Quang hợp là gì? Quá trình quang hợp ở thực vật

Quang hợp là gì? Quang hợp là quá trình được sử dụng bởi thực vật, tảo và một số vi khuẩn để khai thác năng lượng từ ánh sáng mặt trời và biến nó thành năng lượng hóa học. Ở đây, Kinh Nghiệm Cho Bạn mô tả các nguyên tắc chung của quang hợp và nêu bật cách các nhà khoa học đang nghiên cứu quá trình tự nhiên này để giúp phát triển nhiên liệu sạch và các nguồn năng lượng tái tạo.

Các loại quang hợp

Có hai loại quá trình quang hợp: quang hợp oxy và quang hợp thiếu oxy. Các nguyên tắc chung của quang hợp thiếu ôxy và ôxy rất giống nhau, nhưng quang hợp ôxy là phổ biến nhất và được thấy ở thực vật, tảo và vi khuẩn lam.

Trong quá trình quang hợp tạo oxy, năng lượng ánh sáng chuyển các electron từ nước (H2O) thành carbon dioxide (CO2 ), để tạo ra carbohydrate . Trong quá trình chuyển giao này, CO2  bị “khử” hoặc nhận điện tử, và nước trở nên “bị ôxy hóa” hoặc mất điện tử. Cuối cùng, oxy được tạo ra cùng với carbohydrate.

Quang hợp oxy có chức năng như một đối trọng với quá trình hô hấp bằng cách hấp thụ khí cacbonic do tất cả các sinh vật hô hấp tạo ra và tái tạo oxy cho bầu khí quyển.

Mặt khác, quang hợp anoxygenic sử dụng các chất cho điện tử không phải là nước. Quá trình này thường xảy ra ở các vi khuẩn như vi khuẩn màu tím và  vi khuẩn lưu huỳnh màu xanh lục , chủ yếu được tìm thấy trong các môi trường sống dưới nước khác nhau.

David Baum , giáo sư thực vật học tại Đại học Wisconsin-Madison , cho biết: “Quang hợp Anoxygenic không tạo ra oxy – vì thế mới có tên gọi này  . “Những gì được tạo ra phụ thuộc vào người cho điện tử. Ví dụ, nhiều vi khuẩn sử dụng khí hydro sunfua có mùi hôi của trứng, tạo ra lưu huỳnh rắn như một sản phẩm phụ.”

Mặc dù cả hai loại quang hợp đều phức tạp, nhiều bước, nhưng quá trình tổng thể có thể được tóm tắt gọn gàng như một phương trình hóa học.

Quá trình quang hợp oxy được viết như sau:

6CO2 + 12H2O + Light Energy → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Tại đây, sáu phân tử carbon dioxide (CO2 ) kết hợp với 12 phân tử nước (H2O) sử dụng năng lượng ánh sáng. Kết quả cuối cùng là sự hình thành một phân tử carbohydrate đơn (C 6 H 12 O 6 , hoặc glucose) cùng với sáu phân tử oxy thở và nước.

Tương tự, các phản ứng quang hợp thiếu oxy khác nhau có thể được biểu diễn dưới dạng một công thức tổng quát duy nhất:

CO2  + 2H2A + Năng lượng ánh sáng → [CH2O] + 2A + H2O

Chữ A trong phương trình là một biến và H2A đại diện cho chất cho electron tiềm năng. Ví dụ, A có thể đại diện cho lưu huỳnh trong hydro sulfua cho electron (H2S), Govindjee và John Whitmarsh, các nhà sinh vật học thực vật tại Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, giải thích trong cuốn sách ” Khái niệm trong Quang sinh: Quang hợp và Hình thành quang ” ( Narosa Publishers và Kluwer Academic, 1999).

quang hợp là gì
Quang hợp là gì

Bộ máy quang hợp

Sau đây là các thành phần tế bào cần thiết cho quá trình quang hợp.

Sắc tố

Sắc tố là những phân tử mang lại màu sắc cho thực vật, tảo và vi khuẩn, nhưng chúng cũng chịu trách nhiệm giữ ánh sáng mặt trời một cách hiệu quả. Các sắc tố có màu sắc khác nhau hấp thụ các bước sóng ánh sáng khác nhau. Dưới đây là ba nhóm chính.

– Chất diệp lục: Các sắc tố có màu xanh lục này có khả năng bẫy ánh sáng xanh và đỏ. Chất diệp lục có ba loại phụ, được gọi là chất diệp lục a, chất diệp lục b và chất diệp lục c. Theo Eugene Rabinowitch và Govindjee trong cuốn sách ” Quang hợp ” (Wiley, 1969), chất diệp lục a được tìm thấy trong tất cả các thực vật quang hợp. Ngoài ra còn có một biến thể vi khuẩn được đặt tên khéo léo là bacteriochlorophyll, hấp thụ ánh sáng hồng ngoại. Sắc tố này chủ yếu được nhìn thấy ở vi khuẩn màu tím và xanh lá cây, chúng thực hiện quá trình quang hợp anoxygenic.
– Carotenoid : Các sắc tố màu đỏ, cam hoặc vàng này hấp thụ ánh sáng xanh lục. Ví dụ về carotenoid là xanthophyll (màu vàng) và carotene (màu cam) mà từ đó cà rốt có được màu sắc của chúng.
– Phycobilins: Những sắc tố màu đỏ hoặc xanh lam này hấp thụ các bước sóng ánh sáng không được hấp thụ tốt bởi chất diệp lục và carotenoit. Chúng được nhìn thấy trong vi khuẩn lam và tảo đỏ .

Plastids

Các sinh vật nhân thực quang hợp   chứa các bào quan được gọi là plastids trong tế bào chất của chúng. Theo một bài báo trên tạp chí Nature Education  của Cheong Xin Chan và Debashish Bhattacharya, các loài có nhiều màng ở sinh vật phù du được gọi là plastids thứ cấp. ở New Jersey.

Plastids thường chứa sắc tố hoặc có thể lưu trữ chất dinh dưỡng. Các tế bào bạch cầu không màu và không sắc tố lưu trữ chất béo và tinh bột, trong khi các tế bào sắc tố chứa carotenoid và lục lạp chứa chất diệp lục, như được giải thích trong cuốn sách của Geoffrey Cooper, ” The Cell: A Molecular Approach ” (Sinauer Associates, 2000).

Quá trình quang hợp xảy ra trong lục lạp; cụ thể là ở vùng grana và stroma. Grana là  phần trong cùng  của bào quan; một tập hợp các màng hình đĩa, xếp chồng lên nhau thành cột như đĩa. Các đĩa riêng lẻ được gọi là thylakoid. Tại đây diễn ra quá trình chuyển electron. Các khoảng trống giữa các cột grana tạo thành stroma.

Lục lạp tương tự như ti thể , trung tâm năng lượng của tế bào, ở chỗ chúng có bộ gen của riêng mình, hoặc bộ sưu tập gen, chứa trong DNA hình tròn. Những gen này  mã hóa các protein  cần thiết cho bào quan và quang hợp. Giống như ti thể, lục lạp cũng được cho là có nguồn gốc từ tế bào vi khuẩn nguyên thủy thông qua quá trình nội cộng sinh.

Antennae

Các phân tử sắc tố được liên kết với protein, cho phép chúng linh hoạt khi di chuyển về phía ánh sáng và hướng về nhau. Theo một bài báo của Wim Vermaas , giáo sư tại Đại học Bang Arizona, một tập hợp lớn từ 100 đến 5.000 phân tử sắc tố tạo thành “râu”. Các cấu trúc này thu nhận năng lượng ánh sáng từ mặt trời một cách hiệu quả, dưới dạng các photon.

Cuối cùng, năng lượng ánh sáng phải được chuyển đến một phức hợp protein-sắc tố có thể chuyển nó thành năng lượng hóa học, dưới dạng các electron. Ví dụ ở thực vật, năng lượng ánh sáng được chuyển đến các sắc tố diệp lục . Quá trình chuyển đổi thành năng lượng hóa học được thực hiện khi sắc tố diệp lục giải phóng một điện tử, sau đó có thể chuyển sang người nhận thích hợp.

Trung tâm phản ứng

Các sắc tố và protein, chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học và bắt đầu quá trình chuyển điện tử, được gọi là trung tâm phản ứng.

Quá trình quang hợp

Các  phản ứng quang hợp của thực vật  được chia thành phản ứng cần sự hiện diện của ánh sáng mặt trời và phản ứng không cần ánh sáng mặt trời. Cả hai loại  phản ứng đều diễn ra trong lục lạp : phản ứng phụ thuộc vào ánh sáng trong thylakoid và phản ứng không phụ thuộc vào ánh sáng trong stroma.

Phản ứng phụ thuộc vào  ánh sáng (còn gọi là phản ứng ánh sáng): Khi một photon ánh sáng chiếu vào trung tâm phản ứng, một phân tử sắc tố như diệp lục giải phóng một điện tử.

Baum nói với Live Science: “Bí quyết để thực hiện công việc hữu ích là ngăn không cho electron đó tìm đường trở lại ngôi nhà ban đầu của nó. “Điều này không dễ dàng tránh được, bởi vì chất diệp lục bây giờ có một ‘lỗ trống điện tử’ có xu hướng kéo các điện tử lân cận.”

Điện tử được giải phóng có thể thoát ra ngoài bằng cách di chuyển qua  chuỗi vận chuyển điện tử , chuỗi này tạo ra năng lượng cần thiết để sản xuất ATP (adenosine triphosphate, một nguồn năng lượng hóa học cho tế bào) và NADPH. “Lỗ trống điện tử” trong sắc tố diệp lục ban đầu được lấp đầy bằng cách lấy một điện tử từ nước. Kết quả là, oxy được giải phóng vào khí quyển.

Quá trình quang hợp
Quá trình quang hợp

Phản ứng không phụ thuộc vào ánh sáng (còn gọi là phản ứng tối và được gọi là chu trình Calvin): Phản ứng ánh sáng tạo ra ATP và NADPH, là những nguồn năng lượng phong phú thúc đẩy phản ứng tối. Ba bước phản ứng hóa học tạo nên chu trình Calvin: cố định, khử và tái sinh cacbon. Các phản ứng này sử dụng nước và chất xúc tác. Các nguyên tử carbon từ carbon dioxide là “cố định”, khi chúng được xây dựng thành các phân tử hữu cơ mà cuối cùng tạo thành đường ba carbon. Sau đó, những loại đường này được sử dụng để tạo ra glucose hoặc được tái chế để bắt đầu lại chu trình Calvin.

Quang hợp trong tương lai

Các sinh vật quang hợp là một phương tiện khả thi để tạo ra nhiên liệu đốt sạch như hydro hoặc thậm chí là mêtan. Gần đây, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Turku ở Phần Lan đã khai thác khả năng sản xuất hydro của tảo lục. Tảo lục có thể tạo ra hydro trong vài giây nếu lần đầu tiên chúng tiếp xúc với điều kiện tối, kỵ khí (không có oxy) và sau đó tiếp xúc với ánh sáng. Nghiên cứu năm 2018 được công bố trên tạp chí Năng lượng & Khoa học Môi trường .

Các nhà khoa học cũng đã đạt được những tiến bộ trong lĩnh vực quang hợp nhân tạo. Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học California, Berkeley, đã phát triển một hệ thống nhân tạo để thu nhận carbon dioxide bằng cách sử dụng dây nano hoặc dây có đường kính vài phần tỷ mét. Các dây dẫn này đưa vào một hệ thống các vi khuẩn có chức năng khử carbon dioxide thành nhiên liệu hoặc polyme bằng cách sử dụng năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Nhóm nghiên cứu đã công bố thiết kế của mình vào năm 2015 trên tạp chí Nano Letters .

Năm 2016, các thành viên của cùng nhóm này đã công bố một nghiên cứu trên tạp chí Science  mô tả một hệ thống quang hợp nhân tạo khác, trong đó vi khuẩn được thiết kế đặc biệt được sử dụng để tạo ra nhiên liệu lỏng sử dụng ánh sáng mặt trời, nước và carbon dioxide. Nói chung, thực vật chỉ có thể khai thác khoảng một phần trăm năng lượng mặt trời và sử dụng nó để tạo ra các hợp chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. Ngược lại, hệ thống nhân tạo của các nhà nghiên cứu có thể khai thác 10% năng lượng mặt trời để tạo ra các hợp chất hữu cơ.

Việc tiếp tục nghiên cứu các quá trình tự nhiên, chẳng hạn như quang hợp, hỗ trợ các nhà khoa học trong việc phát triển các phương pháp mới để sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác nhau. Được xem như ánh sáng mặt trời, thực vật và vi khuẩn đều có mặt ở khắp mọi nơi, khai thác sức mạnh của quá trình quang hợp là một bước hợp lý để tạo ra nhiên liệu đốt sạch và trung tính carbon.

Trên đây là giải thích khái niệm quang hợp là gì và quá trình quang hợp mà Kinh Nghiệm Cho Bạn đã đưa tới cho các bạn.

Đăng ký
Thông báo về
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
Xem tất cả bình luận
0
Tôi thích suy nghĩ của bạn, hãy để lại bình luậnx
()
x