เหตุใดจึงมีสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงปรากฏบนโลกของเรา การสังเคราะห์ด้วยแสงมีความสำคัญอย่างไร

คาร์บอนไดออกไซด์ในบรรยากาศและน้ำให้บริการ ในการสังเคราะห์สารอินทรีย์ พืชจะใช้เฉพาะสารอนินทรีย์เท่านั้น ได้แก่ สารประกอบไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และซัลเฟอร์ แหล่งที่มาของไนโตรเจนก็คือโมเลกุลไนโตรเจนในชั้นบรรยากาศ ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในก้อนราก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นพืชตระกูลถั่ว ไนโตรเจนที่เป็นก๊าซจะถูกแปลงเป็นแอมโมเนีย - NH3 จากนั้นจะเข้าสู่องค์ประกอบของกรดอะมิโน, โปรตีน, กรดนิวคลีอิกและการเชื่อมต่ออื่นๆ สารอินทรีย์ที่เกิดขึ้นในเซลล์สังเคราะห์แสงจากคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ ไนโตรเจนในบรรยากาศ และเกลืออนินทรีย์ของดินหรือ สภาพแวดล้อมทางน้ำถูกใช้โดยสิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลกของเราที่ไม่สามารถสังเคราะห์แสงได้ สิ่งมีชีวิตเหล่านี้รวมถึงสัตว์และมนุษย์ทั้งหมดที่มีชีวิตอยู่ด้วยพลังงานของดวงอาทิตย์ที่เปลี่ยนรูปโดยพืช ข้อยกเว้นคือจุลินทรีย์สังเคราะห์ทางเคมีซึ่งจะกล่าวถึงด้านล่าง เซลล์สังเคราะห์แสงจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์จากชั้นบรรยากาศแล้วปล่อยออกซิเจนเข้าไป

บรรยากาศที่สร้างขึ้นโดยการสังเคราะห์ด้วยแสงช่วยปกป้องสิ่งมีชีวิตจากรังสี UV คลื่นสั้นที่เป็นอันตราย (เกราะป้องกันออกซิเจนและโอโซนในบรรยากาศ) พลังงานแสงอาทิตย์เพียง 1-2% เท่านั้นที่ถูกถ่ายโอนไปยังการเก็บเกี่ยวพืชผลทางการเกษตร การสูญเสียเกิดจากการดูดซับแสงที่ไม่สมบูรณ์ ดังนั้นจึงมีโอกาสอย่างมากที่จะเพิ่มผลผลิตโดยการเลือกพันธุ์ที่มีการสังเคราะห์ด้วยแสงประสิทธิภาพสูง และการสร้างโครงสร้างพืชที่เอื้อต่อการดูดซับแสง ในเรื่องนี้การพัฒนาของ รากฐานทางทฤษฎีการควบคุมการสังเคราะห์ด้วยแสง การศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เป็นกระบวนการบูรณาการ

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการเดียวในชีวมณฑลที่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานอิสระอันเนื่องมาจากแหล่งภายนอก พลังงานที่เก็บไว้ในผลิตภัณฑ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับมนุษยชาติ

ทุกปี จากการสังเคราะห์ด้วยแสง จะมีการสร้างสารอินทรีย์จำนวน 150 พันล้านตันบนโลก และออกซิเจนอิสระประมาณ 200 ล้านตันจะถูกปล่อยออกมา

วงจรของออกซิเจน คาร์บอน และองค์ประกอบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะคงอยู่ องค์ประกอบที่ทันสมัยบรรยากาศที่จำเป็นสำหรับชีวิตบนโลก การสังเคราะห์ด้วยแสงช่วยป้องกันการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ CO2 ป้องกันไม่ให้โลกร้อนเกินไปอันเนื่องมาจากสิ่งที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์เรือนกระจก"

เนื่องจากพืชสีเขียวเป็นตัวแทนของฐานทางโภชนาการทั้งทางตรงและทางอ้อมของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดอื่น ๆ ทั้งหมด การสังเคราะห์ด้วยแสงจึงตอบสนองความต้องการอาหารของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกของเรา เป็นพื้นฐานที่สำคัญที่สุดของการเกษตรและการป่าไม้ แม้ว่าความเป็นไปได้ที่จะมีอิทธิพลนั้นยังไม่ดีนัก แต่ก็ยังถูกใช้อยู่บ้าง ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศเป็น 0.1% (เทียบกับ 0.3% ในบรรยากาศธรรมชาติ) มันเป็นไปได้ที่จะเพิ่มผลผลิตแตงกวาและมะเขือเทศเป็นสามเท่า

ตารางเมตรผิวใบจะผลิตน้ำตาลประมาณหนึ่งกรัมภายในหนึ่งชั่วโมง ซึ่งหมายความว่า ตามการประมาณการคร่าวๆ พืชทั้งหมดจะกำจัด C ออกจากบรรยากาศตั้งแต่ 100 ถึง 200 พันล้านตันต่อปี ประมาณ 60% ของจำนวนนี้ถูกป่าไม้ดูดซับ โดย 30% ของพื้นผิวดินที่ไม่ปกคลุมด้วยน้ำแข็ง 32% โดยพื้นที่เพาะปลูก และ 8% ที่เหลือโดยพืชในทุ่งหญ้าสเตปป์และพื้นที่ทะเลทราย เช่นเดียวกับเมืองต่างๆ

พืชสีเขียวไม่เพียงแต่มีความสามารถในการใช้คาร์บอนไดออกไซด์และสร้างน้ำตาลเท่านั้น แต่ยังสามารถเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนและสารประกอบซัลเฟอร์ให้เป็นสารที่ประกอบเป็นร่างกายได้อีกด้วย พืชจะได้รับไนเตรตไอออนที่ละลายในน้ำในดินผ่านระบบรากและแปรรูปพวกมันในเซลล์ให้เป็นกรดอะมิโนซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของสารประกอบโปรตีนทั้งหมด ส่วนประกอบของไขมันยังเกิดจากสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเผาผลาญและพลังงาน จาก กรดไขมันและกลีเซอรอลจะมีไขมันและน้ำมันซึ่งส่วนใหญ่ทำหน้าที่เป็นสารสำรองสำหรับพืช เมล็ดพืชประมาณ 80% มีไขมันเป็นสารสำรองที่อุดมด้วยพลังงาน การผลิตเมล็ดพันธุ์ ไขมัน และน้ำมันมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมการเกษตรและอาหาร

การสังเคราะห์ด้วยแสงชนิดดั้งเดิมที่สุดดำเนินการโดยฮาโลแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในสภาพแวดล้อมที่มีปริมาณโซเดียมคลอไรด์สูง (มากถึง 30%) สิ่งมีชีวิตที่ง่ายที่สุดที่สามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้ก็คือแบคทีเรียกำมะถันสีม่วงและสีเขียว เช่นเดียวกับแบคทีเรียที่ไม่ใช่กำมะถันสีม่วง อุปกรณ์สังเคราะห์แสงของสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ง่ายกว่ามาก (มีเพียงระบบภาพถ่ายเดียว) มากกว่าพืช นอกจากนี้พวกมันจะไม่ปล่อยออกซิเจนเนื่องจากพวกมันใช้สารประกอบกำมะถันแทนน้ำเป็นแหล่งของอิเล็กตรอน การสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้เรียกว่าแบคทีเรีย อย่างไรก็ตาม ไซยาโนแบคทีเรีย (โปรคาริโอตที่มีความสามารถในการย่อยสลายด้วยแสงของน้ำและการปล่อยออกซิเจน) มีการจัดองค์กรที่ซับซ้อนมากขึ้นของอุปกรณ์สังเคราะห์แสง - ระบบภาพถ่ายสองระบบที่ทำงานแบบคอนจูเกต ในพืช ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงจะดำเนินการในออร์แกเนลล์เซลล์พิเศษที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์

