植物为什么没有将光合作用产生的ATP直接用于生命活动？ 第1页

这事大概要追溯到植物还没出现，叶绿体不是叶绿体，产氧光合刚刚诞生的时候

我们中学学习产氧光合时，依据对应的的生理活动是否依赖光能将整个反应分为光反应阶段和暗反应阶段。而在现有的进化理论中，产氧光合也可以拆分成两个阶段——研究发现一些光合细菌体内有着“半个”产氧光合系统(当然因为它们缺少放氧复合体蛋白，所以无法实现真正的产氧光合)

具体而言，我们熟悉的光合作用系统在它们这分成了两部分：一部分由光系统II、电子传递链和ATP合酶组成，负责将光能转化为ATP中的能量；另一部分由光系统I和固碳作用相关的酶组成，负责利用捕获的光能生成NADPH以固定游离碳

好吧细菌没有膜系统无法分隔化细胞，那说是两部分只要在一个细胞内那还是一个系统对吧？

问题就出在这里：两个系统是分别在不同的类群中发现的，或者说，同时拥有光合产能系统和光合固碳系统的细菌域类群只有蓝细菌一支

这样问题就部分得到解答了：如今我们见到的光系统是原本独立运作的两套光系统拼成的，一套终产物是ATP另一套是有机碳，而在后来的演化中系统逐渐将前者的能量转移入后者，就有了今天的产氧光合

但这样又引申出两个新问题：

• 为什么进化会倾向于将能量转移入固定的有机碳中？
• 为什么如今的光系统中，光系统I和II的占比会趋于1：1？

对于第一个问题，如另一个答案所言，ATP中的能量很不稳定，这有利于其为生理活动供能，但不利于能量的运输和存储

单细胞的光合生物没有运输的需求，因此最初促使生命将光合作用产生的ATP转移至固定碳中的选择压力更可能来自存储。单糖之于它们，可能就如同淀粉、糖原、脂肪之于动植物

第二个问题比较隐晦，但应该是题主真正想要问的问题：就算如上文所言，生命需要将一部分能量转化成易于存储或运输的形式，但也不用每份都如此。产生ATP的光系统II完全可以在数量上压倒性地超过合成[H]的光系统I，使叶绿体一边固碳一边像线粒体那样向外输出ATP，那事情为什么没变成这样？

那这就不得不提到那个东西的名字了

氧气

制约叶绿体中光系统I/II比例的因素很多，但氧气、游离氧以及产生的其他自由基是这其中的主导。氧的强氧化性对细胞结构的损害是所有暴露于含氧环境中的生物都要面对的问题，始作俑者的蓝细菌更是首当其冲。超量部署光系统II很容易使产生的活性氧超过生物体的处理上限，最终烧死自己

另外，过量的ATP和NADPH一样能损伤细胞，而我们卡尔文循环(暗反应)中固定二氧化碳的RuBP羧化酶又是出了名的低效，催化效率只有一般酶的0.3%，这就让细胞不能由着光系统疯狂产出氧气、ATP和NADPH，于是光系统I/II的比例就被压制到了1:1左右，刚好将光能全部转入有机物中；事实上即使是这样还不够，很多光合生物必须拿出另外的方案缓解氧气带来的损耗，比如光呼吸，比如积累花青素等抗氧化剂

综上，植物现存的光合作用过程首先是进化上两种光系统拼合痕迹的遗留，然后是存储能量，降低氧气生成量和提高吸收光能、固碳效率三重选择压力相互制衡的结果