在光合作用过程中,总光合速率和净光合速率
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复旦大学生命科学学院教授
大家都喜欢绿色植物和森林，有植物的地方环境通常会更好。而且重要的是，绿色植物是为大气制造氧气的工厂，还可以保持水土、防风固沙、增加土壤肥力、涵养水源和调节气候等等。相信如果放开
针对这个问题，赵斌通过一期科普视频给出了具体回答。
光合作用能够吸收热量。为什么这部分热量在计算植树造林在遏制气候变暖中的作用被忽略了？赵斌
复旦大学生命科学学院教授
大家都喜欢绿色植物和森林，有植物的地方环境通常会更好。而且重要的是，绿色植物是为大气制造氧气的工厂，还可以保持水土、防风固沙、增加土壤肥力、涵养水源和调节气候等等。相信如果放开让大家来说这些，大家估计也可以说出很多。
森林 | Pixabay
如果说到绿色植物，大家头脑当中一定会呈现出一个概念——光合作用。光合作用对植物来说的确非常重要，植物为大气制造氧气就是通过光合作用而产生的。那么当太阳光在照射绿色植物的时候，究竟有多少能量会被绿色植物吸收用来进行光合作用呢？
光合作用的定义很简单，是绿色植物利用光能同化二氧化碳和水，制造有机物并释放氧气的过程。但是，光合作用的具体步骤其实要比定义复杂很多，涉及到一系列连续的生化反应。现在我们只讨论与能量吸收和转化有关的环节。
我们知道，光是一种无线电波，太阳光的全谱范围也许很广，可能涉及到无线电波的各个波段。但是太阳电磁辐射当中有99.9%的能量都是集中在红外区，可见光区和紫外区，所以只需要关注这三个区域即可。可见光即我们人类能用眼睛看到的光；而红外光与紫外光是我们人眼看不到的，它们在植物光合作用中也几乎用不着。除此之外，植物还反射掉大量的绿色光，所以实际上能够进行光合作用的范围比可见光还要小一些。
太阳光谱。植物能够进行光合作用的范围只是可见光（Visible）的一部分丨Wikimedia Commons, Dragons flight / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)
光合作用最开始的一个过程就是吸收光能，是通过色素分子完成的：色素分子吸收了一个光子之后，会引起原子结构里面电子的重新排列。其中一个低能的电子获得了合适的能量之后，就可以克服原子核正电荷对它的吸引而被推到高能的激发态。然后，这些被推进到高能激发态的光子通过分子间的能量传递，把捕获的光能传递到反应中心的色素分子上，最终推动光化学反应的进行。
太阳光转化为光合作用产物的能量其实不会太高，而且不难计算。假如把到达植物叶片的光当作1，因为在太阳光当中，只有波长为400到700纳米的部分可见光对光合作用来说是有用的，并且我们现在已经非常精确地知道，可供光合作用利用的光约占53%，但这些光照到植物叶片上的时候，约有30%的光漏掉了，那么只剩下70%的光可用于能量转化。植物实际可吸收的光子的能量为53%乘70%，等于0.371。光子最终进入叶片之后，在叶绿体中的叶绿素的作用下大概只有75%会参与反应，所以最终植物利用光产生的能量为0.371再乘上0.75等于0.278。这些能量转化为葡萄糖的效率大概可以确定为32%，即大约有0.278乘上0.32等于0.089的能量可以转化为葡萄糖。另外，植物还有自身的生命活动，黑暗条件下的消耗以及光呼吸，剩下的能量大约有60%可以增加植物的生物量。于是，最终只有5%左右的太阳光在理论上能够通过光合作用固定下来。
在最理想的条件下，也只有5%的太阳光可能通过光合作用固定下来 | Pixabay
其实，这个计算考虑的都是最理想的条件，那么实际条件是怎么样呢？如果按照稻谷每年的亩产达到800斤计算的话，其光能利用率大概为0.4%，而年亩产要是达到2000斤，光能利用率才到1%。然而我们现在亩产能够超过2000斤的并不多，而且作物的生产力相对于其他植物来说是比较高的，因为都是经过选育出的比较高产的品种。对于大多数植物来说，一般都很难达到1%。
