光能可以分别转化为其他什么形式的能量

我们都知道能量是守恒的， 能量可以在不同的形式之间转化。比如水电站将水的势能转化为轮机的动能进而转换成电能；太阳能电池板利用光伏效应将光能转化成电能；同样，手电筒可以将电池储存的化学能转化成电能进而最终转化成光能。可是当涉及到生物或化学的时候，这个本质上的物理问题将变得十分复杂。最近正好看了一篇光合作用的科普文章，这里就现学现用从物理的角度阐述：光合作用过程中光能是如何转化成其他形式的能量的。物理上光合作用的本质是两个过程：能量转移和电子输运。这两个过程分别对应两个光合作用的重要概念：光子收割系统「light harvesting system」和反应中心「 reaction center 」1. 能量转移光子收割系统这个名字起得非常形象。其基本结构如下图中的紫色部分。绿色的为叶绿素分子。黑色箭头代表了能量传输路径。光和系统示意图。图片来自网络，侵删。能量传输过程看起来非常简单。叶绿素分子吸收太阳光，然后将能量一步步的转移给临近的叶绿素，直到反应中心。光子收割系统通常含有20-300个叶绿素分子「个别含有1000个以上」[1]，因此能量传输要非常高效。分子间的能量传输过程在物理上叫 Förster resonance energy transfer 或者叫fluorescence resonance energy transfer，FRET，翻译为荧光共振能量转移。这个物理模型的示意图如下：图片来自维基百科Förster resonance energy transfer，侵删。FRET描述的是能量在光敏分子间的转移。施主分子吸收太阳光处于激发态，通过弛豫过程跃迁回亚稳态，然后释放虚光子。虚光子迅速被十分临近的受体分子吸收。FRET能量传输率跟分子间距离的6次方程反比：[公式]其中 [公式] 为特征长度，数值为能量降为一半的位置。因此，分子间的距离需要很小才能保证高的传递效率。叶绿素分之间的平均间距为1纳米「 [公式] 」，因而能量传输率极高。注意上图括号里的时间尺度。as阿秒「 [公式] 」，ps皮秒「 [公式] 」，ns纳秒「 [公式] 」。这些尺度，尤其是前两个被称为超快过程。在超短fs飞秒「 [公式] 」激光发明之前，这些过程几乎是不能被观察到的。能量转移随着黑色箭头来到一对绿色的叶绿素分子，处在紫色光子收割机的包裹内。这部分即为反应中心。实现的功能是电子传输。2. 电子传输当光子能量被转移到反应中心以后，电子输运过程开始。如下图所示。反应中心示意图。图片来源[1]反应起点为上面提到的那一对叶绿素分子，被称为特殊对「special pair」，图上标注为P。P吸收光子被激发后，在3皮秒时间内失去一个电子，形成 [公式] ，以及叶绿素负离子 [公式] 。负离子上的电子在200皮秒左右跳到醌分子 [公式] 上，然后在100微秒时间内再跳到第二个醌分子 [公式] 上。P损失了电子的电子会被附近酶中水分子补偿，从而也产生质子 [公式] 。这个过程会重复进行，最终P获得两个电子补偿，而醌分子 [公式]捕获两个电子和两个质子形成 [公式] 分子。 [公式] 离开这个反应中心的蛋白质支架，从而参与制作储存化学能的ATP和NADPH。这样光合作用的完整能量转移和电子输运基本完成了。但有几点值得赘述下。电子传输效率接近100%；光子能量超过40%被有效转移。另外，上图很明显有两个电子输运分支，我们讨论的是经过活跃分支A的过程，另一个过程经过不活跃分支B。相关的实验表明[2]，活跃分支与不活跃分支的电子输运比为200:1。而特殊对P和不活跃分支B的距离只有不到2纳米，计算出的传输率至少是观测到的1000倍以上。造成两个分支传输效率不同的原因在于分支A叶绿素分子的DNA螺旋结构上有13个突变的基因。当人为的把这些突变全部去除后，分支A和B里的电子输运都停止了[3]。另外，非常令人惊奇的是，电子传输几乎只能是正向的。比如如果把最后一个分子 [公式] 去除，电子会从 [公式] 返回特殊对P。但是这个反向过程所需的时间是正向过程的约100万倍。「不让回头啊」。因此，生物体的结构几近完美！

光合作用将光能转化为化学能。光合作用即光能合成作用，是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和暗反应，利用光合色素，将二氧化碳和水转化为有机物，将光能转化成化学能储存在有机物中，并释放出氧气的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。植物之所以被称为食物链的生产者，是因为植物能够通过光合作用利用无机物生产有机物并且贮存能量。通过食用，食物链的消费者可以吸收到植物及细菌所贮存的能量，效率为10%~20%左右。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是植物赖以生存的关键。而在地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。

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