能量起源光合作用

【导读】 光合作用（Photosynthesis）是绿色植物（包括藻类）吸收光能，把二氧化碳和水合成富能有机物，同时释放氧气的过程，反应条件包括光色素分子酶、二氧化碳（或硫化氢）。光合作用主要包括光反应、暗反应两个阶段，对实现自然界的能量转换、维持大气的碳-氧平衡具有重要意义。 荐稿 学科笔记 加拿大研究人员的一项新发现表明，地球上最古老的藻类化石约有10亿年历史，在此基础上推算，地球上植物赖以生存的光合作用大约在距今12.5亿年前开始出现。这项发表在新一期美国《地质学》杂志上的研究首先解答了关于最古老藻类化石年龄的谜题。1990年，一种红藻化石在加拿大北极地区被发现，这种红藻是地球上已知的第一种有性繁殖物种，也被认为是已发现的现代动植物最古老祖先。 对红藻化石的年龄此前没有形成统一看法，多数观点认为它们生活在距今约12亿年前。为了确定这种红藻化石的年龄，研究人员专门到加拿大巴芬岛收集包含这种红藻化石的黑页岩并用铼锇同位素测年法分析，认为红藻化石有10.47亿年的历史。在确认红藻化石年龄的基础上，研究人员用一种名为“分子钟”的数学模型来计算基于基因突变率的生物进化事件。他们的结论是，约12.5亿年前，真核生物开始进化出能进行光合作用的叶绿素。复杂细胞在约21亿至16亿年前出现于地球，但多细胞生物直到8亿年前才出现，中间约有10亿年没有大的进化事件，似乎地球生物进化“停滞”了，这在古生物学中称为“无聊10亿年”。研究人员说，新发现表明“无聊10亿年”并非之前认为的那么“无聊”，而是可能在为有性繁殖及更复杂生命形式的出现聚集能量。 叶绿体是光合作用的场所类囊体中含两类色素：叶绿素和橙黄色的类胡萝卜素（胡萝卜素和叶黄素），通常叶绿素和类胡萝卜素的比例约为3：1，chla与chlb也约为3：1，在许多藻类中除叶绿素a、b外，还有叶绿素c、d和藻胆素，如藻红素和藻蓝素；在光合细菌中是细菌叶绿素等。叶绿素a、b和细菌叶绿素都由一个与镁络合的卟啉环和一个长链醇组成，它们之间仅有很小的差别。类胡萝卜素是由异戊烯单元组成的四萜，藻胆素是一类色素蛋白，其生色团是由吡咯环组成的链，不含金属，而类色素都具有较多的共轭双键。全部叶绿素和几乎所有的类胡萝卜素都包埋在类囊体膜中，与蛋白质以非共价键结合，一条肽链上可以结合若干色素分子，各色素分子间的距离和取向固定，有利于能量传递。类胡萝卜素与叶黄素能对叶绿素a、b起一定的保护作用。几类色素的吸收光谱不同，叶绿素a、b吸收红，橙，蓝，紫光，类胡萝卜素吸收蓝紫光，吸收率最低的为绿光。特别是藻红素和藻蓝素的吸收光谱与叶绿素的相差很大，这对于在海洋里生活的藻类适应不同的光质条件，有生态意义。 叶绿素a、b的吸收峰过程：叶绿体膜上的两套光合作用系统：光合作用系统Ⅰ和光合作用系统Ⅱ，（光合作用系统一比光合作用系统二要原始，但电子传递先在光合系统二开始）在光照的情况下，分别吸收680nm和700nm波长的光子（以蓝紫光为主，伴有少量红色光），作为能量，将从水分子光解过程中得到电子不断传递，（能传递电子得仅有少数特殊状态下的叶绿素a）最后传递给辅酶二NADP。 而水光解所得的氢离子则因为顺浓度差通过类囊体膜上的蛋白质复合体从类囊体内向外移动到基质，势能降低，其间的势能用于合成ATP，以供暗反应所用。而此时势能已降低的氢离子则被氢载体带走，一分子NADP可携带两个氢离子，还原性辅酶二NADPH则在暗反应里面充当还原剂的作用。 植物在同化无机碳化物的同时，把太阳能转变为化学能，储存在所形成的有机化合物中，每年光合作用所同化的太阳能约为人能所需能量的10倍。有机物中所存储的化学能，除了供植物本身和全部异养生物之用外，更重要的是可供人类营养和活动的能量来源。人类所需的粮食、油料、纤维、木材、糖、水果等，无不来自光合作用，没有光合作用，人类就没有食物和各种生活用品。换句话说，没有光合作用就没有人类的生存和发展。大气之所以能经常保持21%的氧含量，主要依赖于光合作用。光合作用一方面为有氧呼吸提供了条件，另一方面，氧气的积累逐渐形成了大气表层的臭氧层，臭氧层能吸收太阳光中对生物体有害的强烈的紫外辐射。植物的光合作用虽然能清除大气中大量的二氧化碳，但大气中二氧化碳的浓度仍然在增加，这主要是由于城市化及工业化所致。 1 学科网（北京）股份有限公司 $