自然界中能发生光合作用的生物一定具备光系统1和光系统2吗?

在你心中，是不是觉得“光合作用”这个词，就等于那课本上画得明明白白的两大步骤：光反应和暗反应？然后，“光反应”里又一定少不了光系统I和光系统II这两大核心角色？

其实，在大自然的奇妙花园里，事情并没有我们想象的那么板上钉钉。如果非要问“自然界中能发生光合作用的生物一定具备光系统I和光系统II吗？”，我想说，绝大多数情况下的答案是“是”，但总有那么一些特别的“例外”在等着我们去发现。

让我们先从“主流”开始讲起，也就是我们最熟悉的那一类——那些在地球上扮演着绿色生命基石的植物、藻类和蓝细菌。它们进行的光合作用，我们称之为产氧光合作用。之所以叫“产氧”，是因为在这个过程中，水分子被分解，释放出氧气来。

而要完成这个精巧的产氧过程，光系统I（PSI）和光系统II（PSII）这两位“搭档”简直是缺一不可，是真正的明星组合。

光系统II (PSII)：捕获光能的“第一棒火炬手”

想象一下，光线就像无数颗小小的能量子弹，射向叶绿素分子。PSII的任务就是第一个捕获这些光能，并且利用这些能量来做一件非常关键的事情：分解水。

这是怎么发生的呢？PSII内部有一个叫做“反应中心”的地方，它含有特殊的叶绿素分子（P680）。当P680接收到光能后，就会被“激发”，失去一个电子。这个电子的去向非常重要。

同时，PSII还含有一个被称为“放氧复合体（OxygenEvolving Complex, OEC）”的结构，里面有锰（Mn）、钙（Ca）等离子。OEC是分解水的“主事人”。它会不断地从水分子中夺取电子，以补偿P680失去的电子。这个过程，每一次夺取电子，都会伴随着一个质子（H+）的释放，并且最终，在完成四次电子夺取后，会生成一个氧气分子（O2）。这也就是我们呼吸的氧气的来源！

所以，PSII的关键作用就是：捕获光能，分解水，释放氧气，并产生一对电子和质子。它就像一个精密的“水分解器”。

光系统I (PSI)：接力传递的“能量放大器”

PSII产生的电子，并不会止步不前。它们会被一系列的电子传递体（比如质体醌、细胞色素b6f复合物等）沿着一条特定的路径传递。最终，这些电子会到达PSI。

PSI的反应中心含有另一类特殊的叶绿素分子（P700）。它同样能够捕获光能，并且被激发后失去电子。但与PSII不同的是，PSI并不是直接从水中夺取电子来补偿自己，而是接收来自PSII经过一系列传递过来的电子。

PSI捕获光能后，会将电子传递给另一个电子传递系统。在这个过程中，电子的能量被进一步利用，用来将NADP+还原成NADPH。NADPH是一种重要的还原剂，在光合作用的下一个阶段——暗反应中，它将提供能量和氢原子，用于将二氧化碳转化为糖类。

所以，PSI的关键作用就是：接收来自PSII的电子，再次捕获光能，最终将电子传递给NADPH的合成，为后续的碳固定提供能量储备。

产氧光合作用的“双引擎”

因此，对于大多数进行产氧光合作用的生物来说，PSII负责启动能量捕获和水分解，PSI则负责完成电子的二次传递和NADPH的生成。它们如同一个高效的“双引擎”系统，共同驱动着整个光合作用的进程，将光能转化为化学能。没有PSII，水就无法被分解，也就没有电子传递的起点；没有PSI，电子传递就无法最终形成NADPH，也就无法完成能量的储存。

