ประวัติการสังเคราะห์เเสง
1. ขบวนการสังเคราะห์แสง (Photosynthesis)
การสังเคราะห์แสง หรือ Photosynthesis คือ ขบวนการนำพลังงานแสงสว่างมาสร้างสารพวกคาร์โบไฮเดรตจากก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และไฮโดรเจน (ซึ่งไฮโดรเจนอาจมาจากน้ำหรือสารอื่นที่สามารถให้ไฮโดรเจนได้ เช่น H2S หรือ H2 ) โดยเซลล์สิ่งมีชีวิตที่มีรงควัตถุ ซึ่งสามารถดูดพลังงานแสงได้ เช่น พืชสีเขียวทั่วๆไป โปรติสที่มีสีเขียว ได้แก่ สาหร่ายทุกชนิดไดอะตอม และแบคทีเรียจำพวก green sulfur bacteria และ purple sulfur bacteria
2. การค้นคว้าเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสง
เฌอง แบบติสท์ แวน เฮลมองท์ (Jean Baptise Van Helmont) (ค.ศ. 1577 – 1644)
นักวิทยาศาสตร์ชาวเบลเยี่ยมได้ทำการทดลองเกี่ยวกับการสังเคราะห์แสง โดยปลูกต้นหลิวน้ำหนัก 5 ปอนด์ลงในกระถางที่มีดินแห้งน้ำหนัก 200 ปอนด์ และรดด้วยน้ำฝนหรือน้ำกลั่นอย่างเดียวเป็นเวลา 5 ปีต้นหลิวเจริญขึ้นมาจึงถอนต้นหลิวนำไปชั่งได้ 169 ปอนด์ 3 ออนซ์ และชั่งน้ำหนักดินที่ปลูกซึ่งทำให้แห้งแล้ว ปรากฏว่าน้ำหนักหายไป 2 ออนซ์เท่านั้น เขาจึงสรุปว่าน้ำหนักต้นหลิวที่เพิ่มขึ้นมาจากน้ำอย่างเดียว แต่ความจริงแล้วน้ำหนักของดินที่หายไปก็เป็นส่วนหนึ่งที่จำเป็นต้องใช้ในการดำรงชีวิตและจำเป็นต่อการเจริญเติบโตทำให้น้ำหนักเพิ่มขึ้นเหมือนกัน
ในการทดลองดังกล่าวนี้ ต้องปลูกต้นหลิวในถังที่ปิดฝา ก็เพื่อว่าเป็นการป้องกันมิให้ดินหล่นจากถั่วหรือป้องกันมิให้ดินเกิดขึ้นใหม่เนื่องจากการร่วงของใบลงไปในถัง
โจเซฟ พริสลีย์ ( Joseph Prisley ) ( ค.ศ. 1677 – 1761 ) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษกล่าวว่า “ การหายใจ การเน่าเปื่อย และการตายของสัตว์ ทำให้อากาศเสีย แต่พืชกลับทำให้อากาศเสียนั้นบริสุทธิ์ขึ้น และมีประโยชน์ต่อการดำรงชีวิต ” เขาได้การทดลองโดยจุดเทียนไขไว้ในครอบแก้ว ปรากฏว่าสักครู่เทียนไขก็ดับและเมื่อใส่หนูไปในครอบแก้ว สักครู่ต่อมาหนูก็ได้ แต่ถ้าเอาพืชสีเขียวใส่ในครอบแก้วที่เคยจุดเทียนไปเอาไวก่อนแล้ว อีก 10 วัน ต่อมาเมื่อจุดเทียนไขนั้นครอบแก้วนั้นใหม่ ปรากฏว่าเทียนไขลุกไหม้อยู่ได้ระยะหนึ่งโดยไม่ดับทันที
การทดลองโจเซฟ พริสลีย์ เป็นการแสดงให้เห็นครั้งแรกว่าพืชให้ O2 ออกมา แต่เขาไม่มีความรู้เกี่ยวกับ O2 และไม่เข้าใจว่าแสงสว่างมีส่วนจำเป็นในขบวนการนี้ จากการทดลองของเขาเป็นการพิสูจน์ให้เห็นว่า “ พืชสีเขียวนั้นสามารถเปลี่ยน “อากาศเสีย” จากหนูให้เป็น “อากาศดี” ได้”
แจน อินเก็น ฮูซ (Jan Ingen Houze) (ค.ศ. 1730 – 1779) นายแพทย์ชาวฮอลันดา (ดัทช์)
ได้พิสูจน์ให้เห็นว่าการทดลองของพริสลีย์ จะให้ผลต่อเมื่อพืชได้รับแสงสว่างและเฉพาะส่วนสีเขียวของพืชเท่านั้นที่จะมีประสิทธิภาพในการเปลี่ยน “ อากาศเสีย ” ให้เป็น “ อากาศดี ” ได้
