植物進(jìn)行光合作用的原理

光合作用(Photosynthesis)，即光能合成作用，是植物、藻類(lèi)和某些細(xì)菌，在可見(jiàn)光的照射下，經(jīng)過(guò)光反應(yīng)和暗反應(yīng)，利用光合色素，將二氧化碳(或硫化氫)和水轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣(或氫氣)的生化過(guò)程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴(lài)以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。光合作用(Photosynthesis)是綠色植物利用葉綠素等光合色素和某些細(xì)菌(如帶紫膜的嗜鹽古菌)利用其細(xì)胞本身，在可見(jiàn)光的照射下，將二氧化碳和水(細(xì)菌為硫化氫和水)轉(zhuǎn)化為有機(jī)物，并釋放出氧氣(細(xì)菌釋放氫氣)的生化過(guò)程。植物之所以被稱(chēng)為食物鏈的生產(chǎn)者，是因?yàn)樗鼈兡軌蛲ㄟ^(guò)光合作用利用無(wú)機(jī)物生產(chǎn)有機(jī)物并且貯存能量。通過(guò)食用，食物鏈的消費(fèi)者可以吸收到植物及細(xì)菌所貯存的能量，效率為10%~20%左右。對(duì)于生物界的幾乎所有生物來(lái)說(shuō)，這個(gè)過(guò)程是它們賴(lài)以生存的關(guān)鍵。而在地球上的碳氧循環(huán)，光合作用是必不可少的。
生物的生命活動(dòng)都需要消耗能量，這些能量來(lái)自生物體內(nèi)糖類(lèi)、脂類(lèi)和蛋白質(zhì)等有機(jī)物的氧化分解。生 物體內(nèi)的有機(jī)物在細(xì)胞內(nèi)經(jīng)過(guò)一系列的氧化分解，最終生成二氧化碳或其他產(chǎn)物，并且釋放出能量的總過(guò)程，叫吸作用（又叫生物氧化）。
呼吸作用，是生物體細(xì)胞把有機(jī)物氧化分解并產(chǎn)生能量的化學(xué)過(guò)程，又稱(chēng)為細(xì)胞呼吸（Cellular respiration）。無(wú)論是否自養(yǎng)，細(xì)胞內(nèi)完成生命活動(dòng)所需的能量，都是來(lái)自呼吸作用。真核細(xì)胞中，線粒體是與呼吸作用最有關(guān)聯(lián)的胞器，呼吸作用的幾個(gè)關(guān)鍵性步驟都在其中進(jìn)行。
呼吸作用是一種酶促氧化反應(yīng)。雖名為氧化反應(yīng)，不論有無(wú)氧氣參與，都可稱(chēng)作呼吸作用（這是因?yàn)樵诨瘜W(xué)上，有電子轉(zhuǎn)移的反應(yīng)過(guò)程，皆可稱(chēng)為氧化）。有氧氣參與時(shí)的呼吸作用，稱(chēng)之為有氧呼吸；沒(méi)氧氣參與的反應(yīng)，則稱(chēng)為無(wú)氧呼吸。同樣多的有機(jī)化合物，進(jìn)行無(wú)氧呼吸時(shí)，其產(chǎn)生的能量，比進(jìn)行有氧呼吸時(shí)要少。有氧呼吸與無(wú)氧呼吸是細(xì)胞內(nèi)不同的反應(yīng)，與生物體沒(méi)直接關(guān)系。即使是呼吸氧氣的生物，其細(xì)胞內(nèi)，也可以進(jìn)行無(wú)氧呼吸。
呼吸作用的目的，是透過(guò)釋放食物里之能量，以制造三磷酸腺苷（ATP），即細(xì)胞最主要的直接能量供應(yīng)者。呼吸作用的過(guò)程，可以比擬為氫與氧的燃燒，但兩者間最大分別是：呼吸作用透過(guò)一連串的反應(yīng)步驟，一步步使食物中的能量放出，而非像燃燒般的一次性釋放。在呼吸作用中，三大營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)：碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)的基本組成單位──葡萄糖、氨基酸和脂肪酸，被分解成更小的分子，透過(guò)數(shù)個(gè)步驟，將能量轉(zhuǎn)移到還原性氫（化合價(jià)為+1的氫）中。最后經(jīng)過(guò)一連串的電子傳遞鏈，氫被氧化生成水；原本貯存在其中的能量，則轉(zhuǎn)移到ATP分子上，供生命活動(dòng)使用。
