光合作用在计算中直接被忽略掉？赵斌答“我是科学家”演讲观众问

　　第35期“科普中国-我是科学家”演讲现场，观众向赵斌提问：“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？”

　　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。