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光合作用是植物最重要的生理过程之一。植物通过叶片中的叶绿体，利用太阳光能，将空气中的二氧化碳和根部吸收的水分转化为葡萄糖等有机物，同时释放氧气。这个过程不仅为植物自身提供能量和营养，也为地球上的其他生物提供了氧气和食物来源。
光合作用的第一步是原料吸收。植物需要两种主要原料：二氧化碳和水。叶片表面有许多微小的气孔，这些气孔可以开闭，当气孔张开时，空气中的二氧化碳就会进入叶片内部。同时，植物的根系在土壤中不断吸收水分和矿物质，这些水分通过维管束运输到叶片，为光合作用提供必需的原料。
光反应是光合作用的第一个阶段，发生在叶绿体的类囊体膜上。当阳光照射到叶片时，叶绿素等光合色素吸收光能，激发电子到高能级状态。在光能的驱动下，水分子被分解，产生氧气、氢离子和电子。这个过程同时合成ATP和NADPH两种高能化合物，为下一阶段的暗反应提供能量和还原力。氧气作为副产物释放到大气中。
暗反应也称为卡尔文循环，在叶绿体基质中进行，不需要直接光照但需要光反应的产物。这个循环分为三个阶段：首先是二氧化碳固定，CO₂与五碳化合物RuBP结合形成六碳不稳定化合物，立即分解为两分子三碳化合物3-磷酸甘油酸。然后是还原阶段，利用光反应产生的ATP和NADPH，将3-磷酸甘油酸还原为3-磷酸甘油醛。最后是再生阶段，大部分3-磷酸甘油醛用于再生RuBP维持循环，少部分合成葡萄糖等有机物。
光合作用产生的葡萄糖有多种用途：一部分直接用于植物的生长发育和生命活动，提供能量；一部分转化为淀粉储存起来，作为能量储备；还有一部分用于合成纤维素，构建植物的细胞壁。光合作用的生态意义极其重大：它为地球上几乎所有生物提供氧气，是整个食物链的基础，维持着大气中氧气和二氧化碳的平衡，并将太阳能转化为化学能储存在有机物中。可以说，光合作用是地球生命存在的基础。