พืชทุกชนิด (ตั้งแต่สาหร่ายและมอสไปจนถึงยิมโนสเปิร์มและแองจิโอสเปิร์มสมัยใหม่) มีคุณสมบัติร่วมกันในการจัดโครงสร้างและหน้าที่ของอุปกรณ์สังเคราะห์แสง คลอโรพลาสต์ก็เหมือนกับพลาสติดชนิดอื่นๆ ที่พบได้เฉพาะใน เซลล์พืช- เยื่อหุ้มชั้นนอกเรียบและชั้นในมีรอยพับมากมาย ระหว่างนั้นจะมีฟองอากาศเรียงกันที่เรียกว่ากรานา ประกอบด้วยเม็ดคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นเม็ดสีเขียวที่เล่น บทบาทหลักในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์แสง ATP ผลิตขึ้นในคลอโรพลาสต์ และการสังเคราะห์โปรตีนก็เกิดขึ้นเช่นกัน เม็ดสีสังเคราะห์แสง:

เม็ดสีหลักที่ดูดซับควอนตัมแสงในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงคือคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นเม็ดสีในธรรมชาติของ Mg-porphyrin มีการค้นพบคลอโรฟิลล์หลายรูปแบบ ซึ่งมีโครงสร้างทางเคมีต่างกัน สเปกตรัมการดูดซึม รูปแบบต่างๆคลอโรฟิลล์ครอบคลุมช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ใกล้อัลตราไวโอเลตและใกล้อินฟราเรด (ในพืชที่สูงขึ้นตั้งแต่ 350 ถึง 700 นาโนเมตร และในแบคทีเรียตั้งแต่ 350 ถึง 900 นาโนเมตร) คลอโรฟิลล์เป็นเม็ดสีหลักและเป็นลักษณะของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดที่ให้ออกซิเจน กล่าวคือ การสังเคราะห์ด้วยแสงโดยการปล่อยออกซิเจน สาหร่ายสีเขียวและยูกลีนา มอสและพืชในหลอดเลือด นอกเหนือจากคลอโรฟิลล์แล้ว ยังมีคลอโรฟิลล์ b ซึ่งมีปริมาณ 1/4-1/5 ของปริมาณคลอโรฟิลล์ a นี่คือเม็ดสีเพิ่มเติมที่ขยายสเปกตรัมการดูดกลืนแสง ในสาหร่ายบางกลุ่ม ซึ่งส่วนใหญ่เป็นสีน้ำตาลและไดอะตอม คลอโรฟิลล์ c ทำหน้าที่เป็นเม็ดสีเพิ่มเติม และในสาหร่ายสีแดง คลอโรฟิลล์ d แบคทีเรียสีม่วงประกอบด้วยแบคทีเรียแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ a และ b ในขณะที่แบคทีเรียกำมะถันสีเขียวประกอบด้วยแบคทีเรียแบคทีเรีย c และ d พร้อมด้วยแบคทีเรียคลอโรฟิลล์ a เม็ดสีที่มาพร้อมกันอื่นๆ ยังมีส่วนร่วมในการดูดซับพลังงานแสง เช่น แคโรทีนอยด์ (เม็ดสีที่มีลักษณะเป็นโพลีไอโซพรีนอยด์) ในยูคาริโอตสังเคราะห์แสงและไฟโคบิลิน (เม็ดสีที่มีโครงสร้างเตตราไพโรลแบบเปิด) ในไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายสีแดง ในฮาโลแบคทีเรีย เม็ดสีเพียงชนิดเดียวที่พบในพลาสมาเมมเบรนคือโปรตีนที่ซับซ้อน bacteriorhodopsin ซึ่งมีโครงสร้างทางเคมีคล้ายกับโรดอปซิน ซึ่งเป็นเม็ดสีที่มองเห็นได้ของเรตินา

ในเซลล์ โมเลกุลคลอโรฟิลล์อยู่ในสถานะรวม (ถูกผูกไว้) ต่างๆ และก่อตัวเป็นสารเชิงซ้อนของเม็ดสี-ไลโปโปรตีน และเมื่อรวมกับเม็ดสีอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการดูดซับควอนตัมแสงและการถ่ายโอนพลังงาน พวกมันสัมพันธ์กับโปรตีนของเยื่อหุ้มสังเคราะห์แสง (ไทลาคอยด์) ก่อให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์คลอโรฟิลล์โปรตีนเพื่อการเก็บเกี่ยวด้วยแสง เมื่อระดับการรวมตัวและความหนาแน่นของการอัดตัวของโมเลกุลเพิ่มขึ้น การดูดซับสูงสุดของเม็ดสีจะเปลี่ยนไปยังช่วงความยาวคลื่นที่ยาวขึ้นของสเปกตรัม บทบาทหลักในการดูดซับพลังงานแสงอยู่ในรูปแบบคลื่นสั้นที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการย้ายพลังงาน การปรากฏตัวในเซลล์ของเม็ดสีรูปแบบสเปกตรัมที่คล้ายกันหลายชุดทำให้มั่นใจในประสิทธิภาพระดับสูงในการโยกย้ายพลังงานไปยังศูนย์โฟโตเคมีปฏิกิริยา ซึ่งเป็นที่ตั้งของเม็ดสีในรูปแบบความยาวคลื่นที่ยาวที่สุด โดยมีบทบาทที่เรียกว่ากับดักพลังงาน

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยสองขั้นตอนต่อเนื่องกันและเชื่อมต่อถึงกัน: แสง (โฟโตเคมีคอล) และความมืด (เมตาบอลิซึม)

ในช่วงระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการเกิดขึ้น 3 กระบวนการ:

• 1. การก่อตัวของออกซิเจนเนื่องจากการย่อยสลายของน้ำ จะถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ
• 2. การสังเคราะห์เอทีพี
• 3. การก่อตัวของอะตอมไฮโดรเจนที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของคาร์โบไฮเดรต

ในช่วงมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง กระบวนการต่อไปนี้จะเกิดขึ้น:

• 1. การแปลงคาร์บอนไดออกไซด์
• 2. การก่อตัวของกลูโคส

การสังเคราะห์ด้วยแสงจะขึ้นอยู่กับออกซิเดชั่น กระบวนการกู้คืนซึ่งเป็นผลมาจากการสร้างออกซิเจน (O2) เช่นเดียวกับโมโนแซ็กคาไรด์ (กลูโคส ฯลฯ ) ซึ่งถูกเปลี่ยนเป็นแป้งและเก็บไว้โดยพืช ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง โมโนเมอร์ของสารประกอบอินทรีย์อื่น ๆ ก็ถูกสังเคราะห์เช่นกัน - กรดไขมัน, กลีเซอรอล, กรดอะมิโน ความหมายของการสังเคราะห์ด้วยแสง:

• 1. การดูดกลืนและการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงอาทิตย์อิสระด้วยการก่อตัวของสารอินทรีย์ซึ่งเป็นอาหารของสิ่งมีชีวิตที่แตกต่างกัน
• 2. ปล่อยออกซิเจนอิสระออกสู่ชั้นบรรยากาศซึ่งจำเป็นต่อการหายใจของสิ่งมีชีวิตทุกชนิด
• 3.การดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์จาก อากาศในชั้นบรรยากาศซึ่งมีผลเสียต่อสิ่งมีชีวิต
• 4. ให้สิ่งมีชีวิตบนโลกด้วยพลังงานเคมีที่แปลงจากพลังงานแสงแดด

พืชสีเขียวมีบทบาทในจักรวาล โดยเป็นตัวกลางระหว่างชีวิตบนโลกและดวงอาทิตย์ พืชจับพลังงานของรังสีดวงอาทิตย์ซึ่งทำให้ทุกชีวิตบนโลกของเราดำรงอยู่ กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งดำเนินการในระดับจักรวาลที่ยิ่งใหญ่ได้เปลี่ยนแปลงใบหน้าของโลกของเราไปอย่างสิ้นเชิง ด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานแสงอาทิตย์ไม่ได้กระจายไปในอวกาศอย่างสมบูรณ์ แต่จะถูกเก็บไว้ในรูปของพลังงานเคมีของสารอินทรีย์ เนื่องจากความสามารถของพืชสีเขียวในการปล่อยออกซิเจนในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง จึงทำให้มีเปอร์เซ็นต์ออกซิเจนในอากาศคงที่ นอกจากพืชสีเขียวแล้ว ในธรรมชาติยังไม่มีแหล่งออกซิเจนอิสระอื่นใดอีก ในสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงทั้งหมด กระบวนการโฟโตเคมีของระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในเมมเบรนที่เปลี่ยนรูปพลังงานพิเศษที่เรียกว่าเยื่อไทลาคอยด์ และถูกจัดเป็นกลุ่มที่เรียกว่าห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงที่มืดเกิดขึ้นนอกเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ (ในไซโตพลาสซึมในโปรคาริโอตและในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ในพืช) ดังนั้นระยะแสงและความมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงถูกแยกออกจากกันในอวกาศและเวลา

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงในธรรมชาติไม่ได้รับการประเมินอย่างถูกต้องมาเป็นเวลานานแล้ว ในระยะเริ่มแรกของการศึกษา นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าพืชปล่อยออกซิเจนออกมามากเท่าที่ดูดซับได้ ที่จริง การวิจัยอย่างรอบคอบแสดงให้เห็นว่างานของพืชมีปริมาณมาก แม้จะมีขนาดค่อนข้างเล็ก แต่พื้นที่สีเขียวก็มีประโยชน์หลายประการ ฟังก์ชั่นที่มีประโยชน์ซึ่งมีเป้าหมายเพื่อรักษาชีวิตบนโลก

ความสำคัญที่สำคัญที่สุดของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการให้พลังงานแก่สิ่งมีชีวิตทุกชนิดบนโลก รวมถึงมนุษย์ด้วย ในส่วนสีเขียวของพืชภายใต้อิทธิพลของแสงแดด ออกซิเจนและพลังงานจำนวนมหาศาลเริ่มก่อตัวขึ้น พลังงานนี้ถูกใช้เพียงบางส่วนโดยพืชตามความต้องการของตนเอง และศักยภาพที่ยังไม่ได้ใช้ก็สะสมอยู่ จากนั้นพืชจะถูกใช้เป็นอาหารสำหรับสัตว์กินพืชซึ่งจะได้รับอาหารที่จำเป็นโดยที่การพัฒนาของพวกเขาจะเป็นไปไม่ได้ จากนั้นสัตว์กินพืชก็กลายเป็นอาหารของสัตว์นักล่า พวกมันยังต้องการพลังงานโดยที่ชีวิตจะหยุดลง

บุคคลอยู่ห่างจากสิ่งนี้เล็กน้อยดังนั้นสำหรับเขาความหมายที่แท้จริงของการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงไม่ปรากฏขึ้นในทันที เป็นเพียงการที่ผู้คนจำนวนมากพยายามพิสูจน์ตัวเองว่าพวกเขาไม่ใช่ส่วนหนึ่งของสัตว์โลกในโลกของเรา น่าเสียดายที่การปฏิเสธดังกล่าวจะไม่นำไปสู่ที่ไหนเลย เนื่องจากสิ่งมีชีวิตทุกชนิดต้องพึ่งพาซึ่งกันและกันในระดับหนึ่งหรืออีกระดับหนึ่ง หากสัตว์หรือพืชหลายชนิดหายไป ความสมดุลในธรรมชาติจะถูกรบกวนอย่างมาก เพื่อปรับตัวเข้ากับสภาพความเป็นอยู่ใหม่ สิ่งมีชีวิตอื่นๆ จะถูกบังคับให้มองหาแหล่งอาหารทดแทน จริงอยู่ที่มีหลายกรณีที่การหายตัวไปของบางสายพันธุ์นำไปสู่การสูญพันธุ์ของชนิดอื่น

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่เพียงแต่อยู่ที่การผลิตพลังงานเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการปกป้องจากการถูกทำลายด้วย นักวิทยาศาสตร์พยายามคิดมานานแล้วว่าชีวิตเริ่มต้นบนโลกของเราได้อย่างไร - และพวกเขาสร้างทฤษฎีที่น่าเชื่อถือขึ้นมา ปรากฎว่าความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อมีบรรยากาศป้องกันซึ่งเกิดขึ้นจากการทำงานอย่างเข้มข้น จำนวนมากพืช. แน่นอนว่าด้วยขนาดของป่าสมัยใหม่และพืชแต่ละชนิด จึงไม่มีใครเชื่อในปาฏิหาริย์เช่นนี้ได้ แต่พืชโบราณนั้นมีขนาดมหึมา

ยักษ์เก่า พฤกษาสิ้นพระชนม์ แต่แม้หลังจากความตาย พวกเขายังเป็นประโยชน์ต่อมวลมนุษยชาติอีกด้วย พลังงานที่สะสมอยู่ในนั้นตอนนี้เข้าสู่บ้านของเราในรูปของถ่านหิน ทุกวันนี้บทบาทของเชื้อเพลิงประเภทนี้ลดลงอย่างมาก แต่เป็นเวลานานที่มนุษยชาติสามารถหลีกหนีจากความหนาวเย็นได้ด้วยความช่วยเหลือ

