การสังเคราะห์ด้วยแสงทำงานอย่างไร

พืชสร้างน้ำตาลและออกซิเจนด้วยพลังน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และแสงแดด

หายใจลึก ๆ แล้วขอบคุณพืช ถ้าคุณกินผลไม้ ผัก ธัญพืชหรือมันฝรั่ง ขอบคุณพืชเช่นกัน พืชและสาหร่ายให้ออกซิเจนที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรตที่เราใช้เป็นพลังงาน พวกเขาทำทุกอย่างผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสร้างน้ำตาลและออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแสงแดด มันเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีต่อเนื่องยาวนาน แต่สรุปได้ดังนี้ คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแสงเข้าไป กลูโคส น้ำ และออกซิเจนออกมา (กลูโคสเป็นน้ำตาลธรรมดา)

การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถแบ่งออกเป็นสองกระบวนการ ส่วน “ภาพถ่าย” หมายถึงปฏิกิริยาที่เกิดจากแสง “การสังเคราะห์” — การทำน้ำตาล — เป็นกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน

กระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ นี่คือโครงสร้างพิเศษหรือออร์แกเนลล์ในเซลล์พืช โครงสร้างประกอบด้วยกองเยื่อหุ้มที่เรียกว่าเยื่อไทลาคอยด์ นั่นคือจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาแสง

ให้แสงสว่างส่องเข้ามา

เมื่อแสงกระทบใบพืช มันจะส่องไปที่คลอโรพลาสต์และเข้าไปในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ เยื่อเหล่านั้นเต็มไปด้วยคลอโรฟิลล์ ซึ่งเป็นเม็ดสีเขียว เม็ดสีนี้ดูดซับพลังงานแสง แสงเดินทางเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่น — ระยะห่างระหว่างคลื่น — กำหนดระดับพลังงาน ความยาวคลื่นเหล่านี้บางส่วนสามารถมองเห็นได้เป็นสีที่เราเห็น หากโมเลกุลเช่นคลอโรฟิลล์มีรูปร่างที่เหมาะสมก็สามารถดูดซับพลังงานจากความยาวคลื่นของแสงได้

คลอโรฟิลล์สามารถดูดซับแสงที่เราเห็นเป็นสีน้ำเงินและสีแดง นั่นเป็นเหตุผลที่เราเห็นพืชเป็นสีเขียว สีเขียวคือความยาวคลื่นที่พืชสะท้อน ไม่ใช่สีที่พืชดูดซับ

ในขณะที่แสงเดินทางเป็นคลื่น แต่ก็สามารถเป็นอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอนได้ โฟตอนไม่มีมวล อย่างไรก็ตามพวกมันมีพลังงานแสงเพียงเล็กน้อย

เมื่อโฟตอนของแสงจากดวงอาทิตย์กระทบใบไม้ พลังงานของมันจะกระตุ้นโมเลกุลคลอโรฟิลล์ โฟตอนนั้นเริ่มกระบวนการที่แยกโมเลกุลของน้ำ อะตอมของออกซิเจนที่แยกออกจากน้ำจะจับกับอีกอะตอมในทันที ทำให้เกิดโมเลกุลของออกซิเจนหรือ O2 ปฏิกิริยาเคมียังสร้างโมเลกุลที่เรียกว่า ATP และอีกโมเลกุลหนึ่งเรียกว่า NADPH ทั้งสองอย่างนี้ช่วยให้เซลล์เก็บพลังงานได้ ATP และ NADPH จะมีส่วนร่วมในส่วนการสังเคราะห์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วย

สังเกตว่าปฏิกิริยาแสงทำให้ไม่มีน้ำตาล แต่จะจ่ายพลังงานที่เก็บไว้ใน ATP และ NADPH ซึ่งเชื่อมต่อกับวงจรของ Calvin นี่คือที่ที่ทำน้ำตาล

แต่ปฏิกิริยาแสงสร้างสิ่งที่เราใช้ นั่นคือ ออกซิเจน ออกซิเจนทั้งหมดที่เราหายใจเข้าไปเป็นผลมาจากขั้นตอนนี้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งดำเนินการโดยพืชและสาหร่าย (ซึ่งไม่ใช่พืช) ทั่วโลก

ขอน้ำตาลหน่อย

ขั้นตอนต่อไปใช้พลังงานจากปฏิกิริยาแสงและนำไปใช้กับกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน วัฏจักรนี้ตั้งชื่อตาม Melvin Calvin ชายผู้ค้นพบมัน

วัฏจักรคาลวินบางครั้งเรียกว่าปฏิกิริยามืดเนื่องจากไม่มีขั้นตอนใดที่ต้องใช้แสง แต่มันก็ยังคงเกิดขึ้นในระหว่างวัน นั่นเป็นเพราะมันต้องการพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาแสงที่มาก่อนมัน

ในขณะที่ปฏิกิริยาแสงเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ ATP และ NADPH ที่เกิดขึ้นจะจบลงที่สโตรมา นี่คือช่องว่างภายในคลอโรพลาสต์ แต่อยู่นอกเยื่อหุ้มไทลาคอยด์

