必修一5.4.2 光合作用与能量转换

光合作用是绿色植物、藻类和某些细菌在光能驱动下，将二氧化碳和水转化为有机物并释放氧气的过程。它是地球上最重要的能量转换和物质循环过程之一，是生命活动的基础。

一、光合作用的概念与意义
光合作用实现了光能到化学能的转换，将无机物合成为有机物，不仅为生物自身提供了能量和物质基础，也维持了大气中氧气和二氧化碳的相对稳定，对全球生态平衡至关重要。

二、光合作用的场所与条件

1. 主要场所：叶绿体。

• 叶绿体中的类囊体薄膜是光反应的发生场所。

• 叶绿体基质是暗反应（卡尔文循环）的发生场所。

1. 必要条件：光能、光合色素（如叶绿素a、叶绿素b）、二氧化碳和水。

三、光合作用的过程
光合作用分为两个紧密联系的阶段：光反应和暗反应。

1. 光反应（必须在光下进行）

• 场所：类囊体薄膜。

- 过程：
a. 水的光解：在光能作用下，水分子分解为氧气、氢离子（H⁺）和电子（e⁻）。
b. ATP和NADPH的合成：光能转化为化学能，储存在ATP和NADPH中。

• 产物：氧气、ATP和NADPH。

1. 暗反应（又称卡尔文循环，不直接需要光，但依赖光反应的产物）

• 场所：叶绿体基质。

• 过程：利用光反应产生的ATP和NADPH，将二氧化碳固定并还原为有机物（如葡萄糖）。

• 关键步骤：二氧化碳的固定、还原以及RuBP（核酮糖-1,5-二磷酸）的再生。

• 产物：有机物（主要是糖类）。

四、光合作用中的能量转换
光合作用本质上是能量转换的过程：

• 输入：光能（太阳能）。
• 转换：在光反应中，光能被光合色素吸收，转化为电能，进而转化为活跃的化学能（储存在ATP和NADPH中）。
• 储存：在暗反应中，活跃的化学能进一步转化为稳定的化学能，储存在有机物（如葡萄糖）的化学键中。

五、影响光合作用的因素

1. 内部因素：叶绿素含量、酶活性等。
2. 外部因素：

• 光照强度：直接影响光反应速率。

• 二氧化碳浓度：影响暗反应中二氧化碳的固定。

• 温度：影响酶的活性，从而影响反应速率。

• 水分和无机盐：作为原料或参与代谢调节。

六、光合作用与细胞呼吸的关系
光合作用与细胞呼吸是相互依存的两个过程：

- 光合作用合成有机物，储存能量，释放氧气。
- 细胞呼吸分解有机物，释放能量，产生二氧化碳和水。
两者共同维持了生物圈中的碳-氧平衡和能量流动。

光合作用是生物界最基本的物质代谢和能量代谢，它连接了无机界与有机界，实现了能量的高效转换与储存，是生态系统运行的核心环节。理解光合作用的过程与原理，有助于我们认识生命的本质，并为农业生产、环境保护等领域提供理论指导。