1 การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้น ความหมายของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ตามชื่อที่สื่อถึง การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยพื้นฐานแล้วเป็นการสังเคราะห์สารอินทรีย์ตามธรรมชาติ โดยเปลี่ยน CO2 จากบรรยากาศและน้ำให้เป็นกลูโคสและออกซิเจนอิสระ

สิ่งนี้จำเป็นต้องมีพลังงานแสงอาทิตย์

สมการทางเคมีสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยทั่วไปสามารถแสดงได้ดังนี้:

การสังเคราะห์ด้วยแสงมีสองขั้นตอน: ความมืดและแสงสว่าง ปฏิกิริยาทางเคมีของระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากปฏิกิริยาของระยะแสง แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงในระยะมืดและระยะแสงขึ้นอยู่กับกันและกัน

ระยะแสงสามารถเกิดขึ้นได้ในใบพืชโดยเฉพาะเมื่อถูกแสงแดด สำหรับความมืด จำเป็นต้องมีก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นสาเหตุที่พืชต้องดูดซับก๊าซจากชั้นบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง คุณลักษณะเปรียบเทียบทั้งหมดของระยะมืดและระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะมีระบุไว้ด้านล่าง เพื่อจุดประสงค์นี้ จึงได้สร้างตารางเปรียบเทียบ "ระยะของการสังเคราะห์ด้วยแสง"

ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการหลักในระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ ประกอบด้วยคลอโรฟิลล์ โปรตีนขนส่งอิเล็กตรอน ATP synthetase (เอนไซม์ที่เร่งปฏิกิริยา) และแสงแดด

นอกจากนี้ กลไกการเกิดปฏิกิริยาสามารถอธิบายได้ดังต่อไปนี้: เมื่อแสงแดดส่องกระทบใบสีเขียวของพืช คลอโรฟิลล์อิเล็กตรอน (ประจุลบ) จะตื่นเต้นในโครงสร้าง ซึ่งเมื่อผ่านเข้าสู่สถานะแอคทีฟ จะปล่อยให้โมเลกุลของเม็ดสีและไปสิ้นสุดที่ ภายนอกไทลาคอยด์ ซึ่งเป็นเมมเบรนที่มีประจุลบเช่นกัน ในเวลาเดียวกัน โมเลกุลของคลอโรฟิลล์จะถูกออกซิไดซ์และโมเลกุลที่ถูกออกซิไดซ์แล้วจะลดลง ดังนั้นจึงดึงอิเล็กตรอนจากน้ำที่อยู่ในโครงสร้างของใบ

กระบวนการนี้นำไปสู่ความจริงที่ว่าโมเลกุลของน้ำสลายตัว และไอออนที่สร้างขึ้นจากโฟโตไลซิสของน้ำจะปล่อยอิเล็กตรอนและกลายเป็นอนุมูล OH ที่สามารถทำปฏิกิริยาเพิ่มเติมได้ จากนั้นอนุมูล OH ที่เกิดปฏิกิริยาเหล่านี้จะรวมกันเพื่อสร้างโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนที่เต็มเปี่ยม ในกรณีนี้ ออกซิเจนอิสระจะหลุดออกสู่สิ่งแวดล้อมภายนอก

อันเป็นผลมาจากปฏิกิริยาและการเปลี่ยนแปลงทั้งหมดนี้เมมเบรน thylakoid ของใบไม้ที่ด้านหนึ่งมีประจุบวก (เนื่องจากไอออน H+) และอีกด้านหนึ่ง - เป็นลบ (เนื่องจากอิเล็กตรอน) เมื่อความแตกต่างระหว่างประจุเหล่านี้ทั้งสองด้านของเมมเบรนถึงมากกว่า 200 mV โปรตอนจะผ่านช่องทางพิเศษของเอนไซม์ ATP synthetase และด้วยเหตุนี้ ADP จะถูกแปลงเป็น ATP (อันเป็นผลมาจากกระบวนการฟอสโฟรีเลชั่น) และอะตอมไฮโดรเจนซึ่งถูกปล่อยออกมาจากน้ำ จะคืนตัวพา NADP+ เฉพาะให้เป็น NADP·H2 ดังที่เราเห็นแล้วว่า ผลของระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการหลักสามกระบวนการเกิดขึ้น:

1. การสังเคราะห์เอทีพี;
2. การสร้าง NADP H2;
3. การก่อตัวของออกซิเจนอิสระ

อย่างหลังถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ และ NADP H2 และ ATP มีส่วนร่วมในระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงในระยะมืดและสว่างมีลักษณะเฉพาะคือต้องใช้พลังงานจำนวนมากในส่วนของพืช แต่ระยะมืดดำเนินไปเร็วกว่าและใช้พลังงานน้อยกว่า ปฏิกิริยาเฟสมืดไม่ต้องการแสงแดด จึงสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกลางวันและกลางคืน

กระบวนการหลักทั้งหมดของระยะนี้เกิดขึ้นในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ของพืช และเป็นตัวแทนของการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศ ปฏิกิริยาแรกในห่วงโซ่ดังกล่าวคือการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ เพื่อให้เกิดขึ้นได้อย่างราบรื่นและเร็วขึ้น ธรรมชาติได้จัดเตรียมเอนไซม์ RiBP-carboxylase ซึ่งกระตุ้นการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์

ถัดไปจะเกิดปฏิกิริยาทั้งวัฏจักรซึ่งความสมบูรณ์คือการเปลี่ยนกรดฟอสโฟกลีเซอริกเป็นกลูโคส (น้ำตาลธรรมชาติ) ปฏิกิริยาทั้งหมดนี้ใช้พลังงานของ ATP และ NADP H2 ซึ่งถูกสร้างขึ้นในช่วงแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง นอกจากกลูโคสแล้ว การสังเคราะห์ด้วยแสงยังผลิตสารอื่นๆ อีกด้วย ในจำนวนนี้มีกรดอะมิโน กรดไขมัน กลีเซอรอล และนิวคลีโอไทด์หลายชนิด

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง: ตารางเปรียบเทียบ

การสังเคราะห์ด้วยแสง - วิดีโอ

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นหนึ่งในกระบวนการทางชีววิทยาที่สำคัญที่สุดที่เกิดขึ้นในธรรมชาติเพราะเหตุนี้สารอินทรีย์จึงเกิดขึ้นจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำภายใต้อิทธิพลของแสงและปรากฏการณ์นี้เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง และที่สำคัญที่สุด ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง จะมีการปล่อยก๊าซออกมา ซึ่งมีความสำคัญต่อการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตบนโลกที่น่าทึ่งของเรา

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบการสังเคราะห์ด้วยแสง

ประวัติความเป็นมาของการค้นพบปรากฏการณ์การสังเคราะห์ด้วยแสงย้อนกลับไปสี่ศตวรรษเมื่อย้อนกลับไปในปี 1600 นักวิทยาศาสตร์ชาวเบลเยียมคนหนึ่ง Jan Van Helmont ได้ทำการทดลองง่ายๆ เขาวางกิ่งวิลโลว์ (หลังจากบันทึกน้ำหนักเริ่มต้นแล้ว) ลงในถุงที่บรรจุดินได้ 80 กิโลกรัม จากนั้นเป็นเวลาห้าปีที่ต้นไม้ถูกรดน้ำด้วยน้ำเพียงอย่างเดียว สิ่งที่น่าประหลาดใจของนักวิทยาศาสตร์คือเมื่อผ่านไปห้าปี น้ำหนักของพืชเพิ่มขึ้น 60 กิโลกรัม แม้ว่ามวลของโลกจะลดลงเพียง 50 กรัม ซึ่งการเพิ่มขึ้นอย่างน่าประทับใจของน้ำหนักดังกล่าวยังคงเป็นปริศนาของ นักวิทยาศาสตร์.

