การสังเคราะห์ด้วยแสงทำงานอย่างไร

พืชสร้างน้ำตาลและออกซิเจนด้วยพลังน้ำ คาร์บอนไดออกไซด์ และแสงแดด

หายใจลึก ๆ. แล้วขอบคุณพืช ถ้าคุณกินผลไม้ ผัก ธัญพืชหรือมันฝรั่ง ขอบคุณพืชเช่นกัน พืชและสาหร่ายให้ออกซิเจนที่จำเป็นต่อการดำรงชีวิต เช่นเดียวกับคาร์โบไฮเดรตที่เราใช้เป็นพลังงาน พวกเขาทำทุกอย่างผ่านการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นกระบวนการสร้างน้ำตาลและออกซิเจนจากคาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแสงแดด มันเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาเคมีต่อเนื่องยาวนาน แต่สรุปได้ดังนี้ คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ และแสงเข้าไป กลูโคส น้ำ และออกซิเจนออกมา (กลูโคสเป็นน้ำตาลธรรมดา)

การสังเคราะห์ด้วยแสงสามารถแบ่งออกเป็นสองกระบวนการ ส่วน “ภาพถ่าย” หมายถึงปฏิกิริยาที่เกิดจากแสง “การสังเคราะห์” — การทำน้ำตาล — เป็นกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน

กระบวนการทั้งสองเกิดขึ้นภายในคลอโรพลาสต์ นี่คือโครงสร้างพิเศษหรือออร์แกเนลล์ในเซลล์พืช โครงสร้างประกอบด้วยกองเยื่อหุ้มที่เรียกว่าเยื่อไทลาคอยด์ นั่นคือจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาแสง

ให้แสงสว่างส่องเข้ามา

เมื่อแสงกระทบใบพืช มันจะส่องไปที่คลอโรพลาสต์และเข้าไปในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ เยื่อเหล่านั้นเต็มไปด้วยคลอโรฟิลล์ ซึ่งเป็นเม็ดสีเขียว เม็ดสีนี้ดูดซับพลังงานแสง แสงเดินทางเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความยาวคลื่น — ระยะห่างระหว่างคลื่น — กำหนดระดับพลังงาน ความยาวคลื่นเหล่านี้บางส่วนสามารถมองเห็นได้เป็นสีที่เราเห็น หากโมเลกุลเช่นคลอโรฟิลล์มีรูปร่างที่เหมาะสมก็สามารถดูดซับพลังงานจากความยาวคลื่นของแสงได้

คลอโรฟิลล์สามารถดูดซับแสงที่เราเห็นเป็นสีน้ำเงินและสีแดง นั่นเป็นเหตุผลที่เราเห็นพืชเป็นสีเขียว สีเขียวคือความยาวคลื่นที่พืชสะท้อน ไม่ใช่สีที่พืชดูดซับ

ในขณะที่แสงเดินทางเป็นคลื่น แต่ก็สามารถเป็นอนุภาคที่เรียกว่าโฟตอนได้ โฟตอนไม่มีมวล อย่างไรก็ตามพวกมันมีพลังงานแสงเพียงเล็กน้อย

เมื่อโฟตอนของแสงจากดวงอาทิตย์กระทบใบไม้ พลังงานของมันจะกระตุ้นโมเลกุลคลอโรฟิลล์ โฟตอนนั้นเริ่มกระบวนการที่แยกโมเลกุลของน้ำ อะตอมของออกซิเจนที่แยกออกจากน้ำจะจับกับอีกอะตอมในทันที ทำให้เกิดโมเลกุลของออกซิเจนหรือ O2 ปฏิกิริยาเคมียังสร้างโมเลกุลที่เรียกว่า ATP และอีกโมเลกุลหนึ่งเรียกว่า NADPH ทั้งสองอย่างนี้ช่วยให้เซลล์เก็บพลังงานได้ ATP และ NADPH จะมีส่วนร่วมในส่วนการสังเคราะห์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงด้วย

สังเกตว่าปฏิกิริยาแสงทำให้ไม่มีน้ำตาล แต่จะจ่ายพลังงานที่เก็บไว้ใน ATP และ NADPH ซึ่งเชื่อมต่อกับวงจรของ Calvin นี่คือที่ที่ทำน้ำตาล

แต่ปฏิกิริยาแสงสร้างสิ่งที่เราใช้ นั่นคือ ออกซิเจน ออกซิเจนทั้งหมดที่เราหายใจเข้าไปเป็นผลมาจากขั้นตอนนี้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งดำเนินการโดยพืชและสาหร่าย (ซึ่งไม่ใช่พืช) ทั่วโลก

ขอน้ำตาลหน่อย

ขั้นตอนต่อไปใช้พลังงานจากปฏิกิริยาแสงและนำไปใช้กับกระบวนการที่เรียกว่าวัฏจักรคาลวิน วัฏจักรนี้ตั้งชื่อตาม Melvin Calvin ชายผู้ค้นพบมัน

วัฏจักรคาลวินบางครั้งเรียกว่าปฏิกิริยามืดเนื่องจากไม่มีขั้นตอนใดที่ต้องใช้แสง แต่มันก็ยังคงเกิดขึ้นในระหว่างวัน นั่นเป็นเพราะมันต้องการพลังงานที่เกิดจากปฏิกิริยาแสงที่มาก่อนมัน

ในขณะที่ปฏิกิริยาแสงเกิดขึ้นในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ ATP และ NADPH ที่เกิดขึ้นจะจบลงที่สโตรมา นี่คือช่องว่างภายในคลอโรพลาสต์ แต่อยู่นอกเยื่อหุ้มไทลาคอยด์

วัฏจักรคาลวินมีสี่ขั้นตอนหลัก:

1. การตรึงคาร์บอน: ในที่นี้ พืชจะนำ CO2 เข้ามาและยึดติดกับโมเลกุลคาร์บอนอื่นโดยใช้ rubisco นี่คือเอนไซม์หรือสารเคมีที่ทำให้ปฏิกิริยาเคลื่อนที่เร็วขึ้น ขั้นตอนนี้สำคัญมากที่ rubisco เป็นโปรตีนที่พบมากที่สุดในคลอโรพลาสต์ — และบนโลก Rubisco จับคาร์บอนใน CO2 กับโมเลกุลคาร์บอนห้าตัวที่เรียกว่า ribulose 1,5-bisphosphate (หรือ RuBP) สิ่งนี้สร้างโมเลกุลคาร์บอนหกตัว ซึ่งแยกออกเป็นสารเคมีสองชนิดทันที แต่ละชนิดมีคาร์บอนสามตัว
2. การลดลง: ATP และ NADPH จากปฏิกิริยาแสงปรากฏขึ้นและเปลี่ยนโมเลกุลสามคาร์บอนสองโมเลกุลให้เป็นโมเลกุลน้ำตาลขนาดเล็กสองโมเลกุล โมเลกุลน้ำตาลเรียกว่า G3P ย่อมาจาก glyceraldehyde 3-phosphate (GLIH- sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt)
3. การก่อตัวของคาร์โบไฮเดรต: G3P บางส่วนออกจากวงจรเพื่อเปลี่ยนเป็นน้ำตาลที่ใหญ่กว่าเช่นกลูโคส (C6H12O6)
4. การสร้างใหม่: ด้วย ATP ที่มากขึ้นจากปฏิกิริยาแสงที่ต่อเนื่อง G3P ที่เหลือจะเก็บคาร์บอนเพิ่มอีกสองก้อนเพื่อกลายเป็น RuBP RuBP นี้จับคู่กับ rubisco อีกครั้ง ตอนนี้พวกเขาพร้อมที่จะเริ่มวงจรของ Calvin อีกครั้งเมื่อโมเลกุลถัดไปของ CO2 มาถึง

ในตอนท้ายของการสังเคราะห์ด้วยแสง พืชจะจบลงด้วยกลูโคส (C6H12O6) ออกซิเจน (O2) และน้ำ (H2O) โมเลกุลของกลูโคสไปสู่สิ่งที่ใหญ่กว่า มันสามารถกลายเป็นส่วนหนึ่งของโมเลกุลสายยาวเช่นเซลลูโลส นั่นคือสารเคมีที่สร้างผนังเซลล์ พืชยังสามารถเก็บพลังงานที่บรรจุอยู่ในโมเลกุลกลูโคสภายในโมเลกุลแป้งที่ใหญ่กว่า พวกเขายังสามารถใส่กลูโคสเข้าไปในน้ำตาลอื่นๆ เช่น ฟรุกโตส เพื่อให้ผลไม้ของพืชมีรสหวาน

โมเลกุลเหล่านี้ทั้งหมดเป็นคาร์โบไฮเดรต — สารเคมีที่มีคาร์บอน ออกซิเจน และไฮโดรเจน (คาร์โบไฮเดรตช่วยให้จำง่าย) พืชใช้พันธะในสารเคมีเหล่านี้เพื่อเก็บพลังงาน แต่เราก็ใช้สารเคมีเหล่านี้เช่นกัน คาร์โบไฮเดรตเป็นส่วนสำคัญของอาหารที่เรากิน โดยเฉพาะธัญพืช มันฝรั่ง ผักและผลไม้

วิธีเปลี่ยนเรือนกระจกให้เป็นโรงไฟฟ้า

โซลาร์เซลล์ใสในหลังคาเรือนกระจกสามารถผลิตไฟฟ้าได้ในขณะที่พืชเติบโตด้านล่าง

เซลล์แสงอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่เปลี่ยนแสงอาทิตย์ให้เป็นไฟฟ้า เทคโนโลยีนี้เสนอวิธีการผลิตพลังงานที่เป็นมิตรต่อโลกมากกว่าการเผาถ่านหินและเชื้อเพลิงฟอสซิลอื่นๆ แต่แผงโซลาร์เซลล์ต้องการพื้นที่เปิดโล่งและมีแสงแดดมากเพื่อเก็บเกี่ยวแสงแดดนั้น ในที่ที่มีพื้นที่จำกัด ผู้คนอาจต้องเลือกระหว่างแผงโซลาร์เซลล์และทุ่งนาเพื่อปลูกอาหาร แต่ถ้าคุณสามารถผลิตพืชผลและไฟฟ้าได้ในเวลาเดียวกันล่ะ? สำหรับ Yang Yang วิธีแก้ปัญหานั้นชัดเจน เซลล์สุริยะที่ชัดเจนนั่นคือ

หยางเป็นนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแองเจลิส เขาศึกษาเซลล์แสงอาทิตย์หรือที่เรียกว่าเซลล์สุริยะ (Foh-toh-vol-TAY-ik) หลายอย่างทำขึ้นโดยใช้องค์ประกอบซิลิกอน Yang กลับใช้เวอร์ชันคาร์บอนแทน เซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้เรียกว่า OPV ซึ่งย่อมาจากเซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์ OPV มีความยืดหยุ่นและง่ายต่อการสร้าง เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิทยาศาสตร์หลายกลุ่มได้ทำ OPV ที่โปร่งใสหรือชัดเจน
เพราะพวกเขาปล่อยให้แสงส่องผ่าน นักเรียนคนหนึ่งของ Yang จึงแนะนำว่าพวกเขาใช้ OPV บนหลังคาเรือนกระจก สิ่งนี้เป็นแรงบันดาลใจให้ทีมของ Yang สร้างและทดสอบเซลล์แสงอาทิตย์ที่สามารถผลิตกระแสไฟฟ้าและปล่อยให้แสงส่องผ่านเพียงพอเพื่อปลูกพืช

แสงแดดประกอบด้วยแสงหลายสีหรือความยาวคลื่น สีที่เราเห็น ตั้งแต่สีม่วงจนถึงสีแดง เรียกว่าแสงที่มองเห็นได้ ความยาวคลื่นของพวกมันมีตั้งแต่ 400 ถึง 700 นาโนเมตร (นาโนเมตรคือหนึ่งในพันล้านของเมตร) เซลล์แสงอาทิตย์ของ Yang ปล่อยให้แสงที่มองเห็นได้ส่องผ่าน ซึ่งทำให้มองเห็นได้ชัดเจน แต่เซลล์แสงอาทิตย์ยังต้องดูดซับแสงบางส่วนเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า หยางดูดซับแสงอินฟราเรดซึ่งมีความยาวคลื่นระหว่าง 700 นาโนเมตรถึง 1 มิลลิเมตร ประมาณครึ่งหนึ่งของแสงที่มาจากดวงอาทิตย์เป็นอินฟราเรด ผู้คนมองไม่เห็น แต่สัตว์บางชนิด เช่น งูและค้างคาว สามารถรับรู้อินฟราเรดได้

พืชไม่ต้องการแสงอินฟราเรด อันที่จริง พวกเขาต้องการเพียงช่วงแสงที่มองเห็นได้เพียงเล็กน้อยเท่านั้นจึงจะเติบโตได้ พืชส่วนใหญ่ดูดซับแสงสีแดงและสีน้ำเงิน แต่สะท้อนแสงสีเขียว (นั่นเป็นสาเหตุที่พืชส่วนใหญ่ดูเป็นสีเขียว) ทีมของ Yang ต้องการดูว่าแสงที่มองเห็นได้ซึ่งผ่านเซลล์สุริยะที่ชัดเจนจะเพียงพอสำหรับพืชที่จะเติบโตหรือไม่

ทีมของเขาไม่มีวัสดุเพียงพอสำหรับสร้างเรือนกระจกทั้งหลัง ดังนั้นพวกเขาจึงทำการทดลองในขนาดเล็กแทน ขั้นแรก พวกเขาใส่สิ่งสกปรกลงในบีกเกอร์และปลูกถั่วเขียวในนั้น พวกเขาปลูกถั่วในแสงแดดธรรมชาติภายใต้เงื่อนไขสามประการ พบบีกเกอร์กลุ่มหนึ่ง กลุ่มหนึ่งมีอลูมิเนียมฟอยล์ที่ด้านข้างและมี OPV ใสอยู่ด้านบน บีกเกอร์ในกลุ่มสุดท้ายถูกปิดด้วยอลูมิเนียมฟอยล์เพื่อป้องกันแสงทั้งหมด
หลังจาก 13 วัน นักวิทยาศาสตร์มองว่าเมล็ดงอกได้ดีเพียงใด ในบีกเกอร์ที่หุ้มด้วยกระดาษฟอยล์ พืชเจริญเติบโตได้ไม่ดี แต่เมล็ดที่มีเซลล์สุริยะใสอยู่ด้านบนก็เติบโตได้เช่นเดียวกับเมล็ดในบีกเกอร์ที่ไม่ได้เปิดไว้ นั่นหมายความว่าเซลล์แสงอาทิตย์อาจทำงานบนหลังคาเรือนกระจก
ทีมงานได้เผยแพร่ผลการวิจัยทางออนไลน์ในวันที่ 3 มกราคมใน ACS Nano

ห้องสำหรับการเติบโต
แสงที่ส่องผ่านเซลล์แสงอาทิตย์ได้เพียงพอหรือไม่นั้นไม่ใช่คุณลักษณะเดียวที่นักวิทยาศาสตร์ต้องคำนึงถึง นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพ เซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาทั่วไปซึ่งดูดซับแสงที่มองเห็นได้มีประสิทธิภาพประมาณ 18 เปอร์เซ็นต์ นั่นหมายความว่าพวกมันผลิตพลังงาน 18 วัตต์ต่อแสงแดดที่ดูดซับทุกๆ 100 วัตต์ การทดสอบ OPV ของ Yang มีประสิทธิภาพเกือบ 10 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งยังค่อนข้างดี “แต่ห้องทดลองของเรามีขนาดเล็กมาก” Yang กล่าว “เมื่อโซลาร์เซลล์ถูกสร้างขึ้นด้วยพื้นที่ขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพมักจะลดลงเล็กน้อย”

หยางคิดว่าโรงเรือนอาจกลายเป็นที่นิยมมากขึ้นสำหรับการทำฟาร์มในอนาคต เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศทำให้สภาพการปลูกคาดเดาได้น้อยลง โรงเรือนอาจทำให้เกษตรกรควบคุมได้มากขึ้น ทีมของ Yang ต้องการ “เปลี่ยนเรือนกระจกให้เป็นโรงไฟฟ้าเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า” เขากล่าว “นั่นจะเป็นประโยชน์อย่างมาก.”

แต่สำหรับคนที่ใช้เทคโนโลยีนี้ในวงกว้าง “ทุกอย่างมีต้นทุนต่ำ” เขากล่าวเสริม “ตอนนี้เทคโนโลยีนี้มีราคาแพงมาก” Yang หวังว่าสักวันหนึ่งบริษัทขนาดใหญ่จะเต็มใจที่จะผลิตเทคโนโลยีนี้เป็นจำนวนมาก ที่อาจช่วยลดต้นทุนได้

Luis Campos คิดว่าการใช้เซลล์แสงอาทิตย์สำหรับทั้งการผลิตกระแสไฟฟ้าและการทำฟาร์มนั้นฉลาด นักเคมี เขาทำงานที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนิวยอร์กซิตี้ เนื่องจากเซลล์แสงอาทิตย์ส่วนใหญ่ดูดซับแสงที่มองเห็นได้ จึงสามารถใช้ OPV โปร่งใสเช่น Yang เพื่อจุดประสงค์นี้ได้ “เป็นเรื่องที่น่าตื่นเต้นอย่างยิ่งที่ได้เห็นการใช้งานอุปกรณ์พลังงานหมุนเวียนที่หลากหลาย” เขากล่าว
Campos แบ่งปันความกังวลของ Yang ว่าเซลล์ขนาดใหญ่อาจไม่ทำงานเช่นกัน การทำให้อุปกรณ์มีขนาดใหญ่ขึ้นสามารถสร้างความท้าทายใหม่ๆ ได้ และประสิทธิภาพของอุปกรณ์เหล่านั้นก็ลดลง ถึงกระนั้น เขาพบว่าการใช้เซลล์แสงอาทิตย์ของ Yang “เป็นความสำเร็จที่น่าประทับใจ”
เมื่อนักเรียนในวันนี้เติบโตขึ้น Yang หวังว่าบางคนจะช่วยทำให้เทคโนโลยีประเภทนี้ดีขึ้นและมีค่าใช้จ่ายน้อยลง นั่นจะเพิ่มความน่าดึงดูดและการใช้งานที่เป็นไปได้ “วิทยาศาสตร์คือความสนุกและความท้าทาย” เขากล่าว “และผมหวังว่าเด็กๆ จะเข้าร่วมกับเรา”

สามารถอัพเดตข่าวสารเรื่องราวต่างๆได้ที่ quoteorama.com