การสังเคราะห์ด้วยแสงคืออะไร?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการที่พืชสาหร่ายและแบคทีเรียใช้ในการควบคุมพลังงานจากแสงอาทิตย์และเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมี ที่นี่เราอธิบายหลักการทั่วไปของการสังเคราะห์ด้วยแสงและเน้นว่านักวิทยาศาสตร์กำลังศึกษากระบวนการธรรมชาตินี้เพื่อช่วยพัฒนาเชื้อเพลิงสะอาดและแหล่งพลังงานหมุนเวียน

ประเภทของการสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการสังเคราะห์แสงมีสองประเภทคือการสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์ด้วยแสง anoxygenic หลักการทั่วไปของการสังเคราะห์ด้วยแสง anoxygenic และ oxygenic นั้นคล้ายกันมาก แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นสิ่งที่พบได้ทั่วไปและพบได้ในพืชสาหร่ายและไซยาโนแบคทีเรีย

ระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงออกซิเจนพลังงานแสงจะถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากน้ำ (H₂O) เป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO.)₂) เพื่อผลิตคาร์โบไฮเดรต ในการโอนครั้งนี้ผู้บังคับกองร้อย₂ คือ "ลดลง" หรือรับอิเล็กตรอนและน้ำกลายเป็น "ออกซิไดซ์" หรือสูญเสียอิเล็กตรอน ในท้ายที่สุดออกซิเจนถูกผลิตพร้อมกับคาร์โบไฮเดรต

การสังเคราะห์ด้วยแสงทำหน้าที่เป็นเครื่องถ่วงสมดุลต่อการหายใจโดยรับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ที่ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตในการหายใจทั้งหมดและนำออกซิเจนกลับคืนสู่ชั้นบรรยากาศ

ในทางตรงกันข้ามการสังเคราะห์ด้วยแสง anoxygenic ใช้ผู้บริจาคอิเล็กตรอนนอกเหนือจากน้ำ โดยทั่วไปแล้วกระบวนการนี้เกิดขึ้นในแบคทีเรียเช่นแบคทีเรียสีม่วงและแบคทีเรียซัลฟูริกสีเขียวซึ่งส่วนใหญ่จะพบในแหล่งน้ำต่างๆ

"การสังเคราะห์ด้วยแสง Anoxygenic ไม่ได้ผลิตออกซิเจน - ดังนั้นชื่อ" David Baum ศาสตราจารย์วิชาพฤกษศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซินแมดิสันกล่าว "สิ่งที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับผู้บริจาคอิเล็กตรอนตัวอย่างเช่นแบคทีเรียจำนวนมากใช้ก๊าซไฮโดรเจนซัลไฟด์ที่มีกลิ่นไม่ดีซึ่งทำให้เกิดกำมะถันที่เป็นของแข็งเป็นผลพลอยได้"

แม้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงทั้งสองชนิดนั้นมีความซับซ้อนกิจการหลายขั้นตอนกระบวนการโดยรวมสามารถสรุปได้อย่างเรียบร้อยว่าเป็นสมการทางเคมี

การสังเคราะห์ด้วยแสงด้วยออกซิเจนเขียนได้ดังนี้

6CO₂ + 12 ชม₂O + พลังงานแสง→ C.₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

ที่นี่หกโมเลกุลของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) รวมกับ 12 โมเลกุลของน้ำ (เอช₂O) ใช้พลังงานแสง ผลลัพธ์ที่ได้คือการก่อตัวของโมเลกุลคาร์โบไฮเดรตเดี่ยว (C₆H₁₂O₆หรือกลูโคส) พร้อมกับโมเลกุลหกโมเลกุลแต่ละอันประกอบไปด้วยออกซิเจนและน้ำที่ระบายได้

ในทำนองเดียวกันปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสง anoxygenic ต่างๆสามารถแสดงเป็นสูตรทั่วไปเดียว:

CO₂ + 2H₂A + พลังงานแสง→ + 2A + H₂O

ตัวอักษร A ในสมการเป็นตัวแปรและ H₂A แทนผู้บริจาคอิเล็กตรอนที่มีศักยภาพ ตัวอย่างเช่น A อาจเป็นตัวแทนของกำมะถันในอิเล็กตรอนผู้บริจาคไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H)₂S), Govindjee และ John Whitmarsh นักชีววิทยาพืชที่ University of Illinois at Urbana-Champaign ในหนังสือ "แนวคิดในการถ่ายภาพ: การสังเคราะห์ด้วยแสงและการสังเคราะห์แสง" (Narosa Publishers และ Kluwer Academic, 1999)

เครื่องมือสังเคราะห์แสง

ต่อไปนี้เป็นส่วนประกอบของเซลล์ที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง

รงควัตถุ

เม็ดสีเป็นโมเลกุลที่ให้สีกับพืชสาหร่ายและแบคทีเรีย แต่ก็มีหน้าที่ในการดักจับแสงแดดอย่างมีประสิทธิภาพ เม็ดสีที่มีสีต่างกันจะดูดซับความยาวคลื่นที่แตกต่างกันของแสง ด้านล่างเป็นสามกลุ่มหลัก

• คลอโรฟิลล์: เม็ดสีสีเขียวเหล่านี้สามารถดักแสงสีน้ำเงินและสีแดงได้ คลอโรฟิลล์มีสามชนิดย่อยเรียกว่าคลอโรฟิลล์เอคลอโรฟิลล์บีและคลอโรฟิลล์ค อ้างอิงจากหนังสือ Eugene Rabinowitch และ Govindjee ในหนังสือ "การสังเคราะห์ด้วยแสง" (Wiley, 1969), คลอโรฟิลล์เอพบได้ในพืชสังเคราะห์แสงทั้งหมด นอกจากนี้ยังมีแบคทีเรียหลากหลายชนิดที่ชื่อ aptly bacteriochlorophyll ซึ่งดูดซับแสงอินฟราเรด รงควัตถุนี้ส่วนใหญ่จะพบในแบคทีเรียสีม่วงและสีเขียวซึ่งดำเนินการสังเคราะห์ด้วยแสง anoxygenic
• แคโรทีนอยด์: เม็ดสีสีแดงสีส้มหรือสีเหลืองเหล่านี้ดูดซับแสงสีเขียวอมฟ้า ตัวอย่างของแคโรทีนอยด์ ได้แก่ แซนโทฟิล (สีเหลือง) และแคโรทีน (ส้ม) ที่แครอทมีสี
• Phycobilins: รงควัตถุสีแดงหรือสีน้ำเงินเหล่านี้ดูดซับความยาวคลื่นของแสงที่ไม่ดูดซับด้วยคลอโรฟิลล์และแคโรทีนอยด์ พวกมันถูกพบในไซยาโนแบคทีเรียและสาหร่ายสีแดง

plastids

สิ่งมีชีวิตยูคาริโอติกที่สังเคราะห์ด้วยแสงมีออร์แกเนลล์ที่เรียกว่าพลาสิดในพลาสซึม พลาสมิดสองชั้นในพืชและสาหร่ายถูกเรียกว่าพลาสมิดหลักในขณะที่ความหลากหลายของเมมเบรนที่พบในแพลงก์ตอนเรียกว่าพลาสมิดที่สองอ้างอิงจากบทความในวารสาร Nature Education โดย Cheong Xin Chan และ Debashish Bhattacharya ในรัฐนิวเจอร์ซีย์

พลาสมิดโดยทั่วไปจะมีเม็ดสีหรือสามารถเก็บสารอาหารได้ leucoplasts ไม่มีสีและไม่มีสีเก็บไขมันและแป้งในขณะที่ chromoplasts มีแคโรทีนอยด์และคลอโรพลาสต์ประกอบด้วยคลอโรฟิลตามที่อธิบายไว้ในหนังสือของเจฟฟรีย์คูเปอร์ "The Cell: A Molecular Approach" (Sinauer Associates, 2000)

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ โดยเฉพาะในภูมิภาค Grana และ Stroma Grana เป็นส่วนที่อยู่ด้านในสุดของอวัยวะ คอลเล็กชันของเมมเบรนที่มีรูปร่างเป็นแผ่นดิสก์เรียงซ้อนกันเป็นคอลัมน์เหมือนเพลต แต่ละแผ่นเรียกว่า thylakoids ที่นี่เป็นที่ที่การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้น ช่องว่างระหว่างคอลัมน์ของ grana ประกอบด้วย stroma

คลอโรพลาสต์นั้นคล้ายกับไมโทคอนเดรียซึ่งเป็นศูนย์กลางพลังงานของเซลล์ซึ่งมีจีโนมของตัวเองหรือมีการสะสมของยีนที่บรรจุอยู่ภายใน DNA เวียน ยีนเหล่านี้เข้ารหัสโปรตีนที่จำเป็นต่อออร์แกเนลล์และการสังเคราะห์ด้วยแสง เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรียคลอโรพลาสต์ก็คิดว่ามีต้นกำเนิดมาจากเซลล์แบคทีเรียดั้งเดิมผ่านกระบวนการของเอนโดซิมไบโอซิส

