การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นปฏิกิริยาประเภทใด

หากไม่มีปฏิกิริยาเคมีที่เรียกรวมกันว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง คุณก็จะไม่อยู่ที่นี่และไม่มีใครรู้จักคุณเช่นกัน สิ่งนี้อาจทำให้คุณเป็นข้ออ้างที่แปลก หากคุณรู้ว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงมีเฉพาะพืชและจุลินทรีย์บางตัวเท่านั้น และไม่ใช่เซลล์เดียวในร่างกายของคุณหรือของสัตว์ใด ๆ ที่มีเครื่องมือที่จะทำปฏิกิริยาตอบสนองที่หรูหรานี้ สิ่งที่ช่วยให้?

พูดง่ายๆ ก็คือ ชีวิตพืชและชีวิตของสัตว์เกือบจะสัมพันธ์กันอย่างสมบูรณ์แบบ หมายความว่าวิธีที่พืชดำเนินการเพื่อสนองความต้องการเมตาบอลิซึมของพวกมันนั้นมีประโยชน์สูงสุดสำหรับสัตว์และในทางกลับกัน กล่าวอย่างง่ายที่สุด สัตว์ใช้ก๊าซออกซิเจน (O₂) เพื่อให้ได้พลังงานจากแหล่งคาร์บอนที่ไม่ใช่ก๊าซและขับก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ออกมา (CO₂) และน้ำ (H₂O) ในกระบวนการ ในขณะที่พืชใช้CO₂ และ H₂O ทำอาหารปล่อย O₂ ต่อสิ่งแวดล้อม นอกจากนี้ ประมาณร้อยละ 87 ของพลังงานของโลกในปัจจุบันได้มาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิล ซึ่งท้ายที่สุดแล้วเป็นผลจากการสังเคราะห์ด้วยแสงเช่นกัน

บางครั้งมีการกล่าวกันว่า "การสังเคราะห์ด้วยแสงคือการที่พืชใช้การหายใจสำหรับสัตว์" แต่นี่เป็นการเปรียบเทียบที่มีข้อบกพร่องเพราะพืชใช้ประโยชน์จากทั้งสองอย่าง ขณะที่สัตว์ใช้แต่การหายใจเท่านั้น คิดว่าการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นวิธีที่พืชบริโภคและย่อยคาร์บอน โดยอาศัยแสงมากกว่าการเคลื่อนที่และการกินเพื่อเติมคาร์บอนให้อยู่ในรูปแบบที่เครื่องเซลล์ขนาดเล็กสามารถนำมาใช้ได้

การสังเคราะห์ด้วยแสงแม้จะไม่ได้ถูกใช้โดยส่วนสำคัญของสิ่งมีชีวิตโดยตรงก็สามารถ ถูกมองว่าเป็นกระบวนการทางเคมีเดียวที่รับผิดชอบในการดำรงอยู่อย่างต่อเนื่องของชีวิตบน แผ่นดินเอง. เซลล์สังเคราะห์แสงใช้CO₂ และ H₂O รวบรวมโดยสิ่งมีชีวิตจากสิ่งแวดล้อมและใช้พลังงานจากแสงแดดเพื่อให้พลังงานในการสังเคราะห์กลูโคส (C₆โฮ₁₂อู๋₆) ปล่อย O₂ เป็นของเสีย กลูโคสนี้จะถูกประมวลผลโดยเซลล์ต่างๆ ในพืชในลักษณะเดียวกับที่สัตว์ใช้กลูโคส เซลล์: ผ่านการหายใจเพื่อปลดปล่อยพลังงานออกมาในรูปของอะดีโนซีน ไตรฟอสเฟต (ATP) และปลดปล่อยออกมา CO₂ เป็นของเสีย (แพลงก์ตอนพืชและไซยาโนแบคทีเรียยังใช้ประโยชน์จากการสังเคราะห์ด้วยแสง แต่สำหรับวัตถุประสงค์ของการอภิปรายนี้ สิ่งมีชีวิตที่มีเซลล์สังเคราะห์แสงจะเรียกโดยทั่วไปว่า "พืช")

สิ่งมีชีวิตที่ใช้การสังเคราะห์ด้วยแสงเพื่อสร้างกลูโคสเรียกว่า autotrophs ซึ่งแปลอย่างอิสระจากภาษากรีกเป็น "อาหารด้วยตนเอง" กล่าวคือ พืชไม่ต้องอาศัยสิ่งมีชีวิตอื่นโดยตรงเป็นอาหาร ในทางกลับกัน สัตว์เป็น heterotrophs ("อาหารอื่น") เพราะพวกมันต้องกินคาร์บอนจากแหล่งที่มีชีวิตอื่นเพื่อที่จะเติบโตและมีชีวิตอยู่

การสังเคราะห์ด้วยแสงถือเป็นปฏิกิริยารีดอกซ์ Redox ย่อมาจาก "reduction-oxidation" ซึ่งอธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นในระดับอะตอมในปฏิกิริยาทางชีวเคมีต่างๆ สูตรที่สมบูรณ์และสมดุลสำหรับชุดของปฏิกิริยาที่เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งจะมีการสำรวจส่วนประกอบในเร็วๆ นี้ คือ:

6H₂O + แสง + 6CO₂ → C₆โฮ₁₂อู๋₆ + 6O₂

คุณสามารถตรวจสอบด้วยตัวคุณเองว่าจำนวนของอะตอมแต่ละประเภทเท่ากันในแต่ละด้านของลูกศร: อะตอมของคาร์บอน 6 อะตอม ไฮโดรเจน 12 อะตอม และออกซิเจน 18 อะตอม

การรีดิวซ์คือการกำจัดอิเล็กตรอนออกจากอะตอมหรือโมเลกุล ในขณะที่การเกิดออกซิเดชันคือการได้รับอิเล็กตรอน ในทำนองเดียวกัน สารประกอบที่ให้อิเล็กตรอนกับสารประกอบอื่นๆ ได้ง่ายจะเรียกว่าตัวออกซิไดซ์ ในขณะที่สารประกอบที่มีแนวโน้มจะได้รับอิเล็กตรอนจะเรียกว่าตัวรีดิวซ์ ปฏิกิริยารีดอกซ์มักเกี่ยวข้องกับการเติมไฮโดรเจนลงในสารประกอบที่ลดลง

ขั้นตอนแรกในการสังเคราะห์แสงอาจสรุปได้ว่า "ปล่อยให้มีแสง" แสงแดดกระทบพื้นผิวของพืช ทำให้กระบวนการทั้งหมดมีการเคลื่อนไหว คุณอาจสงสัยว่าเหตุใดพืชหลายชนิดจึงมีลักษณะเช่นนี้: พื้นที่ผิวจำนวนมากในรูปของใบและ กิ่งที่รองรับพวกมันที่ไม่จำเป็น (แม้ว่าจะน่าดึงดูด) หากคุณไม่รู้ว่าทำไมสิ่งมีชีวิตเหล่านี้ถึงมีโครงสร้าง ทางนี้. "เป้าหมาย" ของพืชคือการปล่อยให้ตัวเองถูกแสงแดดมากที่สุดเท่าที่จะทำได้ - ทำให้สั้นที่สุดและเล็กที่สุด พืชในระบบนิเวศใด ๆ มากกว่าเหมือนเศษซากสัตว์ที่ทั้งคู่ต่อสู้ดิ้นรนเพื่อให้ได้มาเพียงพอ พลังงาน. ไม่น่าแปลกใจเลยที่ใบไม้มีความหนาแน่นสูงมากในเซลล์สังเคราะห์แสง

เซลล์เหล่านี้อุดมไปด้วยสิ่งมีชีวิตที่เรียกว่าคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นที่ทำงานของการสังเคราะห์ด้วยแสง เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่เกิดการหายใจ อันที่จริง คลอโรพลาสต์และไมโตคอนเดรียมีโครงสร้างที่คล้ายคลึงกัน ความจริงที่ว่าเช่นเดียวกับทุกสิ่งในโลกของชีววิทยาสามารถ สืบย้อนไปถึงความอัศจรรย์แห่งวิวัฒนาการ) คลอโรพลาสต์ประกอบด้วยเม็ดสีพิเศษที่ดูดซับพลังงานแสงได้อย่างเหมาะสมมากกว่าการสะท้อนแสง มัน. สิ่งที่สะท้อนออกมาแทนที่จะดูดซับจะเกิดขึ้นในช่วงของความยาวคลื่นที่ดวงตาและสมองของมนุษย์ตีความว่าเป็นสีเฉพาะ (คำใบ้: มันเริ่มต้นด้วย "g") เม็ดสีหลักที่ใช้เพื่อการนี้เรียกว่าคลอโรฟิลล์

คลอโรพลาสต์ถูกล้อมรอบด้วยเมมเบรนพลาสม่าคู่ เช่นเดียวกับเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมดรวมถึงออร์แกเนลล์ที่พวกมันมีอยู่ อย่างไรก็ตาม ในพืช มีเยื่อหุ้มที่สามอยู่ภายในพลาสมา bilayer ที่เรียกว่าเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ เยื่อแผ่นนี้ถูกพับอย่างกว้างขวางมากจนทำให้โครงสร้างที่แยกจากกันซ้อนทับกันไม่ต่างจากห่อของมินต์ลมหายใจ โครงสร้างไทลาคอยด์เหล่านี้มีคลอโรฟิลล์ ช่องว่างระหว่างเยื่อหุ้มคลอโรพลาสต์ชั้นในและเยื่อหุ้มไทลาคอยด์เรียกว่าสโตรมา

การสังเคราะห์ด้วยแสงแบ่งออกเป็นชุดของปฏิกิริยาที่ขึ้นกับแสงและไม่ขึ้นกับแสง มักเรียกว่าปฏิกิริยาแสงและความมืด และจะอธิบายรายละเอียดในภายหลัง ดังที่คุณอาจสรุปได้ ปฏิกิริยาแสงจะเกิดขึ้นก่อน

เมื่อแสงจากดวงอาทิตย์ตกกระทบคลอโรฟิลล์และสารสีอื่นๆ ภายในไทลาคอยด์ มันจะสลายตัวออกไป อิเล็กตรอนและโปรตอนจากอะตอมในคลอโรฟิลล์และยกระดับพลังงานให้สูงขึ้นทำให้มีอิสระมากขึ้น โยกย้าย. อิเล็กตรอนจะถูกเปลี่ยนเส้นทางไปสู่ปฏิกิริยาลูกโซ่ขนส่งอิเล็กตรอนที่แผ่ออกมาบนเยื่อหุ้มไทลาคอยด์เอง ที่นี่ ตัวรับอิเล็กตรอน เช่น NADP จะได้รับอิเล็กตรอนบางส่วน ซึ่งใช้ในการขับเคลื่อนการสังเคราะห์ ATP ด้วย โดยพื้นฐานแล้ว ATP นั้นมีความสำคัญต่อเซลล์ที่ระบบการเงินของสหรัฐฯ มีค่าเป็นดอลลาร์ นั่นคือ "สกุลเงินพลังงาน" ที่ใช้กระบวนการเผาผลาญเกือบทั้งหมดในท้ายที่สุด

ในขณะที่สิ่งนี้กำลังเกิดขึ้น โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ที่อาบแดดก็พบว่าตัวเองขาดอิเล็กตรอนในทันที นี่คือจุดที่น้ำเข้าสู่การต่อสู้และก่อให้เกิดอิเล็กตรอนทดแทนในรูปของไฮโดรเจนซึ่งจะช่วยลดคลอโรฟิลล์ เมื่อไฮโดรเจนหายไป สิ่งที่เคยเป็นน้ำกลายเป็นออกซิเจนระดับโมเลกุล – O₂. ออกซิเจนนี้จะกระจายออกจากเซลล์และออกจากพืชทั้งหมด และบางส่วนก็สามารถหาทางเข้าไปในปอดของคุณได้ในวินาทีนี้อย่างแม่นยำ

การสังเคราะห์ด้วยแสงเรียกว่าปฏิกิริยา endergonic เนื่องจากต้องใช้พลังงานเพื่อดำเนินการต่อไป ดวงอาทิตย์เป็นแหล่งสูงสุดของพลังงานทั้งหมดบนโลก (ข้อเท็จจริงที่หลายคนอาจเข้าใจได้ในระดับหนึ่ง) วัฒนธรรมในสมัยโบราณที่ถือว่าดวงอาทิตย์เป็นเทพในตัวเอง) และพืชเป็นพวกแรกๆ การใช้งานอย่างมีประสิทธิผล หากไม่มีพลังงานนี้ ก็ไม่มีทางที่คาร์บอนไดออกไซด์ ซึ่งเป็นโมเลกุลธรรมดาขนาดเล็กจะถูกแปลงเป็นกลูโคส ซึ่งเป็นโมเลกุลที่ใหญ่กว่าและซับซ้อนกว่ามาก ลองนึกภาพตัวเองกำลังเดินขึ้นบันไดไปโดยไม่ใช้พลังงานใด ๆ และคุณสามารถเห็นปัญหาที่พืชเผชิญอยู่

ในแง่เลขคณิต ปฏิกิริยาเอนเดอร์โกนิกคือปฏิกิริยาที่ผลิตภัณฑ์มีระดับพลังงานสูงกว่าสารตั้งต้น ปฏิกิริยาที่ตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาเหล่านี้เรียกว่า exergonic ซึ่งผลิตภัณฑ์มีพลังงานต่ำกว่าปฏิกิริยาและพลังงานจึงถูกปลดปล่อยในระหว่างปฏิกิริยา (มักจะอยู่ในรูปแบบของความร้อน - อีกครั้ง คุณอุ่นขึ้นหรือหนาวขึ้นด้วยการออกกำลังกาย?) นี่แสดงในรูปของพลังงานอิสระ ΔG° ของปฏิกิริยา ซึ่งสำหรับการสังเคราะห์ด้วยแสงคือ +479 kJ ⋅ โมล^-1 หรือพลังงาน 479 จูลต่อโมล เครื่องหมายบวกบ่งชี้ปฏิกิริยาดูดความร้อน ในขณะที่เครื่องหมายลบระบุกระบวนการคายความร้อน

ในปฏิกิริยาแสง น้ำแตกออกจากกันโดยแสงแดด ในขณะที่ปฏิกิริยาในความมืด โปรตอน (H⁺) และอิเล็กตรอน (e⁻) อิสระในปฏิกิริยาเบาใช้ประกอบกลูโคสและคาร์โบไฮเดรตอื่นๆ จากCO₂.

ปฏิกิริยาแสงถูกกำหนดโดยสูตร:

2H₂O + แสง → O₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG° = +317 kJ ⋅ โมล⁻¹)

และปฏิกิริยาด้านมืดได้มาจาก:

CO₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → CH₂โอ + โฮ₂O (ΔG° = +162 kJ ⋅ โมล⁻¹)

โดยรวมแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้คือสมการทั้งหมดที่แสดงไว้ข้างต้น:

โฮ₂O + แสง + CO₂ → CH₂โอ + โอ₂(ΔG° = +479 kJ ⋅ โมล⁻¹)

คุณจะเห็นได้ว่าปฏิกิริยาทั้งสองชุดเป็นแบบเอนเดอร์โกนิก ปฏิกิริยาของแสงจะแรงกว่ามาก

การเชื่อมต่อพลังงานในระบบสิ่งมีชีวิตหมายถึงการใช้พลังงานที่ได้จากกระบวนการหนึ่งเพื่อขับเคลื่อนกระบวนการอื่นๆ ที่จะไม่เกิดขึ้น สังคมทำงานในลักษณะนี้: ธุรกิจมักจะต้องยืมเงินจำนวนมากล่วงหน้าเพื่อที่จะได้ออกจาก แต่ท้ายที่สุดแล้ว ธุรกิจเหล่านี้บางส่วนสามารถทำกำไรได้สูงและสามารถจัดหาเงินทุนสำหรับสตาร์ทอัพรายอื่นๆ ได้ บริษัท.

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นตัวอย่างที่ดีของการจับคู่พลังงาน เนื่องจากพลังงานจากแสงแดดควบคู่ไปกับปฏิกิริยาในคลอโรพลาสต์เพื่อให้ปฏิกิริยาสามารถคลี่คลายได้ ในที่สุด โรงงานแห่งนี้ก็ให้รางวัลแก่วัฏจักรคาร์บอนทั่วโลกด้วยการสังเคราะห์กลูโคสและสารประกอบคาร์บอนอื่น ๆ ที่สามารถควบคู่ไปกับปฏิกิริยาอื่น ๆ ในทันทีหรือในอนาคต ตัวอย่างเช่น ต้นข้าวสาลีผลิตแป้ง ​​ใช้ทั่วโลกเป็นแหล่งอาหารหลักสำหรับมนุษย์และสัตว์อื่นๆ แต่ไม่ได้เก็บกลูโคสทั้งหมดที่พืชทำขึ้น บางส่วนไปยังส่วนต่างๆ ของเซลล์พืช ซึ่งพลังงานที่ปลดปล่อยออกมาในไกลโคไลซิสจะควบคู่ไปกับปฏิกิริยาในไมโตคอนเดรียของพืชซึ่งส่งผลให้เกิดการก่อตัวของเอทีพี ในขณะที่พืชเป็นตัวแทนของส่วนล่างของห่วงโซ่อาหารและถูกมองว่าเป็นพลังงานแฝงและออกซิเจน ผู้บริจาคย่อมมีความต้องการเมตาบอลิซึมของตัวเอง ต้องขยายใหญ่ขึ้น และสืบพันธุ์ได้เหมือนคนอื่นๆ สิ่งมีชีวิต

นอกจากนี้ นักเรียนมักมีปัญหาในการเรียนรู้เพื่อสร้างสมดุลของปฏิกิริยาเคมี หากไม่จัดให้มีรูปแบบที่สมดุล เป็นผลให้ในการซ่อมแซม นักเรียนอาจถูกล่อลวงให้เปลี่ยนค่าของตัวห้อยในโมเลกุลในปฏิกิริยาเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่สมดุล ความสับสนนี้อาจเกิดจากการรู้ว่าสามารถเปลี่ยนตัวเลขที่อยู่ข้างหน้าโมเลกุลได้เพื่อให้ปฏิกิริยาสมดุล การเปลี่ยนตัวห้อยของโมเลกุลใดๆ จะทำให้โมเลกุลนั้นกลายเป็นโมเลกุลที่ต่างกันโดยสิ้นเชิง ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยน O₂ ถึง O₃ ไม่เพียงเพิ่มออกซิเจน 50 เปอร์เซ็นต์ในแง่ของมวล มันเปลี่ยนก๊าซออกซิเจนเป็นโอโซนซึ่งจะไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาภายใต้การศึกษาในลักษณะที่คล้ายกันในระยะไกล