光合作用的奥秘！
光合作用的伟大成就是今天的人类技术也无法达到的，它发明了一种催化剂，可以消耗最少的能量——仅用温和的阳光，就把氢从水分子中剥离。到目前为止，人类穷尽其智慧，也无法让分离水分子使用的能量，少于反应释放出来的能量。如果有一天我们可以成功地模仿光合作用，仅用一些简单的催化剂，就能把氢分子从水分子中剥离出来，那就可以解决当前的能源危机了。
到那时只要燃烧氢气就能供应全球能量需求，而产生的唯一废弃物就是水，既不污染环境，也没有碳足迹，更不会造成全球变暖。但是这可不是件简单的事，因为水分子的原子结合得非常紧密。看看海洋就知道了，就算是最强的暴风吹袭、海水猛力拍打峭壁的力量，都无法把水分子敲碎，变成组成它的各种原子。水可以说是地球上最独特却又最遥不可及的原料了。
光合作用的核心概念，或它的行动方针，就是所谓的“Z型反应”，它让所有念生物化学的学生既佩服又恐惧。才华横溢但个性羞怯的英国生化学家罗宾·希尔，在1960年率先提出了该反应机制，被他称为光合作用的“能量简历”。光合作用，顾名思义就是要合成东西，不只合成有机分子，同时还合成生命的“能量货币”——ATP。出乎意料的是，两者似乎有某种偶联关系，光合作用合成越多有机分子，也就产生越多的ATP，反之亦然（如果有机分子产量降低，ATP也会跟着减少）。显然太阳慷慨地同时提供了两份午餐。
如同希尔难懂的语言风格，Z型反应这个名称其实也有误导之嫌。字母Z其实应该转90度变成N，才是对光合作用能量变化比较精确的描述。先看看N左边那垂直上升的一笔，这代表一个吸能反应，要由外界提供能量让它进行。接着成对角线的下斜笔画则代表一个放能反应，它放出的能量将被撷取，并以ATP的形式储存起来。最后上升的一笔又是一个吸能反应，又要靠外界提供能量。
光合作用的两个光系统——光系统Ⅰ和光系统Ⅱ，刚好就位于字母N的两根支柱的底部。一个光子撞击光系统Ⅰ，将一个电子激发到比较高的能级，接着这个电子的能量会像下楼梯一样，经由许多反应释放出来，刚好用来合成ATP。当电子降到低能级时正好来到光系统Ⅱ，而第二个光子又再度将这个电子激发到高能级，此时电子会直接传给二氧化碳去合成糖。下图像游乐园里的力量测试游戏机的漫画，可以帮助我们了解整个过程。在图中打击者用一个槌子敲击跷跷板，让另一端的金属环往上冲，传给站在顶端的人。在这个游戏机里，槌子提供能量激发了金属环，而在光合作用里阳光做了这件事。
光合作用的概念其实很简单，就是电子的问题。在二氧化碳里面加入一些电子，再加入一些质子（氢原子核）来平衡电性，会发生什么事？嘿！和变魔术一样，会跑出一个糖！糖是有机分子，也是我们所有食物的来源。
但是电子要从哪里来？如果用一点阳光来获取，那么很多东西都可以产生电子。在我们所熟悉的产氧光合作用里面，电子来自水分子。
叶绿体是植物体内萃取电子的地方。这是一个绿色的微小结构，广泛存在于各种树叶与绿草等植物细胞中，同时也让它们显得绿油油。叶绿体之名来自让它变成绿色的色素，也就是叶绿素，叶绿素可以吸收太阳能进行光合作用。叶绿体里面有一堆精致的薄膜所组成的扁平盘状系统，薄膜上布满了叶绿素。这些盘状结构堆在一起，看起来就像科幻小说里外星人的加油站。每个加油站之间有许多管子相连，它们从各种方向各种角度接进来，占满了整个空间。在这些盘状结构里进行着伟大的工作，把电子从水中抓出来。
要把电子从水中抓出来并不容易，而植物也费了很大的劲来做这件事。从分子的立场来看，执行光合作用的蛋白质和色素复合体非常巨大，简直抵得上一座小型城市。其工作方式就是上一篇介绍的“Z型反应”。整个过程迂回难解，但是它背后却有个很好的理由。因为如此一来既可以从水中取出电子，又可以将二氧化碳合成糖，除此之外，化学上怕是别无他法。这主要关系到电子转移的本质，或用术语来说是某些特定化合物对电子的化学亲和力。
因为水分子极为稳定，意味着电子和水分子的亲和力极高。要从水中偷走电子，就需要非常大的拉力，或者说，需要一个很强的氧化剂。这个强力氧化剂就是处于贪婪状态的叶绿素。然而一般来说，很会抢的人就不容易放手。一个分子如果很会抢电子，在化学活性上就很不喜欢丢电子，这种形态的叶绿素也是如此，当它被太阳能活化之后就拥有把电子从水中抢走的能力，但是不轻易把电子送人。用化学术语来说，它是一个强氧化剂、弱还原剂。
二氧化碳面临的问题完全相反。它本身也是一个非常稳定的分子，所以不太想再被塞进多余的电子。除非旁边有一个很强的推电子者，二氧化碳才会不得不吞下这个电子，用化学术语来说就是要有一个强还原剂。这就需要另一种形态的叶绿素，它叫作NADPH，可以算是叶绿素集团的共犯，NADPH最终会把电子硬塞给二氧化碳。
这就是为什么在光合作用里面要有两个光系统，而且一点都不稀奇，它们一个拉一个推。一个执行光反应，一个执行暗反应，环环相扣让产氧光合作用运作起来。