นอกจากนี้อย่าลืมว่าพืชโบราณได้ส่งต่อกระบองไปยังต้นไม้และดอกไม้สมัยใหม่ซึ่งช่วยรักษาบรรยากาศ ยิ่งมีพื้นที่สีเขียวบนโลกของเรามากเท่าไร อากาศที่เราหายใจก็จะสะอาดยิ่งขึ้นเท่านั้น การทำลายล้างและการเพิ่มขึ้นของสิ่งที่เป็นอันตรายได้นำไปสู่ความจริงที่ว่าใน ชั้นโอโซนรูปรากฏขึ้น หากมนุษยชาติไม่เข้าใจบทบาทที่แท้จริงของการสังเคราะห์ด้วยแสง มันก็จะนำไปสู่การทำลายตนเอง เราไม่สามารถอยู่รอดได้หากไม่มีออกซิเจนและการปกป้อง และจำนวนป่าเขตร้อนยังคงลดลงอย่างรวดเร็ว

หากผู้คนต้องการอนุรักษ์ชีวิตบนโลกของพวกเขาอย่างแท้จริง พวกเขาจะต้องเข้าใจถึงความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างถ่องแท้ เมื่อทุกคนตระหนักถึงความสำคัญของพืช เมื่อเราหยุดตัดไม้ทำลายป่าอย่างไม่รอบคอบ ชีวิตบนโลกก็จะดีขึ้นและสะอาดขึ้น มิฉะนั้นผู้คนจะต้องเรียนรู้ที่จะทนต่อแสงแดดที่แผดเผาหายใจเอาหมอกควัน การปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายและรับพลังงานจากแหล่งอื่น

อนาคตของเราจะเป็นอย่างไรขึ้นอยู่กับเราเท่านั้น และเราต้องการเชื่อว่าผู้คนจะตัดสินใจเลือกสิ่งที่ถูกต้อง

การสังเคราะห์ด้วยแสง คือชุดกระบวนการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์จากอนินทรีย์โดยการเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงาน พันธะเคมี- สิ่งมีชีวิตที่ใช้พลังงานแสง ได้แก่ พืชสีเขียว โปรคาริโอตบางชนิด เช่น ไซยาโนแบคทีเรีย แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงและสีเขียว และแฟลเจลเลตของพืช

การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเริ่มขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 18 การค้นพบที่สำคัญเกิดขึ้นโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซียผู้มีชื่อเสียง K. A. Timiryazev ซึ่งยืนยันหลักคำสอนเกี่ยวกับบทบาทของจักรวาลของพืชสีเขียว พืชดูดซับแสงแดดและแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานของพันธะเคมีของสารประกอบอินทรีย์ที่พวกมันสังเคราะห์ขึ้น ดังนั้นพวกเขาจึงรับประกันการอนุรักษ์และพัฒนาสิ่งมีชีวิตบนโลก นักวิทยาศาสตร์ยังได้พิสูจน์ทางทฤษฎีและทดลองพิสูจน์บทบาทของคลอโรฟิลล์ในการดูดซับแสงในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

คลอโรฟิลล์เป็นเม็ดสีสังเคราะห์แสงหลัก มีโครงสร้างคล้ายกับฮีโมโกลบิน แต่มีแมกนีเซียมแทนธาตุเหล็ก ปริมาณธาตุเหล็กเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสังเคราะห์โมเลกุลคลอโรฟิลล์ มีคลอโรฟิลล์หลายชนิดที่มีโครงสร้างทางเคมีต่างกัน ข้อบังคับสำหรับโฟโตโทรฟทั้งหมดคือ คลอโรฟิลล์เอ . คลอโรฟิลล์ข พบในพืชสีเขียว คลอโรฟิลล์ค – ในไดอะตอมและสาหร่ายสีน้ำตาล คลอโรฟิลล์ ดี ลักษณะของสาหร่ายสีแดง

แบคทีเรียสังเคราะห์แสงสีเขียวและสีม่วงมีความพิเศษ แบคทีเรียคลอโรฟิลล์ - การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียมีความเหมือนกันมากกับการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช มันแตกต่างตรงที่ในแบคทีเรียผู้บริจาคไฮโดรเจนคือไฮโดรเจนซัลไฟด์ และในพืชก็คือน้ำ แบคทีเรียสีเขียวและสีม่วงไม่มีระบบภาพถ่าย II การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียไม่ได้มาพร้อมกับการปล่อยออกซิเจน สมการโดยรวมของการสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียคือ:

6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0

การสังเคราะห์ด้วยแสงขึ้นอยู่กับกระบวนการรีดอกซ์ มันเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากสารประกอบที่จ่ายผู้บริจาคอิเล็กตรอนไปยังสารประกอบที่ยอมรับพวกมัน - ตัวรับ พลังงานแสงจะถูกแปลงเป็นพลังงานของสารประกอบอินทรีย์สังเคราะห์ (คาร์โบไฮเดรต)

มีโครงสร้างพิเศษบนเยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์ - ศูนย์ปฏิกิริยา ซึ่งมีคลอโรฟิลล์ ในพืชสีเขียวและไซยาโนแบคทีเรียมีสองชนิด ระบบภาพถ่าย – ครั้งแรก (ฉัน) และ วินาที (II) ซึ่งมีศูนย์ปฏิกิริยาต่างกันและเชื่อมต่อกันผ่านระบบถ่ายโอนอิเล็กตรอน

การสังเคราะห์แสงสองขั้นตอน

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยสองขั้นตอน: แสงและความมืด

เกิดขึ้นเฉพาะต่อหน้าแสงบนเยื่อหุ้มภายในของไมโตคอนเดรียในเยื่อหุ้มโครงสร้างพิเศษ - ไทลาคอยด์ - เม็ดสีสังเคราะห์แสงจับควอนตัมแสง (โฟตอน) สิ่งนี้นำไปสู่การ "กระตุ้น" ของอิเล็กตรอนตัวหนึ่งของโมเลกุลคลอโรฟิลล์ ด้วยความช่วยเหลือของโมเลกุลพาหะ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ไปยังพื้นผิวด้านนอกของเมมเบรนไทลาคอยด์ เพื่อรับพลังงานศักย์ที่แน่นอน

อิเล็กตรอนตัวนี้เข้า ระบบภาพถ่าย I สามารถกลับคืนสู่ระดับพลังงานและฟื้นฟูได้ NADP (นิโคตินาไมด์ อะดีนีน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต) อาจถูกส่งผ่านได้เช่นกัน เมื่อทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจนไอออน อิเล็กตรอนจะฟื้นฟูสารประกอบนี้ NADP ที่ลดลง (NADP H) จ่ายไฮโดรเจนเพื่อลด CO 2 ในชั้นบรรยากาศให้เป็นกลูโคส

กระบวนการที่คล้ายกันเกิดขึ้นใน ระบบภาพถ่าย II - อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นสามารถถ่ายโอนไปยังระบบภาพถ่าย I และคืนค่าได้ การฟื้นฟูระบบภาพถ่าย II เกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนที่มาจากโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลของน้ำแตกตัว (โฟโตไลซิสของน้ำ) กลายเป็นไฮโดรเจนโปรตอนและออกซิเจนโมเลกุลซึ่งถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ อิเล็กตรอนถูกใช้เพื่อฟื้นฟูระบบภาพถ่าย II สมการโฟโตไลซิสของน้ำ:

2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е

เมื่ออิเล็กตรอนจากพื้นผิวด้านนอกของเมมเบรนไทลาคอยด์กลับสู่ระดับพลังงานก่อนหน้า พลังงานจะถูกปล่อยออกมา มันถูกเก็บไว้ในรูปแบบของพันธะเคมีของโมเลกุล ATP ซึ่งถูกสังเคราะห์ระหว่างปฏิกิริยาในระบบภาพถ่ายทั้งสอง กระบวนการสังเคราะห์ ATP ด้วย ADP และกรดฟอสฟอริกเรียกว่า โฟโตฟอสโฟรีเลชั่น - พลังงานบางส่วนใช้ในการระเหยน้ำ

ในระหว่างระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสง สารประกอบที่มีพลังงานสูงจะถูกสร้างขึ้น: ATP และ NADP H ในระหว่างการสลาย (โฟโตไลซิส) ของโมเลกุลของน้ำ โมเลกุลออกซิเจนจะถูกปล่อยออกสู่ชั้นบรรยากาศ

ปฏิกิริยาเกิดขึ้นใน สภาพแวดล้อมภายในคลอโรพลาสต์ พวกเขาสามารถเกิดขึ้นได้ทั้งในที่ที่มีแสงและไม่มีแสง สารอินทรีย์ถูกสังเคราะห์ (C0 2 ลดลงเป็นกลูโคส) โดยใช้พลังงานที่เกิดขึ้นในช่วงแสง

กระบวนการลดคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัฏจักรและเรียกว่า วงจรคาลวิน - ตั้งชื่อตามนักวิจัยชาวอเมริกัน เอ็ม. คาลวิน ผู้ค้นพบกระบวนการแบบวนรอบนี้

วัฏจักรเริ่มต้นด้วยปฏิกิริยาของคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศกับไรบูโลสไบฟอสเฟต กระบวนการนี้ถูกเร่งปฏิกิริยาด้วยเอนไซม์ คาร์บอกซิเลส - ไรบูโลส ไบฟอสเฟต เป็นน้ำตาลที่มีคาร์บอน 5 คาร์บอนรวมกับกรดฟอสฟอริก 2 หน่วย กำลังเกิดขึ้น ทั้งบรรทัดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ซึ่งแต่ละอย่างจะกระตุ้นเอนไซม์เฉพาะของตัวเอง ผลลัพธ์สุดท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นได้อย่างไร? กลูโคส และไรบูโลส ไบฟอสเฟตก็ลดลงเช่นกัน

สมการโดยรวมของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ:

6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2

ด้วยกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง พลังงานแสงจากดวงอาทิตย์จึงถูกดูดซับและแปลงเป็นพลังงานของพันธะเคมีของคาร์โบไฮเดรตที่สังเคราะห์ได้ พลังงานถูกถ่ายโอนไปยังสิ่งมีชีวิตเฮเทอโรโทรฟิคผ่านห่วงโซ่อาหาร ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง คาร์บอนไดออกไซด์จะถูกดูดซับและออกซิเจนจะถูกปล่อยออกมา ออกซิเจนในชั้นบรรยากาศทั้งหมดมีต้นกำเนิดจากการสังเคราะห์แสง ออกซิเจนอิสระมากกว่า 200 พันล้านตันถูกปล่อยออกมาทุกปี ออกซิเจนปกป้องชีวิตบนโลกจาก รังสีอัลตราไวโอเลตทำให้เกิดเกราะป้องกันโอโซนในชั้นบรรยากาศ

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้ผล เนื่องจากพลังงานแสงอาทิตย์เพียง 1-2% เท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นอินทรียวัตถุสังเคราะห์ เนื่องจากพืชดูดซับแสงได้ไม่เพียงพอ บางส่วนถูกดูดซับโดยชั้นบรรยากาศ เป็นต้น ส่วนใหญ่แสงแดดสะท้อนจากพื้นผิวโลกกลับสู่อวกาศ

ประวัติความเป็นมาของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นเวลาหลายพันปีที่ผู้คนเชื่อว่าพืชกินอาหารผ่านทางรากเท่านั้น โดยใช้มันเพื่อดูดซับสารที่จำเป็นทั้งหมดจากดิน ฉันรับหน้าที่ตรวจสอบมุมมองนี้ใน ต้น XIXวี. แจน แวน เฮลมอนต์ นักธรรมชาติวิทยาชาวดัตช์ เขาชั่งน้ำหนักดินในหม้อและปลูกต้นวิลโลว์ไว้ที่นั่น เขารดน้ำต้นไม้เป็นเวลาห้าปี จากนั้นทำให้ดินแห้ง ชั่งน้ำหนักต้นไม้และต้นไม้ ต้นหลิวหนักเจ็ดสิบห้ากิโลกรัม และน้ำหนักของโลกเปลี่ยนไปเพียงไม่กี่ร้อยกรัม ข้อสรุปของนักวิทยาศาสตร์ก็คือว่าพืชได้รับ สารอาหารประการแรก ไม่ใช่มาจากดิน แต่มาจากน้ำ

เป็นเวลาสองศตวรรษแล้วที่ทฤษฎีโภชนาการทางน้ำของพืชได้รับการก่อตั้งขึ้นในทางวิทยาศาสตร์ ตามทฤษฎีนี้ ใบไม้ช่วยให้พืชระเหยความชื้นส่วนเกินเท่านั้น

นักวิทยาศาสตร์มาถึงข้อสันนิษฐานที่ไม่คาดคิด แต่ถูกต้องที่สุดเกี่ยวกับสารอาหารทางอากาศของพืชเมื่อต้นศตวรรษที่ 19 เท่านั้น มีบทบาทสำคัญในการทำความเข้าใจกระบวนการนี้โดยการค้นพบของนักเคมีชาวอังกฤษ Joseph Priestley ในปี พ.ศ. 2314 เขาทำการทดลองซึ่งเขาสรุปได้ว่า: พืชทำให้อากาศบริสุทธิ์และทำให้เหมาะสำหรับการหายใจ ต่อมาปรากฎว่าเพื่อให้พืชฟอกอากาศได้จำเป็นต้องมีแสงสว่าง

สิบปีต่อมา นักวิทยาศาสตร์ได้ตระหนักว่าพืชไม่เพียงแต่เปลี่ยนก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นออกซิเจนเท่านั้น คาร์บอนไดออกไซด์เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับพืชในการดำรงชีวิต โดยทำหน้าที่เป็นอาหารที่แท้จริง (ร่วมกับน้ำและเกลือแร่)

ธาตุอาหารทางอากาศของพืชเรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง ออกซิเจนถูกปล่อยออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ที่ผิดปกติในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

เมื่อหลายพันล้านปีก่อน โลกไม่มีออกซิเจนอิสระ ออกซิเจนทั้งหมดที่สิ่งมีชีวิตเกือบทั้งหมดบนโลกของเราหายใจนั้นถูกปล่อยออกมาจากพืชในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง การสังเคราะห์ด้วยแสงได้จัดการเปลี่ยนแปลงรูปลักษณ์ทั้งหมดของโลกของเรา

ตั้งแต่ยุค 70 ศตวรรษที่ผ่านมา รัสเซียมีความก้าวหน้าครั้งสำคัญในด้านการสังเคราะห์ด้วยแสง ผลงานของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Purievich, Ivanovsky, Rickter, Ivanov, Kostychev ศึกษาหลายแง่มุมของกระบวนการนี้