有氧呼吸的全過(guò)程，可以分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段（稱(chēng)為糖酵解），一個(gè)分子的葡萄糖分解成兩個(gè)分子的丙酮酸，在分解的過(guò)程中產(chǎn)生少量的氫（用[H]表示），同時(shí)釋放出少量的能量。這個(gè)階段是在細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)中進(jìn)行的；第二個(gè)階段（稱(chēng)為三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)），丙酮酸經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，分解成二氧化碳和氫，同時(shí)釋放出少量的能量。這個(gè)階段是在線粒體基質(zhì)中進(jìn)行的；第三個(gè)階段（呼吸電子傳遞鏈），前兩個(gè)階段產(chǎn)生的氫，經(jīng)過(guò)一系列的反應(yīng)，與氧結(jié)合而形成水，同時(shí)釋放出大量的能量。這個(gè)階段是在線粒體內(nèi)膜中進(jìn)行的。以上三個(gè)階段中的各個(gè)化學(xué)反應(yīng)是由不同的酶來(lái)催化的。在生物體內(nèi)，1mol的葡萄糖在徹底氧化分解以后，共釋放出2870kJ的能量，其中有977kJ左右的能量?jī)?chǔ)存在ATP中（38個(gè)ATP），其余的能量都以熱能的形式散失了。
生物進(jìn)行呼吸作用的主要形式是有氧呼吸。那么，生物在無(wú)氧條件下能不能進(jìn)行呼吸作用呢？科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的細(xì)胞在無(wú)氧條件下能夠進(jìn)行另一類(lèi)型的呼吸作用——無(wú)氧呼吸。
無(wú)氧呼吸一般是指細(xì)胞在無(wú)氧條件下，通過(guò)酶的催化作用，把葡萄糖等有機(jī)物質(zhì)分解成為不徹底的氧化產(chǎn)物，同時(shí)釋放出少量能量的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程對(duì)于高等植物、高等動(dòng)物和人來(lái)說(shuō)，稱(chēng)為無(wú)氧呼吸。如果用于微生物（如乳酸菌、酵母菌），則習(xí)慣上稱(chēng)為發(fā)酵。細(xì)胞進(jìn)行無(wú)氧呼吸的場(chǎng)所是細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)。蘋(píng)果儲(chǔ)藏久了，為什么會(huì)有酒味？高等植物在水淹的情況下，可以進(jìn)行短時(shí)間的無(wú)氧呼吸，將葡萄糖分解為酒精和二氧化碳，并且釋放出少量的能量，以適應(yīng)缺氧的環(huán)境條件。高等動(dòng)物和人體在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管呼吸運(yùn)動(dòng)和血液循環(huán)都大大加強(qiáng)了，但是仍然不能滿(mǎn)足骨骼肌對(duì)氧的需要，這時(shí)骨骼肌內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)無(wú)氧呼吸。高等動(dòng)物和人體的無(wú)氧呼吸產(chǎn)生乳酸。此外，還有一些高等植物的某些器官在進(jìn)行無(wú)氧呼吸時(shí)也可以產(chǎn)生乳酸，如馬鈴薯塊莖、甜菜塊根等。無(wú)氧呼吸的全過(guò)程，可以分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段與有氧呼吸的第一個(gè)階段完全相同；第二個(gè)階段是丙酮酸在不同酶的催化下，分解成酒精和二氧化碳，或者轉(zhuǎn)化成乳酸。以上兩個(gè)階段中的各個(gè)化學(xué)反應(yīng)是由不同的酶來(lái)催化的。在無(wú)氧呼吸中，葡萄糖氧化分解時(shí)所釋放出的能量，比有氧呼吸釋放出的要少得多。例如，1mol的葡萄糖在分解成乳酸以后，共放出196.65kJ的能量，其中有61.08kJ的能量?jī)?chǔ)存在ATP中（2個(gè)ATP），其余的能量都以熱能的形式散失了。
植物有氧呼吸過(guò)程中，中間產(chǎn)物丙酮酸必須進(jìn)入線粒體才能被分解成CO2
對(duì)生物體來(lái)說(shuō)，呼吸作用具有非常重要的生理意義，這主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，呼吸作用能為生物體的生命活動(dòng)提供能量。呼吸作用釋放出來(lái)的能量，一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏⑹В硪徊糠謨?chǔ)存在ATP中。當(dāng)ATP在酶的作用下分解時(shí)，就把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)，用于生物體的各項(xiàng)生命活動(dòng)，如細(xì)胞的分裂，植株的生長(zhǎng)，礦質(zhì)元素的吸收，肌肉的收縮，神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo)等。第二，呼吸過(guò)程能為體內(nèi)其他化合物的合成提供原料。在呼吸過(guò)程中所產(chǎn)生的一些中間產(chǎn)物，可以成為合成體內(nèi)一些重要化合物的原料。例如，葡萄糖分解時(shí)的中間產(chǎn)物丙酮酸是合成氨基酸的原料。