ทำไมน้ำจึงมีความสำคัญต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง?

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นวิถีทางชีวเคมีที่สำคัญซึ่งเกี่ยวข้องกับการผลิตน้ำตาล (กลูโคส) จากแสง น้ำ และคาร์บอนไดออกไซด์ และการปล่อยออกซิเจน เป็นชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่ซับซ้อนและเกิดขึ้นในพืชชั้นสูง สาหร่าย แบคทีเรียบางชนิด และโฟโตออโตโทรฟบางชนิด เกือบทุกชีวิตขึ้นอยู่กับกระบวนการนี้ อัตราการสังเคราะห์แสงสัมพันธ์กับความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ อุณหภูมิ และความเข้มของแสง ได้รับพลังงานจากโฟตอนที่ถูกดูดซับและใช้น้ำเป็นตัวรีดิวซ์

ด้วยการกำเนิดของสิ่งมีชีวิตบนโลก กระบวนการสังเคราะห์แสงจึงเริ่มต้นขึ้น เนื่องจากความเข้มข้นของออกซิเจนมีน้อยมาก การสังเคราะห์แสงครั้งแรกจึงเกิดขึ้นโดยใช้ไฮโดรเจนซัลไฟด์และกรดอินทรีย์ในน้ำทะเล อย่างไรก็ตาม ระดับของวัสดุเหล่านี้ไม่เพียงพอต่อการสังเคราะห์แสงต่อไปเป็นเวลานาน ดังนั้นการสังเคราะห์ด้วยแสงโดยใช้น้ำจึงมีวิวัฒนาการ การสังเคราะห์ด้วยแสงประเภทนี้โดยใช้น้ำทำให้เกิดการปลดปล่อยออกซิเจน ความเข้มข้นของออกซิเจนในบรรยากาศจึงเริ่มเพิ่มขึ้น วัฏจักรที่ไม่สิ้นสุดนี้ทำให้โลกอุดมไปด้วยออกซิเจนซึ่งสามารถรองรับระบบนิเวศที่พึ่งพาออกซิเจนในปัจจุบันได้

ในระดับพื้นฐาน น้ำจะให้อิเล็กตรอนมาแทนที่อิเล็กตรอนที่ขับออกจากคลอโรฟิลล์ในระบบภาพถ่าย II นอกจากนี้ น้ำยังผลิตออกซิเจนและลด NADP เป็น NADPH (จำเป็นในวัฏจักร Calvin) โดยการปลดปล่อยไอออน H+

ในระหว่างกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง คาร์บอนไดออกไซด์ 6 โมเลกุลและน้ำ 6 โมเลกุลจะทำปฏิกิริยากับแสงแดดเพื่อสร้างโมเลกุลกลูโคส 1 โมเลกุลและออกซิเจน 6 โมเลกุล หน้าที่ของน้ำคือการปลดปล่อยออกซิเจน (O) จากโมเลกุลของน้ำสู่บรรยากาศในรูปของก๊าซออกซิเจน (O2)

น้ำยังมีบทบาทสำคัญอีกประการหนึ่งในการเป็นตัวป้อนอิเล็กตรอน ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง น้ำจะให้อิเล็กตรอนที่จับอะตอมไฮโดรเจน (ของโมเลกุลน้ำ) กับคาร์บอน (ของคาร์บอนไดออกไซด์) เพื่อให้น้ำตาล (กลูโคส)

น้ำทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์โดยให้ H+ ไอออนที่แปลง NADP เป็น NADPH เนื่องจาก NADPH เป็นสารรีดิวซ์ที่สำคัญในคลอโรพลาสต์ การผลิตจึงส่งผลให้ขาดอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นผลมาจากการเกิดออกซิเดชันของคลอโรฟิลล์ การสูญเสียอิเล็กตรอนนี้จะต้องเกิดขึ้นโดยอิเล็กตรอนจากตัวรีดิวซ์อื่นๆ Photosystem II เกี่ยวข้องกับสองสามขั้นตอนแรกของโครงการ Z (ไดอะแกรมของห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนในการสังเคราะห์ด้วยแสง) และดังนั้นจึงเป็นตัวรีดิวซ์ ที่สามารถบริจาคอิเล็กตรอนได้นั้นจำเป็นต้องออกซิไดซ์คลอโรฟิลล์ซึ่งได้รับมาจากน้ำ (ทำหน้าที่เป็นแหล่งของอิเล็กตรอนในพืชสีเขียวและ ไซโนแบคทีเรีย) ไฮโดรเจนไอออนที่ปล่อยออกมาจึงสร้างศักย์ทางเคมี (เคมีออสโมติก) ข้ามเมมเบรนซึ่งในที่สุดก็ส่งผลให้เกิดการสังเคราะห์ ATP Photosystem II เป็นเอนไซม์หลักที่รู้จักกันดีซึ่งทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการเกิดออกซิเดชันของน้ำ