การสังเคราะห์ด้วยแสงทำงานอย่างไร?

เนื้อหา

• TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)
• การสังเคราะห์แสง: จำเป็นสำหรับทุกชีวิต
• การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในใบไม้
• พลังงานจากดวงอาทิตย์: ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง
• คลอโรฟิลการดูดซับแสงและการสร้างพลังงาน
• การสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจของเซลล์
• ปฏิกิริยาโลกร้อนและการสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงที่พืชและต้นไม้เปลี่ยนแสงจากดวงอาทิตย์เป็นพลังงานทางโภชนาการในตอนแรกอาจดูเหมือนเวทมนตร์ แต่โดยทางตรงและทางอ้อมกระบวนการนี้ค้ำจุนโลกทั้งใบ ในขณะที่พืชสีเขียวเข้าถึงแสงใบไม้ของพวกมันจะจับพลังงานแสงอาทิตย์โดยใช้สารเคมีที่ดูดซับแสงหรือเม็ดสีพิเศษเพื่อทำอาหารจากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำที่ถูกดึงออกจากบรรยากาศ กระบวนการนี้ปล่อยออกซิเจนเป็นผลพลอยได้กลับสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งเป็นส่วนประกอบในอากาศที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตหายใจทั้งหมด

TL; DR (ยาวเกินไปไม่ได้อ่าน)

สมการง่ายๆสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคาร์บอนไดออกไซด์ + น้ำ + พลังงานแสง = กลูโคส + ออกซิเจน ในขณะที่สิ่งที่อยู่ภายในอาณาจักรพืชใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในระหว่างการสังเคราะห์แสงพวกมันจะปล่อยออกซิเจนกลับสู่บรรยากาศเพื่อให้ผู้คนหายใจ ต้นไม้และพืชสีเขียว (บนบกและในทะเล) ส่วนใหญ่รับผิดชอบต่อออกซิเจนในบรรยากาศและหากไม่มีพวกมันสัตว์และมนุษย์รวมถึงรูปแบบอื่น ๆ อาจไม่มีอยู่เหมือนที่เป็นอยู่ในปัจจุบัน

การสังเคราะห์แสง: จำเป็นสำหรับทุกชีวิต

สีเขียวสิ่งปลูกสร้างเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทุกชีวิตบนโลกใบนี้ไม่เพียง แต่เป็นอาหารสำหรับสัตว์กินพืชและสัตว์กินพืชทุกชนิด แต่สำหรับออกซิเจนในการหายใจ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นวิธีหลักที่ออกซิเจนเข้าสู่บรรยากาศ มันเป็นวิธีการทางชีววิทยาเพียงอย่างเดียวในโลกที่จับพลังงานแสงดวงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นน้ำตาลและคาร์โบไฮเดรตที่ให้สารอาหารแก่พืชในขณะที่ปล่อยออกซิเจน

ลองคิดดู: พืชและต้นไม้สามารถดึงพลังงานที่เริ่มต้นจากด้านนอกของอวกาศในรูปแบบของแสงอาทิตย์เปลี่ยนเป็นอาหารและในกระบวนการปล่อยอากาศที่จำเป็นที่สิ่งมีชีวิตจำเป็นต้องเจริญเติบโต คุณสามารถพูดได้ว่าพืชและต้นไม้ที่ผลิตออกซิเจนล้วนมีความสัมพันธ์ทางชีวภาพกับสิ่งมีชีวิตที่หายใจด้วยออกซิเจน มนุษย์และสัตว์ให้ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์แก่พืชและพวกมันก็ส่งออกซิเจนกลับคืน นักชีววิทยาเรียกสิ่งนี้ว่าความสัมพันธ์ทางชีวภาพซึ่งกันและกันเพราะทุกฝ่ายในผลประโยชน์ความสัมพันธ์

ในระบบการจำแนกประเภทลินแนนการจำแนกและการจัดอันดับของสิ่งมีชีวิตพืชสาหร่ายและแบคทีเรียชนิดหนึ่งที่เรียกว่าไซยาโนแบคทีเรียเป็นหน่วยงานเดียวที่ผลิตอาหารจากแสงแดด การถกเถียงกันเรื่องการตัดป่าและเอาต้นไม้ออกเพื่อการพัฒนาดูเหมือนจะต่อต้านหากไม่มีมนุษย์เหลืออยู่ในการพัฒนาเหล่านั้นเพราะไม่มีต้นไม้และต้นไม้เหลือให้ทำออกซิเจน

