Fotosynteza jest procesem polegającym na wbudowywaniu nieorganicznego związku węgla, jakim jest jego dwutlenek (CO2) do związków organicznych: cukrów, białek, lipidów i witamin. Organizmy fotosyntetyzujące to rośliny, algi, sinice i pewne bakterie. Nazwa procesu pochodzi od greckiego słowa 'phos' (światło) i wyrazu "synteza". Za początek badań nad fotosyntezą uważa się rok 1630, kiedy van Helmont dowiódł, że rośliny substancje potrzebne im do wzrostu czerpią tylko w nieznacznej mierze z ziemi. Pod koniec XVIII wieku Anglik Priestley zasłynął z odkrycia, że roślina może naprawić powietrze zepsute przez palącą się świecę. Zamykał pod szczelnym kloszem obok zapalonej świecy mysz, która padała z uduszenia, chyba że powietrze zostało "naprawione" przez gałązki zioła. Dopiero biochemicy Calvin i Benson w 1 połowie XX wieku wykazali obecność produktów pośrednich cyklu ich imienia. Za badania otrzymali Nagrodę Nobla. Badacz holenderski Ingenhousz już w 1779 r. potwierdził, że do "naprawy zepsutego powietrza" potrzebne jest światło. Wysiłki kolejnych pokoleń badaczy doprowadziły do postawienia tezy, że o "zepsuciu" powietrza decyduje dwutlenek węgla oraz że jest on produktem spalania związków organicznych podobnie jak woda. W 1843 roku badacz niemiecki Mayer postawił tezę, że rośliny potrafią pochłaniać energię świetlną, a następnie przetwarzać ją w energię chemiczną. Temu właśnie badaczowi zawdzięczamy ogólne równanie fotosyntezy o następującej postaci:

6H2O + 6CO2 + ENERGIA ŚWIETLNA → C6H12O6 + 6O2

Proces fotosyntezy w świetle wiedzy dostarczonej przez dalsze badania możemy podzielić na dwie fazy. Faza jasna bezpośrednio zależy od światła, a jej owocem jest tzw. siła asymilacyjna, która umożliwia zajście kolejnych etapów. Równanie przedstawiające przemiany fazy jasnej przedstawia się następująco:

12H2O + ENERGIA ŚWIETLNA + 18 ADP + 18 P → 12 NADPH+H+ + 18 ATP + 6O2

Faza jasna zachodzi w błonie plazmatycznej tylakoidów. W pewnych warunkach jedynym plonem fazy jasnej jest ATP. Komórka zyskuje wtedy energię, jednak nie może wytwarzać związków organicznych. Faza ciemna sama nie wymaga obecności światła, choć jest zależna od fazy jasnej. Dopiero wyczerpanie się siły asymilacyjnej przerywa tę fazę. Dochodzi podczas niej do asymilacji CO2, który wbudowywany jest w cząsteczki związków organicznych. Pierwszym produktem fazy ciemnej jest aldehyd 3-fosfoglicerynowy, zaś inne związki powstają w drodze jego przebudowy i przemian dzięki sile asymilacyjnej. Tak oto możemy przedstawić zapis tej fazy w formie równania:

6CO2 + 12 NADPH+H+ + 18 ATP → C6H12O6 + 6H2O + 18 ADP + 18 P

Tak więc energia swobodna, z której korzystają ekosystemy powierzchni Ziemi, pochodzi w całości ze Słońca. Pochłanianie kwantów światła i ich wysokiej energii umożliwiły specjalnie ukształtowane cząstki, a są to chlorofile, karotenyksantofile. W następstwie absorpcji promieniowania przez chlorofil dochodzi do fotolizy (rozkładu) wody i uwolnienia tlenu do atmosfery. Inne barwniki nie dokonują samodzielnie fotolizy wody, lecz przekazują swoją energię chlorofilowi, który przeprowadza proces. Następstwem absorpcji promieniowania jest ponadto powstawanie ATP, czyli fosforyzacja fotosyntetyczna. Fotosynteza dostarcza organizmom żyjącym na Ziemi tlenu, a zwierzętom pokarmu i innych pożytków związanych z obecnością szaty roślinnej. Jednocześnie usuwany jest dwutlenek węgla, którego nadmiar doprowadziłby do zablokowania procesów oddechowych wszystkich organizmów oddychających tlenem.