世界上最偉大的生化反應(yīng)—光合作用

熊新維

摘? ?要：通過對(duì)光合作用過程的介紹，充分展現(xiàn)了光合作用在物質(zhì)和能量變化中的作用，論證其在地球生命和人類生產(chǎn)生活中的重要性。

關(guān)鍵詞：光合作用;有機(jī)物;能量;二氧化碳;氧氣;能量;森林;環(huán)境

天地宇宙，日月星辰，生命與物理世界，神秘而熱鬧，紛繁而復(fù)雜，這一切的一切，都是因?yàn)橛辛巳f物之靈—人的存在而有意義。人之所以能產(chǎn)生，源于偉大的生化反應(yīng)—光合作用。

1? ? 光合作用介紹

什么是光合作用？綠色植物通過葉綠體利用太陽能，將簡單的無機(jī)物二氧化碳和水合成富含能量的有機(jī)物，并釋放出氧氣，這一過程稱為光合作用[1]，如圖1所示。光合作用是一切生命，包括人類賴以存在的基礎(chǔ)。

地球上形形色色的生物分為3大類，稱為三界，即植物界、動(dòng)物界和微生物界。其中，唯有植物界的生物是“萬事不求人”“自給自足”，能利用自然界廉價(jià)的、唾手可得的簡單無機(jī)物，在陽光的作用下，合成有機(jī)物，并稱其為“生產(chǎn)者”。而動(dòng)物和微生物，則通過直接或間接的方式獲取植物中的營養(yǎng)物質(zhì)而生存，我們稱其為“異養(yǎng)生物”。

2? ? 光合作用的功能

光合作用制造的有機(jī)物，滿足了植物本身生長發(fā)育的同時(shí)，也源源不斷地為動(dòng)物和微生物提供食物，是唯一的食物來源。植物除了滿足生物所需的各種營養(yǎng)物質(zhì)外，另一個(gè)重要功能是能量。生物的生長發(fā)育活動(dòng)和進(jìn)化依靠能量推動(dòng)，這種能量叫“生物能”或“化學(xué)能”，它的終極來源是太陽。正如俗話所言：“萬物生長靠太陽”。

2.1? 能量轉(zhuǎn)換

太陽的能量是如何轉(zhuǎn)化成化學(xué)能，進(jìn)而被生物所利用的呢？那就是通過光合作用來實(shí)現(xiàn)的。所以說，光合作用是地球上最大的能量轉(zhuǎn)換器。人類生產(chǎn)生活中大量的能量，除核能、風(fēng)能和水能外，如木柴、煤、石油、天燃?xì)獾龋瑹o一不是來源于現(xiàn)在或過去光合作用所“固定”下來的太陽能。

2.2? 改造大氣成分

光合作用的另一個(gè)功能是改造大氣成分，使大氣富含氧氣，滿足生物的生存需要。氧氣是地球生物存在的必要條件之一。早期的地球大氣，充滿了二氧化碳、甲烷、二氧化硫、一氧化碳等有毒氣體，唯獨(dú)沒有氧氣。那時(shí)的地球，沒有高級(jí)生命，甚至連細(xì)菌都不存在，一片荒涼，到處是火山噴發(fā)、酸雨普降，直到10多億年后，植物出現(xiàn)才得以改觀。

2.3? 預(yù)測地球上礦物能源的貯量

光合作用的功能，除了維持地球環(huán)境和生命系統(tǒng)外，還有其他應(yīng)用嗎？當(dāng)然有，例如：可以預(yù)測地球上礦物能源的貯量。

生產(chǎn)生活中大量使用的煤、石油、天燃?xì)獾龋Q為礦物能源。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這類能源被大量開采利用，但這類能源是不可再生的，消耗一點(diǎn)，就少一點(diǎn)，且有枯竭之勢，但在地球上的一些區(qū)域，比如海洋沙漠深處，尚未充分勘探。這些寶貴的資源是否面臨枯竭還需要人類進(jìn)一步勘探。

3? ? 光合作用的逆反應(yīng)

