植物的光合作用與呼吸作用

前陣子收到「科學少年」的編輯來了一封信，提到有讀者問了一個問題

「植物自己也要吸氧氣，吐出二氧化碳，那怎麼還有多的氧氣給我們吸呢？就算它們也會吸二氧化碳吐氧氣。」

這個問題其實蠻有意思，但是很少人會去想這麼多；畢竟最早開始研究植物的科學家們就發現植物白天會吐出氧氣，所以大家好像就想當然耳地這樣接受了！我還遇到過不認為植物會進行呼吸作用的同學呢！植物當然會進行呼吸作用，那麼為什麼還可以呼出氧氣呢？

1. 在白天，植物的光合作用的確比呼吸作用要旺盛許多，這可以從許多光合作用的研究看得出來。科學家可以很容易測量到光合作用產生的氧氣，雖然會因為呼吸作用被抵銷掉一部份，但整體來說產生的氧氣還是多於二氧化碳的。科學家曾研究幾種草本植物後發現，光合作用所產生的糖，大約有三成到六成被呼吸作用用掉了[1]；不過植物只在有光的狀況下進行光合作用、而呼吸作用則是一天二十四小時都在進行；所以整體來說，在有光線的時候，當然光合作用所產生的氧氣一定是用不完會釋放到空氣中的喔。
2. 植物的呼吸作用不像動物的那麼旺盛。這可以從幾個面向來看：（1）植物不會動，所以不需要這麼多的能量；（2）植物不是內溫生物，體溫會隨著外界的變化而變化，所以不需要消耗能量去維持體溫；（3）成熟的植物細胞中間有個很大的液泡（vacuole），佔據了90%的體積；另外每顆植物細胞外面都有細胞壁。細胞壁完全不消耗能量，而液泡沒有粒線體[1]。因此，植物的代謝率比脊椎動物（人類就是脊椎動物）要低許多[2]。
3. 因為葉綠體也可以產生能量（ATP），加上陽光是不要錢的能源，而粒線體的細胞呼吸作用需要消耗植物自己合成的醣類才能產生能量，對自營生物（就是什麼都要靠自己合成的生物，如植物就是）來說，只要是自己所合成的物質都是昂貴的資源，能不消耗就盡量不要消耗；因此在白天或有光線的時候，植物一定會優先使用由葉綠體產生的ATP。當然，不能進行光合作用的組織（如植物的根），就只能消耗資源、進行呼吸作用了。

許多研究都發現，植物細胞內的粒線體平均數量不僅比動物的要少了大約五倍[3]，每個粒線體裡面內膜的縐折（cristae）數目也比動物的粒線體要少很多。因為細胞呼吸作用在粒線體內膜上進行，過去的研究已經發現，越是需要產生能量的細胞，其粒線體內膜的縐折就越多；如肌肉細胞的粒線體內膜的縐折就比肝臟細胞粒線體內膜的縐折要多很多。雖然粒線體除了產生能量之外，也參與許多重要的代謝，因此植物細胞還是少不了它；但因為植物的粒線體主要的功能並不是產生能量，所以內膜的縐折就大為減少了。

上面講的都是在有光的時候發生的事情，到了晚上因為沒有光線不能進行光合作用，植物當然就只能吸收氧氣呼出二氧化碳囉！

[1].Taiz L. et. al., 2010. Plant Physiology and Development. 6th ed. Sinauer. p.341
[2]. Makarieva et. al., 2008. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105(44):16994–16999
[3]. Cole L. W. 2016. Frontiers in Cell and Developmental Biology. http://dx.doi.org/10.3389/fcell.2016.00085