光合作用:是什麼?在哪裡發生?如何進行?為什麼這很重要?

by | Oct 17, 2023 | blogs, 生長燈 | 0 comments

序言

什麼是光合作用? 對許多人來說,這是我們已經了解或聽說過的事情,但多年來我們卻忘記了細節。 因此,我們認為回顧這個令人驚奇的過程的要點和術語可能會對您有所幫助。

談到生物和化學是不可避免的,但是,我們會讓內容簡單易懂。 以下是主題:

  • 什麼是光合作用?
  • 光合作用在哪裡發生?
  • 光合作用是如何進行的?
  • 為什麼光合作用很重要?

希望在閱讀完本文後,您能夠像專家一樣對光合作用做出專業的總結。

 

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圖 1

什麼是光合作用?

如您所知,光合作用是植物利用光能量產生「糖」的過程。

最後,植物會利用這些糖作為能量以滿足許多代謝的目的,例如:根、莖、葉的生長,甚至是開花與結果。

 

室內農業

圖 2

光合作用在哪裡進行?

對於綠色植物,光合作用是發生在植物的「綠色」部分,即葉子。

請看圖 4。

 

  1. 葉子是由植物細胞所組成,這些細胞被葉子的外層所包覆。
  2. 葉細胞內含有較小的豆子狀物體,稱為葉綠體。
  3. 葉綠體內有堆積如薄餅般的物體,稱為類囊體。
  4. 類囊體有一個外膜 – 光合作用就是從外膜裡面開始的。

圖 3 (Albert Melu on Unsplash)

圖 4 – 光合作用發生的地方

光合作用是如何進行的?

您可以把光合作用想像成一個製造糖的小工廠。 工廠內需要投入能源和材料…等等。

在光合作用的工廠中,葉子使用光、水和二氧化碳作為能量。

接著,工廠會產出糖和氧氣。 糖會回到植物本身做為代謝的用途; 氧氣則在光合作用的過程中被當作廢氣排出,成為我們維生最重要的元素之一,也就是我們呼吸所需的空氣。

圖 5 – 光合作用就像工廠

圖 6 – 光合作用輸入和輸出

兩座工廠的故事

實際上,光合作用 —— 是由 光反應卡爾文循環 這兩座工廠所組成的。

首先,我們將介紹類囊體外膜裡面的光反應。 這座工廠的目標是將光能量轉化為可以使用的形式。

 

圖 7 – 光合作用的兩座工廠

光反應工廠 – 投料

在圖9裡面,您可以看到光源進入我們的系統, 還可以看到水進入這個系統中, 最後,氧氣離開了這個系統。

圖 8 – 類囊體

圖 9 – 光反應輸入

光反應 – 累積能量

在圖 11(紅色圓圈)中,光能量在稱為電子傳輸的過程中轉換為 H+e-。 它們是在整個處理過程中累積的能量或電力。

同樣地,在圖11(藍色圓圈)中,該過程產出了 ATPNADPH。 它們是暫存的能量(電池),將會使用於光合作用的第二階段。 因此,第一階段的光合作用主要就是生產及儲備能量,以供第二階段的工廠使用。

圖 10 – 類囊體

圖 11 – 光反應 – 能量累積

光合作用的第二座工廠 - 卡爾文循環

第二階段的工廠是我們合成糖的地方 – 它被稱為 卡爾文循環,以著名生物化學家 梅爾文卡爾文 所命名。

在圖13中,您可以看到光反應過程中的 ATP 和 NADPH 成為卡爾文循環中所投入的原料(字母 E 和 D)。

請留意二氧化碳 (F) 也被使用於卡爾文循環中, 最終產出糖3磷酸甘油酸酯 G)。

你有留意到 卡爾文循環 是隨即發生在類囊體外部的 葉綠體基質的空間中

圖 12 – 梅爾文卡爾文 (Melvin Calvin)

圖 13 – 兩座工廠的故事 — 卡爾文循環 (2023, September 5). In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Calvin_cycle

什麼是葉綠素呢?

