光合作用过程及意义

本科生课程论文

论文题目：光合作用过程及意义

课程名称：生态学概论

任课教师：杨平恒

专业：地理科学（师范）

班级：2012级1班

学号：222012318011053

姓名：谢洪语

2015年12月26日

光合作用过程及意义

光合作用（Photosynthesis），即光能合成作用，是指含有叶绿体绿色植物和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应（旧称暗反应），利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。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，也是地球碳氧平衡的重要媒介。

光合作用大多数只能在植物体内进行，因为只有植物细胞中才含有能进行光合作用的场所——叶绿体。下图为植物细胞中的叶绿体及叶绿体内部构造图。

从右图可以得出，叶绿体的构造为：外膜、

内膜、基质和基粒。基粒为堆叠的类囊体，光合作用生成葡糖糖的地方就在这里；而基质为基粒与基粒之间的间隙部分。

叶绿体中含有大量色素，这些色素包括叶绿素a，叶绿素b，叶黄素和类胡萝卜素，光合作用的光实际上是被这些色素吸收之后，再发生化学反应。

光合作用的总反应方程式为：

12H2O+6CO2→C6H12O6（葡萄糖）+6O2+6H2O

反应条件为：酶、光照和叶绿体。

值得注意的是，反应物中的12单位水与生成物中的6单位水不能消去，因为反应物中的12单位水在反应中会全部消耗，生成的6单位水是反应过程中新生成的。所以在光合作用的上述反应中包含了多个分反应。下面我通过光合作用过程图示来说明。

首先，从左图可以看出，光合作

用的过程分为光反应阶段和暗反应

阶段。

在光反应阶段，水分子在光和叶

绿素的催化作用下，自身失去电子

e-生成还原性的氢和氧气。还原性的

氢可表示为[H]或NADPH。同时，在

酶的作用下，二磷酸腺苷ADP和磷酸

基团Pi和能量生成三磷酸腺苷ATP。

在光反应阶段涉及到的化学反

应方程式有：

水的光解：2H2O→4[H]+O2

ATP的合成：ADP+Pi+能量→ATP

光反应进行的场所是在叶绿体的基粒当中，因基粒才含有叶绿素。光反应中完成的能量转化有：光能转化为电能，电能转化为ATP中活跃的化学能。

暗反应阶段中，光反应所生成的[H]和ATP均转移到基质中，然后再有CO2加入反应。CO2在ATP和[H]的作用下先生成C3化合物，接着生成C5化合物，最后生成糖类，即葡糖糖C6H12O6。暗反应阶段由于是被美国科学家卡尔文发现，所以暗反应阶段又称为卡尔文循环。暗反应阶段所涉及到的化学反应方程式有：

碳的固定：C5+CO2→2C3

有机物的生成：C3+[H]→(CH2O)（有机物，即糖类）+C5

暗反应阶段进行的场所是叶绿体基质，完成的能量转化有是ATP中活跃的化学能转化为有机物中稳定的化学能。

从光合作用进行过程，我们可以得出，影响光合作用的外部因素有：光照条件、水分条件、CO2浓度。此三个条件对光合作用影响最大，另外还有温度、矿质元素、酸碱度等。温度是通过影响酶的活性来影响光合反应速率：温度过高或过低，酶都会失去活性。而我们知道，光合作用反应中所有的反应过程都需要酶的催化，所以温度是通过影响酶的活性来影响光合作用；矿质元素对光合作用的影响是：植物合成叶绿素需要矿质元素，矿质元素主要分布在土壤中，植物是通过根的吸收来摄入矿质元素进而合成光合作用所需要的叶绿素；酸碱度影响植物的正常生长和发育，也对光合作用有影响。

以上过程是C3植物进行光

合作用的过程。C3植物主要包括

水稻、小麦。比C3植物更能适应

环境的是C4植物，因C4植物光

合作用过程与C3植物有所不同。

左图是C4植物光合作用过程：

C4植物光合作用的光反应阶

段与C3植物相同，唯一不同的是

暗反应阶段，C4植物能够固定浓

度更低的CO2。

在C4植物的暗反应阶段，低

浓度的CO2在叶肉细胞中的叶绿体被PEP结合（PEP是一种酶）生

成一种C4化合物，C4化合物被转

移到维管束鞘细胞中的叶绿体

中，然后C4化合物分解为丙酮酸

和较高浓度的CO2。经过这样的变

化后，C4植物将低浓度CO2变成

高浓度CO2，提高了光合作用的效

率。

右图是C4植物叶片结构，需要解释的是，C3植物维管束鞘细胞很小，不含或含很少叶绿体，卡尔文循环不在维管束鞘细胞中发生；而C4植物维管束鞘细胞发育，C4植物暗反应阶段在维管束鞘细胞中发生。

因为C4植物能够固定浓度更低的CO2，所以C4植物比C3植物光合效率更高，更适应环境，更能在恶劣的条件下生存。C4植物主要有高粱、玉米、苋菜。

光合作用的意义

1．把无机物转变成有机物。每年约合成5×1011吨有机物，可直接或间接作为人类或动物界的食物，据估计地球上的自养植物一年中通过光合作用约同化2×1011吨碳素，其中40%是由浮游植物同化的，余下的60%是由陆生植物同化的；

2．将光能转变成化学能。绿色植物在同化二氧化碳的过程中，把太阳光能转变为化学能，并蓄积在形成的有机化合物中。人类所利用的能源，如煤炭、天然气、木材等都是如今或过去的植物通过光合作用形成的；

3．维持大气O2和CO2的相对平衡。在地球上，由于生物呼吸和燃烧，每年约消耗3.15×1011吨O2，以这样的速度计算，大气层中所含的O2将在3000年左右耗尽。然而，绿色植物在吸收CO2的同时每年也释放出5.35×1011吨O2，所以大气中含的O2含量仍然维持在21%。