光合作用：修订间差异

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'''光合作用'''（{{lang-en|photosynthesis}}）是指[[植物]]、[[藻类]]和某些[[细菌]]利用[[叶绿素]]等光合[[色素]]，在可见光的照射下，将[[二氧化碳]]和水转化为富含能量的[[有机物]]，并释放出[[氧气]]（或[[氢气]]）的生化过程[citation:3][citation:6]。这一过程同时实现了从[[光能]]到有机物中[[化学能]]的能量转化，是地球生命赖以生存的基础，也是全球[[碳循环]]和[[氧循环]]的重要媒介[citation:3][citation:6]。光合作用的发现和研究成果，深刻改变了人类对生命本质和能量来源的认知。
'''光合作用'''（{{lang-en|photosynthesis}}）是指[[植物]]、[[藻类]]和某些[[细菌]]利用[[叶绿素]]等光合[[色素]]，在可见光的照射下，将[[二氧化碳]]和水转化为富含能量的[[有机物]]，并释放出[[氧气]]（或[[氢气]]）的生化过程。这一过程同时实现了从[[光能]]到有机物中[[化学能]]的能量转化，是地球生命赖以生存的基础，也是全球[[碳循环]]和[[氧循环]]的重要媒介。光合作用的发现和研究成果，深刻改变了人类对生命本质和能量来源的认知。


== 定义与基本特征 ==
== 定义与基本特征 ==
光合作用是[[自养生物]]获取能量和合成有机物的主要方式之一。其核心特征是以[[太阳光]]为能源，以二氧化碳为主要碳源，通过光合色素的捕获和一系列酶促反应，合成[[葡萄糖]]等碳水化合物[citation:1][citation:3]。根据电子供体的不同，光合作用可分为两大类：
光合作用是[[自养生物]]获取能量和合成有机物的主要方式之一。其核心特征是以[[太阳光]]为能源，以二氧化碳为主要碳源，通过光合色素的捕获和一系列酶促反应，合成[[葡萄糖]]等碳水化合物。根据电子供体的不同，光合作用可分为两大类：
* '''产氧光合作用'''：以水（H₂O）为电子供体，释放氧气，由植物、藻类和[[蓝藻]]进行[citation:2][citation:7]。
* '''产氧光合作用'''：以水（H₂O）为电子供体，释放氧气，由植物、藻类和[[蓝藻]]进行。
* '''不产氧光合作用'''：以[[硫化氢]]（H₂S）、氢气（H₂）或有机物为电子供体，不产生氧气，由[[光合细菌]]进行[citation:2][citation:10]。
* '''不产氧光合作用'''：以[[硫化氢]]（H₂S）、氢气（H₂）或有机物为电子供体，不产生氧气，由[[光合细菌]]进行。


光合作用的总反应式可概括为[citation:2][citation:3]：
光合作用的总反应式可概括为：
CO₂ + H₂O + 光能 → (CH₂O) + O₂（产氧光合作用）
CO₂ + H₂O + 光能 → (CH₂O) + O₂（产氧光合作用）


== 研究历程 ==
== 研究历程 ==
=== 早期探索 ===
=== 早期探索 ===
古希腊哲学家[[亚里士多德]]曾认为植物生长所需的营养全部来自土壤[citation:8]。1642年，比利时科学家[[范·海爾蒙特]]进行了著名的“柳树实验”，推论植物的重量主要来自水，但他并未意识到空气中的物质也参与其中[citation:8]。
古希腊哲学家[[亚里士多德]]曾认为植物生长所需的营养全部来自土壤。1642年，比利时科学家[[范·海爾蒙特]]进行了著名的“柳树实验”，推论植物的重量主要来自水，但他并未意识到空气中的物质也参与其中。


=== 关键发现 ===
=== 关键发现 ===
1771年，英国化学家[[约瑟夫·普里斯特利]]发现植物能够更新因燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气，但他尚未认识到光在这一过程中的必要性[citation:8]。此后，简·森尼比尔（Jean Senebier）在1782年首次描述“光合生物在光照条件下固定二氧化碳并维持植物生长”[citation:5]。
1771年，英国化学家[[约瑟夫·普里斯特利]]发现植物能够更新因燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气，但他尚未认识到光在这一过程中的必要性。此后，简·森尼比尔（Jean Senebier）在1782年首次描述“光合生物在光照条件下固定二氧化碳并维持植物生长”。