光合作用的逆反應(yīng)是氧化和分解作用。光合作用所制造的有機(jī)物，通過生物呼吸、微生物的分解及化石燃料燃燒等一系列氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化成簡單的無機(jī)物、二氧化碳和水，回到大自然，并放出能量供人類及其他生物利用。通過這兩個(gè)相反的過程，自然界實(shí)現(xiàn)了有機(jī)物和無機(jī)物的相互轉(zhuǎn)化，稱之為“碳循環(huán)”，實(shí)現(xiàn)了自然界的物質(zhì)平衡。可以想象，如果只有光合作用而沒有分解燃燒，大氣中的二氧化碳將被消耗殆盡，光合反應(yīng)將會(huì)中斷，地球表面將被各種動(dòng)植物的尸體堆滿，人們將無落腳之處。化合與分解反應(yīng)的同時(shí)存在，保證了生物生存所需。

4? ? 植物與光合作用的關(guān)系

植物的神奇之處在于，它能“就地取材”，利用自然界的簡單無機(jī)物二氧化碳和水，在陽光的作用下，反應(yīng)生成有機(jī)物，同時(shí)釋放出大量氧氣。于是乎，大氣中的二氧化碳不斷被利用，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，而大氣中的氧氣則由無到有，質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高。經(jīng)過數(shù)億年不斷的轉(zhuǎn)換和積累，大氣成分終變成以氮?dú)夂脱鯕鉃橹鳎趸贾徽?.03%的混合氣體。這就是為什么要保護(hù)森林植物的重要原因。森林不僅是各種動(dòng)植物的基因庫，更是地球的肺，是大氣的凈化器。它們的存在，保證了大氣成分的穩(wěn)定，凈化了空氣，為人類以及各種生物的呼吸提供氧氣（見圖2），同時(shí)吸收多余的二氧化碳，抑制“溫室效應(yīng)”的產(chǎn)生及其他自然災(zāi)害的發(fā)生。

礦物能源都是由于曾經(jīng)的光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物礦化而成，氧氣也是形成有機(jī)物時(shí)伴生出來的，且二者的數(shù)量關(guān)系為：

6CO + 12HO = C（HO） + 6O + 6HO

由化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量守恒原理可知，每生成1 t氧氣，約產(chǎn)生有機(jī)物0.9 t，每分解0.9 t有機(jī)物，則消耗1 t氧氣。若大氣中的氧氣總質(zhì)量為Mt，則存在有機(jī)物0.9Mt。有機(jī)物分為活體和礦物能源兩大部分（對(duì)于未分解的有機(jī)殘?bào)w和微生物，因其占比相對(duì)較小，此處可忽略不計(jì)）。若大氣中氧氣的總質(zhì)量已知，則可以推算出地球上有機(jī)物的總質(zhì)量，將其減去活體生物的量，就可得出尚未開采的礦物燃料的量，即煤、石油和天燃?xì)獾牡叵沦A量。

由自然界的有機(jī)物—無機(jī)物的循環(huán)規(guī)律可知，一片生物量穩(wěn)定的森林，光合作用與分解作用處于動(dòng)態(tài)平衡，當(dāng)森林的面積擴(kuò)大時(shí)，空氣中的氧氣增加，對(duì)應(yīng)的二氧化碳減少，反之，森林面積減少時(shí)，空氣中的二氧化碳增加，氧氣減少，而不是一片森林，一定會(huì)吸收更多的二氧化碳和產(chǎn)生更多的氧氣。前不久，網(wǎng)上傳說，澳大利亞的奶牛養(yǎng)殖戶應(yīng)該為“奶牛放屁”納稅，理由是它排放了更多的二氧化碳。這個(gè)理由其實(shí)是站不住腳的。我們知道，奶牛吃的是草，經(jīng)過消化，草變成糞便和腸氣（即所謂的屁）排出體外，能產(chǎn)生大量的二氧化碳，若奶牛所吃的草不能被消化，則會(huì)在自然界自然腐爛分解，產(chǎn)生同樣多的二氧化碳。

從以上的案例可以得出，改良空氣、保護(hù)環(huán)境唯一可行的方法是減少一次能源的開采和使用，同時(shí)植樹造林，保護(hù)現(xiàn)有自然林，增加地球表面森林覆蓋率，生成更多氧氣的同時(shí)，減少二氧化碳。

5? ? 結(jié)語

通過以上介紹，對(duì)光合作用本質(zhì)以及它在自然界中的作用已經(jīng)有了一個(gè)初步了解，你是不是覺得它很神奇，并且與我們?nèi)祟惿嫘萜菹嚓P(guān)呢？

[參考文獻(xiàn)]

[1]張民生.自然科學(xué)基礎(chǔ)[M].南京：高等教育出版社，2008.