製造的食物，如糖，透過韌皮部血管運輸到葉片的其他部位。
8. 氣孔（氣孔 - 單數）是微小的孔，允許二氧化碳進入葉片，同時氧氣離開葉片。
9. 保衛細胞可以開啟或關閉氣孔，以調節進入或離開葉片的氣體量。晚上氣孔關閉，白天開啟。

植物的呼吸作用

呼吸作用是指從葡萄糖和氧氣中產生能量，並釋放二氧化碳和水作為廢物。光呼吸作用發生在許多植物的陽光下。它不同於線粒體中發生的細胞呼吸作用。光呼吸作用和細胞呼吸作用的區別在於，光呼吸作用發生時不會釋放能量。另一方面，細胞呼吸作用會釋放能量。兩種呼吸作用的共同點是它們都吸收氧氣並釋放二氧化碳。光呼吸作用與光合作用同時發生，並利用一些新合成的碳水化合物作為能量，從而降低光合作用的產率，使其更加有效。

呼吸作用最重要的酶是 RuBisCo，它可以使呼吸作用更有效。因為 RuBisCo 缺乏重組能力，它比二氧化碳更傾向於接受氧氣，並催化一系列不同的反應，導致碳被釋放，能量被消耗，而沒有淨能量增益。

呼吸作用

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 釋放的能量

葡萄糖 + 氧氣 → 二氧化碳 + 水 + 釋放的能量

光合作用

6CO₂ + 6H₂O + 能量 → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

二氧化碳 + 水 + 能量 → 葡萄糖 + 氧氣

植物利用呼吸作用產生的能量來驅動生長過程。

葡萄糖的用途

呼吸作用產生的能量用於將葡萄糖轉化為許多其他物質。葡萄糖的典型用途是

• 儲存產品

- 葡萄糖用於製造澱粉，可以根據需要轉化回葡萄糖。土豆和稻米是植物中含有澱粉的部位的例子。

- 葡萄糖轉化為脂類，尤其是在種子中。葵花籽油和菜籽油用於烹飪，來自葵花籽和油菜籽。

• 結構產品

- 葡萄糖轉化為纖維素，用於製造細胞壁。

• 其他產品

- 葡萄糖和硝酸鹽用於製造氨基酸，氨基酸用於製造蛋白質。

- 葡萄糖也是製造葉綠素的基本原料。

- 葡萄糖用於呼吸作用。

將光能轉化為化學能的能力是古老的

光系統具有共同的結構，這意味著它們具有共同的進化起源。地質證據表明，大約 20 億年前，氧光合作用變得重要。在此之前，存在著進行無氧反應的綠硫細菌和紫硫細菌。它們兩者都與氧光合作用相似。由於在光合生物中沒有發現古細菌，因此得出結論，光合作用不是在生命起源時立即演化的。