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้เกิดขึ้นจริงจนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้ อริสโตเติลและนักวิทยาศาสตร์ชาวกรีกคนอื่นๆ สังเกตว่ากระบวนการชีวิตของสัตว์ขึ้นอยู่กับการบริโภคอาหาร เชื่อว่าพืชได้รับ "อาหาร" จากดิน

เมื่อกว่าสามร้อยปีที่แล้ว หนึ่งในการทดลองทางชีววิทยาที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันครั้งแรกๆ แพทย์ชาวดัตช์ แจน แวน เฮลมอนต์ ได้ให้หลักฐานว่าดินไม่ใช่อาหารเพียงอย่างเดียวที่เลี้ยงพืช แวน เฮลมอนต์ปลูกต้นวิลโลว์ต้นเล็กๆ ในหม้อดิน โดยเติมแต่น้ำเท่านั้น

หลังจากผ่านไปห้าปี มวลของเข็มเพิ่มขึ้น 74.4 กิโลกรัม ในขณะที่มวลของดินลดลงเพียง 57 กรัม

ใน ปลาย XVIIIศตวรรษ นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ โจเซฟ พริสต์ลีย์ รายงานว่าเขา "บังเอิญค้นพบวิธีการแก้ไขอากาศที่เสียจากการเผาเทียน" 17 สิงหาคม พ.ศ. 2314 พรีสต์ลีย์ “... วางกิ่งสะระแหน่ที่มีชีวิตลงในภาชนะปิดที่เผามัน เทียนขี้ผึ้ง" และในวันที่ 21 ของเดือนเดียวกันนั้น พระองค์ทรงค้นพบว่า "... เทียนอีกเล่มหนึ่งสามารถจุดในภาชนะเดิมได้อีก" “หลักการแก้ไขที่ธรรมชาติใช้เพื่อจุดประสงค์เหล่านี้” พรีสต์ลีย์เชื่อว่า “คือพืช” เขาได้ขยายขอบเขตการสังเกตของเขา และในไม่ช้าก็แสดงให้เห็นว่าอากาศ "ถูกแก้ไข" โดยพืชนั้น "ไม่เหมาะกับหนูเลย"

การทดลองของพรีสต์ลีย์ทำให้เป็นไปได้เป็นครั้งแรกที่จะอธิบายว่าทำไมอากาศบนโลกจึงยังคง "สะอาด" และสามารถดำรงชีวิตได้ แม้ว่าไฟที่ลุกไหม้นับไม่ถ้วนและการหายใจของสิ่งมีชีวิตจำนวนมากก็ตาม เขากล่าวว่า: “ด้วยการค้นพบเหล่านี้ เรามั่นใจว่าพืชจะไม่เติบโตอย่างไร้ประโยชน์ แต่ช่วยชำระล้างและทำให้บรรยากาศของเรามีเกียรติ”

ต่อมา แพทย์ชาวดัตช์ แจน อินเกนเฮาส์ (ค.ศ. 1730-1799) ยืนยันงานของพรีสต์ลีย์ และแสดงให้เห็นว่าอากาศ "แก้ไข" โดย แสงแดดและมีเพียงส่วนสีเขียวของพืชเท่านั้น ในปี พ.ศ. 2339 อินเกนเฮาส์เสนอแนะว่าคาร์บอนไดออกไซด์ถูกสลายตัวในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็น C และ O 2 และ O 2 จะถูกปล่อยออกมาในรูปของก๊าซ ต่อมาพบว่าอัตราส่วนของอะตอมของคาร์บอน ไฮโดรเจน และออกซิเจนในน้ำตาลและแป้งมีอะตอมของคาร์บอนหนึ่งอะตอมต่อโมเลกุลของน้ำ ซึ่งเป็นสิ่งที่คำว่า "คาร์โบไฮเดรต" ระบุ เป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าคาร์โบไฮเดรตเกิดจาก C และ H 2 O และ O 2 ถูกปล่อยออกมาจากคาร์บอนไดออกไซด์ สมมติฐานที่ค่อนข้างสมเหตุสมผลนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง แต่เมื่อปรากฏในภายหลัง มันก็ผิดอย่างสิ้นเชิง

นักวิจัยที่หักล้างทฤษฎีที่เป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปนี้คือ Cornelius van Niel จากมหาวิทยาลัย Stamford เมื่อตอนเป็นนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา เขาได้ตรวจสอบเมแทบอลิซึมของแบคทีเรียสังเคราะห์แสงต่างๆ แบคทีเรียกลุ่มหนึ่ง เช่น แบคทีเรียกำมะถันสีม่วง จะลด C ให้เป็นคาร์โบไฮเดรตแต่ไม่ปล่อย O2 แบคทีเรียกำมะถันสีม่วงต้องการไฮโดรเจนซัลไฟด์ในการสังเคราะห์ด้วยแสง จากการสังเคราะห์ด้วยแสง อนุภาคซัลเฟอร์จะสะสมอยู่ภายในเซลล์แบคทีเรีย แวน นีล ค้นพบว่าสำหรับแบคทีเรียเหล่านี้ สมการการสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถเขียนได้เป็น:

CO 2 + 2H 2 ส (CH 2 O) + H 2 O + 2S

ความจริงข้อนี้ไม่ได้ดึงดูดความสนใจของนักวิจัยจนกระทั่ง van Niel ได้ประกาศอย่างกล้าหาญและเสนอสมการสรุปสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงต่อไปนี้:

CO 2 + 2H 2 A (CH 2 O) + H 2 O + 2A

ในสมการนี้ H 2 A แทนน้ำหรือสารออกซิไดซ์อื่นๆ เช่น ไฮโดรเจนซัลไฟด์ หรือ H 2 อิสระ ในพืชสีเขียวและสาหร่าย H 2 A = H 2 O นั่นคือ van Niel แนะนำว่า H 2 O ไม่ใช่คาร์บอนไดออกไซด์จะสลายตัวในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง แนวคิดอันยอดเยี่ยมนี้ซึ่งหยิบยกขึ้นมาในช่วงทศวรรษที่สามสิบ ได้รับการพิสูจน์เชิงทดลองในภายหลังเมื่อนักวิจัยที่ใช้ไอโซโทปหนัก O 2 (18 O 2) ติดตามเส้นทางของออกซิเจนจากน้ำสู่สถานะก๊าซ:

CO 2 + 2H 2 18 O 2 (CH 2 O) + H 2 O + 18 O 2

ดังนั้น สำหรับสาหร่ายหรือพืชสีเขียวซึ่งมีน้ำทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอน สมการการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยรวมจึงเขียนได้ดังนี้

6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

กระบวนการที่เกิดขึ้นในลีฟใบไม้มีกระบวนการสำคัญสามกระบวนการ ได้แก่ การสังเคราะห์ด้วยแสง การระเหยของน้ำ และการแลกเปลี่ยนก๊าซ ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง สารอินทรีย์จะถูกสังเคราะห์เป็นใบจากน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ภายใต้อิทธิพลของแสงแดด ในระหว่างวันอันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจ พืชจะปล่อยออกซิเจนและคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา และในเวลากลางคืนจะมีเพียงก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เท่านั้นที่ผลิตขึ้นระหว่างการหายใจ