=== 现代研究突破 ===
=== 现代研究突破 ===
20世纪，[[放射性同位素示踪技术]]的应用极大推动了光合作用研究。[[梅尔文·卡尔文]]等人利用¹⁴CO₂揭示了二氧化碳固定的路径，即著名的[[卡尔文循环]]，他因此获得1961年[[诺贝尔化学奖]][citation:5]。同期，[[光系统]]的发现和[[光合磷酸化]]机制的阐明，共同构建了现代光合作用理论体系。
20世纪，[[放射性同位素示踪技术]]的应用极大推动了光合作用研究。[[梅尔文·卡尔文]]等人利用¹⁴CO₂揭示了二氧化碳固定的路径，即著名的[[卡尔文循环]]，他因此获得1961年[[诺贝尔化学奖]]。同期，[[光系统]]的发现和[[光合磷酸化]]机制的阐明，共同构建了现代光合作用理论体系。


== 光合作用的类型 ==
== 光合作用的类型 ==
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! 类型 !! 代表生物 !! 电子供体 !! 产物 !! 碳固定途径 !! 生态特点
! 类型 !! 代表生物 !! 电子供体 !! 产物 !! 碳固定途径 !! 生态特点
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| C3植物 || 水稻、小麦、大豆 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || 卡尔文循环，最初产物为三碳的[[磷酸甘油酸]]（PGA） || 温带地区广泛分布[citation:5][citation:6]
| C3植物 || 水稻、小麦、大豆 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || 卡尔文循环，最初产物为三碳的[[磷酸甘油酸]]（PGA） || 温带地区广泛分布
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| C4植物 || 玉米、甘蔗、高粱 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || [[哈奇-斯莱克途径]]（四碳二羧酸途径），先在叶肉细胞固定CO₂为四碳化合物，再转运至维管束鞘细胞释放CO₂进入卡尔文循环 || 热带、干旱地区，适应高温强光[citation:6]
| C4植物 || 玉米、甘蔗、高粱 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || [[哈奇-斯莱克途径]]（四碳二羧酸途径），先在叶肉细胞固定CO₂为四碳化合物，再转运至维管束鞘细胞释放CO₂进入卡尔文循环 || 热带、干旱地区，适应高温强光
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| CAM植物 || 仙人掌、景天、凤梨 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || [[景天酸代谢]]，夜间开放气孔吸收并固定CO₂，白天关闭气孔进行卡尔文循环 || 干旱或半干旱地区，节水适应[citation:6]
| CAM植物 || 仙人掌、景天、凤梨 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || [[景天酸代谢]]，夜间开放气孔吸收并固定CO₂，白天关闭气孔进行卡尔文循环 || 干旱或半干旱地区，节水适应
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| 藻类（产氧） || 红藻、绿藻、褐藻 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || 类似C3植物，但具有不同的捕光色素 || 水生生态系统的主要生产者[citation:6]
| 藻类（产氧） || 红藻、绿藻、褐藻 || 水（H₂O） || 氧气、有机物 || 类似C3植物，但具有不同的捕光色素 || 水生生态系统的主要生产者
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| 光合细菌（不产氧） || 紫色硫细菌、绿色硫细菌 || 硫化氢、氢气、有机物 || 硫、氢气、有机物 || 多种碳固定途径（如还原性羧酸循环） || 厌氧环境，如深海热泉、湖泊沉积物[citation:1][citation:2][citation:10]
| 光合细菌（不产氧） || 紫色硫细菌、绿色硫细菌 || 硫化氢、氢气、有机物 || 硫、氢气、有机物 || 多种碳固定途径（如还原性羧酸循环） || 厌氧环境，如深海热泉、湖泊沉积物
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== 作用机制 ==
== 作用机制 ==
光合作用可划分为两个紧密相连的阶段：'''光反应'''和'''碳反应'''（旧称暗反应）[citation:3][citation:4][citation:6]。
光合作用可划分为两个紧密相连的阶段：'''光反应'''和'''碳反应'''（旧称暗反应）。