วัฏจักรคาลวินมีสี่ขั้นตอนหลัก:

1. การตรึงคาร์บอน: ในที่นี้ พืชจะนำ CO2 เข้ามาและยึดติดกับโมเลกุลคาร์บอนอื่นโดยใช้ rubisco นี่คือเอนไซม์หรือสารเคมีที่ทำให้ปฏิกิริยาเคลื่อนที่เร็วขึ้น ขั้นตอนนี้สำคัญมากที่ rubisco เป็นโปรตีนที่พบมากที่สุดในคลอโรพลาสต์ — และบนโลก Rubisco จับคาร์บอนใน CO2 กับโมเลกุลคาร์บอนห้าตัวที่เรียกว่า ribulose 1,5-bisphosphate (หรือ RuBP) สิ่งนี้สร้างโมเลกุลคาร์บอนหกตัว ซึ่งแยกออกเป็นสารเคมีสองชนิดทันที แต่ละชนิดมีคาร์บอนสามตัว
2. การลดลง: ATP และ NADPH จากปฏิกิริยาแสงปรากฏขึ้นและเปลี่ยนโมเลกุลสามคาร์บอนสองโมเลกุลให้เป็นโมเลกุลน้ำตาลขนาดเล็กสองโมเลกุล โมเลกุลน้ำตาลเรียกว่า G3P ย่อมาจาก glyceraldehyde 3-phosphate (GLIH- sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt)
3. การก่อตัวของคาร์โบไฮเดรต: G3P บางส่วนออกจากวงจรเพื่อเปลี่ยนเป็นน้ำตาลที่ใหญ่กว่าเช่นกลูโคส (C6H12O6)
4. การสร้างใหม่: ด้วย ATP ที่มากขึ้นจากปฏิกิริยาแสงที่ต่อเนื่อง G3P ที่เหลือจะเก็บคาร์บอนเพิ่มอีกสองก้อนเพื่อกลายเป็น RuBP RuBP นี้จับคู่กับ rubisco อีกครั้ง ตอนนี้พวกเขาพร้อมที่จะเริ่มวงจรของ Calvin อีกครั้งเมื่อโมเลกุลถัดไปของ CO2 มาถึง

ในตอนท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะจบลงด้วยกลูโคส (C6H12O6) ออกซิเจน (O2) และน้ำ (H2O) โมเลกุลของกลูโคสไปสู่สิ่งที่ใหญ่กว่า มันสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลสายยาวเช่นเซลลูโลส นั่นคือสารเคมีที่สร้างผนังเซลล์ พืชยังสามารถเก็บพลังงานที่บรรจุอยู่ในโมเลกุลกลูโคสภายในโมเลกุลแป้งที่ใหญ่กว่า พวกเขายังสามารถใส่กลูโคสเข้าไปในน้ำตาลอื่นๆ เช่น ฟรุกโตส เพื่อให้ผลไม้ของพืชมีรสหวาน

โมเลกุลเหล่านี้ทั้งหมดเป็นคาร์โบไฮเดรต — สารเคมีที่มีคาร์บอน ออกซิเจน และไฮโดรเจน (คาร์โบไฮเดรตช่วยให้จำง่าย) พืชใช้พันธะในสารเคมีเหล่านี้เพื่อเก็บพลังงาน แต่เราก็ใช้สารเคมีเหล่านี้เช่นกัน คาร์โบไฮเดรตเป็นส่วนสำคัญของอาหารที่เรากิน โดยเฉพาะธัญพืช มันฝรั่ง ผักและผลไม้

แสงแดดอาจทำให้ออกซิเจนในอากาศในช่วงยุคแรกๆของโลก

การทดลองด้วยเลเซอร์แนะนำว่าดวงอาทิตย์อาจสร้างอากาศในยุคแรกๆ ของโลกด้วยก๊าซออกซิเจนได้อย่างไร

การเลิกราไม่ใช่เรื่องยากเสมอไป อย่างน้อยก็สำหรับสารเคมีบางชนิด เช่น คาร์บอนไดออกไซด์ การทดสอบใหม่แสดงให้เห็นการระเบิดของแสงอัลตราไวโอเลต การค้นพบนี้ชี้ให้เห็นว่านักวิทยาศาสตร์อาจเข้าใจผิดว่าชั้นบรรยากาศของโลกมีออกซิเจนเพียงพอต่อการดำรงชีพของสิ่งมีชีวิต (เช่นเรา) ที่ต้องการก๊าซนี้เพื่อหายใจได้อย่างไร แสงแดดอาจทำให้การสะสมตัวเริ่มขึ้น ไม่ใช่การสังเคราะห์ด้วยแสง

ในการทดลองใหม่ นักวิจัยใช้เลเซอร์เพื่อแยกโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์หรือ CO2 มันให้ทั้งก๊าซคาร์บอนและออกซิเจนหรือที่เรียกว่า O2

อากาศไม่ได้อุดมไปด้วยออกซิเจนเสมอไป หลายพันล้านปีก่อน ก๊าซชนิดอื่นๆ ครอบงำ คาร์บอนไดออกไซด์เป็นหนึ่งในนั้น เมื่อถึงจุดหนึ่ง สาหร่ายและพืชเกิดการสังเคราะห์ด้วยแสง ทำให้พวกมันทำอาหารจากแสงแดด น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ผลพลอยได้อย่างหนึ่งของกระบวนการนี้คือก๊าซออกซิเจน และนั่นเป็นเหตุผลที่นักวิทยาศาสตร์หลายคนแย้งว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงจะต้องอยู่เบื้องหลังการสะสมของออกซิเจนในชั้นบรรยากาศยุคแรกๆ ของโลก

แต่ผลการศึกษาใหม่ชี้ให้เห็นว่าแสงอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์สามารถแยกออกซิเจนออกจากคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศได้ และสิ่งนี้สามารถแปลง CO2 เป็นคาร์บอนและ O2 ได้นานก่อนที่สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงจะมีวิวัฒนาการ กระบวนการเดียวกันนี้อาจผลิตออกซิเจนบนดาวศุกร์และดาวเคราะห์ไร้ชีวิตอื่นๆ ที่อุดมไปด้วยคาร์บอนไดออกไซด์ นักวิจัยกล่าว

นักวิจัย “ได้สร้างชุดการวัดที่ท้าทายอย่างสวยงาม” Simon North กล่าว นักเคมีที่มหาวิทยาลัย Texas A&M ในคอลเลจสเตชัน เขาไม่ได้ทำงานเกี่ยวกับการศึกษานี้ นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าอะตอมในคาร์บอนไดออกไซด์สามารถแยกออกเพื่อผลิตก๊าซออกซิเจนได้ แต่เป็นการยากที่จะพิสูจน์ว่า นั่นเป็นสาเหตุที่ข้อมูลใหม่น่าตื่นเต้นมาก

กระบวนการทำงานอย่างไร

ในโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ อะตอมของคาร์บอนตั้งอยู่ระหว่างอะตอมของออกซิเจนสองอะตอม เมื่อคาร์บอนไดออกไซด์แตกออกจากกัน อะตอมของคาร์บอนมักจะหนีออกมาโดยที่ยังคงติดอยู่กับอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอม นั่นทำให้อะตอมออกซิเจนอื่นอยู่คนเดียว แต่นักวิทยาศาสตร์สงสัยว่าการระเบิดของแสงที่มีพลังงานสูงอาจทำให้ได้ผลลัพธ์อื่นๆ

สำหรับการทดสอบใหม่ นักวิจัยได้รวบรวมเลเซอร์หลายตัว เหล่านี้ยิงแสงอัลตราไวโอเลตที่คาร์บอนไดออกไซด์ เลเซอร์ตัวหนึ่งทำให้โมเลกุลแตกตัว อีกคนวัดเศษซากที่เหลือ และมันแสดงให้เห็นโมเลกุลคาร์บอนเดี่ยวที่ลอยอยู่รอบๆ การสังเกตดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าเลเซอร์จะต้องผลิตก๊าซออกซิเจนด้วย

นักวิจัยไม่แน่ใจว่าเกิดอะไรขึ้น แต่พวกเขามีความคิด การระเบิดของแสงเลเซอร์อาจเชื่อมโยงอะตอมออกซิเจนภายนอกของโมเลกุลเข้าด้วยกัน สิ่งนี้จะเปลี่ยนโมเลกุลคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นวงแหวนแน่น ทีนี้ ถ้าอะตอมของออกซิเจนหนึ่งอะตอมปล่อยอะตอมของคาร์บอนที่อยู่ข้างๆ ไป อะตอมทั้งสามก็จะเรียงกันเป็นแถว และคาร์บอนจะอยู่ที่ปลายด้านหนึ่ง ในที่สุดอะตอมของออกซิเจนทั้งสองอาจหลุดพ้นจากเพื่อนบ้านที่เป็นคาร์บอน ที่จะเกิดเป็นโมเลกุลของออกซิเจน (O2)

Cheuk-Yiu Ng เป็นนักเคมีที่ University of California, Davis ซึ่งทำงานเกี่ยวกับการศึกษานี้ เขาบอกกับ Science News ว่าแสงอัลตราไวโอเลตพลังงานสูงอาจทำให้เกิดปฏิกิริยาที่น่าแปลกใจอื่น ๆ และปฏิกิริยาที่เพิ่งค้นพบอาจเกิดขึ้นได้บนดาวเคราะห์ดวงอื่น มันอาจจะสร้างบรรยากาศของดาวเคราะห์ที่ห่างไกลและไร้ชีวิตที่มีออกซิเจนในปริมาณเล็กน้อย

“การทดลองนี้เปิดโอกาสความเป็นไปได้มากมาย” เขากล่าวสรุป

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ linkucam.com/