พืชส่วนใหญ่สามารถสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ในที่มีแสงน้อยได้ เมื่อถูกแสงแดดโดยตรง คลอโรฟิลล์จะถูกสังเคราะห์เร็วขึ้น

พลังงานแสงที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกดูดซับภายในขีดจำกัดที่กำหนด ยิ่งใบมีสีเข้มน้อยลงเท่านั้น ดังนั้นในกระบวนการวิวัฒนาการ พืชจึงได้พัฒนาความสามารถในการหมุนใบมีดไปทางแสงเพื่อให้แสงแดดตกกระทบมากขึ้น ใบไม้บนต้นไม้ถูกจัดเรียงเพื่อไม่ให้เบียดกัน

Timiryazev พิสูจน์ว่าแหล่งพลังงานสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงส่วนใหญ่เป็นรังสีสีแดงของสเปกตรัม สิ่งนี้ระบุได้ด้วยสเปกตรัมการดูดซับของคลอโรฟิลล์ โดยที่แถบการดูดกลืนแสงที่รุนแรงที่สุดจะสังเกตได้ในส่วนสีแดง และแถบการดูดกลืนแสงที่เข้มข้นน้อยกว่านั้นจะสังเกตได้ในส่วนสีน้ำเงิน-ม่วง

คลอโรพลาสประกอบด้วยเม็ดสีแคโรทีนและแซนโทฟิลล์พร้อมกับคลอโรฟิลล์ เม็ดสีทั้งสองนี้ดูดซับรังสีสีน้ำเงินและสีเขียวบางส่วนและส่งผ่านรังสีสีแดงและสีเหลือง นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อว่าแคโรทีนและแซนโทฟิลล์มีบทบาทของตัวกรองที่ปกป้องคลอโรฟิลล์จากผลการทำลายล้างของรังสีสีน้ำเงิน

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงประกอบด้วยปฏิกิริยาตามลำดับจำนวนหนึ่ง ปฏิกิริยาบางอย่างเกิดขึ้นพร้อมกับการดูดกลืนพลังงานแสง และปฏิกิริยาบางอย่างในความมืด ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสงที่เสถียร ได้แก่ คาร์โบไฮเดรต (น้ำตาลและแป้ง) กรดอินทรีย์ กรดอะมิโน และโปรตีน

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกันภายใต้สภาวะที่ต่างกัน

ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงยังขึ้นอยู่กับระยะการพัฒนาของพืชด้วย ความเข้มสูงสุดของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะสังเกตได้ในช่วงออกดอก

ปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ปกติในอากาศคือ 0.03% โดยปริมาตร การลดปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศจะช่วยลดความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสง การเพิ่มปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์เป็น 0.5% จะเพิ่มอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเกือบเป็นสัดส่วน อย่างไรก็ตามด้วยปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่เพิ่มขึ้นอีก ความเข้มของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะไม่เพิ่มขึ้น และที่ 1% พืชจะต้องทนทุกข์ทรมาน

พืชระเหยหรือเคลื่อนตัวมาก จำนวนมากน้ำ. การระเหยของน้ำเป็นสาเหตุหนึ่งของกระแสน้ำที่สูงขึ้น เนื่องจากการระเหยของน้ำโดยพืช แร่ธาตุจึงสะสมอยู่ในนั้นและอุณหภูมิที่เป็นประโยชน์ลดลงสำหรับพืชเกิดขึ้นในระหว่างการทำความร้อนจากแสงอาทิตย์ บางครั้งการถ่ายเทจะทำให้อุณหภูมิของพืชลดลง 6 o C

พืชควบคุมกระบวนการระเหยของน้ำผ่านการทำงานของปากใบ การสะสมของหนังกำพร้าหรือการเคลือบขี้ผึ้งบนหนังกำพร้า การก่อตัวของเส้นขน และการปรับตัวอื่นๆ มีวัตถุประสงค์เพื่อลดการถ่ายโอนที่ไม่ได้รับการควบคุม

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและการหายใจอย่างต่อเนื่องของเซลล์ใบที่มีชีวิตจำเป็นต้องมีการแลกเปลี่ยนก๊าซระหว่างเนื้อเยื่อภายในของใบกับบรรยากาศ ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง คาร์บอนไดออกไซด์ที่ถูกดูดซึมจะถูกดูดซับจากบรรยากาศและกลับสู่บรรยากาศในรูปของออกซิเจน

การใช้วิธีการวิเคราะห์ไอโซโทปแสดงให้เห็นว่าออกซิเจนที่คืนสู่ชั้นบรรยากาศ (16 O) เป็นของน้ำ ไม่ใช่ของคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศ ซึ่งมีไอโซโทป 15 O อยู่เหนือกว่าในระหว่างการหายใจของเซลล์ที่มีชีวิต (การออกซิเดชันของสารอินทรีย์ภายในเซลล์โดยออกซิเจนอิสระกับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ) จำเป็นต้องได้รับออกซิเจนจากชั้นบรรยากาศและการกลับมาของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ การแลกเปลี่ยนก๊าซนี้ส่วนใหญ่ดำเนินการผ่านอุปกรณ์ปากใบ

แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงต้องผ่านสองขั้นตอน แต่มีเพียงขั้นตอนเดียวเท่านั้นที่อยู่ในแสง หลักฐานของกระบวนการสองขั้นตอนได้รับครั้งแรกในปี 1905 โดยนักสรีรวิทยาพืชชาวอังกฤษ F.F. Blacklin ผู้ศึกษาผลกระทบของแสงและอุณหภูมิต่อปริมาณการสังเคราะห์ด้วยแสง

จากการทดลอง Blacklin ได้ข้อสรุปดังต่อไปนี้

1. มีปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงกลุ่มหนึ่งที่ไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ขนาดของปฏิกิริยาเหล่านี้ในช่วงแสงน้อยสามารถเพิ่มขึ้นได้เมื่อความสว่างเพิ่มขึ้น แต่ไม่เพิ่มตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

2. มีปฏิกิริยากลุ่มที่สองซึ่งขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและไม่ขึ้นอยู่กับแสง ปรากฎว่าปฏิกิริยาทั้งสองกลุ่มจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสง การเพิ่มปริมาตรของปฏิกิริยาเพียงกลุ่มเดียวจะเพิ่มปริมาตรของกระบวนการทั้งหมด แต่จะจนกว่าปฏิกิริยากลุ่มที่สองจะเริ่มเก็บปฏิกิริยากลุ่มแรกเท่านั้น หลังจากนี้มีความจำเป็นต้องเร่งปฏิกิริยากลุ่มที่สองเพื่อให้กลุ่มแรกสามารถดำเนินการได้โดยไม่มีข้อจำกัด

ดังนั้นจึงแสดงให้เห็นว่าทั้งสองระยะขึ้นอยู่กับแสง: “แสงสว่างและความมืด” สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าปฏิกิริยาความมืดเกิดขึ้นตามปกติในแสงและต้องใช้ผลิตภัณฑ์จากระยะแสง สำนวน "ปฏิกิริยาความมืด" หมายความง่ายๆ ว่าแสงไม่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเหล่านั้น

ปริมาตรของปฏิกิริยาความมืดจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น แต่สูงถึง 30 o จากนั้นก็เริ่มลดลง จากข้อเท็จจริงนี้ สันนิษฐานว่าปฏิกิริยาที่มืดจะถูกเร่งโดยเอนไซม์ เนื่องจากการแลกเปลี่ยนปฏิกิริยาของเอนไซม์จึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ต่อมาปรากฎว่าข้อสรุปนี้ทำไม่ถูกต้อง

ในระยะแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสง (ปฏิกิริยาแสง) พลังงานแสงจะถูกนำมาใช้เพื่อสร้าง ATP (โมเลกุลอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต) และตัวพาอิเล็กตรอนพลังงานสูง ในขั้นตอนที่สองของการสังเคราะห์ด้วยแสง (ปฏิกิริยามืด) ผลิตภัณฑ์พลังงานที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยาแสงจะถูกนำมาใช้เพื่อลด CO 2 ให้เป็นน้ำตาลเชิงเดี่ยว (กลูโคส)

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์มากขึ้นเรื่อยๆ วิทยาศาสตร์ใกล้จะตอบคำถามที่สำคัญที่สุดแล้ว - การสร้างประดิษฐ์ด้วยการใช้พลังงานแสง สารอินทรีย์อันทรงคุณค่าจะถูกเปลี่ยนจากสารอนินทรีย์ที่แพร่หลาย ปัญหาของการสังเคราะห์ด้วยแสงกำลังได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นโดยนักพฤกษศาสตร์ นักเคมี นักฟิสิกส์ และผู้เชี่ยวชาญอื่นๆ

ใน เมื่อเร็วๆ นี้มีความเป็นไปได้ที่จะสังเคราะห์ฟอร์มาลดีไฮด์และสารหวานจากสารละลายกรดคาร์บอเนตได้ ในกรณีนี้ โคบอลต์และนิกเกิลคาร์บอเนตมีบทบาทในการดูดซับพลังงานแสงแทนคลอโรฟิลล์ โมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่เพิ่งสังเคราะห์ขึ้น

ความสำเร็จของวิทยาศาสตร์ในสาขาการสังเคราะห์สารอินทรีย์ทำลายล้างหลักคำสอนในอุดมคติ - พลังนิยม ซึ่งแย้งว่าการก่อตัวของสารอินทรีย์จากสารอนินทรีย์ต้องใช้ "พลังชีวิต" พิเศษและบุคคลจะไม่สามารถ สังเคราะห์สารอินทรีย์ที่ซับซ้อน

การสังเคราะห์ด้วยแสงในพืชเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ ประกอบด้วย: การเปลี่ยนแปลงพลังงาน (กระบวนการแสง) การเปลี่ยนแปลงสสาร (กระบวนการมืด) กระบวนการของแสงเกิดขึ้นในไจลาคอยด์ ซึ่งเป็นกระบวนการที่มืดในสโตรมาของคลอโรพลาสต์ การหมุนเวียนทั่วไปของการสังเคราะห์ด้วยแสงมีดังนี้:

6CO 2 + 12H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งสองกระบวนการแสดงออกมาโดยสมการที่แยกจากกัน:

12H 2 O 12H 2 + 6O 2 + พลังงาน ATP;

(กระบวนการแสง)

12H 2 + 6O 2 + พลังงาน ATP C 6 H 12 O 6 + H 2 O

(กระบวนการมืด)

ความสำคัญของการสังเคราะห์ด้วยแสงในธรรมชาติการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการเดียวในชีวมณฑลที่นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของพลังงานอิสระอันเนื่องมาจากแหล่งภายนอก พลังงานที่เก็บไว้ในผลิตภัณฑ์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นแหล่งพลังงานหลักสำหรับมนุษยชาติ

ทุกปี จากการสังเคราะห์ด้วยแสง จะมีการสร้างสารอินทรีย์จำนวน 150 พันล้านตันบนโลก และออกซิเจนอิสระประมาณ 200 ล้านตันจะถูกปล่อยออกมา

วัฏจักรของออกซิเจน คาร์บอน และองค์ประกอบอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสงจะรักษาองค์ประกอบปัจจุบันของบรรยากาศที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก การสังเคราะห์ด้วยแสงช่วยป้องกันการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของ CO 2 และป้องกันไม่ให้โลกร้อนเกินไปอันเนื่องมาจากสิ่งที่เรียกว่า "ปรากฏการณ์เรือนกระจก"

เนื่องจากพืชสีเขียวเป็นตัวแทนของฐานทางโภชนาการทั้งทางตรงและทางอ้อมของสิ่งมีชีวิตต่างชนิดอื่น ๆ ทั้งหมด การสังเคราะห์ด้วยแสงจึงตอบสนองความต้องการอาหารของสิ่งมีชีวิตทั้งหมดบนโลกของเรา เป็นพื้นฐานที่สำคัญที่สุดของการเกษตรและการป่าไม้ แม้ว่าความเป็นไปได้ที่จะมีอิทธิพลยังมีน้อย แต่ก็ยังถูกใช้อยู่บ้าง ด้วยการเพิ่มความเข้มข้นของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศเป็น 0.1% (เทียบกับ 0.3% ในบรรยากาศธรรมชาติ) มันเป็นไปได้ที่จะเพิ่มผลผลิตแตงกวาและมะเขือเทศเป็นสามเท่า

ผิวใบหนึ่งตารางเมตรผลิตน้ำตาลได้ประมาณหนึ่งกรัมในหนึ่งชั่วโมง ซึ่งหมายความว่า ตามการประมาณการคร่าวๆ พืชทุกชนิดจะกำจัด C ออกจากบรรยากาศตั้งแต่ 100 ถึง 200 พันล้านตันต่อปี ประมาณ 60% ของจำนวนนี้ถูกป่าไม้ดูดซับ โดย 30% ของพื้นผิวดินที่ไม่ปกคลุมด้วยน้ำแข็ง 32% โดยพื้นที่เพาะปลูก และ 8% ที่เหลือโดยพืชในทุ่งหญ้าสเตปป์และพื้นที่ทะเลทราย เช่นเดียวกับเมืองต่างๆ

พืชสีเขียวไม่เพียงแต่มีความสามารถในการใช้คาร์บอนไดออกไซด์และสร้างน้ำตาลเท่านั้น แต่ยังสามารถเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนและสารประกอบซัลเฟอร์ให้เป็นสารที่ประกอบเป็นร่างกายได้อีกด้วย พืชจะได้รับไนเตรตไอออนที่ละลายในน้ำในดินผ่านระบบรากและแปรรูปพวกมันในเซลล์ให้เป็นกรดอะมิโนซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของสารประกอบโปรตีนทั้งหมด ส่วนประกอบของไขมันยังเกิดจากสารประกอบที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการเผาผลาญและพลังงาน กรดไขมันและกลีเซอรอลผลิตไขมันและน้ำมันซึ่งทำหน้าที่เป็นสารสำรองสำหรับพืชเป็นหลัก เมล็ดพืชประมาณ 80% มีไขมันเป็นสารสำรองที่อุดมด้วยพลังงาน การผลิตเมล็ดพันธุ์ ไขมัน และน้ำมันมีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมการเกษตรและอาหาร