光合作用如何捕捉光并为地球上的生命提供动力

你可能还不够欣赏植物。没关系，我们都不知道。鉴于植物已经的在把我们带到这个星球上的错综复杂的生活肥皂剧中，我们是主角，我们应该每天感谢我们的绿叶朋友。

老实说，整个故事是如此错综复杂，我们可能永远不会知道我们的绿色祖先是如何让其他人进化的，但这个故事的一个方面肯定涉及光合作用——植物的能力自己做食物的阳光。

光合作用:生命的关键

“了解光合作用的一个很好的方法是将地球的大气层与我们的‘姐妹’行星进行比较，”格雷戈里·施密特说植物生物学系在佐治亚大学“这三颗行星在形成和冷却时很可能是相似的，但金星和金星的大气层火星含有95%的二氧化碳(CO2)， 2.7%的氮气(N2)和0.13%的氧气(O2)。地球上的空气中77%是N2, 21%是O2, 0.41%是CO2——尽管这个数字还在上升。这意味着我们的大气中有8000亿吨二氧化碳，但还有1万亿吨——100亿吨——以石灰石、煤炭和石油的形式消失或被掩埋。”

换句话说，数十亿年来，碳一直从大气中偷偷进入地壳，这是这个星球上多细胞生物适合居住的唯一原因。

“那么，对于地球来说，这种戏剧性的大气变化是如何发生的呢?”施密特问道。“答案只有一个，而且非常简单:光合作用，地球进化中最神奇的因素。”

一场绿色革命

光合作用,朋友。在地球形成大约10亿年后，生命出现了——可能首先是一些厌氧菌，它们吞噬着从热液喷口流出的硫和氢。现在我们有长颈鹿了。但是，在第一批细菌和长颈鹿之间，有1万亿吨的路程:这些古老的细菌必须找到一种新的热液喷口的方法，这导致了一种称为热敏感色素的发展细菌叶绿素一些细菌仍然用它来探测由热量产生的红外信号。这些细菌是后代的祖先叶绿素这种色素能够捕捉到来自太阳的更短、更有能量的波长，并将它们作为能源。

所以，从本质上说，这些细菌创造了一种获取阳光能量的方法。下一个进化飞跃需要研究出一种稳定的能量储存方法——制造一种阳光电池，鼓励质子在内膜的一边而不是另一边聚集。

燃烧的水(光系统II)

植物和藻类进化的真正奇迹在于，在某种程度上，这些古老的产生叶绿素的细菌开始产生氧气。毕竟，数十亿年前，大气中的氧气实际上非常少，它对许多早期细菌是有毒的(它仍然对留在地球上无氧地方的厌氧菌是有毒的)。然而，捕捉和储存阳光的新过程需要参与其中的细菌烧的水．他们烧了消防员用来灭火的东西。

燃烧的过程就是氧化——从一个原子中剥离电子并将这些电子转移到另一个原子(这被称为还原)。早期的光合细菌发明了一种捕捉光子的方法——基本上是光的粒子——并利用它们的能量从水中剥离出许多质子和电子来生产能量。

重大突破发生在30亿年前，当时光合作用机制完善到叶绿素可以同时分裂两个水分子的程度——现在我们把这称为光系统IIchlorophyll-protein集群”。

绿色电池(光系统I)

蓝藻一旦这些光合细菌知道如何燃烧水分并储存化学反应产生的能量，它们就进化了。在光合作用中，光系统II(水燃烧)如果没有第二阶段就无法维持，光系统I这包括在第一步中取走水分子上的电子，并在它们衰变之前利用它们。光系统I通过将这些电子粘在化学流水线上，使生物体能够保留那些来之不易的能量，然后这些能量被用来将二氧化碳转化为糖，供细菌作为食物使用。

叶绿体的黎明

一旦光系统I和II被分离出来，蓝藻就接管了海洋，因为氧气是它们的废物，它在地球的大气中变得丰富。结果，许多细菌变成了需氧的——也就是说，它们的代谢过程需要(或至少能耐受)氧气。大约10亿年后，原生动物以厌氧菌(一种生长不需要氧气的生物)的形式捕食需氧细菌。至少有一次，细菌没有被完全消化，而是留在细胞内，最终帮助不耐氧的厌氧生物应对好氧环境。这两种生物粘在一起，最终被捕食的生物进化成一个细胞器，叫做线粒体．

大约10亿年前，蓝藻也发生过类似的情况。在这种情况下，一种需氧原生动物可能吞食了一种蓝藻细菌，蓝藻细菌最终在宿主体内建立了自己的商店，产生了一个所有植物都有的小的、膜结合的细胞器叶绿体．

随着藻类和多细胞植物的进化，并受益于地球大气中充足的二氧化碳和不断增加的氧气，叶绿体成为光合作用——光系统I、II甚至更复杂的东西——在每个细胞中进行的地方。就像线粒体一样，它们有自己的DNA，忙着为植物收集光线，为地球上的生命创造了整个基础。