自然界到处都有二氧化碳、水和阳光。然而，只有具有叶绿体的细胞才能利用它们合成有机物。没错，完成这一过程的就是叶绿体。
科学家探究光合作用原理长期以来，科学家为探究光合作用的原理做过大量的实验。
1779年，英国人简·英格豪斯将薄荷放进了密闭的、无氧气的容器内，观察到几天后它使空间内的空气重新支持燃烧。对此，他发表了这一发现，使光合作用初具雏形。
随着生物体的主要供能物质——葡萄糖的发现和命名，后人开始研究二氧化碳、水、氧气与有机物间的关系。
直到19世纪末，科学界普遍认为：
在光合作用中，CO2中的碳、氧被分开，O2被释放，C与水分子结合成甲醛，进而缩合成糖。
并得到一个实际上并不完全正确的反应式：
6CO2 6H2O → C6H12O6 6O2
1928年，科学家发现甲醛对植物有毒害作用，而且它不能通过光合作用转化成糖。
1937年，英国人希尔发现已离体的叶绿体能在适当条件下发生水的光解产生氧气，这个反应后来被称作希尔反应。
1941年，美国人鲁宾和卡门用同位素标记法证实了氧气的来源。他们设计了两组实验，分别用氧16的同位素氧18标记二氧化碳和水。在其他条件都相同的状况下，第一组释放的氧气仍由氧16构成，第二组的则由氧18构成。
1946年，美国人卡尔文开始探究CO2中的碳原子在光合作用中的去向。他用当时刚发现不久的放射性核素碳14去标记CO2，供小球藻进行光合作用。历时9年，他最终探明了整个过程，暗反应阶段的两个关键物质3-磷酸甘油酸与核酮糖-1,5-二磷酸及它们之间持续不断的循环都是被他发现的。他因此获得1961年诺贝尔化学奖。这个循环过程现在被称作卡尔文循环。
美国人阿尔农1954年发现，叶绿体在光照下可合成ATP。1957年他又发现这一过程总是伴随着水的光解。
光合作用全过程来了大量的事实表明，氧气的产生和糖类的合成不在同一个反应，它们是在不同的阶段进行的。实际上，光合作用的全过程很复杂，它可以分为光反应和暗反应两个阶段。
1、光反应
光反应阶段是光合作用的第一阶段，必须有光才能进行。
在这一阶段，水分子中的化学键断裂，氢与氧分离。氧以氧分子的形式直接释放，氢与氧化型辅酶2结合成还原型辅酶2，并接收被4种光合色素吸收的能量。与此同时，ADP也接收能量，并与磷酸基团脱水缩合成ATP。接收了能量的ATP与还原型辅酶2将参与暗反应阶段。
反应式：
2H2O → 4H＋O2
4C13H26N7O16P3 4H → 4C13H27N7O16P3
2、暗反应
暗反应阶段是光合作用的第二阶段，有没有光都能进行。它是合成有机物的阶段，化学反应复杂。
第一步：固定CO2，反应式为：
C5H12O11P2 CO2 H2O → 2C3H7O7P
二氧化碳和水分别将两个C3羧化。
第二步：C3被还原型辅酶还原，变成了。
氢把“C3”还原并释放一分子水。
于是“C3”从磷酸甘油酸变作磷酸甘油醛，每还原一分子“C3”就释放一分子水。同时“C3”接收来自还原型辅酶和ATP的能量。
反应式：
2C13H27N7O16P3 → 2C13H26N7O16P3 2H
C3H7O7P 2H → C3H7O6P H2O
第三步：合成有机物。
每2个“C3”反应可形成一分子葡萄糖。
“C3”脱磷酸合成葡萄糖的过程
这还没完，它会在离开叶绿体后脱水缩合变作蔗糖或淀粉。
反应式：2C3H7O6P 2H2O → C6H12O6 2H3PO4
第四步：重新变回C5。
每5个“C3”反应可生成3个“C5”，中途回收被第三步抛弃的磷酸，并脱出一分子水。5个C3以与合成葡萄糖一样的方式首尾相连，形成头是—CHO、尾是—CH2OH、中间是一长串—CH2O—、由15个碳原子组成的长链。这条链再平均分成3份，通过磷酸基团的回收和转移与氢原子的转移，成为3个“C5”。这些“C5”又可以继续参与CO2的固定。
反应式：5C3H7O6P H3PO4 → 3C5H12O11P2＋H2O
注：反应式中未显示ADP与ATP间的转化。
3、总结
实际上，19世纪末科学界流行的那个反应式，仅仅是上述反应式的概括，它鲜明地表示了光合作用的原料（CO2与H2O）和产物（糖类与氧气）。使光合作用能够正常进行的要素有6个，它们是：原料→水、二氧化碳，动力→光能及其“猎手”→四个光合色素，场所→叶绿体，以及催化剂→众多的酶。影响它们的因素就是影响光合作用乃至植物体生存的因素。光反应和暗反应紧密联系，能量转化与物质变化密不可分。光合作用产生的有机物不仅供植物自身利用，还养活了你我在内的所有异养生物。
光合作用涉及的物质1、无机物：水，无色无味的透明液体，可在地球以3种状态存在。光合作用原料，参与光反应阶段。
2、无机物：二氧化碳，大气中的主要温室气体。光合作用原料，参与暗反应阶段。
3、无机物：磷酸，暗反应阶段中“C3”合成糖类时水解形成，最终被回收以参与C3合成C5的过程。同时，它也参与ADP与ATP相互转化的过程。
4、单质：氧气，光反应阶段的产物，在大气中占21％，有氧呼吸不可缺少的物质。
5、有机物：叶绿素，叶绿体内的光合色素，主要吸收红光和蓝紫光。叶绿素a（C55H72N4O5Mg）与叶绿素b（C55H70N4O6Mg）的结构上的区别只在于前者第3个C是甲基（CH3），后者则是醛基（CHO）。
6、有机物：叶黄素（C40H56O2），萜类化合物，呈黄色。叶绿体内的光合色素，吸收蓝紫光。
7、有机物：胡萝卜素（C34H54），萜类化合物，呈橙黄色。维生素A1前体。叶绿体内的光合色素，吸收蓝紫光。
8、有机物：氧化型辅酶2（C13H26N7O16P3 ），在光反应阶段中用于接收来自4种光合色素的能量，并与从水分离出的氢原子结合成还原型辅酶2。
9、有机物：还原型辅酶2（C13H27N7O16P3），光反应阶段中形成，用以在暗反应阶段给“C3”提供氢原子和能量。
10、有机物：ADP（C10H16N5O10P2），在光反应阶段中接收来自光合色素的能量并与磷酸基团结合转化为ATP。
11、有机物：ATP（C10H17N5O13P3），光反应阶段中形成，用以在暗反应阶段给“C3”额外提供能量。
12、有机物：核酮糖-1,5-二磷酸（C5H12O11P2），卡尔文偱环的3种关键物质之一，合成糖类时“C3”聚合的产物，即所谓的“C5”，它参与固定二氧化碳并分成2个“C3”。
13、有机物：磷酸甘油酸（C3H7O7P），卡尔文循环的3种关键物质之一，“C5”结合二氧化碳后的分解产物，后接收能量并被还原型辅酶2还原。
14、有机物：磷酸甘油醛（C3H7O6P），卡尔文循环的3种关键物质之一，磷酸甘油酸被还原型辅酶2还原的产物，6分之1参与合成糖类，6分之5重新变回“C5”。
15、有机物：葡萄糖（C6H12O6），卡尔文循环的直接产物，它可能会在离开叶绿体后脱水缩合成为淀粉。
16、酶。光合作用有众多的酶参与，每一个细节都有一个相应的酶在催化。催化光反应阶段的酶在类囊体膜上，催化暗反应阶段的酶则悬浮于叶绿体基质中。
