การสังเคราะห์ด้วยแสง คืออะไร เกิดขึ้นที่ไหนได้บ้าง ?

Reading Time: 2 minutes

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

ตัวอย่างข้อสอบเรื่อง การสังเคราะห์ด้วยแสง

1. ข้อใด ไม่ใช่ วัตถุดิบที่ใช้ในการสังเคราะห์ด้วยแสง

ก. น้ำ
ข. แสง
ค. ก๊าซออกซิเจน
ง. ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

2. การไหลของอิเล็กตรอนในคลอโรพลาสต์เกิดที่ใด

ก. Cristae
ข. Stroma
ค. Matrix
ง. Thilakoid

3. ที่ใต้ต้นไม้ใหญ่ที่มีใบหนาแน่นมาก ๆ มักจะไม่พบหญ้าขึ้นอยู่บริเวณรอบ ๆ โคนต้น ทั้งนี้ เพราะเหตุใด

ก. มีความชุ่มชื้นมาก
ข. มี CO2 น้อย
ค. มีอาหารน้อย
ง. มีแสงสว่างน้อย

4. เมื่อตัดใบตามขวางเพื่อศึกษาโครงสร้างภายใน จะพบว่าบริเวณที่มี Chlorophyll อยู่มากที่สุด

ก. epidermis
ข. Spongy layer
ค. palisade layer
ง. Mesophyll

5. ออกซิเจนที่เกิดขึ้นในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงนั้นมาจากที่ใด

ก. H₂ O
ข. CO₂
ค. โมเลกุลของคลอโรฟิลล์
ง. อากาศ

การสังเคราะห์ด้วยแสง คืออะไร เกิดขึ้นที่ไหนได้บ้าง ?