การทดลองที่สำคัญและน่าสนใจครั้งต่อไปซึ่งกลายเป็นโหมโรงของการค้นพบการสังเคราะห์ด้วยแสงดำเนินการโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ Joseph Priestley ในปี 1771 (เป็นที่น่าสงสัยว่าโดยธรรมชาติของอาชีพของเขา Mr. Priestley เป็นนักบวชของโบสถ์แองกลิกัน แต่เขาลงไปในประวัติศาสตร์ในฐานะนักวิทยาศาสตร์ดีเด่น) คุณพรีสลีย์ทำอะไร? เขาวางเมาส์ไว้ใต้หมวก และห้าวันต่อมามันก็ตาย จากนั้นเขาก็วางเมาส์อีกตัวไว้ใต้ฝากระโปรง แต่คราวนี้มีกิ่งก้านสะระแหน่อยู่ใต้ฝากระโปรงพร้อมกับเมาส์ และผลที่ตามมาก็คือหนูยังมีชีวิตอยู่ ผลลัพธ์ที่ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์เกิดความคิดว่ามีกระบวนการบางอย่างที่ตรงกันข้ามกับการหายใจ ข้อสรุปที่สำคัญอีกประการหนึ่งของการทดลองนี้คือการค้นพบออกซิเจนซึ่งมีความสำคัญต่อสิ่งมีชีวิตทุกชนิด (หนูตัวแรกเสียชีวิตเนื่องจากไม่มีมัน ตัวที่สองรอดชีวิตมาได้ด้วยกิ่งก้านของสะระแหน่ ซึ่งสร้างออกซิเจนในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง)

ดังนั้นความจริงจึงเป็นที่ยอมรับว่าส่วนสีเขียวของพืชสามารถปล่อยออกซิเจนได้ จากนั้นในปี พ.ศ. 2325 Jean Senebier นักวิทยาศาสตร์ชาวสวิสได้พิสูจน์ว่าก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์สลายตัวเป็นพืชสีเขียวภายใต้อิทธิพลของแสง อันที่จริงแล้ว มีการค้นพบอีกด้านหนึ่งของการสังเคราะห์ด้วยแสง จากนั้นอีก 5 ปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Jacques Boussengo ค้นพบว่าพืชดูดซับน้ำในระหว่างการสังเคราะห์สารอินทรีย์

และลำดับสุดท้ายของการค้นพบทางวิทยาศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์การสังเคราะห์ด้วยแสงคือการค้นพบของนักพฤกษศาสตร์ชาวเยอรมัน Julius Sachs ซึ่งในปี พ.ศ. 2407 สามารถพิสูจน์ได้ว่าปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ใช้ไปและออกซิเจนที่ปล่อยออกมานั้นเกิดขึ้นในอัตราส่วน 1:1

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงในชีวิตมนุษย์

หากคุณจินตนาการในเชิงเปรียบเทียบ ใบไม้ของพืชใดๆ ก็เปรียบได้กับห้องทดลองเล็กๆ ซึ่งหน้าต่างหันหน้าไปทางด้านที่มีแสงแดดส่องถึง ในห้องปฏิบัติการแห่งนี้เอง การก่อตัวของสารอินทรีย์และออกซิเจนเกิดขึ้น ซึ่งเป็นพื้นฐานของการดำรงอยู่ของสิ่งมีชีวิตอินทรีย์บนโลก ท้ายที่สุดแล้ว หากปราศจากออกซิเจนและการสังเคราะห์ด้วยแสง ชีวิตก็ไม่สามารถดำรงอยู่บนโลกได้

แต่ถ้าการสังเคราะห์ด้วยแสงมีความสำคัญต่อชีวิตและการปล่อยออกซิเจน ผู้คน (และไม่เพียงแต่ผู้คนเท่านั้น) จะมีชีวิตอยู่ได้อย่างไร เช่น ในทะเลทราย ซึ่งมีพืชสีเขียวน้อยที่สุด หรือในเมืองอุตสาหกรรม ต้นไม้ที่ไหนหายาก ความจริงก็คือพืชบนบกคิดเป็นสัดส่วนเพียง 20% ของออกซิเจนที่ปล่อยออกมาสู่ชั้นบรรยากาศ ในขณะที่อีก 80% ที่เหลือถูกปล่อยออกมาจากสาหร่ายทะเลและมหาสมุทร บางครั้งมหาสมุทรของโลกก็ถูกเรียกว่า "ปอดของโลก" ”

สูตรการสังเคราะห์ด้วยแสง

สูตรทั่วไปสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเขียนได้ดังนี้:

น้ำ + คาร์บอนไดออกไซด์ + แสง > คาร์โบไฮเดรต + ออกซิเจน

นี่คือลักษณะของสูตรสำหรับปฏิกิริยาเคมีของการสังเคราะห์ด้วยแสง:

6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงสำหรับพืช

ทีนี้ลองตอบคำถามว่าทำไมพืชถึงต้องการการสังเคราะห์ด้วยแสง ในความเป็นจริง การให้ออกซิเจนแก่ชั้นบรรยากาศของโลกของเรานั้นไม่ใช่เหตุผลเดียวที่กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นมีความสำคัญไม่เพียงแต่สำหรับคนและสัตว์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงพืชด้วย เนื่องจากสารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นพื้นฐานของชีวิตพืช

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นได้อย่างไร?

กลไกหลักของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นเม็ดสีพิเศษที่มีอยู่ในเซลล์พืชซึ่งเหนือสิ่งอื่นใดมีหน้าที่รับผิดชอบต่อสีเขียวของใบต้นไม้และพืชอื่น ๆ คลอโรฟิลล์เป็นสารประกอบอินทรีย์ที่ซับซ้อนซึ่งมีคุณสมบัติที่สำคัญเช่นกันคือความสามารถในการดูดซับแสงแดด โดยการดูดซับ คลอโรฟิลล์จะกระตุ้นห้องปฏิบัติการชีวเคมีเล็กๆ ที่มีอยู่ในใบเล็กๆ ทุกใบ ในใบหญ้าทุกใบ และสาหร่ายทุกใบ ต่อไป การสังเคราะห์ด้วยแสงจะเกิดขึ้น (ดูสูตรด้านบน) ในระหว่างนี้น้ำและคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกเปลี่ยนเป็นคาร์โบไฮเดรตที่จำเป็นสำหรับพืชและออกซิเจนที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด กลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นการสร้างสรรค์อันชาญฉลาดของธรรมชาติ

