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

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