太阳能转换成生物能
太阳是地球能量的一个源泉。生物利用自身的机能,把太阳能转换成生物能,这种生物能又通过食物链转移到其他生物体内,促使万物生长,经过亿万年的演化,筑就了如今五彩缤纷的世界。那么,什么样的生物能将太阳能转换成生物能呢?
9.1.1 自养生物与他养生物
生物学家至今也没有统计出,现在全球有多少种生物,因为生物的分类是一种非常繁杂和困难的研究,而且分类的标准也争论颇多,很难统一。但是,若按生物吸收和制造、供其自身生长和繁殖所需的营养方式来分,则可以把它们分成两大类:①自养生物②他养生物。
(1)自养生物。不是通过摄食其他动植物体生长繁殖,而是靠自身通过光合作用或化学合成生长繁殖的生物是自养生物更抽象地说,能直接将物理能量或化学能量转化为有机物——生物能量的生物是自养生物。能将物理能量转换成生物能量的生物有藻类如蓝藻、绿藻、甲藻、沟鞭藻、鞭毛藻、硅藻等,海生植物如巨型海草和红树林等,陆生植物如云杉和牡丹等。能将化学能量转换成生物能量的生物有铁细菌和硫细菌等。
自养生物
(2)他养生物。直接通过摄食其他生物体生长和繁殖的生物为他养生物。也就是说,能将客体(他体)的生物能,转换成自身的生物能的生物就是他养生物。如老虎、狼、海豚、鲨鱼、螃蟹、鱼鹰、牦牛和蜜蜂等。
他养生物
9.1.2 光合作用
我们知道,自养生物分两种:一种是将太阳能转换成生物能的自养生物,另一种是将化学能转化为生物能的自养生物。能将太阳能转换成生物能的自养生物,它们都有一个“能量转换器”——叶绿素。太阳能通过叶绿素转换成生物能的整个过程,就是光合作用的全过程。
光合作用过程示意图
叶绿素在阳光的照射下,获得了太阳能。它利用所获得的太阳能将从根部吸收来的水分(当然还有营养盐),以及叶子从空气中吸收来的二氧化碳转换成有机物——有机碳、葡萄糖等养分——生物能,同时释放出氧气,这个能量转换的过程被称为光合作用。光合作用可以分成两部分:①光反应,主要是利用太阳能分解从根部吸收来的水,“制造”氢离子和氧气,并将氧气释放到空气中②碳反应(暗反应),利用太阳能将光反应的“成果”和从叶子吸收来的二氧化碳转变为有机碳——有机物、葡萄糖等养分——生物能。
叶绿素是人类的生命素,也是人类的“保护神”。因为,它不但给我们提供赖以生存的能量和氧气,而且还替我们“清除”全球变暖的元凶——二氧化碳。所以,我们应该像爱护我们的生命一样去保护叶绿素,保护全球的植物。
资料：
光合作用，即光能合成作用，是指含有叶绿体绿色植物、动物和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应，旧称暗反应，利用光合色素，将二氧化碳或硫化氢和水转化为有机物，并释放出氧气或氢气的生化过程。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。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-氧平衡的重要媒介光合作用，可分为产氧光合作用和不产氧光合作用。是绿色植物、和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物主要是淀粉，并释放出氧气的生化过程。同时也有将光能转变为有机物中化学能的能量转化过程。植物之所以被称为食物链的生产者，是因为它们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，这个过程是它们赖以生存的关键。而地球上的碳氧循环，光合作用是必不可少的。
结论：
植物依靠阳光进行光合作用，把太阳能转化成生物能。
总反应：CO2 + H2018 ——→ （CH2O） + O218
各步分反应：
光反应阶段（光能转换成ATP中活跃的化学能）
H20→H+ O2（水的光解）
ADP→ATP （递能）
暗反应阶段（ATP中活跃的化学能转化成有机物中稳定的化学能）
CO2+C5化合物→C3化合物（二氧化碳的固定）
C3化合物→（CH2O）+ C5化合物（有机物的生成）
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。
2.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。
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！
化学能的概念明确,生物能的概念不明确.
化学能存在于物质的化学成份之中.有生命活动时化学能存在,没有生命活动的时候化学能还存在.所以光合作用是将太阳能转化为化学能正确、恰当.
内能转化为化学能如发酵的过程。
光能转化为机械能如风的形成，阳光照射使空气温度不同、气压不同，空气就流动形成风，风能可以视为机械能的一种。又如太阳能电池驱动的各种工具，都是将太阳能转化为电能再转化为机械能的事例。
内能转化为电能如热电厂的发电设备。
2、中学常见的，有光照条件下，硝酸分解、卤化银分解等，因为这些分解反应都是吸热反应，而它们所吸收的热量来源于光能，当然可以视为光能转化为化学能。