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง

นอกจากนี้ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงยังประกอบด้วยสองขั้นตอน: แสงและความมืด และด้านล่างเราจะเขียนรายละเอียดเกี่ยวกับแต่ละรายการด้านล่าง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นชุดของกระบวนการสร้างพลังงานแสงให้เป็นพลังงานของพันธะเคมีของสารอินทรีย์โดยมีส่วนร่วมของสีย้อมสังเคราะห์ด้วยแสง

สารอาหารประเภทนี้เป็นลักษณะของพืช โปรคาริโอต และยูคาริโอตเซลล์เดียวบางประเภท

ในระหว่างการสังเคราะห์ตามธรรมชาติ คาร์บอนและน้ำเมื่อทำปฏิกิริยากับแสงจะถูกแปลงเป็นกลูโคสและออกซิเจนอิสระ:

6CO2 + 6H2O + พลังงานแสง → C6H12O6 + 6O2

สรีรวิทยาของพืชสมัยใหม่เข้าใจแนวคิดของการสังเคราะห์ด้วยแสงในฐานะฟังก์ชันโฟโตออโตโทรฟิก ซึ่งเป็นชุดของกระบวนการดูดซับ การเปลี่ยนแปลง และการใช้ควอนตัมพลังงานแสงในปฏิกิริยาต่างๆ ที่ไม่เกิดขึ้นเอง รวมถึงการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นอินทรียวัตถุ

เฟส

การสังเคราะห์ด้วยแสงในพืช เกิดขึ้นในใบผ่านทางคลอโรพลาสต์- ออร์แกเนลล์เมมเบรนสองชั้นกึ่งอิสระที่อยู่ในกลุ่มพลาสติด แผ่นเพลทรูปทรงแบนช่วยให้มั่นใจในการดูดซับคุณภาพสูงและใช้พลังงานแสงและคาร์บอนไดออกไซด์ได้เต็มที่ น้ำที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ตามธรรมชาติมาจากรากผ่านทางเนื้อเยื่อนำน้ำ การแลกเปลี่ยนก๊าซเกิดขึ้นจากการแพร่กระจายผ่านปากใบและบางส่วนผ่านหนังกำพร้า

คลอโรพลาสต์เต็มไปด้วยสโตรมาไม่มีสีและทะลุผ่านแผ่นลาเมลลา ซึ่งเมื่อเชื่อมต่อถึงกันจะเกิดเป็นไทลาคอยด์ มันอยู่ในนั้นการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้น ไซยาโนแบคทีเรียนั้นเป็นคลอโรพลาสต์ดังนั้นเครื่องมือสำหรับการสังเคราะห์ตามธรรมชาติจึงไม่ถูกแยกออกเป็นออร์แกเนลล์ที่แยกจากกัน

การสังเคราะห์ด้วยแสงดำเนินไป ด้วยการมีส่วนร่วมของเม็ดสีซึ่งโดยปกติจะเป็นคลอโรฟิลล์ สิ่งมีชีวิตบางชนิดมีเม็ดสีอีกชนิดหนึ่ง ได้แก่ แคโรทีนอยด์หรือไฟโคบิลิน โปรคาริโอตมีเม็ดสีแบคทีเรียและสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ไม่ปล่อยออกซิเจนหลังจากการสังเคราะห์ตามธรรมชาติเสร็จสิ้น

การสังเคราะห์ด้วยแสงมี 2 ระยะ คือ แสงสว่างและความมืด แต่ละตัวมีลักษณะเฉพาะด้วยปฏิกิริยาและสารที่มีปฏิสัมพันธ์ มาดูกระบวนการของการสังเคราะห์ด้วยแสงให้ละเอียดยิ่งขึ้น

แสงสว่าง

ระยะแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสงโดดเด่นด้วยการก่อตัวของผลิตภัณฑ์พลังงานสูง ได้แก่ ATP ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานของเซลล์ และ NADP ซึ่งเป็นตัวรีดิวซ์ ในตอนท้ายของขั้นตอน ออกซิเจนจะถูกสร้างขึ้นเป็นผลพลอยได้ เวทีแสงมักเกิดขึ้นพร้อมกับแสงแดด

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์โดยมีส่วนร่วมของโปรตีนขนส่งอิเล็กตรอน, ATP synthetase และคลอโรฟิลล์ (หรือเม็ดสีอื่น ๆ )

การทำงานของโซ่เคมีไฟฟ้าซึ่งมีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนและโปรตอนไฮโดรเจนบางส่วนเกิดขึ้นในสารเชิงซ้อนเชิงซ้อนที่เกิดจากเม็ดสีและเอนไซม์

คำอธิบายของกระบวนการเฟสแสง:

1. เมื่อแสงแดดกระทบใบของสิ่งมีชีวิตในพืช คลอโรฟิลล์อิเล็กตรอนจะตื่นเต้นในโครงสร้างของแผ่นเปลือกโลก
2. ในสถานะแอคทีฟ อนุภาคจะออกจากโมเลกุลเม็ดสีและไปเกาะที่ด้านนอกของไทลาคอยด์ซึ่งมีประจุลบ สิ่งนี้เกิดขึ้นพร้อมกันกับการเกิดออกซิเดชันและการรีดักชันของโมเลกุลคลอโรฟิลล์ในเวลาต่อมา ซึ่งจะดึงอิเล็กตรอนตัวถัดไปออกจากน้ำที่เข้าสู่ใบ
3. จากนั้นโฟโตไลซิสของน้ำจะเกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของไอออน ซึ่งบริจาคอิเล็กตรอนและถูกแปลงเป็นอนุมูล OH ที่สามารถมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาต่อไป
4. จากนั้นอนุมูลเหล่านี้จะรวมกันก่อตัวเป็นโมเลกุลของน้ำและออกซิเจนอิสระที่ถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ
5. เมมเบรนไทลาคอยด์ได้รับประจุบวกที่ด้านหนึ่งเนื่องจากไฮโดรเจนไอออน และอีกด้านหนึ่งได้รับประจุลบเนื่องจากอิเล็กตรอน
6. เมื่อถึงความแตกต่าง 200 มิลลิโวลต์ระหว่างด้านข้างของเมมเบรน โปรตอนจะผ่านเอนไซม์ ATP synthetase ซึ่งนำไปสู่การแปลง ADP เป็น ATP (กระบวนการฟอสโฟรีเลชั่น)
7. เมื่ออะตอมไฮโดรเจนถูกปล่อยออกมาจากน้ำ NADP + จะลดลงเหลือ NADP H2

ในขณะที่ออกซิเจนอิสระถูกปล่อยออกสู่บรรยากาศระหว่างปฏิกิริยา ATP และ NADP H2 จะมีส่วนร่วมในระยะมืดของการสังเคราะห์ตามธรรมชาติ

มืด

ส่วนประกอบบังคับสำหรับระยะนี้คือคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งพืชจะดูดซับจากสภาพแวดล้อมภายนอกอย่างต่อเนื่องผ่านปากใบในใบ กระบวนการระยะมืดเกิดขึ้นในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ เนื่องจากในขั้นตอนนี้ไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานแสงอาทิตย์จำนวนมาก และจะมี ATP และ NADP H2 ที่ผลิตได้เพียงพอในช่วงระยะแสง ปฏิกิริยาในสิ่งมีชีวิตจึงสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกลางวันและกลางคืน กระบวนการในขั้นตอนนี้เกิดขึ้นเร็วกว่าขั้นตอนก่อนหน้า

จำนวนทั้งสิ้นของกระบวนการทั้งหมดที่เกิดขึ้นในช่วงมืดจะแสดงในรูปแบบของห่วงโซ่ที่ไม่ซ้ำกันของการเปลี่ยนแปลงตามลำดับของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่มาจากสภาพแวดล้อมภายนอก:

1. ปฏิกิริยาแรกในห่วงโซ่ดังกล่าวคือการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ การปรากฏตัวของเอนไซม์ RiBP-carboxylase ก่อให้เกิดปฏิกิริยาที่รวดเร็วและราบรื่นซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของสารประกอบหกคาร์บอนที่แตกตัวออกเป็น 2 โมเลกุลของกรดฟอสโฟกลีเซอริก
2. จากนั้นวงจรที่ค่อนข้างซับซ้อนเกิดขึ้นรวมถึงปฏิกิริยาจำนวนหนึ่งเมื่อเสร็จสิ้นซึ่งกรดฟอสโฟกลีเซอริกจะถูกแปลงเป็นน้ำตาล - กลูโคสธรรมชาติ กระบวนการนี้เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน

นอกจากน้ำตาลแล้ว ยังเกิดการก่อตัวของกรดไขมัน กรดอะมิโน กลีเซอรอล และนิวคลีโอไทด์อีกด้วย

สาระสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสง

จากตารางเปรียบเทียบระยะแสงและความมืดของการสังเคราะห์ตามธรรมชาติ คุณสามารถอธิบายสาระสำคัญของแต่ละขั้นตอนโดยย่อได้ ระยะแสงเกิดขึ้นในกรานาของคลอโรพลาสต์โดยต้องมีการรวมพลังงานแสงไว้ในปฏิกิริยา ปฏิกิริยาเกี่ยวข้องกับส่วนประกอบต่างๆ เช่น โปรตีนถ่ายโอนอิเล็กตรอน, ATP synthetase และคลอโรฟิลล์ ซึ่งเมื่อทำปฏิกิริยากับน้ำ จะเกิดออกซิเจนอิสระ ATP และ NADP H2 สำหรับระยะมืดซึ่งเกิดขึ้นในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ ไม่จำเป็นต้องใช้แสงแดด ATP และ NADP H2 ที่ได้รับในระยะก่อนหน้า เมื่อทำปฏิกิริยากับคาร์บอนไดออกไซด์ จะเกิดเป็นน้ำตาลธรรมชาติ (กลูโคส)

ดังที่เห็นได้จากข้างต้น การสังเคราะห์ด้วยแสงดูเหมือนจะเป็นปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างซับซ้อนและมีหลายขั้นตอน รวมถึงปฏิกิริยาหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับสารต่างๆ จากการสังเคราะห์ตามธรรมชาติทำให้ได้รับออกซิเจนซึ่งจำเป็นสำหรับการหายใจของสิ่งมีชีวิตและการป้องกันจากรังสีอัลตราไวโอเลตผ่านการก่อตัวของชั้นโอโซน

คำจำกัดความ: การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสร้างสารอินทรีย์จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำโดยการปล่อยออกซิเจนออกมา

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกี่ยวข้องกับ:

1) คลอโรพลาสต์

3) คาร์บอนไดออกไซด์

5) อุณหภูมิ

ในพืชชั้นสูง การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ - พลาสติดรูปไข่ (ออร์แกเนลล์กึ่งอิสระ) ที่มีเม็ดสีคลอโรฟิลล์ เนื่องจากสีเขียวซึ่งส่วนต่างๆ ของพืชก็มีสีเขียวเช่นกัน

ในสาหร่ายคลอโรฟิลล์มีอยู่ในโครมาโตฟอร์ (เซลล์ที่มีเม็ดสีและเซลล์สะท้อนแสง) สาหร่ายสีน้ำตาลและสีแดงซึ่งอาศัยอยู่ที่ระดับความลึกมากในบริเวณที่แสงแดดส่องไม่ถึงจะมีเม็ดสีอื่นๆ

หากคุณดูปิรามิดอาหารของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงจะอยู่ด้านล่างสุด ในบรรดาออโตโทรฟ (สิ่งมีชีวิตที่สังเคราะห์สารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์) จึงเป็นแหล่งอาหารของทุกชีวิตบนโลก

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ออกซิเจนจะถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ในชั้นบนของบรรยากาศจะเกิดโอโซนขึ้น เกราะป้องกันโอโซนช่วยปกป้องพื้นผิวโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่รุนแรง ช่วยให้สิ่งมีชีวิตโผล่ขึ้นมาจากทะเลสู่พื้นดิน

ออกซิเจนจำเป็นต่อการหายใจของพืชและสัตว์ เมื่อกลูโคสถูกออกซิไดซ์โดยการมีส่วนร่วมของออกซิเจน ไมโตคอนเดรียจะเก็บพลังงานได้มากกว่าที่ไม่มีมันเกือบ 20 เท่า ทำให้การใช้อาหารมีประสิทธิภาพมากขึ้น ส่งผลให้อัตราการเผาผลาญในนกและสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมสูง

คำอธิบายโดยละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืช

ความก้าวหน้าของการสังเคราะห์ด้วยแสง:

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นด้วยคลอโรพลาสต์ที่กระทบกับแสง - ออร์แกเนลล์กึ่งอิสระภายในเซลล์ที่มีเม็ดสีเขียว เมื่อสัมผัสกับแสง คลอโรพลาสต์จะเริ่มใช้น้ำจากดิน และแยกออกเป็นไฮโดรเจนและออกซิเจน

ออกซิเจนส่วนหนึ่งถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ส่วนอีกส่วนหนึ่งไปสู่กระบวนการออกซิเดชั่นในพืช

น้ำตาลรวมกับไนโตรเจน ซัลเฟอร์ และฟอสฟอรัสที่มาจากดิน ด้วยวิธีนี้พืชสีเขียวจึงผลิตแป้ง ​​ไขมัน โปรตีน วิตามิน และสารประกอบเชิงซ้อนอื่นๆ ที่จำเป็นสำหรับชีวิตของพวกเขา

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นได้ดีที่สุดภายใต้อิทธิพลของแสงแดด แต่พืชบางชนิดสามารถพอใจกับแสงประดิษฐ์ได้

คำอธิบายที่ซับซ้อนของกลไกการสังเคราะห์ด้วยแสงสำหรับผู้อ่านขั้นสูง

จนถึงช่วงทศวรรษที่ 60 ของศตวรรษที่ 20 นักวิทยาศาสตร์รู้เพียงกลไกเดียวในการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ - ผ่านวิถีทาง C3-เพนโตสฟอสเฟต อย่างไรก็ตาม เมื่อเร็วๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์ชาวออสเตรเลียกลุ่มหนึ่งสามารถพิสูจน์ได้ว่าในพืชบางชนิด การลดคาร์บอนไดออกไซด์เกิดขึ้นผ่านวัฏจักรกรด C4-ไดคาร์บอกซิลิก

ในพืชที่มีปฏิกิริยา C3 การสังเคราะห์ด้วยแสงจะเกิดขึ้นมากที่สุดภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิและแสงสว่างปานกลาง โดยส่วนใหญ่อยู่ในป่าและในที่มืด พืชดังกล่าวประกอบด้วยพืชที่ปลูกเกือบทั้งหมดและผักส่วนใหญ่ พวกมันเป็นพื้นฐานของอาหารของมนุษย์

ในพืชที่มีปฏิกิริยา C4 การสังเคราะห์ด้วยแสงจะเกิดขึ้นมากที่สุดภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิและแสงสูง พืชดังกล่าวได้แก่ ข้าวโพด ข้าวฟ่าง และอ้อย ซึ่งเติบโตในสภาพอากาศอบอุ่นและเขตร้อน

เมแทบอลิซึมของพืชถูกค้นพบเมื่อไม่นานมานี้เมื่อพบว่าในพืชบางชนิดที่มีเนื้อเยื่อพิเศษสำหรับกักเก็บน้ำคาร์บอนไดออกไซด์จะสะสมในรูปของกรดอินทรีย์และถูกตรึงอยู่ในคาร์โบไฮเดรตหลังจากผ่านไปหนึ่งวันเท่านั้น กลไกนี้ช่วยให้พืชประหยัดน้ำ

กระบวนการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้อย่างไร?

พืชดูดซับแสงโดยใช้สารสีเขียวที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์ คลอโรฟิลล์พบได้ในคลอโรพลาสต์ซึ่งพบได้ในลำต้นหรือผลไม้ ใบไม้มีจำนวนมากเป็นพิเศษ เนื่องจากเนื่องจากโครงสร้างที่แบนมาก ใบไม้จึงสามารถดึงดูดแสงได้มาก ดังนั้นจึงได้รับพลังงานมากขึ้นสำหรับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

หลังจากการดูดซึม คลอโรฟิลล์จะอยู่ในสภาวะตื่นเต้นและถ่ายโอนพลังงานไปยังโมเลกุลอื่นๆ ของร่างกายพืช โดยเฉพาะโมเลกุลที่เกี่ยวข้องโดยตรงกับการสังเคราะห์ด้วยแสง ขั้นตอนที่สองของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นโดยไม่ต้องมีส่วนร่วมของแสงและประกอบด้วยการได้รับพันธะเคมีโดยการมีส่วนร่วมของคาร์บอนไดออกไซด์ที่ได้จากอากาศและน้ำ ในขั้นตอนนี้จะมีการสังเคราะห์สารที่เป็นประโยชน์ต่อสิ่งมีชีวิตหลายชนิด เช่น แป้งและกลูโคส

พืชใช้สารอินทรีย์เหล่านี้เองในการบำรุงส่วนต่างๆ ของมัน รวมทั้งเพื่อรักษาการทำงานของชีวิตให้เป็นปกติ นอกจากนี้สัตว์ยังได้รับสารเหล่านี้จากการกินพืชอีกด้วย ผู้คนยังได้รับสารเหล่านี้จากการรับประทานอาหารที่มีต้นกำเนิดจากสัตว์และพืช

เงื่อนไขสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งภายใต้อิทธิพลของแสงประดิษฐ์และแสงแดด ตามกฎแล้วโดยธรรมชาติแล้วพืชจะ "ทำงาน" อย่างเข้มข้นในฤดูใบไม้ผลิและฤดูร้อนเมื่อมีแสงแดดเพียงพอ ในฤดูใบไม้ร่วงแสงน้อย วันก็สั้นลง ใบไม้เปลี่ยนเป็นสีเหลืองก่อนแล้วจึงร่วงหล่น แต่ทันทีที่ดวงอาทิตย์อันอบอุ่นในฤดูใบไม้ผลิปรากฏขึ้น ใบไม้สีเขียวก็ปรากฏขึ้นอีกครั้ง และ “โรงงาน” สีเขียวจะกลับมาทำงานอีกครั้งเพื่อจัดหาออกซิเจนที่จำเป็นต่อชีวิต เช่นเดียวกับสารอาหารอื่นๆ อีกมากมาย

คำจำกัดความอื่นของการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสง (จากภาษากรีกโบราณแสงและการสังเคราะห์ - การเชื่อมต่อ, การพับ, การผูก, การสังเคราะห์) เป็นกระบวนการในการแปลงพลังงานแสงให้เป็นพลังงานของพันธะเคมีของสารอินทรีย์ในแสงโดยโฟโตออโตโทรฟที่มีส่วนร่วมของเม็ดสีสังเคราะห์แสง (คลอโรฟิลล์ในพืช แบคทีเรีย แบคทีเรีย และแบคทีเรีย) ในสรีรวิทยาของพืชสมัยใหม่ การสังเคราะห์ด้วยแสงมักเข้าใจกันมากขึ้นว่าเป็นฟังก์ชันโฟโตออโตโทรฟิก ซึ่งเป็นชุดของกระบวนการดูดซับ การเปลี่ยนแปลง และการใช้พลังงานของควอนตัมแสงในปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิกต่างๆ รวมถึงการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์เป็นสารอินทรีย์

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนและมีสองขั้นตอน ได้แก่ แสงซึ่งมักจะเกิดขึ้นเฉพาะในแสงสว่างเท่านั้น และความมืด กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์บนอวัยวะขนาดเล็กพิเศษ - ไทลาโคเดีย ในระหว่างระยะแสง ควอนตัมของแสงจะถูกดูดซับโดยคลอโรฟิลล์ ส่งผลให้เกิดโมเลกุล ATP และ NADPH จากนั้นน้ำจะแตกตัวกลายเป็นไอออนไฮโดรเจนและปล่อยโมเลกุลออกซิเจนออกมา คำถามเกิดขึ้นว่าสารลึกลับที่เข้าใจยากเหล่านี้คืออะไร: ATP และ NADH?

ATP เป็นโมเลกุลอินทรีย์พิเศษที่พบในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด และมักเรียกว่าสกุลเงิน "พลังงาน" เป็นโมเลกุลเหล่านี้ที่มีพันธะพลังงานสูงและเป็นแหล่งพลังงานในการสังเคราะห์สารอินทรีย์และกระบวนการทางเคมีในร่างกาย จริงๆ แล้ว NADPH เป็นแหล่งของไฮโดรเจน มันถูกใช้โดยตรงในการสังเคราะห์สารอินทรีย์โมเลกุลสูง - คาร์โบไฮเดรต ซึ่งเกิดขึ้นในระยะที่สองที่มืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยใช้คาร์บอนไดออกไซด์

ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง

คลอโรพลาสต์มีโมเลกุลคลอโรฟิลล์จำนวนมาก และพวกมันดูดซับแสงแดดทั้งหมด ในเวลาเดียวกัน แสงจะถูกดูดซับโดยเม็ดสีอื่น ๆ แต่ไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเฉพาะในโมเลกุลคลอโรฟิลล์บางชนิดเท่านั้นซึ่งมีน้อยมาก โมเลกุลอื่นๆ ของคลอโรฟิลล์ แคโรทีนอยด์ และสารอื่นๆ ก่อตัวเป็นเสาอากาศพิเศษและสารเชิงซ้อนการเก็บเกี่ยวแสง (LHC) พวกมันดูดซับควอนตัมแสงและส่งแรงกระตุ้นไปยังศูนย์ปฏิกิริยาหรือกับดักพิเศษเช่นเดียวกับเสาอากาศ ศูนย์เหล่านี้ตั้งอยู่ในระบบภาพถ่าย ซึ่งพืชมีสองระบบ: ระบบภาพถ่าย II และระบบภาพถ่าย I พวกมันประกอบด้วยโมเลกุลคลอโรฟิลล์พิเศษ: ตามลำดับ ในระบบภาพถ่าย II - P680 และในระบบภาพถ่าย I - P700 พวกมันดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่นเท่านี้ (680 และ 700 นาโนเมตร)

แผนภาพทำให้ชัดเจนยิ่งขึ้นว่าทุกสิ่งมีลักษณะและเกิดขึ้นอย่างไรในช่วงระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ในรูปเราเห็นระบบภาพถ่ายสองระบบที่มีคลอโรฟิลล์ P680 และ P700 รูปนี้ยังแสดงพาหะที่การขนส่งอิเล็กตรอนเกิดขึ้นด้วย

ดังนั้น: โมเลกุลคลอโรฟิลล์ทั้งสองของระบบภาพถ่ายทั้งสองระบบดูดซับควอนตัมแสงและเกิดความตื่นเต้น อิเล็กตรอน e- (สีแดงในรูป) เคลื่อนที่ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น

อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมีพลังงานสูงมากพวกมันแตกออกและเข้าสู่สายโซ่ขนส่งพิเศษซึ่งอยู่ในเยื่อหุ้มของไทลาคอยด์ซึ่งเป็นโครงสร้างภายในของคลอโรพลาสต์ รูปนี้แสดงให้เห็นว่าจากระบบภาพถ่าย II จากคลอโรฟิลล์ P680 อิเล็กตรอนไปที่พลาสโตควิโนน และจากระบบภาพถ่าย I จากคลอโรฟิลล์ P700 ไปจนถึงเฟอร์ดอกซิน ในโมเลกุลคลอโรฟิลล์เอง หลุมสีน้ำเงินที่มีประจุบวกจะเกิดขึ้นแทนที่อิเล็กตรอนหลังจากกำจัดออกไป จะทำอย่างไร?

เพื่อชดเชยการขาดอิเล็กตรอน โมเลกุลคลอโรฟิลล์ P680 ของระบบภาพถ่าย II จะรับอิเล็กตรอนจากน้ำและเกิดไอออนของไฮโดรเจน นอกจากนี้ยังเกิดจากการสลายของน้ำที่ออกซิเจนถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ และโมเลกุลคลอโรฟิลล์ P700 ดังที่เห็นได้จากภาพ ชดเชยการขาดอิเล็กตรอนผ่านระบบพาหะจากระบบภาพถ่าย II

โดยทั่วไปไม่ว่าจะยากแค่ไหน ขั้นตอนแสงของการสังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นอย่างแน่นอน จากรูปที่ 3 คุณจะเห็นได้ว่าไอออนไฮโดรเจน H+ เคลื่อนที่ผ่านเมมเบรนควบคู่ไปกับการขนส่งอิเล็กตรอน และสะสมอยู่ภายในไทลาคอยด์ เนื่องจากมีจำนวนมากอยู่ที่นั่น พวกมันจึงเคลื่อนตัวออกไปด้านนอกด้วยความช่วยเหลือของปัจจัยการผันพิเศษ ซึ่งเป็นสีส้มในภาพที่แสดงทางด้านขวาและดูเหมือนเห็ด

ในที่สุดเราจะเห็นขั้นตอนสุดท้ายของการขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งส่งผลให้เกิดสารประกอบ NADH ดังกล่าว และเนื่องจากการถ่ายโอนไอออนของ H+ สกุลเงินของพลังงานจึงถูกสังเคราะห์ขึ้น - ATP (ดูด้านขวาในรูป)

ดังนั้น ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงเสร็จสมบูรณ์ ออกซิเจนถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ เกิด ATP และ NADH อะไรต่อไป? สารอินทรีย์ที่สัญญาไว้อยู่ที่ไหน? และแล้วก็มาถึงขั้นมืดซึ่งประกอบด้วยกระบวนการทางเคมีเป็นส่วนใหญ่

ระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง

สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงในช่วงมืด คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ถือเป็นองค์ประกอบสำคัญ ดังนั้นพืชจึงต้องดูดซับจากบรรยากาศอย่างต่อเนื่อง เพื่อจุดประสงค์นี้มีโครงสร้างพิเศษบนพื้นผิวของใบ - ปากใบ เมื่อเปิดออก CO2 จะเข้าสู่ใบไม้ ละลายในน้ำ และทำปฏิกิริยากับระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง

ในช่วงระยะแสงในพืชส่วนใหญ่ CO2 จับกับสารประกอบอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 5 คาร์บอน (ซึ่งเป็นสายโซ่ของโมเลกุลคาร์บอน 5 โมเลกุล) ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของสารประกอบ 3 คาร์บอน 2 โมเลกุล (กรด 3-ฟอสโฟกลีเซอริก) เพราะ ผลลัพธ์หลักคือสารประกอบสามคาร์บอนเหล่านี้อย่างแม่นยำ พืชที่มีการสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้เรียกว่าพืช C3

การสังเคราะห์เพิ่มเติมในคลอโรพลาสต์เกิดขึ้นค่อนข้างซับซ้อน ในที่สุดมันก็ก่อตัวเป็นสารประกอบคาร์บอน 6 ตัว ซึ่งสามารถสังเคราะห์กลูโคส ซูโครส หรือแป้งได้ในภายหลัง พืชจะสะสมพลังงานในรูปของสารอินทรีย์เหล่านี้ ในกรณีนี้ มีเพียงส่วนเล็กๆ เท่านั้นที่ยังคงอยู่ในใบซึ่งใช้ตามความต้องการ ในขณะที่คาร์โบไฮเดรตที่เหลือเดินทางไปทั่วทั้งต้นพืช ไปถึงจุดที่มีความต้องการพลังงานมากที่สุด - ตัวอย่างเช่น ที่จุดเติบโต

พืชแปลงแสงแดดเป็นพลังงานเคมีที่สะสมอยู่ในสองขั้นตอน ขั้นแรก พวกมันจับพลังงานจากแสงอาทิตย์ แล้วนำไปใช้เพื่อตรึงคาร์บอนเพื่อสร้างโมเลกุลอินทรีย์

พืชสีเขียว - นักชีววิทยาเรียกพวกมันว่า ออโตโทรฟ- พื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบนโลก ห่วงโซ่อาหารเกือบทั้งหมดเริ่มต้นด้วยพืช พวกเขาแปลงพลังงานที่ตกกระทบพวกเขาในรูปของแสงแดดเป็นพลังงานที่เก็บไว้ในคาร์โบไฮเดรต ( ซม.โมเลกุลทางชีวภาพ) ซึ่งที่สำคัญที่สุดคือน้ำตาลกลูโคสหกคาร์บอน กระบวนการแปลงพลังงานนี้เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง สิ่งมีชีวิตอื่นๆ เข้าถึงพลังงานนี้โดยการกินพืช สิ่งนี้สร้างห่วงโซ่อาหารที่สนับสนุนระบบนิเวศของดาวเคราะห์

นอกจากนี้อากาศที่เราหายใจยังอิ่มตัวด้วยออกซิเจนเนื่องจากการสังเคราะห์ด้วยแสง สมการโดยรวมของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีลักษณะดังนี้:

น้ำ + คาร์บอนไดออกไซด์ + แสง → คาร์โบไฮเดรต + ออกซิเจน

พืชดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เกิดขึ้นระหว่างการหายใจและปล่อยออกซิเจนซึ่งเป็นของเสียจากพืช ( ซม.ไกลโคไลซิสและการหายใจ) นอกจากนี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงยังมีบทบาทสำคัญในวัฏจักรคาร์บอนในธรรมชาติ

ดูเหมือนว่าน่าแปลกใจที่แม้นักวิทยาศาสตร์จะไม่ได้เริ่มศึกษามันเป็นเวลานานนัก แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงจะมีความสำคัญก็ตาม หลังจากการทดลองของ Van Helmont ซึ่งดำเนินการในศตวรรษที่ 17 ก็มีอาการสงบลงและในปี 1905 นักสรีรวิทยาพืชชาวอังกฤษ Frederick Blackman (1866-1947) ได้ทำการวิจัยและสร้างกระบวนการพื้นฐานของการสังเคราะห์ด้วยแสง เขาแสดงให้เห็นว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นในที่แสงน้อย ซึ่งอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นตามฟลักซ์แสงที่เพิ่มขึ้น แต่จากระดับหนึ่ง การเพิ่มขึ้นของแสงอีกจะไม่ทำให้กิจกรรมการสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้นอีกต่อไป แบล็กแมนแสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นภายใต้สภาวะแสงน้อยไม่ส่งผลต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่เมื่ออุณหภูมิและแสงเพิ่มขึ้นพร้อมกัน อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงก็เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญมากกว่าการเพิ่มแสงเพียงอย่างเดียว

จากการทดลองเหล่านี้ แบล็กแมนสรุปว่ามีสองกระบวนการเกิดขึ้น กระบวนการหนึ่งขึ้นอยู่กับระดับแสงอย่างมากแต่ไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ในขณะที่อีกกระบวนการหนึ่งได้รับอิทธิพลอย่างมากจากอุณหภูมิโดยไม่คำนึงถึงระดับแสง ข้อมูลเชิงลึกนี้เป็นพื้นฐานของแนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการทั้งสองบางครั้งเรียกว่าปฏิกิริยา "แสง" และ "ความมืด" ซึ่งไม่ถูกต้องทั้งหมด เนื่องจากปรากฎว่าแม้ว่าปฏิกิริยาของระยะ "มืด" จะเกิดขึ้นเมื่อไม่มีแสง แต่ก็ต้องการผลิตภัณฑ์ของ "แสง" เฟส

การสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นเมื่อโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากดวงอาทิตย์เข้าสู่โมเลกุลเม็ดสีพิเศษที่พบในโมเลกุลของใบ คลอโรฟิลล์- คลอโรฟิลล์พบได้ในเซลล์ใบและในเยื่อหุ้มของออร์แกเนลล์ของเซลล์ คลอโรพลาสต์(เป็นผู้ทำให้ใบไม้มีสีเขียว) กระบวนการดักจับพลังงานประกอบด้วยสองขั้นตอนและดำเนินการในกลุ่มโมเลกุลที่แยกจากกัน - มักเรียกว่ากระจุกเหล่านี้ ระบบภาพถ่าย Iและ ระบบภาพถ่าย II- จำนวนคลัสเตอร์สะท้อนถึงลำดับการค้นพบกระบวนการเหล่านี้ และนี่เป็นหนึ่งในสิ่งแปลกประหลาดทางวิทยาศาสตร์ที่น่าตลก เนื่องจากปฏิกิริยาใน Photosystem II เกิดขึ้นที่ใบไม้ก่อน จากนั้นจะเกิดขึ้นเฉพาะใน Photosystem I เท่านั้น

เมื่อโฟตอนชนกับโมเลกุลของ Photosystem II จำนวน 250-400 โมเลกุล พลังงานจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันและถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลคลอโรฟิลล์ เมื่อถึงจุดนี้ เกิดปฏิกิริยาเคมีสองอย่าง: โมเลกุลคลอโรฟิลล์สูญเสียอิเล็กตรอนสองตัว (ซึ่งโมเลกุลอื่นยอมรับ เรียกว่าตัวรับอิเล็กตรอน) และโมเลกุลของน้ำจะแตกตัว อิเล็กตรอนของอะตอมไฮโดรเจนทั้งสองที่เป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลของน้ำจะเข้ามาแทนที่อิเล็กตรอนสองตัวที่สูญเสียไปจากคลอโรฟิลล์

หลังจากนั้น อิเล็กตรอนพลังงานสูง (“เร็ว”) จะถูกถ่ายโอนถึงกันเหมือนมันฝรั่งร้อนโดยตัวพาโมเลกุลที่ประกอบกันเป็นสายโซ่ ในกรณีนี้ พลังงานส่วนหนึ่งจะไปสู่การก่อตัวของโมเลกุลอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นหนึ่งในตัวพาพลังงานหลักในเซลล์ ( ซม.โมเลกุลทางชีวภาพ) ในขณะเดียวกัน โมเลกุลของโฟตอนซิสเต็ม I คลอโรฟิลล์ที่แตกต่างกันเล็กน้อยจะดูดซับพลังงานของโฟตอนและบริจาคอิเล็กตรอนให้กับโมเลกุลตัวรับอื่น อิเล็กตรอนนี้จะถูกแทนที่ด้วยคลอโรฟิลล์โดยอิเล็กตรอนที่มาถึงตามสายโซ่พาหะจาก Photosystem II พลังงานของอิเล็กตรอนจาก Photosystem I และไฮโดรเจนไอออนที่เกิดขึ้นก่อนหน้านี้ระหว่างการแยกโมเลกุลของน้ำจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้าง NADP-H ซึ่งเป็นโมเลกุลพาหะอีกโมเลกุลหนึ่ง

จากกระบวนการจับแสง พลังงานของโฟตอนสองตัวจะถูกเก็บไว้ในโมเลกุลที่เซลล์ใช้ในการทำปฏิกิริยา และเกิดโมเลกุลออกซิเจนเพิ่มเติมขึ้น (ฉันสังเกตว่าเป็นผลมาจากกระบวนการอื่นที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่ามากที่เกี่ยวข้องกับ Photosystem I เพียงอย่างเดียว โมเลกุล ATP ก็ถูกสร้างขึ้นเช่นกัน) หลังจากที่พลังงานแสงอาทิตย์ถูกดูดซับและกักเก็บไว้ ก็ถึงคราวของการก่อตัวของคาร์โบไฮเดรต กลไกพื้นฐานสำหรับการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตในพืชถูกค้นพบโดยเมลวิน คาลวิน ซึ่งทำการทดลองหลายครั้งในช่วงทศวรรษที่ 1940 ซึ่งปัจจุบันกลายเป็นกลไกคลาสสิกไปแล้ว คาลวินและผู้ร่วมงานของเขาปลูกสาหร่ายโดยมีคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งมีกัมมันตภาพรังสีคาร์บอน-14 พวกเขาสามารถสร้างปฏิกิริยาเคมีในช่วงมืดได้โดยการขัดขวางการสังเคราะห์ด้วยแสงในระยะต่างๆ

วงจรการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นคาร์โบไฮเดรต - ที่เรียกว่าวงจรคาลวิน - คล้ายกับวงจรเครบส์ ( ซม.ไกลโคไลซิสและการหายใจ: นอกจากนี้ยังประกอบด้วยชุดของปฏิกิริยาเคมีที่เริ่มต้นด้วยการรวมกันของโมเลกุลที่เข้ามากับโมเลกุล "ตัวช่วย" ตามด้วยการเริ่มต้นของปฏิกิริยาเคมีอื่นๆ ปฏิกิริยาเหล่านี้นำไปสู่การก่อตัวของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและในขณะเดียวกันก็สร้างโมเลกุล "ตัวช่วย" ขึ้นใหม่ และวงจรก็เริ่มต้นอีกครั้ง ในวัฏจักรคาลวิน บทบาทของโมเลกุล "ตัวช่วย" ดังกล่าวมีบทบาทโดยน้ำตาลไรบูโลสไดฟอสเฟต (RDP) คาร์บอน 5 คาร์บอน วัฏจักรคาลวินเริ่มต้นด้วยโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์รวมกับ RDP เนื่องจากพลังงานของแสงแดดที่เก็บอยู่ในรูปของ ATP และ NADP-H ปฏิกิริยาทางเคมีของการตรึงคาร์บอนจึงเกิดขึ้นเป็นคาร์โบไฮเดรตก่อน จากนั้นจึงเกิดปฏิกิริยาการสร้างไรบูโลส ไดฟอสเฟตขึ้นมาใหม่ ในระหว่างรอบหกรอบ อะตอมของคาร์บอนหกอะตอมจะถูกรวมเข้าไปในโมเลกุลของสารตั้งต้นของกลูโคสและคาร์โบไฮเดรตอื่นๆ วัฏจักรของปฏิกิริยาเคมีนี้จะดำเนินต่อไปตราบเท่าที่มีการจัดหาพลังงาน ด้วยวัฏจักรนี้ พลังงานของแสงแดดจึงมีให้กับสิ่งมีชีวิต

ในพืชส่วนใหญ่ วัฏจักรคาลวินที่อธิบายไว้ข้างต้นเกิดขึ้น ซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งมีส่วนร่วมโดยตรงในปฏิกิริยา จะจับกับไรบูโลส ไดฟอสเฟต พืชเหล่านี้เรียกว่าพืช C 3 เนื่องจากสารเชิงซ้อนไดฟอสเฟตคาร์บอนไดออกไซด์-ไรบูโลสถูกแบ่งออกเป็นโมเลกุลเล็ก ๆ สองโมเลกุล แต่ละโมเลกุลประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนสามอะตอม พืชบางชนิด (เช่น ข้าวโพดและอ้อย และหญ้าเขตร้อนหลายชนิด รวมถึงวัชพืชที่กำลังคืบคลาน) มีการทำงานที่แตกต่างกัน ความจริงก็คือก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มักจะทะลุผ่านรูบนพื้นผิวของแผ่นที่เรียกว่า ปากใบ- ที่อุณหภูมิสูง ปากใบจะปิด ปกป้องพืชจากการสูญเสียความชื้นมากเกินไป ในพืช C 3 เมื่อปิดปากใบ ปริมาณก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ก็หยุดลงเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่การชะลอตัวของการสังเคราะห์ด้วยแสงและการเปลี่ยนแปลงของปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง ในกรณีของข้าวโพด คาร์บอนไดออกไซด์จะเกาะติดกับโมเลกุลคาร์บอน 3 โมเลกุลบนพื้นผิวของใบ จากนั้นจึงเคลื่อนตัวไปด้านในของใบ ซึ่งเป็นที่ที่คาร์บอนไดออกไซด์ถูกปล่อยออกมา และวัฏจักรคาลวินก็เริ่มต้นขึ้น ด้วยกระบวนการที่ค่อนข้างซับซ้อนนี้ การสังเคราะห์ด้วยแสงในข้าวโพดจึงเกิดขึ้นได้แม้ในสภาพอากาศที่ร้อนและแห้งจัด เราเรียกพืชที่กระบวนการนี้เกิดขึ้น พืช C 4 เนื่องจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ถูกขนส่งเป็นโมเลกุลสี่คาร์บอนที่จุดเริ่มต้นของวงจร พืช C 3 ส่วนใหญ่เป็นพืชเขตอบอุ่น ในขณะที่พืช C 4 มักพบในเขตร้อน

สมมติฐานของแวน นีล

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงอธิบายได้ด้วยปฏิกิริยาทางเคมีต่อไปนี้:

CO 2 + H 2 O + แสง → คาร์โบไฮเดรต + O 2

ในตอนต้นของศตวรรษที่ 20 เชื่อกันว่าออกซิเจนที่ปล่อยออกมาระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นเกิดขึ้นจากการสลายคาร์บอนไดออกไซด์ มุมมองนี้ถูกข้องแวะในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดย Cornelis Bernardus Van Niel (พ.ศ. 2440-2529) ซึ่งขณะนั้นเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดในแคลิฟอร์เนีย เขาศึกษาแบคทีเรียกำมะถันสีม่วง (ในภาพ) ซึ่งต้องใช้ไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H 2 S) ในการสังเคราะห์ด้วยแสง และปล่อยกำมะถันอะตอมเป็นผลพลอยได้ สำหรับแบคทีเรียดังกล่าว สมการการสังเคราะห์ด้วยแสงมีลักษณะดังนี้:

CO 2 + H 2 S + แสง → คาร์โบไฮเดรต + 2S

จากความคล้ายคลึงกันของกระบวนการทั้งสองนี้ Van Niel แนะนำว่าในการสังเคราะห์ด้วยแสงทั่วไปแหล่งที่มาของออกซิเจนไม่ใช่คาร์บอนไดออกไซด์ แต่เป็นน้ำ เนื่องจากในแบคทีเรียกำมะถันซึ่งเผาผลาญกำมะถันแทนออกซิเจน การสังเคราะห์ด้วยแสงจึงส่งคืนกำมะถันนี้ ซึ่งเป็นผลพลอยได้ ผลผลิตจากปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง คำอธิบายโดยละเอียดที่ทันสมัยของการสังเคราะห์ด้วยแสงยืนยันการคาดเดานี้: ขั้นตอนแรกของกระบวนการสังเคราะห์แสง (ดำเนินการในระบบ Photosystem II) คือการแยกโมเลกุลของน้ำ