对于学气象学或是遥感的学生来说，这些可能是常识性的问题。在他们的课程当中包括有地表能量平衡的计算。公式中显示，地表接收到的能量一般只考虑三个通量：感热通量，这是导致地面温度发生明显变化的热量；潜热通量，这是导致地面发生汽化和蒸发的热量，植物的蒸腾作用也是归在这个范畴当中的。最后还有进入土壤中的热量。在这些热量中，没有考虑植物光合作用的能量，因为实在是太少了，只有1%~3%。而其它各项，包括热感通量，潜热通量和土壤热通量，这些任何一块的估算，其误差都有可能大于1%。
地表能量平衡的计算 | 赵斌老师视频截图
对于是否应该将光合作用的能量损失进行精确计算，网友普遍认为就算量少也必须计算，因为光合作用实在是太重要了。那么究竟有多重要呢？光合作用的耗能这么低，通过改进植物来提高光合作用的效率也不现实，至少目前没找到什么好办法。
色素分子吸收光能到高能激发态是有讲究的，过高过低都不行，只有蓝光和红光区域对植物来说是合适的。这就像我们跳台阶，必须跳得恰到好处，否则就可能摔跤。不过，有一个可与此类比的人类转化光能的设施——太阳能电池。与植物一样，对于太阳能电池来说，只有少数波段具有合适能量的光可以克服这个壁垒，推动电子跃迁，产生电势差进而产生电流，但是效率比植物要高得多。迄今为止，记录到的市售太阳能电池的最大效率为33.7%，一般的太阳能电池也总是会超过20%。
但是，大自然植物界光合作用的规模是太阳能电池远远不可比拟的，所以我们丝毫不能否认其重要性。不过依靠绿色植物的光合作用来吸收阳光从而降低大气的温度，就是痴人说梦了。
实际上，植物吸收的热量大部分用的不是光合作用，而是蒸腾作用。而蒸腾作用对气候的长期变化来说，并没有什么特别的意义。
监制：吴欧
编辑：酥鱼
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光合作用“捷径”！科学家进行基因编辑，提升了40%产量
作者：文/邓兴菊
在地球上，植物进行光合作用都是一个“普遍”现象，但是对于接受率与植物的生长率来说，这个就不是很好能够控制的了。为了解决这个问题，科学家们研究出了一种新的“捷径”方式，可以让作物在设计的光合作用之下，提高40％的产量，这个是由伊利诺伊大学基因组生物学研究所给出的成果，我们来具体看下。
我们都知道，地球上大多数的作物都会受到光合作用的阻扰而导致产量下降，但如今的方法虽然能够增强光合作用的范围，依然没有解决出实际性的问题，不能够提升它们的产量。而科学家新方法已经修复了光合作用的自然缺陷（相当于基因编辑），过后通过实验与野生“近缘种”相比，使作物的生产力提高了40％。这相当于是一个“黑客”行为，巧妙的基因改变过程吧。
通过这样方式实施的预估，同样多的数量作物可以为另外2 亿 人提供食物，大大的满足了21世纪迅速扩大的食品需求，对于许多植物来讲，包括大米和大豆，在光合作用方面，RuBisCO是阻扰植物进行光合作用的主要因素，核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 - 氧化酶（RuBisCO）的关键步骤，是其将二氧化碳楔入复合核酮糖-1,5-二磷酸酯（RuBP），这不仅没有起到促进作用，反而让它们吸收降低了。
科学家们通过分析，RuBisCO被广泛认为是地球上最丰富的蛋白质，但是在植物进行光合作用期间明确被误认为了是二氧化碳分子的存在，其中大约20%的时间都在进行“误操作”，科学家们就是利用这点来进行改变的，通过对光合作用过程中的乙醇酸和氨进行快速处理掉，而给植物提供出一个更加“畅通”的路线，再也不用沉迷在RuBisCO的转化过程之中。
美国农业部农业研究局生物学家Paul South称，阻止乙醇酸和氨的转化，让RuBisCO在从氧气中吸收二氧化碳时，变得更加困难，所以它变得更热，导致更多的光呼吸。从而让植物的整个光合作用达到新的强度，从而实现了提高光合效率（RIPE），当然这个过程的处理其实就是一个遗传调整结合使用相当于是进行了一个植物的基因编辑。
科学家们也是经过了17种不同构建体分析，才找到了这种最近的方式，能够提升植物的光合作用，还能让其产量提升40%，这研究结果已经发表在了科学杂志上，科学研究人员正在考虑是否还可以继续提升，暂时没有预报处这样的光合作用过程基因编辑是否影响作物本身，这个还需要去衡量，谢谢大家阅读！
什么叫做光合作用?
