Quang hợp là gì? Vai trò của quá trình quang hợp ở thực vật?

Quá trình quang hợp cung cấp oxy cho con người và các sinh vật tồn tại trên trái đất. Toàn bộ sự sống trên hành tinh đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp. Vậy quang hợp là gì? Vai trò của quang hợp ở thực vật như thế nào?

1. Quang hợp là gì?

Quang hợp là quá trình thu nhận và chuyển hóa năng lượng mặt trời ở thực vật, tảo và một số vi khuẩn. Trong quá trình quang hợp, năng lượng ánh sáng mặt trời được hấp thụ vào bên trong tế bào thực vật tham gia tổng hợp cacbonhidrat và giải phóng oxy từ nước và từ khí cacbonic.

Phương trình tổng quát quá trình quang hợp:

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

Bản chất hoá học quang hợp:

– Là quá trình oxy hóa – khử. Khi quang hợp xảy ra thì quá trình khử CO2 và quá trình oxy hóa nước cũng xảy ra.

– Trong các phản ứng oxy hóa khử của sự quang hợp, năng lượng của ánh sáng mặt trời làm phân ly phân tử nước và khử CO2 thành dạng đường giàu năng lượng. Hay có thể hiểu rằng ion H+ và điện tử do sự phân ly của những phân tử nước được cung cấp cho CO2 để tạo ra hợp chất khử là CH2O, và  trong quá trình này, năng lượng từ ánh sáng mặt trời được dự trữ.

– Trong sự quang hợp, cơ chế hấp thu và sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời và cơ chế chuyển hidro và điện tử từ nước đến CO2.

2. Vai trò của quang hợp:

Quá trình quang hợp đóng vai trò quan trọng đối với sự sống của các sinh vật trên trái đất. Toàn bộ sự sống trên hành tinh đều phụ thuộc vào quá trình quang hợp. Quang hợp bao gồm các vai trò sau:

Thứ nhất, Tổng hợp chất hữu cơ: Sản phẩm của quang hợp là tạo ra nguồn chất hữu cơ làm thức ăn cho mọi sinh vật, là nguyên liệu cho công nghiệp, ngoài ra làm ra thuộc chữa bệnh cho con người.

Thứ hai, Cung cấp năng lượng: Năng lượng trong ánh sáng mặt trời khi được hấp thụ và chuyển hóa thành hóa năng trong các liên kết hóa học. Đây là nguồn cung cấp năng lượng chủ yếu cho mọi hoạt động sống của các sinh vật.

Thứ ba, Cung cấp O2: Quá trình quang hợp của cây xanh khi hấp thụ khí CO2 và giải phóng O2 giúp điều hoà không khí, giảm hiệu ứng nhà kính, ngoài ra đem lại không khí trong lành cho Trái Đất và cung cấp dưỡng khí cho các sinh vật khác.

3. Ý nghĩa của quá trình quang hợp đối với thực vật:

Quang hợp có vai trò vô cùng quan trọng đối với hoạt động sống và tồn tại của mọi sinh vật trên Trái Đất, trong đó có con người.

– Quang hợp giúp cung cấp nguồn vật chất hữu cơ vô cùng đa dạng cho nhu cầu cung cấp dinh dưỡng của mọi sinh vật trên Trái Đất.

– Quang hợp có vai trò quyết định trong việc đảm bảo sự cân bằng lượng khí O2 và CO2 trong không  khí, nhằm duy trì hoạt động sống cho mọi sinh vật trên Trái Đất.

– Cung cấp nguồn lương thực, thực phẩm cho con người, vì nhu cầu dinh dưỡng của con người có nguồn gốc từ thực vật đa phần chúng ta sử dụng làm thức ăn.

– Mang đến nguồn nhiên liệu rất đa dạng cho mọi hoạt động sản xuất của con người trên Trái Đất ( như than đá, dầu mỏ, củi, than bùn, khí đốt,… ).

– Cung cấp nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú và đa dạng phát triển cho nền công nghiệp như công nghiệp gỗ, công nghiệp dệt, công nghiệp giấy, công nghiệp thuốc lá,….

