能量轉換：光合作用 Energy Transformations：Photosynthesis

探索生命《生物學》48

J.S. Bach BWV 1055 Konzert für Oboe d'amore - Albrecht Mayer 

1.        從化石蒐集到的證據顯示，在35億年到40億年前地球出現最早的有機體，這批有機體從大氣與古海洋沈積的有機分子而來。因為自然環境能夠提供的有機分子有限，這些最早出現的生命體逐漸演化出能夠從無機分子合成有機分子的能力。

2.        為了製造有機分子，第二批出現的有機體利用化學合成chemosynthesis的程序，從氫、胺和硫等無機物質上獲得能量。到了現代，我們還是可以從自然界看到這些化學合成有機體的存在，它們有些在特別嚴酷的環境中生活，像是沼澤、硫磺溫泉、海底火山口。

3.        大約在35到30億年前，一個巨大的生物化學事件發生了，某些有機體發展出直接捕捉太陽能量的能力，並利用太陽能量來合成大型有機化合物。

4.        這可能是最早的光合作用photosynthesis，透過這個生物程序，陽光被轉換成化學能。太陽是理想的能量來源。每年太陽能量抵達地球表面巨大能量約等於燃燒8千6百萬噸的石油所釋放的能量。

5.        透過挖掘太陽能當新的能量來源，有機體擺脫它們原本仰賴的化學合成與從既有的有機體中獲取能量的謀生方式。從此以後，地球上的絕大多數的有機體是仰賴光合作用的有機體。

6.        原始的光合作用並沒有製造出「氧」這個副產品。但是30億年前左右，某些光合作用細胞發展新的能力：利用「水」進行光合作用，於是開始製造出氧這個副產品。

7.        氧對多數早期的有機體來說是有毒的，它有強大的負電性，喜歡從其他分子身上搶奪電子；氧在細胞內搶奪其他分子的電子，會干擾維繫生命的化學程序。

8.        然而，當大氣累積許多氧氣後，某些有機體演化出一系列的酵素催化反應，利用氧來釋放儲存在食物分子裡的能量。這個反應程序稱為有氧呼吸aerobic respiration，有氧呼吸已成為有機體從食物中抽取能量的主要機制。

9.        生物演化到最後，光合作用與有氧呼吸透過交換彼此的產物連結成一個循環體系。植物利用太陽能，以二氧化碳與水為原料，合成碳水化合物，並且釋放氧分子。

10.     大部分的有機體細胞需要能量時，會透過有氧呼吸作用將植物製造的碳水化合物打碎，釋放出二氧化碳與能量。

11.     光合作用，利用有氧呼吸製造出來的二氧化碳與水進行反應；有氧呼吸，利用光合作用製造出來的食物與氧進行反應。

12.     雖然地球上的生命體，在地球還沒有大量氧氣時就已經存在20億年左右，但是氧的出現，才是真正地促使地球各種生命繁衍興盛。

13.     今日地球的大氣層約有21％是氧氣，所有的氧氣都來自於光合作用。在生命體發展出大量的有氧呼吸之後，這些會進行呼吸作用的生物才成為地球上的優勢物種。

14.     現在所有的有機體直接或間接仰賴光合作用來滿足它們的能量需求。自營性生物autotrophs所指是有能力利用由光合作用自己製造食物的生物，它們利用光合作用將無機物質合成有機化合物食物。植物就是佔優勢的自營性生物。

15.     異營性生物heterotrophs必須從周遭環境取得有機養分，它們是間接地仰賴光合作用為生，因為它們的食物是自營性生物（能行光合作用）或吃自營性生物的異營性生物。因此光合作用是生物轉換能量的起點。

16.     光合作用有許多機制至今仍不十分清楚，但是最近三十年我們對光合作用過程錯綜複雜的化學反應路徑比較瞭解了。

n   翻譯編寫 Carol H. McFadden and William T. Keeton 《Biology》；圖片來源／Carbonpilgrim