質量守恆？一盆土長了個2斤南瓜，土沒有減少，南瓜質量哪來的？

其實這就是大吃貨帝國子民到處種菜的原因，只要有一捧土，咱中國人就能種出一棵菜來，可以說它是我們辛勤汗水的結晶，也可以說它是大自然的饋贈，那麼它違反質量守恆定律了嗎？

答案是沒有，那麼這些質量是哪裡來的呢？

植物是怎麼生長起來的？

記得中學我們就學過非常經典的海爾蒙特的柳樹實驗，他為了搞清楚柳樹到底是怎麼生長起來的，做了一個著名的試驗，用200磅烘乾過的土壤和一顆5磅的柳樹，放入一個瓦罐，然後只澆水，5年後這顆柳樹長到了169磅又3盎司，海爾蒙特將瓦罐中的泥土烘乾稱重，發現還是200磅！

所以海爾蒙特認為柳樹的生長只需要水和空氣，因為泥土沒有少麼，但問題是柳樹它怎麼就能將水和空氣變成柳葉和柳枝呢？這到底是個什麼過程？

光合作用

海爾蒙特在1642年完成柳樹實驗時，他並不知道光合作用，但他已經意識到柳樹的成長主要來自空氣和水，不過他忽略了土壤中的各種無機鹽以及並不知道空氣中二氧化碳和陽光的作用。

海爾蒙特

一直要到200多年後的十九世紀末才被美國Charles Reid Barnes定義在教科書中，將植物百年來科學家們發現的二氧化碳和水以及陽光的各種作用定義為光合作用，這個作用非常神奇，植物只需要水和陽光及二氧化碳（概略理解），就能合成碳水化合物的過程！

碳水化合物就是由碳、氫和氧三種元素組成，這是自然界中存在最多、具有廣譜化學結構和生物功能的有機化合物，因為它含的氫氧的比例為二比一，和水一樣，所以被稱為碳水化合物！

不過很多時候我們將碳水化合物稱為糖，糖有很多種，比如單糖，二糖和多糖等，植物中有糖嗎？其實植物中的纖維素就是一種多糖，化學通式為(C6H10O5)n，是由幾百至幾千個β(1→4)連接的D-葡萄糖單元的線性鏈（糖苷鍵）組成的多糖！

光合作用是怎麼合成碳水化合物的呢？

似乎很簡單，大致的過程就這麼簡單：二氧化碳+水+光能→葡萄糖+氧氣+水

但事實上植物化學作用過程非常複雜，而其中必須有葉綠體來參與，葉綠體在陽光的作用下，在葉子的氣孔內吸收二氧化碳和從根部吸收的水轉變成葡萄糖，同時釋放出氧氣！其反應過程如下：

12H2O + 6CO2 -hv→ (與葉綠素產生化學作用)C6H12O6 (葡萄糖) + 6O2 + 6H2O

不過有一點要注意下的是，植物釋放的氧氣來自水，而不是氣孔吸收的二氧化碳，這是1930年範尼爾對紫硫菌的研究中發現的！植物的光合作用可以分兩個過程，分別是：

12H2O +陽光→ 12H2 + 6O2 [光反應]

12H2 (來自光反應) + 6CO2 → C6H12O6 (葡萄糖) + 6H2O [碳反應]

當然這只是簡單了解，植物光合作用過程非常複雜！

類囊體膜上的非循環電子傳遞鏈。

另外植物中還有礦物質，但比例比較低，因此海爾蒙特沒有測量出來也屬正常，畢竟當時的稱重也不是那麼精確！所以一盆土裡種一顆南瓜，當南瓜長大時，其實土還真輕了一丟丟，只是很難察覺罷了！而南瓜的主要質量則來自水、空氣以及陽光，當然還有一丟丟礦物質！

當然它也沒有違反質量守恆定律，質量守恆說的是參與反應的各物質的質量總和等於反應後生成各物質的質量總和，儘管後來的質能守恆描述的更全面一些，但在日常中已經足夠了！南瓜的生長符合質量守恆，因為它所有物質都來自於自然界，它並不能創造出物質，它只是轉換了物質！

植物的光合作用到底有多強大？

植物通過光合作用，利用無機物生產有機物並且儲存在體內，這個效率大約能達到6%，其實這就是太陽能轉換效率，聽上去這個效率很低不是嗎？我們現代太陽能電池輕鬆可以達到20%以上，見下圖：

最差的效率也在22%以上，這植物的6%算個毛是吧！但各位千萬不要忘記了，地球上最早的藍菌出現在二十幾億年前，它們的出現導致了地球的大氧化事件，這對地球非常重要，因為這個過程讓地球從厭氧性生物向喜氧性物種轉變，後來地球上出現所有的所有生物都以喜氧性生物為主！

地球上的植物大約是在寒武紀開始大規模佔領地球的，覆蓋率大概是陸地面積的一半以上，當然還有海洋中能提供光合作用的藻類等（海洋覆蓋了地球71%面積），而地球上最早的煤礦就是從寒武紀開始的，而找到的石油也是在寒武紀的沉積層以後！

石油、煤炭、天然氣在一次能源中的佔比

簡單了理解，我們現在的化石能源（石油、煤炭、天然氣等）都來自植物的光合作用，固化大氣層中的碳，儲存在植物體內，因為碳氫化合物中碳佔比是很高的，這些化石能源奠定了人類文明的能源基礎！

但有另一點也不要忘了，光合作用的植物是食物鏈的最底端，它們的存在才讓動物可以開始一層層的形成龐大的種群體系，最終人類才能站在最頂端傲視群雄，可以這麼說，光合作用也是人類文明真正的根基！