太阳，从诞生起，一刻不停地向宇宙空间散发着金色的光——一种电磁波。地球作为太阳的近邻，从而也获得了20亿分之一的太阳光。这些阳光不仅给我们带来了光明和温暖，还带给整个地球孕育无限生机的能量。在无穷的变化中，有一种化学变化，发生在植物的绿叶中，植物中的叶绿素，能够利用阳光提供的能量，将无机物CO2和H2O合成有机物质，具体过程如下：6CO2＋6H2OC6H12O6＋6O2。
这个过程就叫光合作用。绿色植物为自己制造食物的这一活动，直到约300年前，才逐渐引起人们的注意。
17世纪40年代，一位名叫范·海尔蒙特的医生把200磅（约90.8千克）干土放在陶盆里，用水把土浇湿后，在盆里栽上一株5磅（2.27千克）重的柳树，每天他只给柳树浇一些水。5年以后，范·海尔蒙特从盆中移出柳树，再称其重量，发现柳树已长到169磅（76.73千克），即增加了164磅（74.46千克）。而盆里的土壤干燥后，重量与200磅却相差无几。于是他得出结论：柳树增加重量完全依赖于他所浇的水。这一观点一直持续到18世纪70年代。
1771年，英国化学家普利斯特列发现，绿色植物在白天能使由于蜡烛燃烧和动物呼吸而变浊的空气“复原”，或变得清新。也就是说绿色植物逆转了呼吸和燃烧的化学作用，在被绿色植物更新过的空气中，蜡烛又能燃烧，动物又可呼吸。但是，普利斯特列那时还不知道氧气以及氧气在这些实验中的作用。
在同一时期，奥地利医生英根豪茨也对植物进行了研究，并证明绿色植物在夜间不能“净化”大气。绿色植物在夜里并不吸收二氧化碳和水，也不释放氧气，而仅仅进行呼吸，即吸进氧气，把二氧化碳和水作为废物排出。但他并没有认识到，植物在阳光下除进行光合作用外，还要进行呼吸。
1837年发现了叶绿体，光合作用的研究又迈出了一大步。叶绿体因为含有叶绿素而呈绿色，植物的光合作用就是在细胞中含有叶绿素的部分发生的。
在以后的一些年代里，科学家们更详尽地研究了绿色植物是怎样利用光、叶绿素、水和二氧化碳来制造食物和氧气的。1938年，英国化学家希尔发现，植物在光合作用中释放出的氧来自它们所吸收的水分子。
20世纪30年代后，电子显微镜的应用、色谱分析、同位素示踪等新技术的发展为光合作用的研究提供了有利的条件。现在普遍认为，光合作用的化学过程包括以下几个阶段：①光照射在含有叶绿素的细胞上；②叶绿素吸收光能，并把它转化为化学能；③细胞中的水分子分解，水中的氧被释放出去；④来自水分子的氢和来自环境的二氧化碳化合后生成葡萄糖——单糖；⑤葡萄糖分子由化学能结合在一起，也就是化学能被葡萄糖分子所捕获。植物通过光合作用制造有机物的规模是非常巨大的。
据粗略的估计，地球上的绿色植物每年约转化2×1011吨碳素，如果以合成的碳水化合物计算，那么整个地球上每年转化的碳素相当于4～5千亿吨有机物质。因此人们常把绿色植物比喻为巨大的合成有机物的绿色工厂。绿色植物合成的有机物质，直接或间接地成为人类乃至整个动物界的食物，如粮、油、糖、牧草、饲料等；还为某些工业提供了原料，如棉、麻、橡胶、淀粉等。也就是说，今天人类所吃的食物和某些工业原料，都是直接或间接地通过光合作用获得的。
植物在进行光合作用的同时，把太阳能转变成了化学能，贮藏在形成的有机化合物中。这些能量，除了供给植物本身消耗外，还为人类的活动和营养提供了能量。如按绿色植物每年同化2.0×1011吨碳素算，所贮藏的太阳光能相当于3×1022焦耳的能量。
1970年全世界的能量消耗，仅仅是光合作用贮存能量的1／10！这真是一个巨大的数字！看来，绿色植物还是一个巨型的能量转换器，我们现在普遍使用的能源——煤炭、石油、天然气等，归根结底，都是由亿万年前的植物通过光合作用形成的。
煤是地质史上的陆生植物在沼泽中大量沉积而成的。在中生代和新生代，气候温暖湿润，植物生长茂盛，这些植物不断地生长和死亡，遗体堆积起来，使水面变浅，慢慢变成了沼泽。植物的枯枝在浅水和沼泽中腐烂分解，转变成泥炭；在地壳逐渐下沉时，泥炭被泥沙覆盖。随着泥沙的沉积，压力逐渐变大，泥炭逐渐失去水分，再加上缺氧，腐烂作用减弱直到终止，形成了最低级的煤——褐煤；随着温度、压力的继续作用，褐煤的物理、化学性质都发生变化，腐殖质消失，褐煤变硬，最后形成无烟煤。
至于石油和天然气，一般公认的是“有机成因说”：早在几十亿年前地球上就已经有了生物，在以后各个地质时代里，生物种类繁多，数量巨大，据统计，总重量超过100万亿吨。特别是低等微生物，繁殖速度惊人。
例如一个细菌在适宜的条件下经24小时就能繁殖1036个后代，总重量可达1017吨。这些微生物和浮游生物死亡后的尸体在较平静的海湾、湖泊等水域和泥沙一起沉积到水底后，因为与空气隔绝，不被氧化而保存在淤泥中，这样年复一年，沉积物越来越多，这些生物的遗体在细菌，放射性元素以及上覆沉积物的压力和温度等因素的综合作用下，经过漫长的地质年代，不断发生化学变化，终于形成复杂的碳氢化合物，即石油和天然气。
在自然界中，与光合作用合成有机物的过程正好相反的是呼吸作用。微生物、植物、动物都必须经过呼吸作用，才能分解体内的有机物，在消耗氧气的同时，获得能量。
在呼吸过程中，都呼出CO2气体。同时，工业生产中燃烧煤也大量地消耗氧气，生成CO2。
据统计，全世界生物呼吸和燃烧消耗的氧气量平均为10000吨／秒，以这样的速度计算，大气中的氧气在3000年左右就会用完。但是绿色植物广泛地分布在地球上，在进行光合作用时吸收二氧化碳，释放氧气，使得大气中氧气和二氧化碳含量比较稳定。光合作用每年释放的氧气大约有5.35×1011吨，大气中一部分氧会转化成臭氧（O3），在大气上层形成一个屏障，滤去太阳光线中对生物有强烈破坏作用的紫外光，使生物可在陆地上生存。从清除空气过多的CO2和补充消耗掉的O2的角度来看，绿色植物还是一个大型的自动空气净化器。但近年来由于森林的大面积破坏、人类的工业化生产大量地燃烧碳化物和其他原因，20世纪内大气中二氧化碳的浓度逐渐增大，1900年约为300ppm，1970年为320ppm，2000年达到375～400ppm，这种增长带来了“温室效应”等不良影响，因此，自然界中碳循环的平衡是至关重要的。