光合作用光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。我们每时每刻都在吸入光合作用释放的氧。我们每天吃的食物，也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。那么，光合作用是怎样发现的呢？
光合作用的发现 直到18世纪中期，人们一直以为植物体内的全部营养物质，都是从土壤中获得的，并不认为植物体能够从空气中得到什么。1771年，英国科学家普利斯特利发现，将点燃的蜡烛与绿色植物一起放在一个密闭的玻璃罩内，蜡烛不容易熄灭；将小鼠与绿色植物一起放在玻璃罩内，小鼠也不容易窒息而死。因此，他指出植物可以更新空气。但是，他并不知道植物更新了空气中的哪种成分，也没有发现光在这个过程中所起的关键作用。后来，经过许多科学家的实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物。1864年，德国科学家萨克斯做了这样一个实验：把绿色叶片放在暗处几小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉。然后把这个叶片一半曝光，另一半遮光。过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现遮光的那一半叶片没有发生颜色变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。1880年，德国科学家恩吉尔曼用水绵进行了光合作用的实验：把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且是黑暗的环境里，然后用极细的光束照射水绵。通过显微镜观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部位附近；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位的周围。恩吉尔曼的实验证明：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。
光合作用的过程:1.光反应阶段 光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光能才能进行，这个阶段叫做光反应阶段。光反应阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的。暗反应阶段 光合作用第二个阶段中的化学反应，没有光能也可以进行，这个阶段叫做暗反应阶段。暗反应阶段中的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中，二者是紧密联系、缺一不可的。光合作用的重要意义 光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。因此，光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。第一，制造有机物。绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的。据估计，地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物，这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。所以，人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。 第二，转化并储存太阳能。绿色植物通过光合作用将太阳能转化成化学能，并储存在光合作用制造的有机物中。地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。
第三，使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定。据估计，全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧，平均为10000 t／s(吨每秒)。以这样的消耗氧的速度计算，大气中的氧大约只需二千年就会用完。然而，这种情况并没有发生。这是因为绿色植物广泛地分布在地球上，不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧，从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。 第四，对生物的进化具有重要的作用。在绿色植物出现以前，地球的大气中并没有氧。只是在距今20亿至30亿年以前，绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势以后，地球的大气中才逐渐含有氧，从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。由于大气中的一部分氧转化成臭氧(O3)。臭氧在大气上层形成的臭氧层，能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线，从而使水生生物开始逐渐能够在陆地上生活。经过长期的生物进化过程，最后才出现广泛分布在自然界的各种动植物。
植物栽培与光能的合理利用 光能是绿色植物进行光合作用的动力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使绿色植物充分地进行光合作用。合理利用光能主要包括延长光合作用的时间和增加光合作用的面积两个方面。
延长光合作用的时间 延长全年内单位土地面积上绿色植物进行光合作用的时间，是合理利用光能的一项重要措施。例如，同一块土地由一年之内只种植和收获一次小麦，改为一年之内收获一次小麦后，又种植并收获一次玉米，可以提高单位面积的产量。
增加光合作用的面积 合理密植是增加光合作用面积的一项重要措施。合理密植是指在单位面积的土地上，根据土壤肥沃程度等情况种植适当密度的植物.
光合作用是指绿色植物通过叶绿体，利用光能，把二氧化碳和水转化成储存着能量的有机物，并且释放出氧的过程。我们每时每刻都在吸入光合作用释放的氧。我们每天吃的食物，也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。那么，光合作用是怎样发现的呢？
光合作用的发现 直到18世纪中期，人们一直以为植物体内的全部营养物质，都是从土壤中获得的，并不认为植物体能够从空气中得到什么。1771年，英国科学家普利斯特利发现，将点燃的蜡烛与绿色植物一起放在一个密闭的玻璃罩内，蜡烛不容易熄灭；将小鼠与绿色植物一起放在玻璃罩内，小鼠也不容易窒息而死。因此，他指出植物可以更新空气。但是，他并不知道植物更新了空气中的哪种成分，也没有发现光在这个过程中所起的关键作用。后来，经过许多科学家的实验，才逐渐发现光合作用的场所、条件、原料和产物。1864年，德国科学家萨克斯做了这样一个实验：把绿色叶片放在暗处几小时，目的是让叶片中的营养物质消耗掉。然后把这个叶片一半曝光，另一半遮光。过一段时间后，用碘蒸气处理叶片，发现遮光的那一半叶片没有发生颜色变化，曝光的那一半叶片则呈深蓝色。这一实验成功地证明了绿色叶片在光合作用中产生了淀粉。1880年，德国科学家恩吉尔曼用水绵进行了光合作用的实验：把载有水绵和好氧细菌的临时装片放在没有空气并且是黑暗的环境里，然后用极细的光束照射水绵。通过显微镜观察发现，好氧细菌只集中在叶绿体被光束照射到的部位附近；如果上述临时装片完全暴露在光下，好氧细菌则集中在叶绿体所有受光部位的周围。恩吉尔曼的实验证明：氧是由叶绿体释放出来的，叶绿体是绿色植物进行光合作用的场所。 光合作用的过程:1.光反应阶段 光合作用第一个阶段中的化学反应，必须有光能才能进行，这个阶段叫做光反应阶段。光反应阶段的化学反应是在叶绿体内的类囊体上进行的。暗反应阶段 光合作用第二个阶段中的化学反应，没有光能也可以进行，这个阶段叫做暗反应阶段。暗反应阶段中的化学反应是在叶绿体内的基质中进行的。光反应阶段和暗反应阶段是一个整体，在光合作用的过程中，二者是紧密联系、缺一不可的。光合作用的重要意义 光合作用为包括人类在内的几乎所有生物的生存提供了物质来源和能量来源。因此，光合作用对于人类和整个生物界都具有非常重要的意义。第一，制造有机物。绿色植物通过光合作用制造有机物的数量是非常巨大的。据估计，地球上的绿色植物每年大约制造四五千亿吨有机物，这远远超过了地球上每年工业产品的总产量。所以，人们把地球上的绿色植物比作庞大的“绿色工厂”。绿色植物的生存离不开自身通过光合作用制造的有机物。人类和动物的食物也都直接或间接地来自光合作用制造的有机物。 第二，转化并储存太阳能。绿色植物通过光合作用将太阳能转化成化学能，并储存在光合作用制造的有机物中。地球上几乎所有的生物，都是直接或间接利用这些能量作为生命活动的能源的。煤炭、石油、天然气等燃料中所含有的能量，归根到底都是古代的绿色植物通过光合作用储存起来的。
第三，使大气中的氧和二氧化碳的含量相对稳定。据估计，全世界所有生物通过呼吸作用消耗的氧和燃烧各种燃料所消耗的氧，平均为10000 t／s(吨每秒)。以这样的消耗氧的速度计算，大气中的氧大约只需二千年就会用完。然而，这种情况并没有发生。这是因为绿色植物广泛地分布在地球上，不断地通过光合作用吸收二氧化碳和释放氧，从而使大气中的氧和二氧化碳的含量保持着相对的稳定。 第四，对生物的进化具有重要的作用。在绿色植物出现以前，地球的大气中并没有氧。只是在距今20亿至30亿年以前，绿色植物在地球上出现并逐渐占有优势以后，地球的大气中才逐渐含有氧，从而使地球上其他进行有氧呼吸的生物得以发生和发展。由于大气中的一部分氧转化成臭氧(O3)。臭氧在大气上层形成的臭氧层，能够有效地滤去太阳辐射中对生物具有强烈破坏作用的紫外线，从而使水生生物开始逐渐能够在陆地上生活。经过长期的生物进化过程，最后才出现广泛分布在自然界的各种动植物。
植物栽培与光能的合理利用 光能是绿色植物进行光合作用的动力。在植物栽培中，合理利用光能，可以使绿色植物充分地进行光合作用。合理利用光能主要包括延长光合作用的时间和增加光合作用的面积两个方面。
延长光合作用的时间 延长全年内单位土地面积上绿色植物进行光合作用的时间，是合理利用光能的一项重要措施。例如，同一块土地由一年之内只种植和收获一次小麦，改为一年之内收获一次小麦后，又种植并收获一次玉米，可以提高单位面积的产量。
增加光合作用的面积 合理密植是增加光合作用面积的一项重要措施。合理密植是指在单位面积的土地上，根据土壤肥沃程度等情况种植适当密度的植物
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