那么，有没有例外呢？

正如我一开始提到的，大自然是充满惊喜的。在一些特殊的“角落”里，也存在着进行光合作用的生物，但它们走的却是另一条路线，我们称之为不产氧光合作用。

这群生物中，最典型的代表就是细菌。例如，绿硫细菌和紫细菌。它们也能利用光能来合成有机物，但它们的“能量来源”和“电子来源”却和植物、藻类等完全不同。

不产氧光合作用的“独行侠”：没有PSII，也没有O2

电子来源不同： 绿硫细菌通常利用硫化氢（H2S）作为电子供体，而不是水。它们会将硫化氢氧化成单质硫或硫酸盐，同时获得电子。紫细菌则可能利用一些有机物（如琥珀酸、硫代硫酸盐等）作为电子供体。

光系统的差异：
绿硫细菌通常只拥有一个光系统，这个光系统在功能上更接近于植物中的光系统I。它们能够捕获光能，并利用这些能量驱动电子从硫化物传递，最终生成ATP（另一种能量载体）和还原力（比如NADH）。
紫细菌则更复杂一些，它们的光合作用机制也存在多样性。一些紫细菌也主要依赖于一个类似PSI的光系统，但其具体的电子传递链和光捕获复合物可能与绿硫细菌有所不同。一些研究也提示，它们可能拥有一个特殊的、功能上与PSII有一定相似之处的中心，但其水分解能力和放氧能力是不存在的。

为什么这些生物没有PSII？

最根本的原因在于，它们不分解水，因此也就不需要PSII来完成水分解和放氧的功能。它们的电子供体是其他物质，其光系统也足以完成能量的捕获和转化，以合成有机物。

总结一下：

所以，回到最开始的问题：“自然界中能发生光合作用的生物一定具备光系统1和光系统2吗？”

对于我们最熟悉、也是数量最庞大的产氧光合作用的生物（植物、藻类、蓝细菌）来说，答案是“是”，它们两者缺一不可，是高效运作的“双引擎”。

但是，对于一些特殊的、进行不产氧光合作用的生物（如某些细菌），答案就不是绝对的了。它们可能只拥有一个光系统（功能上更接近PSI），并且能够利用非水物质作为电子供体来完成光合作用，它们并不具备PSII，也因此不产生氧气。

大自然就是这样，总是在我们以为的标准答案之外，藏着更多精彩的可能性。了解这些例外，更能让我们体会到生命演化的奇妙和多样性！

网友意见

不一定。进行产氧光合作用的地球生物具有光系统 Ⅰ 和光系统 Ⅱ，进行不产氧光合作用的地球生物具有单一光系统，既不是光系统 Ⅰ 也不是光系统 Ⅱ。

以下引自 G. Unden 的 Encyclopedia of Biological Chemistry (Second Edition), 2013 年：

Anoxygenic Photosynthetic Prokaryotes

Anoxygenic photosynthetic bacteria use only one photosystem for converting light energy into an electrochemical proton potential, which is then used for driving ADP phosphorylation. Anoxygenic photosynthetic bacteria are found in three different phylogenetic groups, which contain different photosynthetic systems: the purple bacteria, the green phototrophic bacteria with the subgroups of green sulfur bacteria (Chlorobiaceae) and Chloroflexus, and the Gram-positive Heliobacteria. The three groups show differences in the type of photosynthetic reaction center, photosynthetic electron transfer and the electron donors, pigments, and the pathway for CO2 fixation. In anoxygenic photosynthesis, light is used to raise electrons to a more electronegative redox potential and to feed the electrons into a cyclic electron transport to generate a proton potential. The bacteria contain only one reaction center in contrast to oxygenic photosynthesis in cyanobacteria, green algae, or plants. The photosystems of anoxic photosynthesis transfer the electrons either to quinones or to ferredoxin (quinone-type- or FeS-type reaction centers). The archaeon Halobacterium salinarum, on the other hand, contains a proton pump that is directly driven by light to translocate protons over the membrane without involvement of photosynthetic electron transport. In contrast to the photosynthetic bacteria that use chlorophyll containing proteins for photosynthesis and energy conversion, Halobacterium contains bacteriorhodopsin with retinal as a chromophore for light absorption and conversion to an electrochemical proton potential.

另外，某些蚜虫和叶螨似乎可以吸收少量太阳辐射产生 ATP。那似乎还没发展为光合作用。

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