每天清晨，当太阳从东方地平线上升起，第一缕阳光照在植物的树叶上的时候，就开始了地球上最广泛、最重要的细胞新陈代谢活动：植物叶绿素细胞的光合作用。其实这个仅仅是人和地球生命的感觉，科学知识让人知道了：太阳其实并没有落下，地球总有一半是在阳光的照耀下。几十亿年以来，太阳光始终是地球上最稳定的能源。当地球生命进化出能够利用太阳光的能量来维持生命系统的光合作用，就开始了生命体系发展的辉煌序曲。光合作用的产生对于地球生命体系的绝对是最基本、最重要，也是最辉煌的事件。

从简单的单细胞生物开始，生命体就会以各式各样的方式去进行新陈代谢。最开始形成的生命体可能是直接从地球表面的水中吸取甲烷，硫化氢等有机化合物为营养成分；并且吸收地热来提供能量。也有一些生命体以其他生命体的物质为营养成分。几十亿年来太阳光是地球上最普遍，最稳定的能量来源。当生命体进化出叶绿素以后，含有叶绿素的海藻和各种植物就可以通过光合作用吸收阳光的能量来持续和稳定地进行新陈代谢了。具有光合作用的植物，为地球生命提供了必需的营养物质和氧气。然后地球生命体系才逐渐进化出各种以植物为基本营养物质的五花八门的地球生物体。

在地球生命体进化中叶绿素的生成是生命活动的一大奇迹。植物的光合作用是在叶绿素中进行的。有了叶绿素生命体可以靠光，空气，水和无机矿物质生活。一个普通的绿色植物细胞中大约有30～40个叶绿素。现在的研究知道植物绿叶细胞中的叶绿素可以吸收太阳光的能量，使得从空气中吸取的二氧化碳和从地下吸收的水份、无机物产生化学反应，生成碳水化合物和氧气。叶绿素吸收太阳光的各种波段的光线，仅仅反射绿色波段的光线。所以我们看见植物叶片以绿色为主。叶绿素与一些被称为蛋白质酶的有机化合物一起构成叶绿体。酶是一种能够促进有机化学反应重要物质。有了这些物质，叶绿体才能完成光合作用实现葡萄糖的合成。

据研究几十亿前的远古时期地球大气的主要成分是甲烷，氨，水蒸气和二氧化碳，缺乏氧气。植物的光合作用是地球生命圈里一个最重要的生命功能。以含有叶绿素成分的海藻和各种绿色植物组成的生物群，经过几亿年的时间在光合作用下使得地球大气成为富含氧气成分，现在大气含氧量大约为21%，78%为氮气，二氧化碳仅仅约为0.03%。由于氧原子的特别的化学活动性质，今天地球上绝大多数生命体的生存都已经离不开氧气。各种生物都需要呼吸氧气来通过体内的氧化反应获取运动能量。即使是能够通过光合作用生成氧气的绿色植物，也需要进行呼吸（吸入氧气，呼出二氧化碳）来获得能量生成细胞组织成分。植物在太阳光下的光合作用可以通过光能量来吸收二氧化碳，利用水和矿物质生成有机营养物质，同时排出更多的氧气。直到今天地球上的绿色植物的光合作用仍然是维护大气中氧气成分的重要因素。

地球生物体系根据新陈代谢方式的根本不同形成了植物和动物两大类型。植物类的生命体可以直接从外界吸收能量，特别是绿色植物通过光合作用直接吸收太阳能为新陈代谢的动力。植物的光合作用可以将空气中的二氧化碳和水份为主要原料合成为有机的碳水化合物物质葡萄糖（C₆H₁₂O₆）同时释放氧气。

绿色植物的光合作用通过照射到叶面的太阳光的能量进行一系列的化学反应生成葡萄糖，并且释放出氧气。光合作用过程还需要有一些有机酶和蛋白质类有机大分子参与其中，而这些化学反应的能量主要来源于叶面的叶绿素细胞吸收的太阳光。所以植物的绿色叶面总是伸展开来面向直射的太阳光以吸收更多的太阳光能量。这个葡萄糖之所以重要是因为地球生物除了绿色植物可以直接利用太阳光能量来生成它以外，其余所有生物细胞的生命活动，包括植物自己的细胞生长，都需要它来提供能量和组织成分。可以说光合作用生成的葡萄糖是所有地球生命活动的能量来源，是地球生物间接利用太阳能的几乎唯一的有效物质。各种地球生物通过葡萄糖的氧化反应来获取能量，而生物氧化反应呼吸过程中吸入的氧气也是植物在光合作用中生成的。

光合作用的神奇就在于能够把这些地球上富含的水、二氧化碳和无机物变成地球生命中最重要的，最基本的有机物葡萄糖；并且产生地球生物必需的氧气。葡萄糖几乎是所有生物细胞活动的能量来源，葡萄糖经过氧化反应可以提供大量的能量来维持生命系统的有序活动。

  植物的新陈代谢不仅进行光合作用，也与其它需氧生物一样进行呼吸氧化作用，吸收氧气呼出二氧化碳。当太阳落山以后，光合作用不能进行时，植物就进入完全的呼吸状态。在呼吸过程中植物吸入的氧气与有机的营养物质作用生成植物的细胞组织成分，完成植物的生长繁殖等功能。植物的新陈代谢也包括有氧呼吸活动，光合作用生成的葡萄糖可以溶解在水中流动到植物的各个需要营养的组织，提供生长发育、开花结果需要的能量和组成物质蛋白质的生产。其中最重要的就是各种氨基酸和按照DNA基因来构建的蛋白质分子。植物细胞的呼吸新陈代谢的重要作用就是生成各种氨基酸，蛋白质；同时在蛋白质的化学作用下进行细胞的生长和分裂。所有这些活动的基础物质就是光合作用中生成的葡萄糖。

植物的种子中把葡萄糖转化来的淀粉作为下一代生长的能量储备。还有一些植物把淀粉储存在块状根茎中。而植物本身的茎，叶的纤维也是由这些葡萄糖聚合而成的纤维素构成。纤维素在常温下不溶于水，而且有一定的强度，成为构成植物细胞壁和支持组织的主要成分。植物在进行这些生命活动中间，各种蛋白质分子也起到了非常重要的作用。植物新陈代谢的光合作用和呼吸的氧化反应过程是地球生命体运动的基础活动。

上图表达了新陈代谢的呼吸过程中与能量相关的化学作用，呼吸产生的能量支持了植物的生存功能。这里的[H]是指还原性辅酶。有还原型辅酶Ⅰ和还原型辅酶Ⅱ，其学名分别为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸和烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸，都可写作[H]。还原性辅酶在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用，具有重要的生命活动意义。呼吸中的氧化为其它生命活动的化学反应提供了主要的能量。

  光合作用产生的葡萄糖分子会在植物中被链接成为更大的多糖分子。淀粉、纤维素与糖原是最重要的三种多糖，都是由葡萄糖的单体聚合而成。但是, 由于在结构上有显著差异，其物理性质与化学性质，以及功能都不同。从聚合的葡萄糖分子数量上来看糖原最小，并且链短分支多，主要作为动物器官和细菌细胞的葡萄糖储备，又称为动物淀粉。动物通过食物消化得到葡萄糖获取能量，而没有消耗掉的葡萄糖可以合成原糖储存，主要贮存在肝和肌肉中作为备用能量。植物细胞体内也会生成两个葡萄糖分子构成的蔗糖，这就是很多人喜欢的，能够溶于水的甜味营养物质。蔗糖几乎普遍存在于植物界的叶、花、茎、种子及果实中。在甘蔗、甜菜及槭树汁中含量尤为丰富。

  更多的葡萄糖分子链接成为淀粉，作为植物为了贮备能量的重要物质主要存在于种子和块状根茎中。自然界中含有的淀粉有两种结构类型：直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉分子是由许多个α-葡萄糖分子，通过 α-1,4糖苷键连接而成。支链淀粉较直链淀粉的分子大，具有高度分支化的结构，小分支极多（约25〜30个葡萄糖单位产生一次分支）。淀粉是一种无味、蓬松的白色粉末，不溶于冷水、酒精和其他溶剂。在动物的饮食中，淀粉是糖的来源。动物和人的身体中的唾液和胰腺中含有的一种淀粉酶，可以分解淀粉成为葡萄糖以获得能量。

