2.3.3 光合作用
2.3.3.1进行光合作用的生产者
光合作用是生物圈内所发生的碳循环中的一个重要过程，对于生物体有着特别重要的意义。
生物体需要不断地从环境中获取碳源和能源。光合作用能使植物等自养生物在接受太阳光能的同时，将取自环境中的CO2、H2O和营养物质合成为有机的含碳物质，从而也就将太阳能以该有机物所含的化学能形式贮存起来，以备自身活动、生长之需。此外，在推动碳、氢、氧、硫、氮、磷等元素的自然循环和生物循环中，光合作用也具有相当重要的意义。
地球上的绿色植物制造有机物和释放氧的规模是很大的。据估计，地球上的绿色植物每年能结合来自CO2中的碳1500亿吨和来自水中的氢250亿吨，并释放出4000亿吨氧气。这个巨大的作业，只有10％是陆地上田野森林中的植物完成的，其余的90％应该归功于海洋里的单细胞植物和藻类。
人们对光合作用的机制尚有许多不清楚之处，但一般可用以下简化了的方程式表示：
其中最简单的是葡萄糖的生成反应
在标准条件下（25℃和1.013×105Pa），生产1mol的葡萄糖需要输入2880kJ的能量。按生态学术语说，那些能进行光合作用的绿色植物、藻类等都是生产者或称为自养者。光合细菌是另一类自养者，如绿硫细菌、紫硫细菌类能利用光能和CO2维持自养生活。光合细菌不直接利用水，而是利用某些无机物（如H2S）或有机物（如醇、脂肪酸），按与光合作用相似的反应过程参与CO2还原，且在反应产物中不含氧气。再有一类所谓化能自养生物，如生活在水或土壤中的硝化细菌、硫氧化细菌、氢细菌、铁细菌等，体内没有光合色素，所以不能利用光能，而是依靠生活环境介质中发生的化学反应所释出的化学能来促成碳水化合物的合成反应。如：
以上两反应中释出能量可供合成碳水化合物之需：
以上三反应可在暗处进行。为了与光合作用相区别，可将这种过程称为化能合成作用。
2.3.3.2光合作用的参与物
如前列方程式所示，参与光合作用的有自养生物外界环境中的光能、CO2、H2O和某些无机营养物质。此外，还有自养生物细胞内部的光合色素、ATP-ADP、NADP-NADPH等。
对于植物来说，参与光合作用的光合色素是植物体内的叶绿素和类胡罗卜素。在植物体细胞里有一些被称为叶绿体的物质，叶绿体内部有许多伸长在壁和壁之间的称为“板层”的薄膜，板层的厚实之处称为“基粒”，而基粒中的每一个板层就像澡塘地面上铺得整整齐齐的瓷砖，它们都是可以进行光合作用的单元，里面含有250～300个叶绿素分子，光合作用主要就是通过这些叶绿素分子进行的。叶绿体中还含有另一类光合色素，称类胡萝卜素，包括胡萝卜素和叶黄素。
叶绿素，包括叶绿素a和叶绿素b，在高等植物中，它们大多浓集在绿组织细胞中。如图2－10所示，叶绿素是一类含镁的卟啉衍生物，具有卟啉的环状结构（这种环状结构存在于许多重要的生物物质之中，如血红蛋白、维生素B12等），这种环又是由四个含N的吡咯小环组成。各个吡咯小环的侧链上带有不同基团，而Mg离子则居于大环的中心。叶绿素a和叶绿素b在分子结构上的差异仅在于图中X位置上具有不同的基团。在叶绿素分子结构中，有着共轭双键系统，这对分子接受外来能量，从而引起键上电子激发是一个有利的因素。叶绿素a能吸收光能进行光反应。叶绿素b则将其吸收的光能传递给叶绿素a。类胡萝卜素除具有叶绿素b相似功能外，还能保护叶绿素a免被光氧化。现在一般认为，参与光合作用初始反应的只是位于反应中心的一小部分叶绿素a分子，其余的叶绿素a分子和其他的光合色素主要是吸收光能，并将之传递到反应中心的叶绿素a分子上。