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในใบไม้

พืชและต้นไม้เป็น autotrophs สิ่งมีชีวิตที่ทำอาหารของตัวเอง เนื่องจากพวกเขาทำสิ่งนี้โดยใช้พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์นักชีววิทยาจึงเรียกพวกเขาว่า พืชและต้นไม้ส่วนใหญ่บนโลกนี้เป็นโฟโตโฟโตฟี

การเปลี่ยนแสงแดดเป็นอาหารจะเกิดขึ้นในระดับเซลล์ภายในใบของพืชในออร์แกเนลล์ที่พบในเซลล์พืชซึ่งมีโครงสร้างที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ ในขณะที่ใบประกอบด้วยหลายชั้นการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นใน mesophyll ซึ่งเป็นชั้นกลาง ช่องเปิดขนาดเล็กขนาดเล็กที่ด้านล่างของใบที่เรียกว่าปากใบควบคุมการไหลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และออกซิเจนไปและกลับจากพืชควบคุมการแลกเปลี่ยนก๊าซของพืชและความสมดุลของน้ำในพืช

ปากใบมีอยู่ที่ด้านล่างของใบหันหน้าให้ห่างจากดวงอาทิตย์เพื่อลดการสูญเสียน้ำ เซลล์ป้องกันเล็ก ๆ รอบ ๆ ปากใบควบคุมการเปิดและปิดของช่องเปิดที่เหมือนปากเหล่านี้โดยบวมหรือหดตัวเพื่อตอบสนองต่อปริมาณน้ำในบรรยากาศ เมื่อปากใบปิดการสังเคราะห์แสงไม่สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากพืชไม่สามารถรับคาร์บอนไดออกไซด์ได้ ทำให้ระดับคาร์บอนไดออกไซด์ในพืชลดลง เมื่อเวลากลางวันร้อนและแห้งเกินไปสโตรมาปิดเพื่อรักษาความชุ่มชื้น

ในฐานะที่เป็นออร์แกเนลล์หรือโครงสร้างที่ระดับเซลล์ในใบพืชคลอโรพลาสต์มีเยื่อหุ้มด้านนอกและด้านในที่ล้อมรอบพวกมัน ภายในเยื่อหุ้มเหล่านี้เป็นโครงสร้างรูปแบบแผ่นเสียงที่เรียกว่า thylakoids thylakoid membrane เป็นที่ที่พืชและต้นไม้เก็บคลอโรฟิลล์, เม็ดสีเขียวที่ดูดซับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ นี่คือที่ปฏิกิริยาเริ่มต้นขึ้นอยู่กับแสงที่เกิดขึ้นซึ่งโปรตีนจำนวนมากทำขึ้นในห่วงโซ่การขนส่งเพื่อนำพลังงานที่ดึงมาจากดวงอาทิตย์ไปยังที่ที่มันต้องเข้าไปภายในโรงงาน

พลังงานจากดวงอาทิตย์: ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสองขั้นตอนซึ่งมีหลายขั้นตอน ขั้นตอนแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มต้นด้วย แสงปฏิกิริยายังเป็นที่รู้จักในนาม กระบวนการพึ่งพาแสง และต้องการพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ ขั้นตอนที่สอง, ปฏิกิริยามืด เวทีหรือที่เรียกว่า วัลคาลวินเป็นกระบวนการที่โรงงานทำน้ำตาลด้วยความช่วยเหลือของ NADPH และ ATP จากขั้นตอนการตอบสนองต่อแสง

ปฏิกิริยาเบา ๆ ขั้นตอนของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกี่ยวข้องกับขั้นตอนต่อไปนี้:

ทั้งหมดนี้เกิดขึ้นในระดับเซลล์ภายในพืช thylakoids แต่ละถุงแบนจัดใน Grana หรือกองภายในคลอโรพลาสต์ของเซลล์พืชหรือเซลล์ต้นไม้

วัลคาลวิน ได้รับการตั้งชื่อตามนักชีวเคมีแห่ง Berkeley Melvin Calvin (1911-1997) ผู้รับรางวัลโนเบลสาขาเคมีปี 1961 สำหรับการค้นพบ Dark Reaction Stage เป็นกระบวนการที่โรงงานทำน้ำตาลด้วยความช่วยเหลือของ NADPH และ ATP จากขั้นตอนปฏิกิริยาเบา ในช่วง Calvin Cycle ขั้นตอนต่อไปนี้เกิดขึ้น:

คลอโรฟิลการดูดซับแสงและการสร้างพลังงาน

ระบบฝังตัวภายใน thylakoid membrane เป็นระบบจับแสงสองระบบคือ photosystem I และ photosystem II ประกอบด้วยโปรตีนที่มีลักษณะคล้ายเสาอากาศหลายสายซึ่งเป็นที่ที่พืชเปลี่ยนใบพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี Photosystem ฉันจัดหาอุปทานของพาหะอิเล็กตรอนพลังงานต่ำในขณะที่อีกระบบหนึ่งมอบโมเลกุลที่ทรงพลังซึ่งพวกเขาต้องการไป