  葡萄糖分子还能够链接成为更大的直链分子——纤维素。在纤维素分子中，连接葡萄糖分子之间的化学键方向不同，它们会形成一条没有分支的链，也不发生卷曲。大量纤维素的单链分子之间通过氢键发生作用，使数以千计的单链联系在一起，形成微纤维。纤维素分子结构通常十分稳定，既不溶于水，也不溶于一般有机溶剂以及稀碱溶液。在木本植物中，大量的微纤维形成纤维状，与其他类型的多聚体结合在一起，具有很强的支持作用，从而可以支持起高大的乔木。人和动物消化道中不含有纤维素酶，不能直接利用纤维素，但是，对人体而言，摄入一定量的膳食纤维，可以吸收水分，有利于促进胃肠道的蠕动，促进粪便的排泄，维持消化系统的功能，有益健康。一些草食动物动物，如马、牛等，其消化道中生存着能水解纤维素的微生物，借助这些微生物可以水解纤维素生成葡萄糖而获得营养。

  纤维素的分子结构  纤维素的细微形态

植物光合作用生成的葡萄糖可以以各种方式存在。这些碳水化合物同时也成为其他一些生物，如为动物类生物提供了基本营养来源。由光合作用的葡萄糖分子生成的糖份、淀粉、纤维素也是各种动物，包括各种肉食动物，甚至人类食物的主要直接和间接的来源。其它各种生物有了这些营养物质才得以维持生命活动。所以可以认为光合作用是产生和维系地球生命的最基本和最重要的生命新陈代谢活动。人类和大多数动物可以直接吸取光合作用产生的葡萄糖和淀粉；一些草食动物可以通过微生物的辅助作用（分解纤维素为糖）消化纤维素，进而把那些植物中来的营养物质进一步转换成为蛋白质和脂肪。可以说没有光合作用就没有今天地球生命的丰富多彩的形态，更没有能够思考宇宙奥秘的人类。虽然今天的科学还不能完全描述光合作用的全部原理，但是光合作用的确是维系地球生命体系的基础功能。研究表明光合作用的太阳能利用率非常高，如果人类能像植物那么有效地利用太阳能，可能会为解决食物和能源提供很大的帮助。

  现在发现除了植物的叶细胞可以进行光合作用以外，也有一些细菌可以进行光合作用；甚至有几种动物也有能够进行光合作用的细胞。有些动物会把植物的叶绿素细胞吸收到身体内，或者让能够进行光合作用的细菌，或者藻类寄生到体内。这样就可以直接吸收叶绿素进行的光合作用产物为营养物。

 一种含有光合作用细胞的绿色动物绿叶海蜗牛

沟迎风海葵其触手中同样存在寄生藻类。

       植物的组织成分为动物（直接为素食动物，间接为肉食动物）提供了新陈代谢的营养物质和能量。动物生长发育的结构组织和能量来源的基础就是植物光合作用提供的碳水化合物。植物的光合作用为地球生命提供了必需的氧气和营养成分。具有光合作用的生物逐渐成为地球生物体系食物链的基础。地球生物就在这个光合作用的生命活动基础上进化出了各种各样的不同形态的生命体。科学家对光合作用的研究十分重视。但是因为进行光合作用的叶绿素非常小，即使科学技术的发展测得了叶绿素的分子式。但是仅仅靠叶绿素还不能完成光合作用，还需要其他的一些有机化合物，比如核黄素，酶等物质的综合作用。太阳光照射是如何产生作用的，叶绿素里是如何用二氧化碳，水来产生葡萄糖和氧气的。这个过程的研究还在深入的进行中。

当我们满眼看去的绿色植物覆盖广袤的地面的时候，那些进行着的光合作用绿色小细胞，正在为地球生命体制造维系生命活动必需的氧气和营养物质。虽然现在我们还不能完全清楚地说明这个小小的植物绿色细胞的详细工作过程，但是光合作用对于地球生命体系的重要性是毋容置疑的。

对于人类社会来说靠天然的光合作用支持着农业生产活动，农业也是支持整个人类生存的基础活动。今天的科技发展试图破解光合作用的奥秘，可以用工业化的生产方式来实现光合作用生产有机糖的化学作用。2021年有消息报道：中国科学家突破二氧化碳人工合成淀粉技术。如果此类技术成熟起来，那么以后是不是能够用工业化生产来满足人类在食物方面对自然界的植物光合作用的依赖。这个目标的实现可能还要看今后进一步的发展。

参考资料：

吃太阳的家伙     苏姗娜.保尔森 著   陈瑛 译 三联书店  2005年

生命问题  —现代生物学思想评价   贝塔郎菲 著  吴小江  译   商务印书馆 1999