能量转换是构成生物圈基础的代谢反应的重要组成部分。所有生物体都需要可用能量（吉布斯能量）来维持新陈代谢、生长和繁殖。在生物圈最重要的能量来源中，光合作用位居首位[Sabater and Skene, 2022; Johnson, 2016; Bryant and Frigaard, 2006]。正因如此，光合作用的出现对生命进化具有极其重要的意义[Shih, 2015; Murphy and Cardona, 2022]。它为生命提供了大量的可用能量，为后来生命形态的诞生奠定了基础。
叶绿素是光合作用中不可或缺的关键成分[Mandal and Dutta, 2020; Scheer, 2022]。人们已经对叶绿素的化学性质、生物合成途径及其在光合作用中的作用进行了大量研究[Gao et al., 2024; Saga et al., 2025]，但目前还尚未有过针对叶绿素的热力学分析研究。了解叶绿素的热力学性质有助于我们更深入地理解其生物合成过程和进化历程。
可以从不同角度看待生物体。传统上，对生物体结构与功能的研究属于生命科学和生物医学研究的范畴。但从最简单的细胞、亚细胞结构到复杂的多细胞生物，这些生物体都可以被视为化学实体[Wimmer, 2006; Ozilgen and Sorguven Oner, 2016; Popovic et al., 2025b]。每个生物体都有对应的经验公式和热力学性质[Popovic et al., 2025a, 2026]。生物/化学实体会与其所处的环境以及其他生物体发生相互作用，这些相互作用属于生物或物理化学性质的互动。和自然界中的所有过程一样，这些过程也必须有驱动力[Demirel and Gerbaud, 2019; Balmer, 2010; Skene, 2015]，而这种驱动力通常来自物理力和化学力。
一些微观和宏观分子是构成生物体的结构元素或功能元件，叶绿素就是其中至关重要的一种分子，它能够推动能量在生物体系统内的流动[Berg et al., 2002; Eckardt et al., 2024; Stirbet, 2020; Dragicevic and Sredojevic, 2011]。正因如此，叶绿素的生物合成及其出现不仅对自养生物至关重要。正是有了叶绿素，能量流动才成为可能，而能量流动则是维持现有生命形式存在的基础。因此，叶绿素可被视为生物体进化过程中的关键环节之一。
图1和图2展示了叶绿素生物合成的相关反应。图1呈现的是由谷氨酸生成原卟啉环的生物合成反应。在反应R.1中，谷氨酸的羧基会被转化为谷氨酸-1-半醛的醛基，这一过程由谷氨酰-tRNA合成酶（EC编号6.1.1.17）和谷氨酰-tRNA还原酶（1.2.1.70）催化。随后，在反应R.2中，谷氨酸-1-半醛会在谷氨酸1-半醛氨基转移酶（5.4.3.8）的催化下发生重排，生成δ-氨基乙酰丙酸（此时氨基和醛基的位置会发生互换）。之后，两分子δ-氨基乙酰丙酸会在卟啉原合成酶（4.2.1.24）的催化下发生缩合，生成卟啉原，在反应R.3中完成。接着，四分子卟啉原会在羟甲基胆烷合成酶（4.3.1.8）的催化下结合，形成羟甲基胆烷，在反应R.4中完成。
在反应R.5中，羟甲基胆烷会在尿卟啉原III合成酶（4.2.1.75）的催化下发生环化反应，生成尿卟啉原III。随后，在反应6中，尿卟啉原III会在尿卟啉原III脱羧酶（4.1.1.37）的催化下脱去羧基，生成粪卟啉原III。再之后，在反应7中，粪卟啉原III会在粪卟啉原III氧化脱羧酶（1.3.3.3）的催化下发生氧化脱羧反应，生成原卟啉原IX。在反应8中，原卟啉原IX会在原卟啉原IX氧化酶（1.3.3.4）的催化下被氧化，形成原卟啉IX。在反应9中，镁离子会在镁螯合酶（6.1.1.1）的催化下结合到原卟啉IX中，生成镁结合的原卟啉IX。
图2展示了将镁结合的原卟啉IX转化为叶绿素a和叶绿素b的反应过程。叶绿素的生物合成可以通过光依赖途径或光独立途径实现，具体内容将在后文阐述。所有含有叶绿素的生物体都具备光依赖途径[Beale, 2009; Willows, 2007]，被子植物和一些藻类也能利用光独立途径[Beale, 2009; Willows, 2007]。在反应R.10中，镁结合的原卟啉IX的羧基会被镁-原卟啉IX甲基转移酶（EC编号2.1.1.11）催化，发生酯化反应，生成镁结合的原卟啉IX单甲酯。随后，在反应R.11中，镁结合的原卟啉IX单甲酯会在镁-原卟啉IX单甲酯环化酶（1.14.13.81）的催化下发生环化反应，生成二乙烯基原叶绿素a。
二乙烯基原叶绿素a转化为叶绿素a的过程，是光依赖途径和光独立途径的分水岭。光依赖途径通过反应R.12LD和R.13LD实现：在反应R.12LD中，二乙烯基原叶绿素a会在光依赖型原叶绿素氧化还原酶（EC编号1.3.1.33）的催化下被还原为二乙烯基叶绿素a；而在反应R.13LD中，二乙烯基叶绿素a又会在这种酶的催化下进一步被还原为叶绿素a。光独立途径则通过反应R.12IN和R.13IN实现：在反应R.12IN中，二乙烯基原叶绿素a同样会在二乙烯基（原）叶绿素乙烯还原酶（1.3.1.75）的催化下被还原为原叶绿素a；而在反应R.13IN中，原叶绿素a会再次在该酶的催化下被还原为叶绿素a。
叶绿素a会进一步转化为叶绿素a和叶绿素b。在反应R.14中，叶绿素a会与植醇二磷酸发生酯化反应，直接转化为叶绿素a，这一反应由叶绿素合成酶（EC编号2.5.1.62）催化。要生成叶绿素b，则需要先在反应R.15中让叶绿素a被叶绿素a氧酶（1.14.13.122）催化氧化为叶绿素a衍生物，之后再在反应R.16中，该衍生物会与植醇二磷酸发生酯化反应，最终生成叶绿素b，这一反应同样由叶绿素合成酶催化。关于叶绿素生物合成途径的更多生化信息，可参考[Beale, 2009; Willows, 2007]的相关研究。
本文的目的是对叶绿素分子以及其生物合成过程进行化学和热力学层面的特性分析。热化学方程式可以反映叶绿素生物合成过程的自发程度，同时也能说明这一过程对于地球上的生命形成而言是不可或缺的。
