การสังเคราะห์แสงคืออะไร?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่ใช้โดยพืชสาหร่ายและบางชนิดแบคทีเรียเพื่อเปลี่ยนแสงแดดให้เป็นพลังงาน กระบวนการทางเคมีแปลงคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) และน้ำเป็นอาหาร (น้ำตาล) และออกซิเจน- ปฏิกิริยาทางเคมีมักขึ้นอยู่กับเม็ดสีที่เรียกว่าคลอโรฟิลล์ซึ่งให้พืชสีเขียว การสังเคราะห์ด้วยแสงก็เป็นเหตุผลที่โลกของเราถูกปกคลุมไปด้วยบรรยากาศที่อุดมไปด้วยออกซิเจน

ประเภทของกระบวนการสังเคราะห์แสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงมีสองประเภท: ออกซิเจนและ anoxygenic พวกเขาทั้งคู่ปฏิบัติตามหลักการที่คล้ายกันมาก แต่อดีตเป็นสิ่งที่พบได้บ่อยที่สุดและพบได้ในพืชสาหร่ายและไซยาโนแบคทีเรีย

ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยออกซิเจนคาร์โบไฮเดรต- ในการถ่ายโอนนี้ CO2 คือ "ลดลง" หรือได้รับอิเล็กตรอนและน้ำคือ "ออกซิไดซ์" หรือสูญเสียอิเล็กตรอน ออกซิเจนผลิตพร้อมกับคาร์โบไฮเดรต

กระบวนการนี้สร้างความสมดุลบนโลกซึ่งคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตที่หายใจขณะที่พวกมันกินออกซิเจนในการหายใจจะถูกแปลงกลับเป็นออกซิเจนโดยพืชสาหร่ายและแบคทีเรีย

การสังเคราะห์ด้วยแสง Anoxygenic ใช้ผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่ไม่ใช่น้ำและกระบวนการไม่ได้สร้างออกซิเจนตาม "แบคทีเรียสังเคราะห์แสง anoxygenic" โดยโดยคลิ๊ตเท็กซ์- โดยทั่วไปกระบวนการจะเกิดขึ้นในแบคทีเรียเช่นสีเขียวกำมะถันแบคทีเรียและแบคทีเรียสีม่วง phototrophic

สมการการสังเคราะห์แสง

แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งสองประเภทจะซับซ้อน แต่หลายขั้นตอนกระบวนการโดยรวมสามารถสรุปได้อย่างเรียบร้อยเป็นสมการทางเคมี

สมการการสังเคราะห์แสงออกซิเจนคือ:

6CO2 + 12H2O + พลังงานแสง→ C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

ที่นี่หกโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) รวมกับ 12 โมเลกุลของน้ำ (H2O) โดยใช้พลังงานแสง ผลลัพธ์ที่ได้คือการก่อตัวของโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตเดียว (C6H12O6 หรือกลูโคส) พร้อมกับโมเลกุลหกโมเลกุลแต่ละตัวของออกซิเจนและน้ำ

ในทำนองเดียวกันปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสง anoxygenic ต่างๆสามารถแสดงเป็นสูตรทั่วไปเดียว:

CO2 + 2H2A + พลังงานแสง→ [CH2O] + 2A + H2O

ตัวอักษร A ในสมการเป็นตัวแปรและ H2A แสดงถึงผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่มีศักยภาพ ตัวอย่างเช่น "A" อาจเป็นตัวแทนของซัลเฟอร์ในไฮโดรเจนซัลไฟด์ผู้บริจาคอิเล็กตรอน (H2S) ตามเว็บไซต์ข่าวการแพทย์และวิทยาศาสตร์เพื่อชีวิตข่าววิทยาศาสตร์การแพทย์-

มีการแลกเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนอย่างไร?

พืชดูดซับ CO2 จากอากาศโดยรอบและปล่อยน้ำและออกซิเจนผ่านรูขุมขนด้วยกล้องจุลทรรศน์บนใบที่เรียกว่าปากใบ

เมื่อปากใบเปิดพวกเขาปล่อยให้ CO2; อย่างไรก็ตามในขณะที่เปิดออกซิเจนออกซิเจนและปล่อยให้ไอน้ำหลบหนี ปากใบใกล้เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำ แต่นั่นหมายความว่าพืชจะไม่ได้รับ CO2 สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงอีกต่อไป การแลกเปลี่ยนระหว่างกำไร CO2 และการสูญเสียน้ำเป็นปัญหาเฉพาะสำหรับพืชที่เติบโตในสภาพแวดล้อมที่ร้อนและแห้ง

พืชดูดซับแสงแดดสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงได้อย่างไร?

พืชมีเม็ดสีพิเศษที่ดูดซับพลังงานแสงที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง

Chlorophyll เป็นเม็ดสีหลักที่ใช้สำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงและให้พืชสีเขียวตามเว็บไซต์การศึกษาวิทยาศาสตร์การศึกษาธรรมชาติ- คลอโรฟิลล์ดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงินและสะท้อนแสงสีเขียว คลอโรฟิลล์เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่และใช้ทรัพยากรมากมายในการทำ ด้วยเหตุนี้มันจึงพังทลายลงไปจนถึงจุดสิ้นสุดของชีวิตของใบไม้และไนโตรเจนของเม็ดสีส่วนใหญ่ (หนึ่งในหน่วยการสร้างคลอโรฟิลล์) ถูกดูดกลับเข้าไปในพืชเมื่อใบไม้สูญเสียคลอโรฟิลล์ในฤดูใบไม้ร่วงเม็ดสีอื่น ๆ เช่นแคโรทีนอยด์และแอนโธไซยานินเริ่มแสดง ในขณะที่ carotenoids ดูดซับแสงสีน้ำเงินและสะท้อนสีเหลืองแอนโธไซยานินดูดซับแสงสีเขียวสีน้ำเงินและสะท้อนแสงสีแดงป่าฮาร์วาร์ด-

ที่เกี่ยวข้อง:ถ้ามนุษย์มีผิวสังเคราะห์แสงล่ะ?

โมเลกุลของเม็ดสีเกี่ยวข้องกับโปรตีนซึ่งช่วยให้พวกเขามีความยืดหยุ่นในการเคลื่อนไปสู่แสงและเข้าหากัน คอลเล็กชั่นขนาดใหญ่ 100 ถึง 5,000 โมเลกุลของเม็ดสีถือเป็น "เสาอากาศ" ตามบทความโดยWim Vermaasศาสตราจารย์ที่ Arizona State University โครงสร้างเหล่านี้จับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในรูปของโฟตอน

สถานการณ์แตกต่างกันเล็กน้อยสำหรับแบคทีเรีย ในขณะที่ไซยาโนแบคทีเรียมีคลอโรฟิลล์แบคทีเรียอื่น ๆ เช่นแบคทีเรียสีม่วงและแบคทีเรียกำมะถันสีเขียวมีแบคทีเรียแบคทีเรียเพื่อดูดซับแสงสำหรับการสังเคราะห์แสง anoxygenic ตาม "จุลชีววิทยาสำหรับหุ่น"(สำหรับ Dummies, 2019)

การสังเคราะห์แสงเริ่มต้นอย่างไร?

ก่อนหน้านี้มีการตั้งสมมติฐานว่ามีเพียงจำนวนเล็กน้อยของโฟตอนที่จำเป็นในการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่นักวิจัยไม่เคยสังเกตขั้นตอนแรกนี้มาก่อน อย่างไรก็ตาม,ในปี 2023 นักวิทยาศาสตร์ค้นพบว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงดูเหมือนจะเริ่มต้นด้วยโฟตอนเดียว

นักวิจัยตั้งค่าการทดลองที่แหล่งโฟตอนทะเลาะกันสองโฟตอนในแต่ละครั้ง หนึ่งถูกดูดซับโดยเครื่องตรวจจับในขณะที่อีกคนตีคลอโรพลาสต์ของแบคทีเรีย เมื่อโฟตอนที่สองตีการสังเคราะห์เริ่มต้นขึ้น

หลังจากทำการทดสอบมากกว่า 1.5 ล้านครั้งนักวิจัยยืนยันว่าจำเป็นต้องใช้โฟตอนเดียวเพื่อเริ่มการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในโรงงานที่ไหน?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ชนิดของพลาสมิด (อวัยวะที่มีเมมเบรน) ที่มีคลอโรฟิลล์และพบส่วนใหญ่ในใบพืช

คลอโรพลาสต์คล้ายกับไมโตคอนเดรียโรงไฟฟ้าพลังงานของเซลล์ซึ่งพวกเขามีจีโนมของตัวเองหรือการรวบรวมยีนที่มีอยู่ภายใน DNA แบบวงกลม ยีนเหล่านี้เข้ารหัสโปรตีนนั่นเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับ organelle และการสังเคราะห์ด้วยแสง

ภายในคลอโรพลาสต์เป็นโครงสร้างที่มีรูปทรงแผ่นเรียกว่า thylakoids ที่รับผิดชอบในการเก็บเกี่ยวโฟตอนของแสงสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงตามเว็บไซต์คำศัพท์ชีววิทยาชีววิทยาออนไลน์- thylakoids นั้นซ้อนกันอยู่ด้านบนของกันและกันในคอลัมน์ที่รู้จักกันในชื่อ Grana ในระหว่าง Grana คือ stroma - ของเหลวที่มีเอนไซม์โมเลกุลและไอออนที่เกิดการก่อตัวของน้ำตาล

ในที่สุดพลังงานแสงจะต้องถูกถ่ายโอนไปยังคอมเพล็กซ์โปรตีนเม็ดสีที่สามารถแปลงเป็นพลังงานเคมีในรูปแบบของอิเล็กตรอน ในพืชพลังงานแสงจะถูกถ่ายโอนไปยังเม็ดสีคลอโรฟิลล์ การแปลงเป็นพลังงานเคมีทำได้เมื่อเม็ดสีคลอโรฟิลล์จะขับเคลื่อนอิเล็กตรอนซึ่งสามารถย้ายไปยังผู้รับที่เหมาะสม

เม็ดสีและโปรตีนที่แปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีและเริ่มกระบวนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเป็นที่รู้จักกันในชื่อศูนย์ปฏิกิริยา

ปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสง

เมื่อโฟตอนของแสงกระทบศูนย์ปฏิกิริยาโมเลกุลเม็ดสีเช่นคลอโรฟิลล์จะปล่อยอิเล็กตรอน

อิเล็กตรอนที่ปล่อยออกมาหนีผ่านชุดของคอมเพล็กซ์โปรตีนที่เชื่อมโยงเข้าด้วยกันหรือที่เรียกว่าห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ในขณะที่มันเคลื่อนที่ผ่านห่วงโซ่มันจะสร้างพลังงานในการผลิต ATP (adenosine triphosphate แหล่งพลังงานเคมีสำหรับเซลล์) และ NADPH ซึ่งทั้งสองอย่างนี้จำเป็นในระยะต่อไปของการสังเคราะห์แสงในวัฏจักรคาลวิน "รูอิเล็กตรอน" ในเม็ดสีคลอโรฟิลล์ดั้งเดิมเต็มไปด้วยการใช้อิเล็กตรอนจากน้ำ การแยกโมเลกุลของน้ำปล่อยออกซิเจนในชั้นบรรยากาศ

ปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสง: วงจรคาลวิน

วงจร Calvin เป็นกระบวนการสามขั้นตอนที่สร้างน้ำตาลสำหรับพืชและตั้งชื่อตามMelvin Calvin,รางวัลโนเบล-นักวิทยาศาสตร์ผู้ชนะที่ค้นพบเมื่อหลายสิบปีก่อน Calvin Cycle ใช้ ATP และ NADPH ที่ผลิตในคลอโรฟิลล์เพื่อสร้างคาร์โบไฮเดรต มันใช้จานในพืช stroma พื้นที่ด้านในในคลอโรพลาสต์

ในขั้นตอนแรกของรอบนี้เรียกว่าการตรึงคาร์บอนเอนไซม์ที่เรียกว่า RUBP carboxylase/oxygenase หรือที่เรียกว่า Rubiso ช่วยรวม CO2 เข้ากับโมเลกุลอินทรีย์ที่เรียกว่ากรด 3-phosphoglyceric (3-PGA) ในกระบวนการจะแบ่งกลุ่มฟอสเฟตในโมเลกุล ATP หกโมเลกุลเพื่อแปลงเป็น ADP ปล่อยพลังงานในกระบวนการตาม Liquretexts

ในขั้นตอนที่สองลดลง 3-PGA ซึ่งหมายความว่าใช้อิเล็กตรอนจากโมเลกุล NADPH หกโมเลกุลและผลิตโมเลกุล Glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) สองโมเลกุล

หนึ่งในโมเลกุล G3P เหล่านี้ทำให้วงจร Calvin ทำสิ่งอื่น ๆ ในโรงงาน โมเลกุล G3P ที่เหลืออยู่ในขั้นตอนที่สามซึ่งกำลังสร้างรูบิสโกขึ้นใหม่ ในระหว่างขั้นตอนเหล่านี้โรงงานผลิตกลูโคสหรือน้ำตาล

จำเป็นต้องมีโมเลกุล CO2 สามโมเลกุลในการผลิตโมเลกุล G3P หกโมเลกุลและใช้เวลาหกรอบรอบวงจร Calvin เพื่อสร้างโมเลกุลหนึ่งโมเลกุลของคาร์โบไฮเดรตตามเว็บไซต์การศึกษาKhan Academy

ประเภทของการสังเคราะห์แสง

เส้นทางการสังเคราะห์แสงมีสามประเภทหลัก: C3, C4 และ CAM พวกเขาทั้งหมดผลิตน้ำตาลจาก CO2 โดยใช้วัฏจักรของ Calvin แต่แต่ละเส้นทางจะแตกต่างกันเล็กน้อย

การสังเคราะห์ด้วยแสง C3

พืชส่วนใหญ่ใช้การสังเคราะห์ด้วยแสง C3 ตามโครงการวิจัยการสังเคราะห์ด้วยแสงตระหนักถึงประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงที่เพิ่มขึ้น (RIPE)- พืช C3 รวมถึงซีเรียล (ข้าวสาลีและข้าว), ฝ้าย, มันฝรั่งและถั่วเหลือง กระบวนการนี้มีชื่อสำหรับ 3-PGA สารประกอบสามคาร์บอนที่ใช้ในระหว่างรอบ Calvin

การสังเคราะห์ด้วยแสง C4

พืชเช่นข้าวโพดและอ้อยใช้การสังเคราะห์ด้วยแสง C4 กระบวนการนี้ใช้สารประกอบสี่คาร์บอนกลาง (เรียกว่า oxaloacetate) ซึ่งก็คือแปลงเป็น malateตามชีววิทยาออนไลน์ จากนั้น Malate จะถูกส่งเข้าไปในปลอกมัดที่ซึ่งมันจะพังและปล่อย CO2 ซึ่งได้รับการแก้ไขโดย Rubisco และทำเป็นน้ำตาลในวัฏจักร Calvin (เช่นการสังเคราะห์ด้วยแสง C3) พืช C4 นั้นปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่ร้อนและแห้งได้ดีกว่าและสามารถแก้ไขคาร์บอนได้ต่อไปแม้ว่าปากใบของพวกเขาจะถูกปิด (เนื่องจากมีวิธีแก้ปัญหาการจัดเก็บที่ชาญฉลาด) ตามชีววิทยาออนไลน์

การสังเคราะห์ด้วยแสงแคม

การเผาผลาญกรด Crassulacean (CAM) พบได้ในพืชที่ปรับให้เข้ากับสภาพแวดล้อมที่ร้อนและแห้งมากเช่น cacti และสับปะรดตามที่ Khan Academy เมื่อปากใบเปิดรับ CO2 พวกเขาเสี่ยงต่อการสูญเสียน้ำไปสู่สภาพแวดล้อมภายนอก ด้วยเหตุนี้พืชในสภาพแวดล้อมที่แห้งแล้งและร้อนได้ปรับตัว การปรับตัวหนึ่งคือ CAM โดยพืชเปิดปากใบในเวลากลางคืน (เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่าและการสูญเสียน้ำจะมีความเสี่ยงน้อยกว่า) จากข้อมูลของ Khan Academy ระบุว่า CO2 เข้าสู่พืชผ่านปากใบและถูกจับเป็น oxaloacetate และแปลงเป็น malate หรือกรดอินทรีย์อื่น (เช่นในเส้นทาง C4) จากนั้น CO2 จะพร้อมใช้งานสำหรับปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงในเวลากลางวันและปิดปากปิดลดความเสี่ยงของการสูญเสียน้ำ

ทรัพยากรเพิ่มเติม

ค้นพบข้อเท็จจริงเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยเว็บไซต์วิทยาศาสตร์การศึกษาsciencing.com- สำรวจว่าโครงสร้างใบไม้มีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างไรมหาวิทยาลัยแอริโซนา- เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการสังเคราะห์แสงที่แตกต่างกันสามารถวัดได้ด้วยเว็บไซต์วิทยาศาสตร์การศึกษาวิทยาศาสตร์และพืชสำหรับโรงเรียน-

บทความนี้ได้รับการปรับปรุงโดยบรรณาธิการการจัดการวิทยาศาสตร์สด Tia Ghose เมื่อวันที่ 3 พฤศจิกายน 2022