光反应是植物的重要生命活动。叶子里的叶绿体负责这个工作。阳光照射在叶绿体上。叶绿体吸收光的能量。能量把水分子分解开。水分子分解产生氧气、电子和质子。氧气被释放到空气中。这是我们呼吸的氧气来源。电子和质子被用来制造能量物质。

这些能量物质有两种。一种叫做ATP。另一种叫做NADPH。它们含有很高的能量。它们是植物细胞的“能量货币”。这些能量将被用于下一个阶段。下一个阶段叫做碳反应。碳反应发生在叶绿体基质中。碳反应不需要光。所以碳反应也叫暗反应。但光反应必须要有光。

光反应发生在叶绿体的类囊体膜上。类囊体膜像一个个扁平的袋子。许多类囊体叠在一起叫做基粒。膜上嵌着很多色素和蛋白质。最重要的色素是叶绿素。叶绿素是绿色的。它让叶子看起来是绿色。叶绿素擅长吸收红光和蓝光。它不吸收绿光。绿光被反射出来。所以我们看到叶子是绿的。

光系统是光反应的核心结构。光系统有两种。它们叫光系统II和光系统I。光系统II先开始工作。光系统II吸收光能。能量激发叶绿素分子中的电子。电子变得能量很高。高能电子被传递出去。传递电子的物质叫做电子传递链。电子在传递过程中释放能量。释放的能量把质子泵到类囊体腔里面。类囊体腔里的质子浓度变高。膜内外形成了质子浓度差。这就像水库蓄满了水。

类囊体膜上有一个特殊的蛋白质复合体。它叫ATP合酶。质子通过ATP合酶流回基质。这个流动的过程推动ATP的合成。就像水流推动水轮机发电。这样光能就转化成了ATP中的化学能。

电子传递链的末端连接到光系统I。光系统I也吸收光能。光能再次激发电子。电子获得更高的能量。高能电子传递给一种叫做铁氧还蛋白的物质。铁氧还蛋白把电子交给NADP 。NADP 得到电子和质子。它变成了NADPH。这样光能又储存到了NADPH里面。

光系统II最初失去的电子需要补充。电子来自水的分解。水分解酶负责分解水。它从水分子中取出电子。电子补充给光系统II。水分解产生氧气和质子。氧气释放出去。质子留在类囊体腔里。这增加了质子浓度。

整个过程中物质和能量在转换。光能是启动者。光能变成电能。电能变成化学能。化学能储存在ATP和NADPH中。水是电子的最初来源。氧气是水分解的副产品。这些产物非常关键。它们为碳反应准备了条件。

碳反应发生在叶绿体基质中。ATP和NADPH来到这里。它们提供能量和还原力。二氧化碳被固定成有机物。首先二氧化碳与一种五碳糖结合。这个过程叫碳固定。形成的不稳定物质很快分解成三碳化合物。三碳化合物利用ATP的能量和NADPH的还原力。它被还原成三碳糖。三碳糖是糖的基石。一部分三碳糖用来制造葡萄糖。葡萄糖可以合成淀粉储存起来。另一部分三碳糖经过复杂变化。它们再生出最开始的那个五碳糖。这样循环就能继续。

光反应和碳反应紧密相连。光反应依赖光。碳反应依赖光反应的产物。没有光反应，碳反应就会停止。没有碳反应，光反应的产物就会堆积。植物通过这两个过程把无机物变成有机物。把太阳能变成化学能。这是地球上大部分生命的基础。

科学家研究光反应的历史很长。很多研究通过实验完成。实验帮助人们理解细节。一些关键实验发现了电子传递路径。另一些实验测定了能量转化效率。现代技术让研究更深入。X射线晶体学揭示了蛋白质结构。超快激光技术捕捉到了能量传递的瞬间。这些知识让我们懂得自然界的精妙。

理解光反应有实际用途。农业上希望提高光能效率。作物产量就能增加。科学家模仿光反应制造人工光合系统。人工系统可能生产清洁能源。这可能解决未来的能源问题。光反应研究也帮助理解环境变化。植物吸收二氧化碳减缓温室效应。森林和海洋藻类对地球气候很重要。

光反应是一个精细的系统。每个部分都要准确工作。色素捕捉光能。蛋白质传递电子。酶合成能量物质。它们协同得像一台机器。这台机器运行了数十亿年。它让地球充满生机。