=== 光反应 ===
=== 光反应 ===
光反应发生在[[叶绿体]]的[[类囊体]]膜上（蓝细菌在细胞质中进行），需要光照参与[citation:3][citation:4]。
光反应发生在[[叶绿体]]的[[类囊体]]膜上（蓝细菌在细胞质中进行），需要光照参与。
* '''核心过程'''[citation:3][citation:6]：
* '''核心过程'''[citation:3][citation:6]：
** '''水的光解'''：2H₂O → 4[H] + O₂（在光和色素催化下）。
** '''水的光解'''：2H₂O → 4[H] + O₂（在光和色素催化下）。
** '''ATP合成'''：ADP + Pi + 能量 → ATP（在酶催化下）。
** '''ATP合成'''：ADP + Pi + 能量 → ATP（在酶催化下）。
** '''NADPH形成'''：NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH。
** '''NADPH形成'''：NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH。
* '''能量转化'''：光能 → 电能 → ATP和NADPH中活跃的化学能[citation:3]。
* '''能量转化'''：光能 → 电能 → ATP和NADPH中活跃的化学能。
* '''电子传递链'''：涉及[[光系统II]]（PSII，P680）和[[光系统I]]（PSI，P700）。PSII裂解水释放氧气，电子经一系列载体传递至PSI，最终还原NADP⁺形成NADPH。电子传递过程中偶联[[光合磷酸化]]，生成ATP[citation:1][citation:3]。
* '''电子传递链'''：涉及[[光系统II]]（PSII，P680）和[[光系统I]]（PSI，P700）。PSII裂解水释放氧气，电子经一系列载体传递至PSI，最终还原NADP⁺形成NADPH。电子传递过程中偶联[[光合磷酸化]]，生成ATP。


=== 碳反应 ===
=== 碳反应 ===
碳反应发生在叶绿体基质中（蓝细菌在细胞质），不直接需要光，但依赖光反应提供的ATP和NADPH[citation:3][citation:4]。
碳反应发生在叶绿体基质中（蓝细菌在细胞质），不直接需要光，但依赖光反应提供的ATP和NADPH。
* '''核心过程'''[citation:3][citation:5][citation:6]：
* '''核心过程'''：
** '''CO₂固定'''：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP，C5）与CO₂在[[RubisCO酶]]催化下生成两分子磷酸甘油酸（PGA，C3）。
** '''CO₂固定'''：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP，C5）与CO₂在[[RubisCO酶]]催化下生成两分子磷酸甘油酸（PGA，C3）。
** '''还原阶段'''：PGA利用ATP和NADPH还原为[[磷酸丙糖]]（三碳糖）。
** '''还原阶段'''：PGA利用ATP和NADPH还原为[[磷酸丙糖]]（三碳糖）。
** '''RuBP再生'''：大部分磷酸丙糖经过一系列反应再生为RuBP，使循环持续进行；少部分用于合成[[葡萄糖]]、[[蔗糖]]、[[淀粉]]等有机物。
** '''RuBP再生'''：大部分磷酸丙糖经过一系列反应再生为RuBP，使循环持续进行；少部分用于合成[[葡萄糖]]、[[蔗糖]]、[[淀粉]]等有机物。
* '''能量转化'''：ATP和NADPH中活跃的化学能 → 有机物中稳定的化学能[citation:3]。
* '''能量转化'''：ATP和NADPH中活跃的化学能 → 有机物中稳定的化学能。


== 生态意义与全球影响 ===
== 生态意义与全球影响 ===
=== 初级生产力 ===
=== 初级生产力 ===
光合作用是生物圈几乎一切生命活动的能量和物质基础。陆地和海洋光合生物每年约固定1150–1200亿吨碳，制造约2000亿吨有机物，相当于人类能耗的6倍[citation:5][citation:10]。植物作为[[食物链]]的生产者，通过光合作用将无机物转化为有机物，供消费者和分解者利用[citation:3]。
光合作用是生物圈几乎一切生命活动的能量和物质基础。陆地和海洋光合生物每年约固定1150–1200亿吨碳，制造约2000亿吨有机物，相当于人类能耗的6倍。植物作为[[食物链]]的生产者，通过光合作用将无机物转化为有机物，供消费者和分解者利用。


=== 碳氧平衡 ===
=== 碳氧平衡 ===
光合作用吸收CO₂释放O₂，维持大气中氧气和二氧化碳的动态平衡，对调节[[全球气候]]具有关键作用[citation:3][citation:6]。据估算，光合作用的能量转换效率约为6%，而消费者对植物所贮存能量的利用效率约为10%[citation:8]。
光合作用吸收CO₂释放O₂，维持大气中氧气和二氧化碳的动态平衡，对调节[[全球气候]]具有关键作用。据估算，光合作用的能量转换效率约为6%，而消费者对植物所贮存能量的利用效率约为10%。


=== 物质循环 ===
=== 物质循环 ===
光合作用驱动碳、氧、氢等元素的全球生物地球化学循环。它利用太阳光能将CO₂和水转化为有机物，是地质历史时期煤炭、石油等[[化石燃料]]形成的根本来源[citation:3]。
光合作用驱动碳、氧、氢等元素的全球生物地球化学循环。它利用太阳光能将CO₂和水转化为有机物，是地质历史时期煤炭、石油等[[化石燃料]]形成的根本来源。


== 与化能合成的比较 ==
== 与化能合成的比较 ==
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=== 光合作用与气候变化 ===
=== 光合作用与气候变化 ===
RubisCO酶的双功能性使其既可固定CO₂（羧化），也可结合O₂（加氧）引发[[光呼吸]]，降低光合效率[citation:5]。随着大气CO₂浓度升高，植物光合作用效率可能发生变化，同时高温干旱胁迫将影响光合机制的稳定性，是全球变化研究的重要课题。
RubisCO酶的双功能性使其既可固定CO₂（羧化），也可结合O₂（加氧）引发[[光呼吸]]，降低光合效率。随着大气CO₂浓度升高，植物光合作用效率可能发生变化，同时高温干旱胁迫将影响光合机制的稳定性，是全球变化研究的重要课题。


=== 深海光合作用探索 ===
=== 深海光合作用探索 ===

2026年3月7日 (六) 09:01的最新版本

光合作用（模板:Lang-en）是指植物、藻类和某些细菌利用叶绿素等光合色素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为富含能量的有机物，并释放出氧气（或氢气）的生化过程。这一过程同时实现了从光能到有机物中化学能的能量转化，是地球生命赖以生存的基础，也是全球碳循环和氧循环的重要媒介。光合作用的发现和研究成果，深刻改变了人类对生命本质和能量来源的认知。

定义与基本特征

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光合作用是自养生物获取能量和合成有机物的主要方式之一。其核心特征是以太阳光为能源，以二氧化碳为主要碳源，通过光合色素的捕获和一系列酶促反应，合成葡萄糖等碳水化合物。根据电子供体的不同，光合作用可分为两大类：

  • 产氧光合作用：以水（H₂O）为电子供体，释放氧气，由植物、藻类和蓝藻进行。
  • 不产氧光合作用：以硫化氢（H₂S）、氢气（H₂）或有机物为电子供体，不产生氧气，由光合细菌进行。

光合作用的总反应式可概括为： CO₂ + H₂O + 光能 → (CH₂O) + O₂（产氧光合作用）

研究历程

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早期探索

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古希腊哲学家亚里士多德曾认为植物生长所需的营养全部来自土壤。1642年，比利时科学家范·海爾蒙特进行了著名的“柳树实验”，推论植物的重量主要来自水，但他并未意识到空气中的物质也参与其中。

关键发现

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1771年，英国化学家约瑟夫·普里斯特利发现植物能够更新因燃烧或动物呼吸而变得污浊的空气，但他尚未认识到光在这一过程中的必要性。此后，简·森尼比尔（Jean Senebier）在1782年首次描述“光合生物在光照条件下固定二氧化碳并维持植物生长”。

现代研究突破

[编辑]

20世纪，放射性同位素示踪技术的应用极大推动了光合作用研究。梅尔文·卡尔文等人利用¹⁴CO₂揭示了二氧化碳固定的路径，即著名的卡尔文循环，他因此获得1961年诺贝尔化学奖。同期，光系统的发现和光合磷酸化机制的阐明，共同构建了现代光合作用理论体系。

光合作用的类型

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按照生物类群和碳固定途径的差异，光合作用可分为以下几种类型：

光合作用的主要类型
类型 代表生物 电子供体 产物 碳固定途径 生态特点
C3植物 水稻、小麦、大豆 水（H₂O） 氧气、有机物 卡尔文循环，最初产物为三碳的磷酸甘油酸（PGA） 温带地区广泛分布
C4植物 玉米、甘蔗、高粱 水（H₂O） 氧气、有机物 哈奇-斯莱克途径（四碳二羧酸途径），先在叶肉细胞固定CO₂为四碳化合物，再转运至维管束鞘细胞释放CO₂进入卡尔文循环 热带、干旱地区，适应高温强光
CAM植物 仙人掌、景天、凤梨 水（H₂O） 氧气、有机物 景天酸代谢，夜间开放气孔吸收并固定CO₂，白天关闭气孔进行卡尔文循环 干旱或半干旱地区，节水适应
藻类（产氧） 红藻、绿藻、褐藻 水（H₂O） 氧气、有机物 类似C3植物，但具有不同的捕光色素 水生生态系统的主要生产者
光合细菌（不产氧） 紫色硫细菌、绿色硫细菌 硫化氢、氢气、有机物 硫、氢气、有机物 多种碳固定途径（如还原性羧酸循环） 厌氧环境，如深海热泉、湖泊沉积物

作用机制

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光合作用可划分为两个紧密相连的阶段：光反应和碳反应（旧称暗反应）。

光反应

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光反应发生在叶绿体的类囊体膜上（蓝细菌在细胞质中进行），需要光照参与。

  • 核心过程[citation:3][citation:6]：
    • 水的光解：2H₂O → 4[H] + O₂（在光和色素催化下）。
    • ATP合成：ADP + Pi + 能量 → ATP（在酶催化下）。
    • NADPH形成：NADP⁺ + 2e⁻ + H⁺ → NADPH。
  • 能量转化：光能 → 电能 → ATP和NADPH中活跃的化学能。
  • 电子传递链：涉及光系统II（PSII，P680）和光系统I（PSI，P700）。PSII裂解水释放氧气，电子经一系列载体传递至PSI，最终还原NADP⁺形成NADPH。电子传递过程中偶联光合磷酸化，生成ATP。

碳反应

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碳反应发生在叶绿体基质中（蓝细菌在细胞质），不直接需要光，但依赖光反应提供的ATP和NADPH。

  • 核心过程：
    • CO₂固定：核酮糖-1,5-二磷酸（RuBP，C5）与CO₂在RubisCO酶催化下生成两分子磷酸甘油酸（PGA，C3）。
    • 还原阶段：PGA利用ATP和NADPH还原为磷酸丙糖（三碳糖）。
    • RuBP再生：大部分磷酸丙糖经过一系列反应再生为RuBP，使循环持续进行；少部分用于合成葡萄糖、蔗糖、淀粉等有机物。
  • 能量转化：ATP和NADPH中活跃的化学能 → 有机物中稳定的化学能。

生态意义与全球影响 =

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初级生产力

[编辑]

光合作用是生物圈几乎一切生命活动的能量和物质基础。陆地和海洋光合生物每年约固定1150–1200亿吨碳，制造约2000亿吨有机物，相当于人类能耗的6倍。植物作为食物链的生产者，通过光合作用将无机物转化为有机物，供消费者和分解者利用。

碳氧平衡

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光合作用吸收CO₂释放O₂，维持大气中氧气和二氧化碳的动态平衡，对调节全球气候具有关键作用。据估算，光合作用的能量转换效率约为6%，而消费者对植物所贮存能量的利用效率约为10%。

物质循环

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光合作用驱动碳、氧、氢等元素的全球生物地球化学循环。它利用太阳光能将CO₂和水转化为有机物，是地质历史时期煤炭、石油等化石燃料形成的根本来源。

与化能合成的比较

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光合作用与化能合成是自养生物获取能量的两种基本方式，其异同如下：

光合作用与化能合成的比较
比较维度 光合作用 化能合成
能量来源 太阳光能 无机物氧化释放的化学能
碳源 二氧化碳 二氧化碳
电子供体 水（产氧型）或硫化氢等（不产氧型） 硫化氢、氨、亚硝酸盐、二价铁离子等
主要生物 植物、藻类、蓝藻、光合细菌 硝化细菌、硫细菌、铁细菌、氢细菌等
发生环境 有光环境，地表及水体透光层 无光或弱光环境，如深海热泉、冷泉、土壤深层
生态地位 地表生态系统的主要初级生产者 深海等黑暗生态系统的初级生产者
氧气关系 产氧型光合作用释放O₂ 一般不产生O₂

最新研究前沿 =

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人工光合作用

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科学家正在模仿天然光合作用，开发人工系统将太阳能、水和CO₂转化为燃料或化学品。江南大学陈修来团队通过合成生物学方法构建了高效固碳路径，将一碳化合物转化为乙酰辅酶A，固碳效率较天然途径提升约10倍，为CO₂资源化利用提供了新思路。

光合作用与气候变化

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RubisCO酶的双功能性使其既可固定CO₂（羧化），也可结合O₂（加氧）引发光呼吸，降低光合效率。随着大气CO₂浓度升高，植物光合作用效率可能发生变化，同时高温干旱胁迫将影响光合机制的稳定性，是全球变化研究的重要课题。

深海光合作用探索

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2025年的研究表明，在海洋光照区内的无光栖息地（如洞穴）可能存在化能合成与光合作用的过渡或共存现象，拓展了人类对生命能量来源多样性的认知。

结语

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光合作用是地球上最伟大的化学反应之一，它将太阳能转化为化学能，驱动整个生物圈的运转。从古希腊的朴素思辨到现代分子机制的精细解析，光合作用研究不断深化着人类对生命与能量关系的理解。在全球面临气候变化与能源危机的今天，深入探究光合作用机理、发展人工光合技术，对于实现可持续发展具有重大战略意义。

参考资料

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检索自“https://everywiki.top/index.php?title=光合作用&oldid=40”