【温故知新】光合作用中的“光”

地球上生命赖以生存的能量来自太阳，光合作用是能够利用这种能量的唯一生物学途径，地球上大部分的能源都来自于近代或古代的光合作用（化石燃料）。今天我们将带您了解下光合作用的基础--“光”的性质。

光具有波粒二象性

20世纪早期，物理学的一个重要发现是认识到光具有波粒二象性。波的特性用波长（wavelength）表示，即希腊字母λ，表示两个连续波峰间的距离（图1）。频率（frequency）用希腊字母ν表示，表示在特定时间内经过观察者的波峰数。用一个简单的等式可以描述波长、频率和波速之间的关系：波速=波长×频率，即C=λν；式中，C为波速，在此处表示光速（3.0×10⁸ m/s）。光波是横向传播（侧对侧）的电磁波，电场和磁场在与波的传播方向垂直的方向振荡，两个场彼此之间也呈90°夹角。

图1 光是横向传播的电磁波，它由与光的传播方向垂直且相互垂直的振荡电场和振荡磁场组成。光以3.0×10⁸ m/s的速度传播，波长（λ）表示两个连续波峰间的距离。

光同时也是粒子，我们称之为光子（photon）。每个光子含有一定能量，称为量子（quantum，普朗克量子）。光能并不连续，而是以离散包—量子的形式传递的。根据普朗克定律，光子的能量（E）取决于光的频率： E=hν ；式中，h为普朗克常数（6.626×10^-34 Js）。

图2 电磁波谱。波长（λ）和频率（ν）呈负相关。我们的眼睛只对其中很窄范围的辐射波长敏感，即λ为400（紫）~700（红）的可见光区域。短波长（高频率）光具有高能量，长波长（低频率）光具有低能量。

太阳光就像含不同频率光子的“光子雨”，我们的眼睛只对其中很小的频率范围—电磁波谱的可见光区域敏感（图2）。较高频率的光（或较短波长的光）在光谱的紫外区，较低频率的光（或长波光）在红外区。图3中显示了太阳辐射的能量和照射到地球表面的能量密度。叶绿素a的吸收光谱（图3中的绿色曲线）大致表示了被植物所利用的那部分太阳能。

图3 太阳光谱和叶绿素吸收光谱的相关性。曲线A表示不同波长处的太阳辐射能。曲线B是照射到地球表面的能量。在波长大于700nm的红外区域骤然下降的谷代表以水蒸气为主的大气层分子吸收的太阳能。曲线C是叶绿素的吸收光谱，它在蓝光（波长约为430nm）和红光（波长约为660nm）区域有强烈吸收。由于可见光区中部的绿光未被有效吸收，故多数绿光被反射进我们眼中，赋予植物特征性的绿色。

吸收光谱（absorption spectrum）可反映分子或物质吸收不同波长光的光能量信息。在无吸收的溶剂中，特定物质的吸收光谱可以用图4所示的分光光度计进行测定。（分光光度计是测定样品吸光度的一种方法）

图4 分光光度计的示意图。仪器由一个光源、一个内含棱镜之类波长选择装置的单色仪、一个样品架、一个光电探测器和一个记录仪（或电脑）组成。单色仪的输出波长随着棱镜的旋转而改变；吸收值（A）针对波长（λ）作图即为光谱。

（知识分享于《植物生理学（第四版）》（科学出版社-宋纯鹏等译））