世界上最伟大的生化反应—光合作用

熊新维

摘   要：通过对光合作用过程的介绍，充分展现了光合作用在物质和能量变化中的作用，论证其在地球生命和人类生产生活中的重要性。

关键词：光合作用;有机物;能量;二氧化碳;氧气;能量;森林;环境

天地宇宙，日月星辰，生命与物理世界，神秘而热闹，纷繁而复杂，这一切的一切，都是因为有了万物之灵—人的存在而有意义。人之所以能产生，源于伟大的生化反应—光合作用。

1    光合作用介绍

什么是光合作用？绿色植物通过叶绿体利用太阳能，将简单的无机物二氧化碳和水合成富含能量的有机物，并释放出氧气，这一过程称为光合作用[1]，如图1所示。光合作用是一切生命，包括人类赖以存在的基础。

地球上形形色色的生物分为3大类，称为三界，即植物界、动物界和微生物界。其中，唯有植物界的生物是“万事不求人”“自给自足”，能利用自然界廉价的、唾手可得的简单无机物，在阳光的作用下，合成有机物，并称其为“生产者”。而动物和微生物，则通过直接或间接的方式获取植物中的营养物质而生存，我们称其为“异养生物”。

2    光合作用的功能

光合作用制造的有机物，满足了植物本身生长发育的同时，也源源不断地为动物和微生物提供食物，是唯一的食物来源。植物除了满足生物所需的各种营养物质外，另一个重要功能是能量。生物的生长发育活动和进化依靠能量推动，这种能量叫“生物能”或“化学能”，它的终极来源是太阳。正如俗话所言：“万物生长靠太阳”。

2.1  能量转换

太阳的能量是如何转化成化学能，进而被生物所利用的呢？那就是通过光合作用来实现的。所以说，光合作用是地球上最大的能量转换器。人类生产生活中大量的能量，除核能、风能和水能外，如木柴、煤、石油、天燃气等，无一不是来源于现在或过去光合作用所“固定”下来的太阳能。

2.2  改造大气成分

光合作用的另一个功能是改造大气成分，使大气富含氧气，满足生物的生存需要。氧气是地球生物存在的必要条件之一。早期的地球大气，充满了二氧化碳、甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有毒气体，唯独没有氧气。那时的地球，没有高级生命，甚至连细菌都不存在，一片荒凉，到处是火山喷发、酸雨普降，直到10多亿年后，植物出现才得以改观。

2.3  预测地球上矿物能源的贮量

光合作用的功能，除了维持地球环境和生命系统外，还有其他应用吗？当然有，例如：可以预测地球上矿物能源的贮量。

生产生活中大量使用的煤、石油、天燃气等，称为矿物能源。随着社会经济发展，这类能源被大量开采利用，但这类能源是不可再生的，消耗一点，就少一点，且有枯竭之势，但在地球上的一些区域，比如海洋沙漠深处，尚未充分勘探。这些宝贵的资源是否面临枯竭还需要人类进一步勘探。

3    光合作用的逆反应

光合作用的逆反应是氧化和分解作用。光合作用所制造的有机物，通过生物呼吸、微生物的分解及化石燃料燃烧等一系列氧化反应，转化成简单的无机物、二氧化碳和水，回到大自然，并放出能量供人类及其他生物利用。通过这两个相反的过程，自然界实现了有机物和无机物的相互转化，称之为“碳循环”，实现了自然界的物质平衡。可以想象，如果只有光合作用而没有分解燃烧，大气中的二氧化碳将被消耗殆尽，光合反应将会中断，地球表面将被各种动植物的尸体堆满，人们将无落脚之处。化合与分解反应的同时存在，保证了生物生存所需。

4    植物与光合作用的关系

植物的神奇之处在于，它能“就地取材”，利用自然界的简单无机物二氧化碳和水，在阳光的作用下，反应生成有机物，同时释放出大量氧气。于是乎，大氣中的二氧化碳不断被利用，质量分数逐渐降低，而大气中的氧气则由无到有，质量分数逐渐升高。经过数亿年不断的转换和积累，大气成分终变成以氮气和氧气为主，二氧化碳只占0.03%的混合气体。这就是为什么要保护森林植物的重要原因。森林不仅是各种动植物的基因库，更是地球的肺，是大气的净化器。它们的存在，保证了大气成分的稳定，净化了空气，为人类以及各种生物的呼吸提供氧气（见图2），同时吸收多余的二氧化碳，抑制“温室效应”的产生及其他自然灾害的发生。

矿物能源都是由于曾经的光合作用产生的有机物矿化而成，氧气也是形成有机物时伴生出来的，且二者的数量关系为：

6CO + 12HO = C（HO） + 6O + 6HO

由化学反应中的质量守恒原理可知，每生成1 t氧气，约产生有机物0.9 t，每分解0.9 t有机物，则消耗1 t氧气。若大气中的氧气总质量为Mt，则存在有机物0.9Mt。有机物分为活体和矿物能源两大部分（对于未分解的有机残体和微生物，因其占比相对较小，此处可忽略不计）。若大气中氧气的总质量已知，则可以推算出地球上有机物的总质量，将其减去活体生物的量，就可得出尚未开采的矿物燃料的量，即煤、石油和天燃气的地下贮量。

由自然界的有机物—无机物的循环规律可知，一片生物量稳定的森林，光合作用与分解作用处于动态平衡，当森林的面积扩大时，空气中的氧气增加，对应的二氧化碳减少，反之，森林面积减少时，空气中的二氧化碳增加，氧气减少，而不是一片森林，一定会吸收更多的二氧化碳和产生更多的氧气。前不久，网上传说，澳大利亚的奶牛养殖户应该为“奶牛放屁”纳税，理由是它排放了更多的二氧化碳。这个理由其实是站不住脚的。我们知道，奶牛吃的是草，经过消化，草变成粪便和肠气（即所谓的屁）排出体外，能产生大量的二氧化碳，若奶牛所吃的草不能被消化，则会在自然界自然腐烂分解，产生同样多的二氧化碳。

从以上的案例可以得出，改良空气、保护环境唯一可行的方法是减少一次能源的开采和使用，同时植树造林，保护现有自然林，增加地球表面森林覆盖率，生成更多氧气的同时，减少二氧化碳。

5    结语

通过以上介绍，对光合作用本质以及它在自然界中的作用已经有了一个初步了解，你是不是觉得它很神奇，并且与我们人类生存休戚相关呢？

[参考文献]

[1]张民生.自然科学基础[M].南京：高等教育出版社，2008.