تستخدم النباتات تفاعلًا كيميائيًا معقدًا يسمى التمثيل الضوئي لإنتاج الغذاء من الطاقة الضوئية وثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي والماء. كل من هذه تؤدي جزءًا هامًا من عملية التمثيل الضوئي ، اعتمادًا على الآخرين. بينما يمكن امتصاص الطاقة الضوئية بسهولة من الشمس وثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ، فإن الماء نادر في بعض الأحيان. لا يتم استخدام الماء مباشرة في عملية التمثيل الضوئي للهيدروجين فحسب ، بل يستخدم أيضًا لمنع الجفاف ، ودعم الإنتاج الناجح للغذاء للنبات بشكل غير مباشر.
تحتوي أوراق النباتات على فتحات تسمى الثغور ، والتي تستخدم لتبادل الغازات. يتم سحب ثاني أكسيد الكربون ، جنبًا إلى جنب مع الماء في عملية التمثيل الضوئي ، من خلال الثغور. يتم إطلاق الأكسجين ، وهو منتج ثانوي للعملية ، من خلال هذه الفتحات ، جنبًا إلى جنب مع بخار الماء في عملية تسمى النتح. ومع ذلك ، خلال مواسم الجفاف ، يجب أن يحافظ النبات على الرطوبة قدر الإمكان. من أجل القيام بذلك ، يغلق النبات الثغور ، مما يمنع بخار الماء من الهروب. لا يمكن إغلاق الثغور إلا من خلال استخدام الخلايا الواقية المملوءة بالماء لإغلاق الثغور وختم الرطوبة داخل النبات.
بالإضافة إلى الدعم غير المباشر الذي يوفره الماء لعملية التمثيل الضوئي ، فهو ضروري أيضًا للتفاعل الكيميائي الذي يحدث. خلال هذه العملية ، تتفاعل الطاقة الضوئية مع صبغة تسمى الكلوروفيل ، وتثير الإلكترونات. تقوم الشحنة الناتجة بتحويل الطاقة الضوئية إلى مواد كيميائية تسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات ، والمعروف أيضًا باسم ATP ، وفوسفات نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد ، أو NADPH. تستخدم هذه المركبات الكيميائية لتخزين الطاقة الممتصة من الشمس. أثناء عملية تخزين الطاقة ، يتم تقسيم جزيئات الماء ، المكونة من الهيدروجين والأكسجين ، بحيث تكون هذه العناصر منفصلة. ثم يتم دمج الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون بمساعدة ATP و NADPH ، ليصبحوا سكرًا ، والذي يستخدم كطاقة للنبات. تسمى عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى شكل قابل للاستخدام من الطاقة بتثبيت الكربون.