1. Khái niệm quang hợp
Quang hợp là quá trình biến đổi năng lượng áng sáng mặt trời thành năng lượng hố học chứa trong các hợp chất hữu cơ. Nĩi cách khác, quang hợp là quá trình biến đổi các chất vơ cơ đơn giản thành các hợp chất hữu cơ phức tạp cĩ hoạt tính cao trong cơ thể thực vật dưới sự tác dụng của ánh sáng mặt trời với sự tham gia của hệ sắc tố thực vật.
Bản chất của quá trình quang hợp là sự khử khí CO2 đến cacbonhiđrat với sự tham gia của năng lượng ánh sáng do sắc tố thực vật hấp thụ. Với thực vật, nguồn hiđrơ khi tổng hợp các phân tử hữu cơ là H2O. Do đĩ, phản ứng tổng quát của quang hợp được viết như sau:
Pha sáng: 12 H2O → ( 24 H+ +24 e- ) + 6 O2 Pha tối: 6 CO2 + ( 24 H+ + 24 e- ) → C6H12O6 + 6 H2O Phản ứng chung: 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2.
(Trong phương trình này, H2O vừa là sản phẩm vừa là nguyên liệu của quang hợp)
Ngọc Hải
CO2 + H2O + Ánh sáng → [CH2O] + O2
Tất nhiên, để tổng hợp 1 phân tử glucơzơ phải cần 6 phân tử CO2: 6CO2 + 6H2O + Ánh sáng → C6H12O6 + 6O2
Ơxi thải ra do kết quả của quá trình phân li H2O là nhân tố căn bản hình thành nên bầu khí quyển của Trái Đất và đảm bảo sự cân bằng O2 trong khí quyển.
Tuy nhiên, khơng phải quá trình quang hợp nào cũng kèm theo sự giải phĩng O2. Các vi sinh vật khi quang hợp khơng giải phĩng O2 và ở đĩ chất cho hiđrơ khơng phải là H2O mà là những chất chứa hiđrơ khác. Đĩ là các este của các axit hữu cơ hoặc bản thân các axit hữu cơ, các rượu bậc 2, các hợp chất vơ cơ chứa S hoặc ngay chính hiđrơ dạng phân tử:
Sucxinat + CO2 + Ánh sáng → [CH2O] + Phumarat
Phản ứng cuối cùng đĩ đặc trưng đối với một số vi khuẩn quang hợp (ví dụ: vi khuẩn lưu huỳnh đỏ và xanh).
Bởi vậy, dạng chung nhất bởi phản ứng tổng quát của quang hợp cĩ thể biểu diễn như sau:
CO2 + H2A + Ánh sáng → [CH2O] + A
(A cĩ thể là O2 đối với thực vật, cĩ thể là S đối với vi khuẩn lưu huỳnh quang hợp.)
2. Sơ lược lịch sử nghiên cứu quang hợp
Ngay từ thế kỉ XVIII, người ta đã quan niệm rằng, thực vật sống được là nhờ lá trong khơng khí (năm 1727), cây xanh làm trong sạch khơng khí đã bị làm hỏng bởi hơ hấp của động vật (năm 1771 – 1777). Những năm tiếp theo của thế kỉ XVIII, người ta đã phát hiện ra vai trị của ánh sáng, màu xanh của thực vật đối với quá trình sống của nĩ (năm 1779) và vai trị của CO2 (năm 1783).
Đầu thế kỉ XIX, người ta đã phát hiện ra vai trị của nước trong quá trình đồng hố thực vật (năm 1804). Ở thế kỉ XIX, các nhà sinh lí thực vật đã đặt tên cho chất làm cho cây cĩ màu xanh là clorophyl và tác được nĩ ra khỏi lá, đồng thời nghiên cứu các dạng khác nhau của sắc tố thực vật. Những năm cuối thế kỉ XIX là những năm phát hiện ra lục lạp – bào quan làm nhiệm vụ quang hợp, đồng thời nghiên cứu các sản phẩm đầu tiên (formanđêhit) và cuối cùng (tinh bột) của quá trình quang hợp.
Ngọc Hải
Đến thế kỉ XX, xuất hiện nhiều cơng trình về cơ chế quang hợp như phản ứng tối của quang hợp và vai trị của các enzim (năm 1919), phản ứng quang phân li H2O (năm 1940), quá trình khử CO2 và chứng minh rằng O2 thải ra khi quang hợp là từ H2O chứ khơng phải từ CO2 như trước đây quan niệm. Đến năm 1941, Van Nien (Van Niel) đã đưa ra sơ đồ quang hợp:
4HOH → 4H+ + 4OH−
4H+ + CO2 →CH2O + H2O
4OH−+ 2H2A → 2A + 4H2O
CO2 + 2H2A →CH2O + →CH2O
Canvin (calvin, năm 1951) là người đầu tiên phát hiện ra chu trình cố định CO2
và chu trình này mang tên ơng – chu trình canvin.
Ở thế kỉ XX, cịn một số cơng trình đáng chú ý nữa là: cơng trình nghiên cứu sinh tổng hợp clorophyl và tổng hợp được clorophyl nhân tạo; cơ chế cố định CO2 ở nhĩm thực vật nhiệt đới – được gọi tắt là chu trình C4 hay chu trình axit đicacbơxilic; cơ chế cố định CO2 ở nhĩm thực vật mọng nước – được gọi tắt là chu trình CAM.
Những cơng trình nghiên cứu về quang hợp trong những năm gần đây tập trung vào các cơ chế quang hợp nhằm bắt chước chức năng quang hợp của cây xanh (quang hợp nhân tạo). Mặt khác, rất nhiều cơng trình đang tập trung vào việc điều khiển chức năng quang hợp trên cá thể và quần thể, tạo ra những cá thể và quần thể lí tưởng về quang hợp, nhằm thu được vật cĩ sản lượng và chất lượng cao nhất. Những cơng trình này thực chất là những cơng trình phục vụ trực tiếp cho nghành “kinh doanh” năng lượng mặt trời cĩ hiệu quả nhất.