คลอโรฟิลล์เป็นรงควัตถุดูดซับแสงในใบพืชและต้นไม้ซึ่งเริ่มกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ในฐานะเม็ดสีอินทรีย์ภายในคลอโรพลาสต์ไทลาคอยด์คลอโรฟิลล์จะดูดซับพลังงานภายในแถบแคบของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผลิตโดยดวงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่น 700 นาโนเมตร (นาโนเมตร) ถึง 400 นาโนเมตร เรียกว่าแถบรังสีที่มีการสังเคราะห์แสงสีเขียวตั้งอยู่ตรงกลางของสเปกตรัมแสงที่มองเห็นซึ่งแยกพลังงานที่ต่ำกว่า แต่มีความยาวคลื่นสีแดงนานกว่าสีเหลืองและส้มจากพลังงานสูงความยาวคลื่นที่สั้นกว่าบลูส์อินดิโกและสีม่วง

เช่น คลอโรฟิลล์ดูดซับ โฟตอนเดียวหรือ แตกต่าง แพ็คเก็ตของพลังงานแสงมันทำให้โมเลกุลเหล่านี้จะตื่นเต้น เมื่อโมเลกุลพืชเริ่มตื่นเต้นขั้นตอนที่เหลือในกระบวนการเกี่ยวข้องกับการรับโมเลกุลที่ตื่นเต้นเข้าสู่ระบบการขนส่งพลังงานผ่านทางผู้ให้บริการพลังงานที่เรียกว่า nicotinamide adenine dinucleotide ฟอสเฟตหรือ NADPH เพื่อส่งไปยังขั้นตอนที่สองของการสังเคราะห์แสง หรือวัลคาลวิน

หลังจากเข้าสู่ ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนกระบวนการนี้จะสกัดไฮโดรเจนไอออนออกจากน้ำและส่งไปยังด้านในของ thylakoid ที่ซึ่งไฮโดรเจนไอออนเหล่านี้สร้างขึ้น ไอออนส่งผ่านเมมเบรนกึ่งรูพรุนจากด้าน stromal ไปยัง thylakoid lumen ซึ่งสูญเสียพลังงานบางส่วนในกระบวนการขณะที่พวกมันเคลื่อนที่ผ่านโปรตีนที่มีอยู่ระหว่างระบบถ่ายภาพทั้งสอง ไอออนของไฮโดรเจนจะรวมตัวกันใน thylakoid lumen ซึ่งพวกมันรอการเติมพลังก่อนเข้าร่วมในกระบวนการที่ทำให้ Adenosine triphosphate หรือ ATP ซึ่งเป็นสกุลเงินพลังงานของเซลล์

โปรตีนเสาอากาศในระบบถ่ายภาพ 1 ดูดซับโฟตอนอีกตัวโดยส่งไปยังศูนย์ปฏิกิริยา PS1 ที่เรียกว่า P700 ศูนย์ออกซิไดซ์ P700 ออกอิเล็กตรอนพลังงานสูงไปยังนิโคตินอาไมด์อะดีนนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟตหรือ NADP + และลดลงในรูปแบบ NADPH และ ATP นี่คือที่เซลล์พืชแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี

คลอโรพลาสต์จะทำการสังเคราะห์แสงสองขั้นตอนเพื่อใช้พลังงานแสงเพื่อผลิตน้ำตาล thylakoids ภายในคลอโรพลาสต์เป็นตัวแทนของปฏิกิริยาแสงในขณะที่วัฏจักรคาลวินเกิดขึ้นในสโตรมา

การสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจของเซลล์

การหายใจของเซลล์นั้นเชื่อมโยงกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นภายในเซลล์พืชเนื่องจากใช้พลังงานแสงเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมีและปล่อยออกซิเจนกลับสู่ชั้นบรรยากาศ การหายใจเกิดขึ้นภายในเซลล์พืชเกิดขึ้นเมื่อน้ำตาลที่ผลิตในกระบวนการสังเคราะห์แสงรวมกับออกซิเจนเพื่อสร้างพลังงานสำหรับเซลล์ก่อตัวคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำเป็นผลพลอยได้จากการหายใจ สมการง่าย ๆ สำหรับการหายใจตรงข้ามกับการสังเคราะห์ด้วยแสง: กลูโคส + ออกซิเจน = พลังงาน + คาร์บอนไดออกไซด์ + พลังงานแสง

