การสังเคราะห์ด้วยแสง คืออะไร เกิดขึ้นที่ไหนได้บ้าง ?

การสังเคราะห์ด้วยแสง คืออะไร

การสังเคราะห์แสง หรือ Photosynthesis คือ กระบวนการที่สิ่งมีชีวิตเปลี่ยนพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี โดยเก็บสะสมไว้ในสารอินทรีย์ที่สิ่งมีชีวิตสร้างขึ้น และพลังงานเคมีที่สร้างขึ้นนี้จัดว่าเป็นแหล่งพลังงานที่สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ ในโลกนี้ได้ใช้ประโยชน์ โดยมีสมการรวมของกระบวนการสังเคราะห์แสง คือ

6CO₂ + 12H₂O + พลังงานแสงและคลอโรฟิลล์ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 6H₂O

การสังเคราะห์ด้วยแสง เกิดขึ้นที่ไหน

การสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นได้ในทุกส่วนของต้นพืชที่มีสีเขียว โดยมีใบเป็นส่วนที่ทำหน้าที่นี้โดยตรง ตามปกติใบของพืชจะกางออกให้ได้รับแสงสว่างเต็มที่และก้านใบมักจะมีการบิดตัวตามการเคลื่อนที่ของดวงอาทิตย์เพื่อให้ใบได้รับแสงแดดอยู่เสมอ ผิวด้านบนส่วนที่รับแสงเรียกว่าหลังใบ ส่วนผิวด้านล่างที่ไม่ได้รับแสงเรียกว่าท้องใบ ทางด้านหลังใบมักมีสีเขียวเข้มและผิวเรียบกว่าทางด้านท้องใบ แต่เส้นใบทางด้านท้องใบจะนูนออกมาเห็นได้ชัดเจนกว่า โดยสรุปแล้วการสังเคราะห์แสงเกิดขึ้นได้หลาย ๆ ที่ ได้แก่

ใบพืช – เป็นส่วนที่มีคลอโรฟิลล์มากที่สุด
Palisade mesophyll – เป็นส่วนที่มีคลอโรพลาสต์มากที่สุด
Spongy mesophyll – เป็นส่วนที่เก็บแป้งซึ่งเปลี่ยนจากน้ำตาลที่สร้างขึ้นจาก Palisade cell (เก็บชั่วคราว จนกว่าจะนำไปใช้)
Stoma – ช่องว่างระหว่าง guard cell ที่ให้ก๊าซผ่านเข้า-ออกที่ผิวใบ

การสังเคราะห์ด้วยแสงมีองค์ประกอบอะไรบ้าง

แสงสว่าง ถือเป็นแหล่งพลังงาน โดยแสงที่มีประโยชน์คือแสงที่มีความยาวช่วงคลื่น 400 -700 นาโนเมตร ประกอบด้วยอนุภาคพลังงานที่เรียกว่า โฟตอน ( Photon) ซึ่งพลังงานของโฟตอนจะแปรผกผันกับความยาวคลื่น พลังงานแสงถูกดูดกลืนโดยรงควัตถุ (pigment) 3 กลุ่ม คือ คลอโรฟิลล์ คาโรทีนอยด์ และไฟโคบิลิน (ในพืชไม่มีไฟโคบิลิน) โดยการดูดกลืนพลังงานแสงของรงควัตถุนั้นจะสอดคล้องกับประสิทธิภาพการสังเคราะห์แสงด้วย
รงควัตถุ จะดูดซับพลังงานแสง ซึ่งรงควัตถุนั้น ได้แก่ คลอโรฟิลล์ (Chlorophyll), แคโรทีนอยด์(Carotenoid) และ ไฟโคบิลิน (Phycobilin)
คาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) : เป็นวัตถุดิบ
น้ำ (H₂O) : เป็นวัตถุดิบ

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสง

สามารถแบ่งได้ 2 ขั้นตอน เกิดต่อเนื่องกันในคลอโรพลาสต์ คือ

1. ปฏิกิริยาที่ใช้แสง (Light-dependent reactions) เป็นการเปลี่ยนรูปพลังงานแสงเป็นพลังงานเคมี เกิดขึ้นบริเวณ thylakoid ซึ่งมีรงควัตถุต่าง ๆ อยู่รวมกันเป็นกลุ่ม โดยมีการเกาะตัวอยู่กับโปรตีนหลายชนิด กลุ่มของโปรตีนบน thylakoid ที่มีรงควัตถุ ประกอบอยู่ด้วยนี้ เรียกว่า ระบบแสง (photosystem) ทําหน้าที่รับพลังงานแสงมาใช้ในการสร้างสารที่มีพลังงานสูง คือ ATP และ NADPH เพื่อนําพลังงานที่ ได้ไปใช้ในการสร้างสารอินทรีย์ในกระบวนการตรึงคาร์บอนไดออกไซด์ต่อไป

การถ่ายทอดอิเล็กตรอนและการสังเคราะห์ ATP เป็นการะบวนการที่พืชใช้แสงสว่างเพื่อสร้างสารเคมีที่มีพลังงานสูง (ATP)
การถ่ายทอดอิเล็กตรอนแบบเป็นวัฏจักรในปฏิกิริยาที่ใช้แสง เป็นการถ่ายทอดผ่านทั้งระบบแสง I และระบบแสง II ซึ่งพลังงานแสงที่ถูกถ่ายทอดในกรณีนี้ จะไม่ถูกนําไปสังเคราะห์ NADPH แต่สามารถนําไปใช้ สร้าง ATP ได้ และวัฏจักรนี้อาจเกิดขึ้นได้ใน ภาวะที่พืชต้องการ ATP เพิ่มขึ้ น หรือในภาวะที่ ไม่มี NADP+ เพียงพอที่จะนาไปสร้าง เป็น NADPH

2. ปฏิกิริยาการสร้าง (Synthesis reaction หรือ Carbon fixation reactions) จะเกิดขึ้นใน stroma และเป็นปฏิกิริยาที่ไม่ได้ใช้แสงโดยตรง แต่จะใช้ผลผลิตจากปฏิกิริยาที่ใช้แสง (NADPH2, ATP) บริเวณที่รับแสงตลอดเวลาปฏิกิริยาที่ใช้แสงและปฏิกิริยาการสร้างเกิดพร้อม ๆ กันตลอดเวลา

ปัจจัยที่มีผลต่อการสังเคราะห์ด้วยแสง

ความเข้มของแสง โดยหากมีความเข้มของแสงมาก อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ อุณหภูมิกับความเข้มของแสงนั้นมีผลต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงร่วมกัน กล่าวคือ หากอุณหภูมิสูงขึ้นเพียงอย่างเดียว แต่ความเข้มของแสงน้อยจะไม่ทำให้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงเพิ่มขึ้น อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนถึงขีดหนึ่งแล้วอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะลดต่ำลงตามอุณหภูมิและความเข้มของแสงที่เพิ่มขึ้น ซึ่งอุณหภูมิที่เหมาะสมจะอยู่ในช่วง 0-35 °C หรือ 0-40 °C หากอุณหภูมิสูงกว่านี้ อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะลดลง ทั้งนี้เนื่องจากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นปฏิกิริยาที่มีเอนไซม์ควบคุม และการทำงานของเอนไซม์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ นอกจากนี้ถ้าความเข้มของแสงน้อยมาก จนทำให้การสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชเกิดขึ้นน้อยกว่ากระบวนการหายใจ น้ำตาลถูกใช้หมดไป พืชจะไม่สามารถมีชีวิตอยู่ได้ อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชไม่ได้ ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับความยาวคลื่น (คุณภาพ) ของแสง และช่วงเวลาที่ได้รับด้วย
ความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ โดยหากความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เพิ่มขึ้นจากระดับปกติที่มีในอากาศ อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มสูงขึ้นตามไปด้วยจนถึงระดับหนึ่ง อย่างไรก็ตาม แม้ว่าความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์จะสูงขึ้น แต่อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงไม่ได้สูงขึ้นตามไปด้วย และถ้าหากว่าพืชได้รับคาร์บอนไดออกไซด์ ที่มีความเข้มข้นสูงกว่าระดับน้ำแล้วเป็นเวลานาน ๆ จะมีผลทำให้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงลดต่ำลงได้
อุณหภูมิ โดยทั่วไปอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 10-35 °C ถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นกว่านี้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะลดต่ำลงตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงที่อุณหภูมิสูง ๆ ยังขึ้นอยู่กับเวลาอีกปัจจัยหนึ่งด้วย กล่าวคือ ถ้าอุณหภูมิสูงคงที่ เช่น ที่ 40 °C อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงจะลดลงตามระยะเวลาที่เพิ่มขึ้น ทั้งนี้เพราะเอนไซม์ทำงานได้ดีในช่วงอุณหภูมิพอเหมาะ ถ้าสูงเกิน 40 °C เอนไซม์จะเสื่อมสภาพทำให้การทำงานของเอนไซม์ชะงักลง ดังนั้นอุณหภูมิจึงมีความสัมพันธ์ต่อการสังเคราะห์แสงด้วย
ก๊าซออกซิเจน โดยหากก๊าซออกซิเจนลดลงจะมีผลทำให้อัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงสูงขึ้น แต่หากมีมากเกินไปจะทำให้เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารต่าง ๆ ภายในเซลล์ โดยเป็นผลจากพลังงานแสง (Photorespiration) รุนแรงขึ้น การสังเคราะห์ด้วยแสงจึงลดลง
น้ำ (H₂O) ถือเป็นวัตถุดิบที่จำเป็นต่อกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (แต่ต้องการประมาณ 1% เท่านั้น จึงไม่สำคัญมากนัก เพราะพืชมีน้ำอยู่ภายในเซลล์อย่างเพียงพอ) อิทธิพลของน้ำมีผลต่อกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงในส่วนช่วยกระตุ้นการทำงานของเอนไซม์ให้ปฏิกิริยาเกิดขึ้นอย่างสมบูรณ์
เกลือแร่ ธาตุแมกนีเซียม (Mg), และไนโตรเจน (N) ของเกลือในดิน มีความสำคัญต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงอย่างมาก เพราะธาตุดังกล่าวเป็นองค์ประกอบอยู่ในโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ ดังนั้น ถ้าในดินขาดธาตุทั้งสองก็จะทำให้พืชขาดคลอโรฟิลล์ ส่งผลให้การสังเคราะห์ด้วยแสงลดลงด้วย นอกจากนี้ยังพบว่าเหล็ก (Fe) จำเป็นต่อการสร้างคลอโรฟิลล์และสารไซโตโครม (ตัวรับและถ่ายทอดอิเล็กตรอน) หากไม่มีธาตุเหล็กในดินเพียงพอ การสังเคราะห์คลอโรฟิลล์ก็จะเกิดขึ้นไม่ได้นั่นเอง
อายุของใบ ใบจะต้องไม่แก่หรืออ่อนจนเกินไป ซึ่งในใบอ่อนคลอโรฟิลล์ยังเจริญไม่เต็มที่ ส่วนใบที่แก่มากๆ คลอโรฟิลล์จะสลายตัวไปเป็นจำนวนมาก