光合作用中色素分子被光激发引起的光物理和光化学反应过程。这一过程包括有机色素对光能的吸收、光能在色素分子之间传递和受光激发的叶绿素分子引起的电荷分离。在激发态叶绿素分子将一个电子传递给原初电子受体后，自身呈氧化态叶绿素，它又可从原初电子供体获得电子而回复到原来的状态，又进行下一轮的光合原初反应。

叶绿素分子的卟啉环是一个大π键，其中的π电子或未成对的n电子在接受光能后进行π→π^*或n→π^*的跃迁，即所谓激发。共轭双键的数量越多，则π→π^*π^*电子跃迁较易进行。光量子的能量与波长成反比，每爱因斯坦光量子的能量为：

光合原初反应

式中E为能量（J）；N为6.023×10²³；h为普朗克常数，6.6262×10^-34J·s；c为光速，2.9979×10⁸m·s^-1；λ为波长（nm）；J为焦耳。

光量子所具能量与电子跃迁所需能量相等时，电子即被激发。

当叶绿素分子接受一个光量子后，其中π电子获得能量从基态跃迁到激发态（第一单线态或第二单线态）。此时光能转移至高能电子中。如果叶绿素分子被蓝光激发，电子跃迁到能级较高的第二单线态；如果被红光激发时，电子跃迁到能级较低的第一单线态。处于单线态的电子，其自旋方向保持原有状态，如果电子在激发过程中其自旋方向发生了变化，该电子就进入能级较单线态低的三线态（图1）。从激发态回至基态时，其能量以光量子形态释放，即发射出荧光和磷光。

图1 叶绿素分子的荧光、磷光和激发态

从类囊体膜上已经分离得到两种能进行光化学反应的色素——蛋白复合体，即光系统Ⅰ（PSⅠ）和光系统Ⅱ（PSⅡ）。色素——蛋白复合体中的色素分子中，只有少数处于特殊状态的、具有光敏化性质的叶绿素a能进行光化学反应，这种叶绿素a称为反应中心色素分子。其余的叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素分子都只具有吸收光能和传递光能的作用，自身不能进行光化学反应而被称为“天线色素”（或称“聚光色素”）。在光合膜上“天线色素”排列致密，分子之间可以由高到低地向将吸收的激发能传递到反应中心色素分子。反应中心色素分子和“天线色素”分子按1∶250—300的比例组成一个光合原初反应的最小单位，其中只有1—2个叶绿素a分子具有光敏化性质。在这两类色素分子协同作用下完成光合原初反应（图2）。

图2 光能在色素分子间的传递

光系统Ⅰ的反应中心色素分子吸收可见光的峰值是在700nm故称P₇₀₀。光系统Ⅱ的反应中心色素分子吸收可见光的峰值是在680nm故称P₆₈₀。反应中心还具有一个原初电子受体和一个原初电子供体。当反应中心色素分子受光激发时，激发态分子具有很高的能量，并且极不稳定，它随既放射出一个高能电子，在高能电子被原初电子受体接受时就发生电荷分离而实现能量转化。PSⅠ的电荷分离是在P₇₀₀和X之间进行的（X是尚未被确定的物质）。PSⅡ的电荷分离是发生在P₆₈₀和去镁叶绿素之间。P₇₀₀或P₆₈₀射出电子后自身成为氧化态叶绿素a，原初电子供体可以向它提供电子，使其恢复到原来的状态（图3）。由此可见，光合作用的原初光化学反应实质上是一个氧化还原过程。

图3 光合原初反应示意图

光合原初反应的产物寿命极短（10^-15—10^-9秒），数量微少。反应速度很快，且不受温度影响。由于研究方法（包括核磁共振、微分光谱等）的改进，原初光反应的研究工作取得了相当进展。美国学者M.J.皮林（1979年）第一个成功构筑成与光合细菌的反应中心相似的人工复制系统，向人们显示了人工模拟光合作用和开发利用太阳能的前景。