現在,我們需要談談葉綠素,因為,它是負責吸收光能量的重要分子。

葉綠素是一種色素分子,如此命名是因為它會反射一種光色,使葉子看起來呈現綠色。 其他光色會被吸收,特別是在藍光和紅光。

圖 14 – 葉綠素分子

圖15 – 植物生長燈

如果我們回到類囊體外膜中的光反應工廠的生產線上,您會注意到 PSII 和 PSI這二個模組。 葉綠素就在這裡面。

PSII和PSI包含兩種葉綠素,即a和b。 兩種類型的葉綠素都吸收藍光和紅光,這就是為什麼生長燈通常是藍色和紅色的原因。

然而,植物對紅光最為敏感。 PSII 主要吸收 680nm 的紅光,而 PSI 則擅長吸收 700nm 的遠紅光。 這些主要是由葉綠素a引起的。

圖 16 – PSII 和 PSI 中的葉綠素

什麼是光能量?

光所包含的能量可以提供整個光合作用做為動力。 當你思考光能量時,你可以從兩個角度來看它 —— 光粒子光波 —— 這是光的雙重本質。

 

圖 17 – 光譜和光譜儀

光如粒子

當您將光視為粒子時,您可以想像光如水滴落在葉子上。 這些水滴稱為光子。

圖 20 – 光如粒子

如果增加光的亮度或強度,光子的數量就會增加,能量也會增加。

圖 18 – 亮度或強度

光如波

當您將光視為波時,您需要考慮顏色。 一般來說,我們會用波長來指顏色。

較高頻率的波長偏向於藍色光譜並且具有更多的能量,而較低頻率的波長偏向於紅色並且具有較少的能量。

圖 21 – 顏色、波長和能量

光子與波長是相關的

每一個光子都有一個對應的波長。 所以,你會認識藍色光子、紅色光子、綠色光子、黃色光子…等等。 藍色光子與紅色光子相比有更多的能量。

PSII 將吸收藍色光子做為較高能量的來源,以此產生能量豐富的 NADPH 和 ATP。 樹冠上大多數葉子都能接收到足量的藍光來進行光合作用。

然而,樹冠下面的葉子仍然可以參與光合作用,因為有些藍光和紅光仍然可以穿透葉子。 事實上,葉綠素-a 的顏色範圍比葉綠素-b 更寬,以便在陰影中盡可能吸收更多的光。

圖 22 – 光粒子和波長

使用分光式光譜植物照明檢測計量測光能量

您可以使用光譜植物照明檢測計來查看植物生長燈或者太陽的光能量。

在圖23中,您可以看到光子波長及其強度的光譜圖的顯示畫面。

我們看到 PSII 可以使用大量的高能量藍色光子 – 此時,藍光與葉綠素吸收的參考並不相符。 您可以透過光譜的形狀判斷它是 LED 植物生長燈 – 如果它是「動態」LED 燈,這個光色需要進行調整。

 

LED light color and Photosynthesis alignment

圖 23 – 光粒子和波長

總結

光合作用是植物製造的過程,糖是許多代謝功能的重要元素。 這個過程深埋在植物細胞的深處,一個叫做類囊體外膜的地方。 它就像一條工廠生產線,包含投料(光、水、二氧化碳)和產出(氧氣和糖)。

光合作用有兩個階段 – 光反應和卡爾文循環 – 光反應階段利用光能量並將其轉化為可利用的形式(ATP 和 NADPH)。

卡爾文循環 則利用 ATP 和 NADPH 合成糖,使用於後續的代謝過程,例如:植物生長、開花和結果。

光合作用是大自然的奇蹟之一,充分掌握其基礎知識可以讓農民在調整參數時更有信心,並且提高農作物的生產力。

但是,光合作用只是植物生長燈這個故事的一半 —— 在下一篇文章中,我們將介紹植物如何利用光來生長、開花和結果。

 

 

圖 24 – 光合作用

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