ยีน ซีนเบียร์ ( Jean Senebier ) (ค.ศ. 1742 – 1809 ) นักเคมีสวิสพบว่าอากาศเสียนี้คือ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ และอาการดีนั้นคือ ก๊าซออกซิเจน ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเนื่องจากพืชสีเขียวในขณะที่มีแสงจึงเป็นดังนี้
แจน อินเก็นฮูช ( ค.ศ. 1796 ) พบว่า นอกจากแสงเป็นปัจจัยสำคัญในการเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได้แล้ว พืชยังสามารถเก็บธาตุคาร์บอนไว้ในรูปของสารอินทรีย์ได้อีกด้วย ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงจึงเป็นดังนี้
นิโคลาส ธีโอดอร์ เดอ โชชูร์ ( Nicolas Theodore de Saussure ) (ค.ศ. 1767 – 1845) ได้ค้นพบว่าพืชใช้คาร์บอนไดออกไซด์ในจำนวนที่เป็นสัดส่วนกับออกซิเจน ซึ่งปล่อยออกมา และคาร์บอนไดออกไซด์นั้นถูกตรึงเอาไว้ในลักษณะของสารอินทรีย์ในพืช จึงทำให้น้ำหนักของพืชเพิ่มขึ้นมากกว่าน้ำหนักของก๊าซที่พืชได้รับ ดังนั้นจึงเป็นไปได้ว่า “น้ำหนักที่เกินไปนี้ต้องได้มาจากน้ำที่พืชได้รับ” แสดงว่าน้ำมีส่วนเกี่ยวข้องและจำเป็นต่อการสังเคราะห์แสง
จูเลียส ชาชส์ ( Julius Sachs ) ( ค.ศ. 1862 ) พบว่าพืชที่ได้รับแสงสว่างจะมีแป้งหรือสารพวกคาร์โบไฮเดรต แต่พืชที่อยู่ในที่มืดปราศจากแป้ง การค้นพบนี้ยืนยันว่า แป้งหรือสารพวกคาร์โบไฮเดรตเป็นผลผลิตของขบวนการสังเคราะห์แสง
เบอร์โทล์เลดและเชเนเบียร์ ( Berthollet and Senebier ) ได้ทำการศึกษาเพิ่มเติมจนทำให้ทราบถึงสารที่มช้และสารที่ได้จากการสังเคราะห์แสงของพืชคือ
แต่ยังไม่ทราบว่า ออกซิเจนอิสระที่เกิดขึ้นนั้นมาจากไหน ซึ่งมีทางเป็นไปได้ 3 กรณีคือ
1. คาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) ไปรวมตัวกับโมเลกุลของน้ำ (H2O) เกิดเป็นกลูโคส และออกซิเจนที่เหลือของคาร์บอนไดออกไซด์จะถูกปล่อยออกมาเป็นออกซิเจนอิสระ
หรือ
2. ไฮโดรเจนของน้ำ (H2O) ไปรวมตัวกับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2 ) เกิดเป็นกลูโคส และออกซิเจนที่เหลือจากน้ำจะถูกปล่อยออกมาเป็นออกซิเจนอิสระ
หรือ
3. เกิดได้ทั้งสองกรณีคือออกซิเจน ถูกปล่อยออกมาจากทั้งโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์และโมเลกุลของน้ำ
แบลคแมน (Blackman) ( ค.ศ. 1905) นักสรีรวิทยาของพืช ชาวอังกฤษพบว่าการสังเคราะห์แสงนั้นเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยา 2 ปฏิกิริยาคือ ปฏิกิริยาที่ใช้แสง (Light reaction) กับปฏิกิริยาที่ไม่ใช่แสง (Dark reaction)
แวล นีล (Van Viel) (ค.ศ. 1930) นักจุลชีววิทยาชาวฮอลันดาพบว่าแบคทีเรียสีม่วง (Purple Sulfure bacteria) สามารถสังเคราะห์แสงได้โดยใช้สารไฮโดรเจนซัลไฟลด์ (H2S) ดังสมการ
แซม รูเบน และมาติน คาเมน (Sam Ruban and Matin Kamen) (ค.ศ. 1941) ได้ทำการทดลองโดยใช้ H2O18 พิสูจน์ว่า O2 ที่ได้จากปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงมาจากน้ำไม่ใช่จากคาร์บอนไดออกไซด์
3. องค์ประกอบสำคัญที่จำเป็นต่อการสังเคราะห์แสง
สิ่งมีชีวิตที่จะสังเคราะห์แสงได้นั้น ต้องมีปัจจัยสำคัญต่อไปนี้
1. เซลล์ที่มีรงควัตถุที่ใช้รับพลังงานแสง
2. รงควัตถุสำหรับจับพลังงานแสง (pigments)
3. พลังงานจากแสงสว่าง
4. ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ใช้เป็นวัตถุดิบ
5. น้ำ (H2O) ใช้เป็นวัตถุดิบ
ใบ- อวัยวะที่มาการสังเคราะห์แสง
การสังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นทุกส่วนของพืชที่มีสีเขียว เช่น รากอากาศ ใบและลำต้น แต่ที่ใบจะเกิดการสังเคราะห์แสงมากที่สุด
ส่วนประกอบของใบ
1. ตัวใบ (Blade) มีลักษณะเป็นแผ่นแบนและบาง จึงทำให้เซลล์มีคลอโรฟิลล์สัมผัสกับแสงได้มากที่สุด ภายในตัวใบจะมีเส้นกลางใบ (Midrib) ซึ่งเป็นส่วนที่ยื่นต่อมาจากก้านใบและเส้นกลางใบนี้จะแตกแขนงมากมายภายในตัวใบ เรียกแขนงเหล่านี้ว่าเส้นใบ (Vein) ซึ่งเป็นโครงช่วยให้แผ่นกางอยู่ได้
2. ก้านใบ (Petiole) เป็นส่วนของใบที่ติดต่อระหว่างตัวใบกับลำต้น (หรือกิ่ง)
3. หูใบ (Stipule) เป็นส่วนของใบที่ยื่นออกมาจากโคนก้านใบที่ต่อกับลำต้น
โครงสร้างของใบ
1. เซลล์ชั้นเอปิเดอร์มิล (Epidermis) เป็นเนื้อเยื่อที่เรียงตัวเป็นแถวชั้นเดียวเซลล์มีรูปร่างเป็นรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า เซลล์ชั้นนี้ไม่มีคลอโรฟิลล์อยู่ด้วยจึงทำให้สังเคราะห์แสงไม่ได้ แบ่งเป็น 2 บริเวณคือ
1.1 เอปิเดอร์มิสด้านบน (Upper epidermis) เป็นเซลล์ชั้นเอปิเดอร์มิสที่อยู่ด้านบน ที่ผิวเซลล์ด้านนอกสุดด้านรับแสง จะมีสารคิวติน (cutin) เคลือบตลอดผิวใบเรียกว่าชั้นคิวติเติล เพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำออกจากใบ
1.2 เอปิเดอร์มิสด้านล่าง (Lower epidermis) เป็นเซลล์ชั้นเอปิเดอร์มิสที่อยู่ด้านล่าง บางเซลล์จะเปลี่ยนแปลงไปเพื่อทำหน้าที่ควบคุมการแลกเปลี่ยนก๊าซและการคายน้ำของใบ เรียกว่า เซลล์คุม (Guard cell) เซลล์คุมจะประกบกันเป็นคู่ๆ ทำให้เกิดเป็น ปากใบ (stomata) เซลล์คุมทำหน้าที่ปิดและเปิดปากใบ เซลล์คุมจะแตกต่างจากเซลล์เอปิเดอร์มิสอื่นคือ เซลล์คุมมีคลอโรฟิลล์อยู่ด้วย ทำให้สามารถสังเคราะห์แสงได้
2. เซลล์ชั้นมีโชฟิลล์ (Mesophyll) เป็นเซลล์ที่อยู่ระหว่างเอปิเดอร์มิสด้านบนและด้านล่าง เซลล์ชั้นนี้ประกอบด้วยเนื้อเยื่อพาเรนไคมาที่เปลี่ยนแปลงรูปร่างแตกต่างกัน แบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ
2.1 พาลิเสดเซลล์ (Palisade cell) เป็นเซลล์รูปร่างยาวทรงสูงอยู่ใต้ชั้นเอปิเดอร์มิสด้านบน เซลล์จะเรียงตัวกันอย่างหนาแน่น แต่ละเซลล์บรรลุคลอโรพลาสต์อยู่มากมาย ทำให้เซลล์มีสีเขียวเข้ม เซลล์ชั้นนี้จึงเกิดการสังเคราะห์แสงได้มากและดีที่สุด
2.2 สปันจีเซลล์ (Spongy cell) เป็นเซลล์ที่อยู่ถัดจากพาลิเสดเซลล์ลงมา เซลล์ชั้นนี้รุปร่างไม่แน่นอนและเรียงตัวกันอย่างหลวมๆ ทำให้มีช่องว่างระหว่างเซลล์มาก จึงเกิดการแลกเปลี่ยนก๊าซ ระหว่างใบกับสิ่งแวดล้อมภายนอกใบได้ดี สปันจีเซลล์มีคลอโรฟิลล์น้อย ดังนั้นด้านท้องใบหรือหน้าใบจึงมีสีเขียวอ่อนกว่าด้านหลังใบ และการสังเคราะห์แสงจะเกิดขึ้นน้อยกว่าพาลิเสดเซลล์ จึงทำหน้าที่เป็นที่เก็บอาหารชั่วคราว
2.3 มัดท่อลำเลียง (Vascular bundle) คือส่วนของเส้นใบที่ประกอบด้วยท่อลำเลียงน้ำ
หรือ ไซเลม (xylem) อยู่ด้านบนและท่อลำเลียงอาหาร หรือ โพลเอม (phloem) อยู่ด้านล่าง
รงควัตถุเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสง
รงควัตถุที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงจะเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานเคมีได้รงควัตถุเหล่านี้ได้แก่
1. ไฟโคบิลินส์ (phycobilins) เป็นรงควัตถุที่มีโปรตีนเป็นองค์ประกอบที่สำคัญมี 2 ชนิด คือ
1.1 ไฟโคอิริทรินส์ (phycoerythrins) เป็นรงควัตถุแดง พบมากในสาหร่ายสีแดงและพบในสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินบางชนิด
1.2 ไฟโคไชยานินส์ (phycocyanins) เป็นรงควัตถุสีน้ำเงิน พบมากในสาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงินและสาหร่ายสีแดงบางชนิด
2. คาโรตีนอยด์ (Carotenoid) เป็นชื่อรวมของรงควัตถุหลายชนิด มีสีตั้งแต่สีเหลืองจนถึงสีแดง พบมากในดอกไม้ ผลไม้สุก หรือใบไม้แก่ๆ จวนจะร่วง ที่สำคัญมี 2 ชนิด คือ
2.1 คาร์โรทีน (carotene) เป็นรงควัตถุสีแดงส้ม พบในดอกและผลของพืชที่มีสีเหลือง เช่น มะละกอ มะเขือเทศ คาร์โรทีนของพืชสามารถถูกสังเคราะห์ต่อไปเป็นวิตามิน A
2.2 แชนโทฟิล (xanthophyll) เป็นรงควัตถุสีเหลืองเข้ม หรือสีเหลืองแกมน้ำตาล พบในพืชและสาหร่ายแทบทุกชนิด
3. คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll) เป็นรงควัตถุที่มีความสำคัญต่อการสังเคราะห์แสงที่สุด ในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์มีธาตุในโตรเจนและแมกนีเซียมเป็นองค์ประกอบ คลอโรฟิลล์มีหลายชนิดที่สำคัญได้แก่
3.1 คลอโรฟิลล์ A เป็นคลอโรฟิลล์ที่มีสีเขียวแกมน้ำเงิน มีสูตรโมเลกุล C55 H72 O5 N4 Mg ไม่ละลายน้ำ แต่ละลายในเอธิลแอลกอฮอล์, อะชิโตน และคลอโรฟอร์ม คลอโรฟิลล์ A ยังจำแนกได้หลายชนิดตามขนาดของคลื่นแสงที่ดูดไว้ เช่น คลอโรฟิลล์ A 678 , คลอโรฟิลล์ A 683 P 700 คลอโรฟิลล์ A พบอยู่ในพืชสีเขียวทุกชนิด เป็นคลอโรฟิลล์ที่สำคัญที่สุดเนื่องจากสามารถนำพลังงานแสงไปใช้ได้โดยตรง
แต่รงควัตถุอื่นไม่สามารถนำไปใช้ได้โดยตรง
3.2 คลอโรฟิลล์ B เป็นคลอโรฟิลล์มีสีเขียวแกมเหลือง มีสูตรโมเลกุล C5H70O6N4Mg
พบในพืชทุกชนิดและสาหร่ายสีเขียว โดยจะรวมอยู่กับคลอโรฟิลล์ A
3.3 คลอโรฟิลล์ C เป็นรงควัตถุสีเขียว พบในสาหร่ายสีน้ำตาลและสาหร่ายสีน้ำตาลแกมเหลือง
3.4 คลอโรฟิลล์ D เป็นรงควัตถุสีเขียว พบในสาหร่ายสีแดง
4. แบคทีริโอคลอฟิลล์ (Bacteriochlorophyll) เป็นรงควัตถุสีเขียวคล้ายคลอโรฟิลล์ A
แต่มีรงควัตถุคาโรทีนอยด์หุ้มอยู่ข้างนอกอีกชั้นหนึ่ง จึงเห็นเป็นสีแดงหรือสีม่วง พบในแบคทีเรียชนิด purple sulfur bacteria
ตาราง แสดงรงควัตถุที่ใช้ในขบวนการสังเคราะห์แสง
คลอโรฟิลล์ A B C D |
คาโรทีนอยด์ |
ไฟโคบิลิน |
แบคทีริโอคลอโรฟิลล์ A B C D |
|
พืชมีดอก เฟิร์น สาหร่ายสีเขียว สาหร่ายสีน้ำตาล สาหร่ายสีแดง สาหร่ายสีเขียวแกมน้ำเงิน แบคทีเรียที่สังเคราะห์แสงได้ |
+ + - - + + - - + + - - + - + - + - - + + - - - - - - - |
+ + + + + + + |
- - - - + + - |
- - - - - - - - - - - - - - - - + - - - - - - - + - + + |
คลอโรพลาสต์กับการสังเคราะห์แสง
คลอโรฟิลล์และรงควัตถุอื่นๆ จะบรรจุอยู่ในคลอโรพลาสต์ (chloroplast) ดังนั้น
คลอโรพลาสต์จึงเป็นหน่วยโครงสร้างที่ทำหน้าทีสังเคราะห์แสง
โครงสร้างของคลอโรพลาสต์
1. เยื่อหุ้ม 2 ชั้น (Double unit membrane) เยื่อชั้นนอกทำหน้าที่เป็นขอบเขตของเม็ด
คลอโรพลาสต์และคัดเลือกสารที่เข้า-ออก ส่วนเยื่อชั้นในจะม้วนตัวยื่นเข้าไปข้างใน
2. กรานา (Grana) เป็นส่วนของเยื่อชั้นในที่ม้วนตัวยื่นเข้าไปข้างใน มีลักษณะเป็นแผ่นเยื่อบางๆ ที่เรียงซ้อนกันเป็นชั้นๆ คล้ายกองเหรียญ แต่ละแผ่นของกรานาเรียกว่า ลาเมลลา (lamella) หรือ ไทลาคอยด์ (thylakoid) จะมีเยื่อเชื่อมต่อระหว่างกรานาเรียกว่า สโตรมาลาเมลลา (Stomalamella) ที่ผิวหน้าของไทลาคอยด์จะมีแกรนูล (granule) เป็นจำนวนมากแกรนูลที่มีขนาดใหญ่จะเป็นแหล่งรับพลังงานแสงเพราะมีรงควัตถุพวกคลอโรฟิลล์ และคาโรตินอยด์ติดอยู่ ส่วนแกรนูลขนาดเล้กเป็นที่อยู่ของเอมไซม์ชนิดต่างๆที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ใช้แสง ดังนั้น ไทลาคอยด์จึงเป็นตำแหน่งที่เกิดของปฏิกิริยาสังเคราะห์แสงในปฏิกิริยาที่ใช้แสง
3. สโตรมา (Stroma) หรือเมตริกช์ (Matrix) เป็นของเหลวไม่มีสี อยู่รอบๆส่วนกลางของลาเมลลา ในส่วนนี้จะมีเอมไซม์ที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสง จึงเป็นตำแหน่งที่เกิดของปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสง
แสงสว่างกับการสังเคราะห์แสง
พลังงานเป็นปัจจัยสำคัญในการสร้างอาหารของพืช เนื่องจากพืชจะนำพลังงานแสงไปใช้ในการแยกโมเลกุลของน้ำ เพื่อให้ได้ไฮโดรเจนไปรวมกับ CO2 เกิดเป็นน้ำตาลและ O2 เป็นผลพลอยได้
แสงที่ส่องมายังใบไม้นั้น จะถูกใบไม้ดูดไว้ประมาณ 80-85% ที่เหลือ 10-15% จะสะท้อนกลับออกไป และอีก 5% จะผ่านทะลุเนื้อเยื่อออกไป สำหรับพลังงานแสงที่ดูดไว้ 80-85% นั้น พบว่าส่วนใหญ่จะสูญเสียไปรูปของความร้อนหรือถูกนำไปใช้ในการคายน้ำ และจะเหลือไปใช้ในขบวนการสังเคราะห์แสงจริงๆ เพียง 0.5-3.5% นั้น
แสงที่เราเห็นได้เป็นแสงสีขาว เมื่อผ่านปริซึมจะแยกออกเป็นสีต่างๆ 7 สีคือ ม่วง, คราม, น้ำเงิน, เขียว, เหลือง , แสด , แสด-แดง , แดง แสงสีม่วงมีความยาวคลื่นสั้นที่สุดคือ 390o-430o มิลลิไมครอน
ส่วนสีแดงมีความยาวคลื่นมากที่สุดคือ 660-780 มิลลิไมครอน (แสงที่มีความยาวคลื่นมากกว่าสีแดงเรียกว่า infrared และแสงที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าสีม่วงเรียกว่า ulteaviolet) ซึ่งแสงช่วงคลื่นนี้ตาเราไม่สามารถมองเห็นได้
เมื่อนำแสงสีขาวผ่านใบไม้ที่วางไว้หน้าปริซึม พบว่าบริเวณความยาวคลื่น 390 กับ 500 มิลลิไมครอน และ 650 กับ 740 มิลลิไมครอน จะเป็นแถบสีดำมืดแสดงว่าคลอโรฟิลล์ดูดแสงที่มีความยาวคลื่นช่วงดังกล่าวนี้ไว้ ซึ่งได้แก่แสงสีม่วง , น้ำเงิน , เขียวแกมน้ำเงิน , ส้ม และ แดง แต่อย่างไรก็ตาม สำหรับพืชโดยทั่วไปจะสังเคราะห์แสงได้มากที่สุด เมื่อได้รับแสงสีน้ำเงิน รองลงมาคือแสงสีแดง ส่วนแสงสีเขียว คลอโรฟิลล์ดูดเอาไว้น้อยมาก จึงสะท้อนกลับออกมาทำให้เรามองเห็นคลอโรฟิลล์เป็น สีเขียว
รงควัตถุที่สำคัญ 3 ชนิด คือ คลอโรฟิลล์ คาโรตีนอยด์ ไฟโคไชยานินส์จะดูดความยาวคลื่นแสงแตกต่างกัน
คลอโรฟิลล์เอ และบี ดูดแสงที่ความยาวคลื่น 440 มิลลิไมครอน และ 680 มิลลิไมครอน ซึ่งเป็นช่วงแสงสีแดงและสีน้ำเงินได้ดีกว่าช่วงอื่น คาร์โรทีนอยด์ดูดแสงที่มีความยาวคลื่น 480-520 มิลลิไมครอน ซึ่งเป็นช่วงของแสงสีน้ำเงินเขียวได้ดีที่สุด ส่วนไฟโคไชยานินท์ดูดแสงความยาวคลื่น 560-440 มิลลิ-ไมครอน ซึ่งเป็นความยาวคลื่นของแสงสีเขียวและแสงสีเหลืองได้ดีกว่าความยาวคลื่นของแสงสีอื่นๆ
คาร์บอนไดออกไซด์กับการสังเคราะห์แสง
คาร์บอนไดออกไซด์ที่นำไปใช้ในการสังเคราะห์แสงนั้น พบในอากาศเพียง 0.03-0.04% เท่านั้น ปกติก๊าซนี้มีการหมุนเวียนในบรรยากาศตลอดเวลาทั้งที่ได้จากการหายใจของพืชและสัตว์ การเผาไหม้ของเชื้อเพลิง การเน่าเปื่อยผุพังของซากสิ่งมีชีวิต เป็นต้น แต่ประมาณของ CO2 ก็คงที่เสมอ (0.03-0.04%) ทั้งนี้เพราะพืชสีเขียวนำไปสร้างอาหารในกระบวนการสังเคราะห์แสงนั่นเอง
คาร์บอนไดออกไซด์เข้าไปในใบได้โดยการแพร่เข้าทางปากใบเป็นส่วนใหญ่แล้วเข้าไปอยู่ในช่องว่างระหว่างเซลล์และละลายน้ำอยู่รอบๆเซลล์ของพาลิเสดเซลล์ และสปันจีเซลล์ เมื่อคาร์บอกได-ออกไซด์ละลายน้ำก็จะกลายเป็นกรดคาร์บอนิค หรือเกลือคาร์บอเนต แล้วหลังจากนั้นจึงซึมเข้าสู่เซลล์และคลอโรพลาสต์ต่อไป
น้ำกับการสังเคราะห์แสง
น้ำที่ใช้ในการสังเคราะห์แสงนั้น พืชจะได้รับพื้นดิน โดยรากขนอ่อนจะดูดน้ำผ่านเข้าสู่ไซเลมขึ้นสู่ลำต้น แล้วผ่านมาเรื่อยๆจนถึงเซลล์ในชั้นมีโซฟิลล์พบว่าน้ำประมาณ 1% เท่านั้นที่นำมาใช้ในการสังเคราะห์แสง น้ำส่วนใหญ่จะระเหยออกไปจากพืชโดยวิธีการคายน้ำ (Transpiration)
4. ขั้นตอนของขบวนการสังเคราะห์แสง
ขบวนการสังเคราะห์แสงของพืชประกอบด้วย 2 ขั้นตอน คือ
1. ปฏิกิริยาที่ใช้แสง (Light reaction หรือ Photolysis)
ปฏิกิริยาขั้นตอนนี้จะเกิดขึ้นขณะที่พืชได้รับแสงสว่างเท่านั้น เมื่อพืชได้รับแสงพลังงานแสงบางส่วนจะถูกดูดซับไว้ แล้วนำพลังงานส่วนหนึ่งไปใช้ในการแยกสลายน้ำ (H2O) เรียกขบวนการนี้ว่า โฟโตลิซิส (photolysis) หรือ ปฏิกิริยาของฮิลล์ (Hill reaction) ผลจากปฏิกิริยานี้จะได้ก๊าซออกซิเจน (O2) และไฮโดรเจนอิออน (H+) สารพวกประกอบ NADP+ (Nicotanamide adenine dinucleotide phosohate) จะเป็นตัวรับไฮโดรเจนอิออน กลายเป็น NADPH+H+ ซึ่งจะนำไปใช้ในปฏิกิริยาไม่ใช้แสงต่อไป ส่วนพลังงานที่คลอโรฟิลล์รับไว้จะถูกนำไปเก็บไว้ในโมเลกุลของ ATP (Adenosiue Triphophate)
2. ปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสง (Dark reaction หรือ Enzyme reaction)
ปฏิกิริยาขั้นตอนนี้ จะมีการนำก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ไปรวมกับสารที่มีคาร์บอน 5 อะตอม คือ RuDP (Ribulose diphosphate) กลายเป็นสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 6 อะตอม ซึ่งไม่อยู่ตัวจะสลายกลายเป็นสารอินทรีย์ที่มีคาร์บอน 3 อะตอม คือ กรดฟอสโฟกลีเซอริก หรือ PGA (Phosphoglyceric acid) ต่อจากนั้นจะมีการนำ ATP และ NADPH+H+ จากปฏิกิริยาใช้แสง มาใช้เปลี่ยน PGA ไปเป็นน้ำตาล- ฟอสโฟกลีเชอรัลดีไฮด์ หรือ PGAL (Phosphoglyceral dehyde) ซึ่งเป็นน้ำตาลชนิดแรกที่ได้จากการ-สังเคราะห์แสง PGAL ที่เกิดขึ้นบางส่วนจะนำไปใช้สร้าง RuDP กลับเข้าวงจรใหม่อีก และบางส่วนจะถูกนำไปสังเคราะห์กลูโคสหรือสารอื่น การเปลี่ยนแปลงของสารในปฏิกิริยาขั้นตอนนี้จะเรียกว่า วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle) หรือ CO2- fixation
ปัจจัยที่ควบคุมอัตราการสังเคราะห์แสงของพืช
1. ความเข้มของแสง
ถ้าความเข้มของแสงมีเพิ่มขึ้น อัตราการสังเคราะห์แสงก็จะเพิ่มขึ้น แต่ถ้าความเข้มของแสงเพิ่มมากเกินไป ก็จะไม่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์แสง
2. ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์
ปริมาณของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศมักคงที่เสมอคือไม่เกิน 0.04% แต่ก็อาจเปลี่ยนแปลงได้ เพราะต้องสัมพันธ์กับปัจจัยอื่นด้วย ถ้ามีคาร์บอนไดออกไซด์มากแต่ความเข้มของแสงน้อย การสังเคราะห์แสงก็เกิดขึ้นน้อยตามไปด้วย
ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์เป็นร้อยละ (ปริมาตร)
จากกราฟสรุปได้ว่า
1. ความเข้มของแสงมากอัตราการสังเคราะห์สูงกว่าที่ความเข้มของแสงปานกลางและน้อยตามลำดับ
2. ที่ความเข้มของแสงระดับต่างๆถ้าเพิ่มความเข้มข้นของ CO2 จนถึง 0.10% แล้วอัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้น
3. ความเข้มของ CO2 มากกว่า 0.10% จะไม่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์แสงถึงแม้จะเพิ่มความเข้มของแสง
3. อุณหภูมิ
เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอัตราการสังเคราะห์แสงจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากอุณหภูมิมีผลในการเร่งการทำงานของเอมไซม์ที่เกี่ยวข้องกับขบวนการสังเคราะห์แสง แต่ถ้าอุณหภูมิสูงหรือต่ำเกินไป อัตราการสังเคราะห์แสงจะต่ำลง เนื่องจากเอมไซม์ซึ่งเป็นสารจำพวกโปรตีนทำงานได้ไม่ดีหรือสูญเสียสภาพไป โดยทั่วไปอุณหภูมิที่เหมาะสมอยู่ระหว่าง 10-35 องศาเซลเซียส
จากกราฟสรุปได้ว่า
1. เมื่อมีความเข้มของแสงมาก และเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น จะทำให้อัตราการสังเคราะห์แสงเพิ่ม แต่ถ้าเพิ่มอุณหภูมิสูงกว่า 35 องศาเซลเซียส อังตราการสังเคราะห์แสงจะลดลง
2. เมื่อมีความเข้มของแสงน้อย แม้จะเพิ่มอุณหภูมิให้สูงขึ้น อัตราการสังเคราะห์แทบจะไม่เปลี่ยนแปลง และถ้าอุณหภูมิสูงกว่า 35 องศาเซลเซียส อังตราการสังเคราะห์แสงจะลดลง
สถาบันส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี (สสวท.) กระทรวงศึกษาธิการ เป็นหน่วยงานของรัฐที่ไม่แสวงหากำไร ได้จัดทำเว็บไซต์คลังความรู้ SciMath เพื่อส่งเสริมการสอนวิทยาศาสตร์ คณิตศาสตร์และเทคโนโลยีทุกระดับการศึกษา โดยเน้นการศึกษาขั้นพื้นฐานเป็นหลัก หากท่านพบว่ามีข้อมูลหรือเนื้อหาใด ๆ ที่ละเมิดทรัพย์สินทางปัญญาปรากฏอยู่ในเว็บไซต์ โปรดแจ้งให้ทราบเพื่อดำเนินการแก้ปัญหาดังกล่าวโดยเร็วที่สุด
The Institute for the Promotion of Teaching Science and Technology (IPST), Ministry of Education, a non-profit organization under the Thai government, developed SciMath as a website that provides educational resources in Science, Mathematics and Technology. IPST invites visitors to use its online resources for personal, educational and other non-commercial purpose. If there are any problems, please contact us immediately.
Copyright © 2018 SCIMATH :: คลังความรู้ SciMath. Terms and Conditions. Privacy. , All Rights Reserved.
อีเมล: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it. (ให้บริการในวันและเวลาราชการเท่านั้น)