光合作用原理：从叶片深入类囊体膜

树木的木材从哪里来？

一粒种子不到一克重，由它长成的橡树却能重达许多吨。这些质量大多不是来自土壤，而是来自空气中的二氧化碳。绿色叶片利用光能，在内部把二氧化碳转变成糖。我们呼吸的氧气也由同一过程产生。OpenStax 的生物学教材用一句话说明了光合作用的影响范围：地球上 99% 的生态系统依靠光合作用获得能量。

总反应只需一行就能写完：六个二氧化碳分子与六个水分子变成一个糖分子和六个氧分子。但这一行背后隐藏着一长串步骤，涉及的尺度从整片叶子一直到宽度只有几纳米的单个蛋白质。本展品沿着这条链逐层深入。从一片叶子开始，切出一个组织块，打开其中一个叶绿体，再来到一小片把光能转化成化学能的类囊体膜上。三个滑块分别改变光照、二氧化碳和温度，角落的曲线显示速率如何响应。

叶片既要接收光，也要让空气进入

叶片有两项相互牵制的任务。它要让绿色细胞铺展开来接受光照，又要让空气到达这些细胞，同时尽可能少地失去水分。分层结构解决了这个问题。

最上面覆盖着蜡质角质层，能减缓水分流失。其下是表皮，通常由一层透明细胞组成。再下面是栅栏细胞，一根根高柱紧密并排。OpenStax 关于叶片的章节将它们描述为排列紧密、分成一至三层的柱状细胞。叶片的大多数叶绿体都在这里。模型把每根柱子画成透明的，内部的叶绿体便显示为深绿色小珠。

栅栏层下面的细胞形态有所不同。海绵组织由疏松、不规则的细胞构成，细胞间留有空气。这些气隙相当于叶片的肺：从下表面进入的气体通过它们扩散到每个细胞。一条叶脉穿过组织块中间，其中木质部把根部的水向上输送，韧皮部则把糖运走。

气孔以水分换取二氧化碳

叶片下表面散布着气孔，每个小孔夹在两个保卫细胞之间。保卫细胞吸水膨胀时向两侧弯曲，使孔口打开；失去膨压时，孔口就关闭。保卫细胞是表皮中唯一含叶绿体的细胞。

打开气孔有所得，也有代价。只有孔口打开，二氧化碳才能进入，但水蒸气也会沿同一路径逸出，因为叶片内部的空气几乎达到水汽饱和，外界通常并非如此。据 OpenStax，植物经根部吸收的水分中，最多可能有 90% 通过这种蒸腾作用流失。保卫细胞会响应光照、叶片水分状况和二氧化碳，因此植物能在炎热干燥的下午关闭气孔，以降低光合作用为代价保存水分。

模型中的「气孔」滑块会移动保卫细胞。深灰色与红色组成的 CO₂ 分子飘过孔口进入，蓝白色的水分子则向外飘出。关闭孔口，两股流动都会降至零。「水分流失」数值随开度和温度上升，因为暖空气能容纳更多水汽，使叶片干得更快。

叶绿体内部

栅栏细胞里的每颗绿色小珠都是一个叶绿体。它外面包着双层膜，内部是称为基质的水性空间。基质中悬浮着第三套膜结构，即类囊体。这些扁平囊袋堆成基粒，各堆之间由单层膜片相连。每个囊袋内部的空间称为类囊体腔。

这种布局将工作分成两部分。光反应在类囊体膜上进行，制造 ATP 和 NADPH 两种能量载体。卡尔文循环在基质中进行，利用这两种载体将二氧化碳合成为糖。展品最后一个尺度同时展示这两部分：膜横贯中央，上方是基质，下方是类囊体腔。

光系统 II 从水中夺取电子

光以光子的形式到来。叶绿素善于吸收红光和蓝光，并反射绿光，所以叶片呈绿色。植物利用的波长约为 400 至 700 nm，植物生理学家将这一范围称为光合有效辐射。

光子由天线复合物捕获。OpenStax 记载，每个捕光复合物含 300 至 400 个叶绿素分子，另有类胡萝卜素。吸收光子后，能量在色素之间传递，约一百万分之一秒后到达反应中心。在光系统 II 中，反应中心是一对称为 P680 的叶绿素，能量将其中一个电子推向受体。

此时 P680 需要补回一个电子，它从水中获得。光系统 II 的类囊体腔一侧有一个由四个锰原子、一个钙原子和五个氧原子组成的簇。Umena 及其同事在 2011 年以 1.9 Å 分辨率解析了它，发现其上结合着四个水分子。这个簇从水中逐个夺取电子。分解两个水分子会产生四个电子、四个质子和一个 O₂ 分子。OpenStax 指出，约 10% 的氧会被叶片自身的线粒体消耗，其余逸入空气。

模型中黄色光迹代表光子，青色小珠代表电子。每当四个电子离开光系统 II，一个 O₂ 分子就从簇上飘走，O₂ 计数器增加一。

从质体醌到 NADPH

电子不会停在原处。它先交给质体醌（黄色小珠），这种小分子能在膜内移动，将电子送往细胞色素 b6f 复合物。电子通过 b6f 时，复合物将质子从基质转移到类囊体腔。另一侧的质体蓝素（一种蓝色含铜蛋白）接过电子，沿腔侧表面将它送往光系统 I。

到这时，电子已经失去大部分能量，因此光系统 I 需要第二个光子。它的反应中心 P700 再次提高电子的能量，将其交给基质一侧的铁氧还蛋白。随后，铁氧还蛋白-NADP⁺ 还原酶（FNR）把两个电子加到 NADP⁺ 上，生成 NADPH。模型中，每到第二个电子，一个紫色 NADPH 分子就离开 FNR，朝卡尔文循环移动。

质子梯度驱动 ATP 合酶

两件事使类囊体腔内充满质子：光系统 II 处分解水，以及 b6f 的泵送。腔内变酸，基质的酸性则较低，而质子只能通过一道门流回去。这道门就是 ATP 合酶，与 ATP 合酶展品展示的是同一种旋转机器，它的头部位于基质一侧。

Seelert 及其同事在 2000 年用原子力显微镜拍摄了叶绿体中的这种酶，发现其转子环有 14 个亚基。每通过一个质子，环就移动一个亚基的位置，因此 14 个质子使它转一圈，每圈从头部释放 3 个 ATP。即每个 ATP 需要 14 ÷ 3 ≈ 4.67 个质子。光反应加速时，腔内红色小珠增多，你可以看到它们排队穿过转子环。

Rubisco 与卡尔文循环

基质中含有真正执行碳固定的酶：核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶，通常简称 Rubisco。它把一个 CO₂ 与一种叫 RuBP 的五碳糖结合。生成的六碳产物立即分裂成两个三碳的 3-PGA 分子。OpenStax 将循环划分为固定、还原和再生三个阶段。

在还原阶段，ATP 和 NADPH 将 3-PGA 转变成 G3P，一种三碳糖磷酸。在再生阶段，大部分 G3P 被重新排列成 RuBP，让循环继续，这还需消耗更多 ATP。由于每转一圈只增加一个碳，需要三圈才能得到一个可供输出的多余 G3P。这三圈共消耗 9 个 ATP 和 6 个 NADPH。六圈的产出才够形成一个葡萄糖。

模型中的循环按顺时针绘制，Rubisco 在顶端。小珠绕行时会变色：蓝色代表 3-PGA，橙色代表 G3P，绿色代表 RuBP。每颗小珠经过 Rubisco 时，都会有一个 CO₂ 分子到达，ATP 和 NADPH 从下方的膜飞入，每第三次固定便向右送出一个代表糖的六边形。

核对数字

展品用一个数值把各项收支联系起来，即屏幕上每秒固定的 CO₂ 数量。其他数值都由资料中的关系推导。

• 每固定一个 CO₂，卡尔文循环消耗 9 ÷ 3 = 3 个 ATP 和 6 ÷ 3 = 2 个 NADPH。
• 每个 NADPH 携带 2 个电子，因此 2 个 NADPH 需要 4 个电子。四个电子来自两个水分子的分解，同时释放一个 O₂。因此每固定一个 CO₂，就有一个 O₂ 离开，与总反应式一致。
• 每个电子都经过两个光系统，在每处各需一个光子。因此在这条简单的线性路径中，四个电子对应的每个 O₂ 需要 8 个光子。
• 每个 CO₂ 需要 3 个 ATP，而每合成 3 个 ATP 需要 14 个质子，因此每固定一个 CO₂ 就有 14 个质子通过 ATP 合酶。

你可以用计数器核对这些关系。过一段时间后，「生成 ATP」接近「固定 CO₂」的三倍，「生成 NADPH」接近两倍，「释放 O₂」则接近相等。由于各计数器在动画中的计数时刻不同，数值会相差一两个。

速率曲线是模型，不是对真实叶片的测量。光响应采用教材常见的非直角双曲线。总速率 P 满足 θP² − (αI + Pc)P + αIPc = 0，其中 I 是光照，α = 0.11 是初始斜率，θ = 0.8 决定弯曲的急缓，Pc 则是由二氧化碳和温度决定的上限。上限随 CO₂ 按 100 × (C − 50) ÷ (C − 50 + 300) 上升，再乘以一个峰值在 25 °C 的非对称钟形曲线。最后减去呼吸作用，得到净速率：呼吸在 25 °C 时为 3 个单位，每升高 10 °C 就翻倍。速率采用模型单位，其标度中的 100 代表上限。

计算得到以下数值。在模型默认的 426 ppm 和 25 °C 下，黑暗中的净速率为 −3（叶片仅进行呼吸），光照为 200 时为 16.8，光照为 2,000 时为 49.4。光照约为 1,274 时，曲线达到上限的 90%。把 CO₂ 提高到 1,000 ppm，曲线顶部升至 62.8，而 90% 点移到约 1,636。模型中的最佳温度为 24.5 °C。默认的 426 ppm 来自 NOAA 的 Mauna Loa 记录，该记录给出 2026 年 9 月月均值为 426.07 ppm。

为什么光照、二氧化碳和温度都会构成限制

曲线有两部分。弱光下，它几乎沿直线上升：每多一个光子都能被利用，其他条件并不短缺。强光下，曲线趋平，因为卡尔文循环跟不上。Rubisco 工作缓慢，而且需要二氧化碳，增加光照不能增加它可获得的二氧化碳。读数会标出限制速率的因素。

因此，各滑块的作用不同。提高 CO₂ 几乎不改变曲线的弱光部分，却能抬高顶部，所以温室中补充 CO₂ 对叶片的益处在强光下最大。温度主要影响酶，因此会压低或抬高整个曲线顶部。关闭气孔会降低叶片内部的 CO₂（显示为「内部 CO₂」），即使外界空气不变，也会拉低上限。虚线始终代表默认叶片，供比较使用。

模型省略了什么

模型以清楚为目的，不同层级之间并非按同一比例绘制，蛋白质也只是光滑的团块，不是实测结构。模型省略了几种真实过程。

• Rubisco 也会与氧反应。这种副反应称为光呼吸，会浪费碳，而且叶片越暖越严重。模型仅通过温度曲线的形状暗示它。
• 植物还会在光系统 I 周围进行循环电子流，不产生 NADPH 却能额外制造 ATP。模型只展示线性路径，因此 ATP 和 NADPH 的数值恰好符合卡尔文循环的需求。
• C4 植物和仙人掌等 CAM 植物会先浓缩 CO₂，再供给 Rubisco。OpenStax 描述了仙人掌夜间吸收 CO₂、白天保持气孔关闭的方式。它们的曲线大不相同。
• 正如 Yamori 及其同事在 2014 年综述中所示，真实最适温度因物种而异，也会随植物对生长温度的适应而改变。这里的 25 °C 峰值是为模型选取的整数。
• 水分流失采用模型单位，由气孔开度及湿度为 50% 时空气的干燥能力缩放得出，使用的是 FAO 的饱和水汽压公式。

简史

Melvin Calvin 因研究植物中的二氧化碳同化作用获得 1961 年诺贝尔化学奖。这项工作追踪了碳在后来以他命名的循环中如何移动。许多教材将其称为卡尔文-本森循环，以纳入另一位参与研究的科学家。Peter Mitchell 的化学渗透理论解释了质子梯度如何在线粒体和叶绿体中驱动 ATP 合成，使他获得 1978 年诺贝尔化学奖。1988 年，Johann Deisenhofer、Robert Huber 和 Hartmut Michel 因确定光合反应中心的三维结构而共同获得化学奖，这是首个逐原子解析结构的膜蛋白。光系统 II 中分解水的簇的结构随后于 2011 年得到解析。

计算光子和储存的能量

八个光子的数值描述的是理想电子传递的收支，不是阳光变成作物的比例。要提供两个 NADPH，四个电子各需激发两次。将一个固定的 CO₂ 除以八个被吸收的光子，得到极限量子产额为每个光子 0.125 个 CO₂。假如一片叶子每固定一个 CO₂ 反而需要十个被吸收的光子，产额就变成 0.100。这些都是计算示例。第二个数值不是普遍实测的需求：额外 ATP 的生成、光呼吸及其他损耗会让需求随条件改变。

假设一束光每平方米每秒提供 800 微摩尔被吸收的光子，按八光子收支计算，每平方米每秒可固定 100 微摩尔 CO₂。按十光子计算则为 80。这两个结果都不能预测展品的「净速率」，因为其纵轴采用模型单位，并包含一个独立的呼吸项。光子通量和碳通量即使都以微摩尔计，含义也不同。仅数光子无法判断能量效率：蓝光子的能量高于红光子。

Zhu、Long 和 Ort 在 2008 年综述中估计，在 30 °C、CO₂ 为 380 ppm 时，C3 植物的太阳能到生物量最大转换效率为 4.6%，C4 植物为 6%。这个浓度属于该论文的假设，不是当前空气的浓度。这些百分比以全部入射太阳光谱为分母，不能直接与每个被吸收光子的产额比较，也不能与只按可见光计算的效率比较。许多阳光不在通常定义的光合有效波段内，反射和代谢成本又减少了剩余部分。

作为能量核算练习，假设一种作物在选定面积与时段内截获 1,000 MJ 总太阳能。若假定转换效率为 1%，就有 10 MJ 储存在生物量中；2% 则储存 20 MJ。这些百分比是用于举例的田间表现假设，不是所有作物的测量值。它们既不自动保证可食用产量，也不表示所有截获的光都到达正在工作的叶片。根和茎也含有储存的化学能。对光照良好叶片的短时测量，与整季收获量回答的是不同问题。

补偿点与饱和点有何不同

在光补偿点，光合作用的总碳吸收量恰好抵消呼吸的碳损失，因此净交换为零。低于此点，植物仍可能进行光合作用，只是呼吸在收支中占上风。在饱和状态下，增加光照几乎不再增加碳吸收。它们是曲线上不同的位置，不是第一个弯折的两种名称。

当「空气中 CO₂」为 426 ppm、「叶温」为 25 °C、「气孔开度」为 100% 时，代码算出的补偿光照水平约为每平方米每秒 27.6 微摩尔光子。这个值由展品的净速率方程等于零求解得出，是本模型的计算值，不是已发表的橡树叶阈值。控件使用整数光照，因此 28 是接近交点的实用设置。零光照时，净速率为 −3 个模型单位；跨过零不表示呼吸停止了。

90% 标记以总光合作用相对于计算上限的比例为依据。在这些设置下，它位于 1,274 附近。此处速率尚未达到数学上完全水平的平台，而且图中显示的净速率已减去呼吸。使用不同百分比就会得到不同的饱和标记，因此给出饱和数值时应始终说明采用的标准。

适应阴处的叶片可能呼吸速率更低，在更弱的光照下就能获得净碳收益。阳生叶则可能支持更高的最大速率。展品并不在实测的阳生叶、阴生叶参数组之间切换，其平滑响应也不包含过强光照造成的损伤。在真实冠层中，上层叶片接收的光可能多到无法全部处理，而下层叶片仍受光照限制。天线大小研究关注的是：更均匀地分配光照，能否提高整个冠层的生产量，而不是只增加顶层吸收。

C3 叶片、玉米与仙人掌

C3 和 C4 的名称指各自初始固定途径中首批稳定产物的碳原子数。在 C3 叶片中，Rubisco 直接把 CO₂ 加到 RuBP 上，最初的稳定产物是三碳的 3-PGA。小麦和水稻使用这条途径。Rubisco 也会与氧反应，这种加氧反应启动光呼吸，一条消耗能量并释放部分先前固定碳的回收途径。它与黑暗中线粒体的呼吸不是同一过程。

玉米和甘蔗是 C4 植物。它们在叶肉细胞中利用 PEP 羧化酶进行初次捕获，生成四碳化合物。这些化合物把碳运到维管束鞘细胞，在 Rubisco 附近释放 CO₂。卡尔文循环仍然运行；C4 代谢为它提供了更浓缩的 CO₂ 来源。维持这台泵需要额外能量，因此 C4 并非在所有温度或光照下都无条件更好。它的优势在高温、内部 CO₂ 较低而原本有利于光呼吸的条件下尤其有用。

许多仙人掌采用 CAM。它们在夜间吸收大部分外界 CO₂，暂时将碳储存在有机酸中。白天，酸的分解供应 CO₂，气孔可以保持更紧闭。C4 通常让初次捕获与卡尔文循环分别在不同细胞类型中进行，CAM 则让大部分工作分在夜间和白天进行。这些差别说明，把仙人掌放进普通白天 C3 叶片模型会产生误导。

因此，Rubisco 的羧化能力只是问题的一部分，底物能否送达同样重要。即使酶完好，关闭气孔也会限制碳吸收；增加外界 CO₂ 可能有帮助，但前提是有足够 CO₂ 到达叶绿体。「叶片类型」控件提供 C3 阳生叶、C3 阴生叶和类似玉米的 C4 叶片，三者都是模型曲线。C4 设置的 CO₂ 响应在接近当今空气浓度时饱和，补偿点接近零，最适温度较高，初始斜率较低，以代表泵送所需的额外 ATP。它不计算 Rubisco 的周转、加氧反应或泵本身。阴生叶依据 Boardman 对阳生植物和阴生植物的综述：容量较小、呼吸较少，因此弱光下即可收支平衡，也较早饱和。这里没有 CAM 设置，三者也都不能用来给实际作物产量排名。

绿色叶片不能告诉你的事

外观呈绿色，并不证明绿光子不能驱动光合作用。分离的叶绿素强烈吸收蓝光和红光波段，但叶片是厚实、会散射光且含许多叶绿体的结构。有些绿光逃逸，有些则在组织内走得更远才被吸收。色素溶液的吸收光谱与整片叶子的作用光谱不是可以互换的测量。

Liu 和 van Iersel 在 2021 年研究了不同光谱和光子通量下的生菜。低光强时，绿光的入射光量子产额较低，因为吸收较少；高光强时，它的量子产额却位居最高之列，与激发能在叶片内分布更均匀的解释相符。这是有条件的结果，并非建议只用绿灯总能种出更好的作物。「光色」控件大致遵循这个规律，只改变曲线初始斜率（绿光最低，其次是蓝光、白光和红光），所以不同颜色在弱光下差异最大，在强光下几乎汇合。这些系数是模型值，展品并不模拟随深度变化的吸收。

对于土壤的误解，需要作另一种区分。新木材中的碳主要来自大气 CO₂，但刚称重的树也含大量水。水从根部进入，土壤中的矿质养分虽然不是有机干物质碳的主要来源，却仍必不可少。花盆土壤损失很少、植物质量却增加，说明土壤并非主要来源，但仅凭这一点无法认定增加质量的每个来源。比较干质量并追踪碳，比只称湿植物更有说服力。

同样，屏幕上的糖符号是收支记号，不是说叶绿体每固定一次就吐出一个完整葡萄糖分子。卡尔文循环转过几圈后输出三碳产物，进一步的代谢再制造糖及其他物质。可见气泡能表明气体释放，却不能说明生长中茎的碳来源。

水草气泡与斜射光

学校用水生植物测量光合作用。Royal Society of Biology 的 Practical Biology 实验方案把一段剪下的 Elodea 或 Cabomba 放入灯下的水中，数 1 分钟内从切口上升的气泡，然后重复计数并求平均值。方案也说明了假设：气泡被视为纯氧，氧产量被视为与速率成正比，气泡被视为大小相同。小灯的光照随距离的平方反比减弱，因此灯远一倍，光照就只剩约四分之一。

舞台上的烧杯在模型内运行相同实验。每分钟的气泡数是模型净速率乘以固定系数，表示方向与比例，不是课堂中会测到的具体数值。水草被当作 C3 水生植物，因此「气孔开度」控件不改变它。

太阳可以拖动。斜射的光会铺在更大的叶面积上，每平方米叶片接收的光随偏离正上方的角度余弦而减少。角度为 60 度时，叶片接收的光是太阳直射头顶时的一半。读数同时显示两个数值：「光照」是光源强度，「叶面光照」才是速率曲线使用的数值。

在屏幕上试一试

1. 保持初始设置，把太阳向地平线拖低。「叶面光照」随角度余弦下降，而「光照」不变，光线变稀，水草变慢。每分钟气泡数是模型值。
2. 把「光照」调到 0。标题下方的文字变为释放 CO₂，分子流向反转，水草停止冒泡。缓慢提高光照，直到「净速率」跨过 0。这就是补偿点，在本模型的 426 ppm 和 25 °C 下约为 28 µmol/m²/s。
3. 把「光照」设为 2,000，将圆点与「90%」标记比较。随后将「空气中 CO₂」提高至 1,000。叶片周围的 CO₂ 云变密，曲线上部升高，因为碳供应上限变了，灯却没有变。
4. 将「叶温」提高至 40。水分流失上升，叶片变黄下垂，速率下降。缩小「气孔开度」，观察放大的气孔关闭：叶片失水减少，「内部 CO₂」也下降。
5. 将「叶片类型」切换为 C4，「光色」切换为绿光。再用「尺度」深入类囊体膜，追踪电子从光系统 II 到 NADPH 的过程。生成 ATP、生成 NADPH 和固定 CO₂ 的计数器维持前文所述的 3 比 2 比 1 收支，它们不是独立测量值。