"Plastids เกิดจากแบคทีเรียสังเคราะห์แสงที่ห้อมล้อมด้วยเซลล์ยูคาริโอตเซลล์เดียวมากกว่าหนึ่งพันล้านปีก่อน" Baum กล่าวกับ Live Science Baum อธิบายว่าการวิเคราะห์ยีนคลอโรพลาสต์แสดงให้เห็นว่าครั้งหนึ่งมันเคยเป็นสมาชิกของกลุ่มไซยาโนแบคทีเรีย "กลุ่มแบคทีเรียกลุ่มหนึ่งที่สามารถสังเคราะห์แสงด้วยออกซิเจนได้"

ในบทความปี 2010 Chan และ Bhattacharya ชี้ให้เห็นว่าการก่อตัวของพลาสมิดทุติยภูมิไม่สามารถอธิบายได้ดีโดย endosymbiosis ของไซยาโนแบคทีเรียและการกำเนิดของพลาสมิดประเภทนี้ยังคงเป็นประเด็นถกเถียง

เสาอากาศ

โมเลกุลของเม็ดสีเกี่ยวข้องกับโปรตีนซึ่งทำให้พวกมันมีความยืดหยุ่นในการเคลื่อนที่ไปทางแสงและไปสู่อีกโมเลกุลหนึ่ง Wim Vermaas ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยแอริโซนาสเตตคอลเลคชันโมเลกุลขนาดเม็ดสี 100 ถึง 5,000 ชุดประกอบด้วย "หนวด" ตามบทความโดย Wim Vermaas โครงสร้างเหล่านี้จับพลังงานแสงจากดวงอาทิตย์ในรูปของโฟตอนได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ในที่สุดพลังงานแสงจะต้องถูกถ่ายโอนไปยังคอมเพล็กซ์โปรตีนสีที่สามารถแปลงเป็นพลังงานเคมีในรูปแบบของอิเล็กตรอน ยกตัวอย่างเช่นในพืชพลังงานแสงจะถูกส่งไปยังเม็ดสีคลอโรฟิลล์ การเปลี่ยนเป็นพลังงานเคมีเกิดขึ้นได้เมื่อเม็ดสีคลอโรฟิลล์มีอิเล็กตรอนออกมาซึ่งสามารถไปยังผู้รับที่เหมาะสมได้

ศูนย์ปฏิกิริยา

เม็ดสีและโปรตีนที่เปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมีและเริ่มกระบวนการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเรียกว่าศูนย์ปฏิกิริยา

กระบวนการสังเคราะห์แสง

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชแบ่งออกเป็นสิ่งที่ต้องมีแสงแดดและสิ่งที่ไม่ทำ ปฏิกิริยาทั้งสองประเภทเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์: ปฏิกิริยาขึ้นกับแสงในปฏิกิริยาไทลาคอยด์และปฏิกิริยาอิสระต่อแสงในสโตรมา

ปฏิกิริยาขึ้นกับแสง (เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยาแสง): เมื่อโฟตอนของแสงกระทบกับศูนย์ปฏิกิริยาโมเลกุลของเม็ดสีเช่นคลอโรฟิลล์จะปล่อยอิเล็กตรอนออกมา

"เคล็ดลับในการทำงานที่มีประโยชน์คือการป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนนั้นหาทางกลับบ้านเดิม" Baum กล่าวกับ Live Science "สิ่งนี้ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ง่ายเพราะคลอโรฟิลล์มี 'อิเล็กตรอนรู' ซึ่งมีแนวโน้มที่จะดึงอิเล็กตรอนใกล้เคียงออกมา"

อิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมานั้นสามารถหลบหนีได้โดยการเดินทางผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนซึ่งสร้างพลังงานที่จำเป็นในการผลิต ATP (adenosine triphosphate ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานเคมีสำหรับเซลล์) และ NADPH "หลุมอิเล็กตรอน" ในเม็ดสีคลอโรฟิลล์ดั้งเดิมเติมด้วยการเอาอิเล็กตรอนออกจากน้ำ เป็นผลให้ออกซิเจนถูกปล่อยสู่ชั้นบรรยากาศ

ปฏิกิริยาที่ไม่ขึ้นกับแสง (เรียกอีกอย่างว่าปฏิกิริยามืดและรู้จักกันในนามวัลคาลวิน): ปฏิกิริยาแสงผลิต ATP และ NADPH ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานที่อุดมไปด้วยซึ่งขับเคลื่อนปฏิกิริยาที่มืด ปฏิกิริยาทางเคมีสามขั้นตอนประกอบกันเป็นวงจรวัลวิน: การตรึงคาร์บอนการลดและการสร้างใหม่ ปฏิกิริยาเหล่านี้ใช้น้ำและตัวเร่งปฏิกิริยา อะตอมของคาร์บอนจากคาร์บอนไดออกไซด์นั้น“ คงที่” เมื่อพวกมันถูกสร้างขึ้นเป็นโมเลกุลอินทรีย์ซึ่งในที่สุดจะกลายเป็นน้ำตาลสามคาร์บอน จากนั้นน้ำตาลเหล่านี้จะถูกนำไปใช้ทำกลูโคสหรือนำกลับมาใช้ใหม่เพื่อเริ่มวัฏจักรคาลวินอีกครั้ง

การสังเคราะห์แสงในอนาคต

สิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงเป็นวิธีที่เป็นไปได้ในการสร้างเชื้อเพลิงที่เผาไหม้สะอาดเช่นไฮโดรเจนหรือมีเธน เมื่อเร็ว ๆ นี้กลุ่มวิจัยที่มหาวิทยาลัย Turku ในประเทศฟินแลนด์ได้ใช้ความสามารถของสาหร่ายสีเขียวในการผลิตไฮโดรเจน สาหร่ายสีเขียวสามารถผลิตไฮโดรเจนได้ในไม่กี่วินาทีหากพวกมันถูกสัมผัสกับสภาพที่มืดไม่มีออกซิเจน (ปราศจากออกซิเจน) และสัมผัสกับแสงทีมวิจัยได้คิดค้นวิธีที่จะขยายการผลิตไฮโดรเจนของสาหร่ายสีเขียวได้นานถึงสามวัน การศึกษา 2018 ที่ตีพิมพ์ในวารสาร Energy & Environmental Science

นักวิทยาศาสตร์ยังได้ก้าวหน้าในด้านการสังเคราะห์แสงสังเคราะห์ด้วย ยกตัวอย่างเช่นกลุ่มนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียเบิร์กลีย์ได้พัฒนาระบบประดิษฐ์เพื่อดักจับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์โดยใช้เส้นลวดนาโนหรือสายไฟที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่กี่ล้านล้านเมตร สายป้อนเข้าสู่ระบบของจุลินทรีย์ที่ลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์เป็นเชื้อเพลิงหรือโพลิเมอร์โดยใช้พลังงานจากแสงแดด ทีมตีพิมพ์ผลงานการออกแบบในปี 2015 ในวารสาร Nano Letters

ในปี 2559 สมาชิกของกลุ่มเดียวกันนี้ตีพิมพ์ผลการศึกษาในวารสาร Science ซึ่งได้อธิบายระบบสังเคราะห์แสงสังเคราะห์อีกรูปแบบหนึ่งซึ่งใช้แบคทีเรียที่สร้างขึ้นมาเป็นพิเศษเพื่อผลิตเชื้อเพลิงเหลวโดยใช้แสงแดดน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ โดยทั่วไปแล้วพืชสามารถควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์ได้ประมาณร้อยละ 1 เท่านั้นและใช้เพื่อผลิตสารอินทรีย์ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ในทางตรงกันข้ามระบบประดิษฐ์ของนักวิจัยสามารถควบคุมพลังงานแสงอาทิตย์ได้ 10 เปอร์เซ็นต์เพื่อผลิตสารประกอบอินทรีย์

การวิจัยอย่างต่อเนื่องของกระบวนการทางธรรมชาติเช่นการสังเคราะห์ด้วยแสงช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ในการพัฒนาวิธีการใหม่ในการใช้ประโยชน์จากแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่หลากหลาย การได้เห็นแสงแดดพืชและแบคทีเรียล้วนเป็นสิ่งที่แพร่หลายการใช้ประโยชน์จากการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นขั้นตอนที่มีเหตุผลสำหรับการสร้างเชื้อเพลิงที่สะอาดและเผาไหม้ด้วยคาร์บอนที่เป็นกลาง

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม: