光合作用是地球上最為重要的生物化學過程之一，是綠色植物、藻類和某些細菌利用光能將二氧化碳和水轉化為有機物（如葡萄糖），并釋放出氧氣的過程。這一過程不僅是生命存在的基礎，也是維持地球生態平衡的關鍵環節。

光合作用主要發生在綠色植物的葉綠體中，其總反應式可以概括為：6CO? + 6H?O → C?H??O? + 6O?（在光照和葉綠體的條件下）。這個過程看似簡單，實則包含了一系列復雜而精密的反應步驟，通常分為光反應和暗反應（又稱碳反應）兩個階段。

一、光反應
光反應是光合作用的第一個階段，必須在有光的條件下才能進行，其場所是葉綠體的類囊體薄膜。這個階段的核心任務是捕獲和轉化光能。

1. 光能的吸收與傳遞：葉綠體中的光合色素（主要是葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素）吸收太陽光能。這些色素聚集在光系統（PSI和PSII）中，像天線一樣捕獲光子。
2. 水的光解與氧氣釋放：在光系統II中，光能激發出的高能電子被傳遞出去，同時促使水分子發生分解（光解），產生電子、氫離子（H?）并釋放出氧氣。這是我們呼吸所需氧氣的根本來源。
3. ATP與NADPH的生成：高能電子通過類囊體膜上的電子傳遞鏈傳遞到光系統I，在此過程中釋放的能量用于將氫離子泵入類囊體腔內，形成濃度梯度。氫離子順濃度梯度通過ATP合成酶時，驅動了ATP（三磷酸腺苷）的合成。最終接收電子的載體NADP?結合氫離子，形成一種重要的還原劑——NADPH。因此，光反應的實質是將光能轉化為活躍的化學能，儲存在ATP和NADPH中。

二、暗反應（碳反應）
暗反應是光合作用的第二個階段，在葉綠體的基質中進行。它不需要直接光照，但依賴于光反應提供的ATP和NADPH。這個階段的核心任務是固定和還原二氧化碳，合成有機物。

1. 二氧化碳的固定：以卡爾文循環為例，二氧化碳首先與一種五碳化合物（RuBP，核酮糖-1,5-二磷酸）結合，在Rubisco酶的催化下，生成不穩定的六碳化合物，并迅速分解為兩個三碳化合物（3-磷酸甘油酸），這個過程稱為二氧化碳的固定。
2. 有機物的合成：利用光反應產生的ATP和NADPH，將三碳化合物還原成三碳糖（如甘油醛-3-磷酸）。這些三碳糖一部分被運出葉綠體，用于合成淀粉、蔗糖等其它有機物；另一部分則經過一系列復雜的轉化，重新生成RuBP，以保證卡爾文循環的持續進行。因此，暗反應的實質是利用ATP和NADPH中的化學能，將二氧化碳還原為糖類等有機物。

三、光合作用的意義
1. 制造有機物：光合作用是地球上絕大多數有機物（從糧食到木材）的最初來源，是生物界的物質基礎。
2. 轉化并儲存能量：它將取之不盡的太陽能轉化為化學能，儲存在合成的有機物中，構成了幾乎所有生物生命活動的能量來源。
3. 維持大氣中氧氣和二氧化碳的平衡：光合作用吸收二氧化碳并釋放氧氣，是調節全球碳氧平衡、減緩溫室效應的關鍵過程。

四、影響光合作用的因素
光合作用的強度受到多種環境因素的影響，主要包括：

• 光照強度：在一定范圍內，光合速率隨光照增強而加快。
• 二氧化碳濃度：是光合作用的主要原料，其濃度增加通常能促進光合作用。
• 溫度：通過影響酶的活性來影響光合作用，多數植物在最適溫度下光合速率最高。
• 水分和礦質元素：水分是原料之一，而氮、磷、鎂等礦質元素是合成葉綠素和酶的重要成分。

理解光合作用的原理和過程，不僅有助于我們認識生命的本質，也為農業生產中通過合理密植、增施氣肥（CO?）、調控溫光條件等措施提高作物產量提供了科學依據。這座高效的“綠色工廠”，無聲地維系著地球的生機與繁榮。