การหายใจของเซลล์เกิดขึ้นในทุกเซลล์ของพืชที่มีชีวิตไม่เพียง แต่ในใบไม้ แต่ยังอยู่ในรากของพืชหรือต้นไม้ เนื่องจากการหายใจของเซลล์ไม่ต้องการพลังงานแสงเกิดขึ้นจึงสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งกลางวันและกลางคืน แต่พืชที่ล้นในดินที่มีการระบายน้ำไม่ดีทำให้เกิดปัญหาในการหายใจของเซลล์เนื่องจากพืชที่ถูกน้ำท่วมไม่สามารถรับออกซิเจนได้เพียงพอผ่านทางรากและเปลี่ยนกลูโคสเพื่อรักษากระบวนการเมแทบอลิซึมของเซลล์ หากพืชได้รับน้ำมากเกินไปเป็นเวลานานเกินไปรากของมันก็จะถูกกีดกันจากออกซิเจนซึ่งสามารถหยุดการหายใจของเซลล์และฆ่าพืชได้

ปฏิกิริยาโลกร้อนและการสังเคราะห์ด้วยแสง

มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียศาสตราจารย์เอลเลียตแคมป์เบลล์และทีมนักวิจัยของเขาได้กล่าวไว้ในบทความเดือนเมษายน 2560 ในหัวข้อ "ธรรมชาติ" ซึ่งเป็นวารสารวิทยาศาสตร์ระดับนานาชาติว่ากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มขึ้นอย่างมากในช่วงศตวรรษที่ 20 ทีมวิจัยค้นพบบันทึกทั่วโลกของกระบวนการสังเคราะห์แสงที่คร่อมสองร้อยปี

สิ่งนี้ทำให้พวกเขาสรุปได้ว่าจำนวนการสังเคราะห์แสงของพืชทั้งหมดบนโลกเพิ่มขึ้น 30 เปอร์เซ็นต์ในช่วงปีที่ผ่านมา ในขณะที่การวิจัยไม่ได้ระบุสาเหตุของการ uptick ในกระบวนการสังเคราะห์แสงทั่วโลกแบบจำลองคอมพิวเตอร์ของทีมแนะนำกระบวนการหลายอย่างเมื่อรวมกันซึ่งอาจส่งผลให้การเจริญเติบโตของพืชทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างมาก

แบบจำลองแสดงให้เห็นว่าสาเหตุสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เพิ่มขึ้นรวมถึงการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นในชั้นบรรยากาศ (ส่วนใหญ่เกิดจากกิจกรรมของมนุษย์) ฤดูกาลที่ยาวนานขึ้นเนื่องจากภาวะโลกร้อนเนื่องจากการปล่อยมลพิษเหล่านี้และมลพิษไนโตรเจนที่เพิ่มขึ้น กิจกรรมของมนุษย์ที่นำไปสู่ผลลัพธ์เหล่านี้มีทั้งผลในเชิงบวกและเชิงลบต่อโลก

ศาสตราจารย์แคมป์เบลตั้งข้อสังเกตว่าในขณะที่การปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นช่วยกระตุ้นผลผลิตพืชมันยังช่วยกระตุ้นการเจริญเติบโตของวัชพืชที่ไม่พึงประสงค์และสายพันธุ์ที่รุกราน เขาตั้งข้อสังเกตว่าการเพิ่มการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยตรงทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศนำไปสู่การเกิดน้ำท่วมมากขึ้นตามพื้นที่ชายฝั่งทะเลสภาพอากาศที่รุนแรงและการเพิ่มขึ้นของการเป็นกรดของมหาสมุทร

ในขณะที่การสังเคราะห์แสงเพิ่มขึ้นในช่วงศตวรรษที่ 20 แต่ก็ทำให้พืชเก็บคาร์บอนได้มากขึ้นในระบบนิเวศทั่วโลกส่งผลให้พวกมันกลายเป็นแหล่งคาร์บอนแทนการจมคาร์บอน แม้การเพิ่มขึ้นของการสังเคราะห์ด้วยแสงการเพิ่มขึ้นไม่สามารถชดเชยการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลได้เนื่องจากการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลมีแนวโน้มที่จะเอาชนะความสามารถของพืชในการดูดซับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

นักวิจัยวิเคราะห์ข้อมูลหิมะขั้วโลกใต้ที่รวบรวมโดยสำนักงานมหาสมุทรและบรรยากาศแห่งชาติเพื่อพัฒนาสิ่งที่ค้นพบ จากการศึกษาก๊าซที่เก็บไว้ในตัวอย่างน้ำแข็งนักวิจัยได้ตรวจสอบบรรยากาศโลกในอดีต