– Quá trình quang hợp cung cấp một lượng lớn chất hữu cơ để cấu trúc nên cơ thể sinh vật.

4. Bộ phận nào của cây thực hiện quá trình quang hợp:

Quang hợp diễn ra chủ yếu ở lá cây. Lá cây là cơ quan chứa nhiều diệp lục tố, cấu tạo giải phẫu thích nghi với chức năng quang hợp, nên lá xanh là cơ quan chính của sự quang hợp.

Đặc điểm bên ngoài của lá:

– Lá có dạng bản diện tích bề mặt lớn giúp lá hấp thụ nhiều tia sáng.

– Trong lớp biểu bì của lá mỏng và có nhiều lỗ thông khí giúp khí cacbonic khuếch tán vào trong lá đến lục lạp đồng thời khuếch tán oxy ra ngoài nhanh hơn.

Đặc điểm bên trong của lá:

– Tế bào có hình mô giậu dày chứa nhiều diệp lục phân bố dày ngay dưới tầng lớp biểu bì ở mặt trên của lá để trực tiếp hấp thụ nguồn ánh sáng chiếu lên mặt trên của lá.

– Ở mặt dưới của lá có nhiều mô xốp, tạo ra nhiều khoảng trống gian bào lớn (nơi chứa CO2 cung cấp cho quang hợp) để khí oxy dễ dàng khuếch tán đến các tế bào chứa sắc tố quang hợp diệp lục.

– Hệ thống gân lá có mạng lưới mạch dẫn dày đặc xuất phát từ cuống lá đến tận từng tế bào quang hợp để giúp dẫn nước và muối khoảng đến từng tế bào để thực hiện quang hợp và vận chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá.

– Trong lá có nhiều tế bào chứa diệp lục, đó là bào quan quang hợp. Đây là một hợp chất quan trọng của quá trình quang hợp ở thực vật.

5. Chức năng và thành phần của hệ sắc tố quang hợp của lá:

Thực vật quang hợp là nhờ vào chất diệp lục có trong hệ sắc tố quang hợp ở lá cây cùng với Carotenoit. Bề mặt lá hấp thụ ánh sáng mặt trời giúp các sắc tố diệp lục hấp thụ được năng lượng và thực hiện quá trình quang hợp ở cây xanh. Hệ sắc tố quang hợp của lá gồm có 2 thành phần chính là diệp lục và carotenoit.

Chất diệp lục

Diệp lục là sắc tố hấp thụ nguồn ánh sáng có màu xanh lam (430 nm) đến đỏ (662 nm). Trong lá cây, diệp lục gồm 2nhóm là: diệp lục nhóm a và diệp lục nhóm b.

Diệp lục nhóm a: là những phân tử P700 và P680 có trong chất diệp lục a. Những phân tử này sẽ tham gia trực tiếp vào quá trình hấp thụ ánh sáng chuyển hoá thành năng lượng trong ATP và NADPH.

Diệp lục nhóm b: Chất diệp lục b sẽ kết hợp với chất diệp lục a còn lại có thể kết hợp các phân tử P700 và P680 để truyền năng lượng của ánh sáng và hấp thụ cho chúng.

Chất Carotenoid

Carotenoid gồm xantophin và caroten là các sắc tố phụ của quá trình quang hợp. Chất Carotenoid trong quang hợp có tác dụng là truyền các năng lượng cho 2 nhóm chất diệp lục a và b. Trong đó, Carotene hấp thụ ánh sáng ở bước sóng thấp từ 446 – 476 nm, Xantophin hấp thụ ánh sáng ở bước sóng cao từ 451 -1 481 nm. Trong trường hợp ánh nắng có cường độ cao, carotenoid còn giữ vai trò bảo vệ các cơ quan quan quang hợp trên lá.

Sơ đồ truyền năng lượng:

Carotenoit  -> Diệp lục b -> Diệp lục a -> Diệp lục a tại trung tâm phản ứng.

6. Diễn biến của quá trình quang hợp:

Quang hợp là quá trình khử Carbon dioxide và quá trình oxy hóa nước đồng thời xảy ra ở tế bào quang hợp. Trong quá trình oxy hóa – khử này, ánh sáng mặt trời sẽ oxy hoá và khử Carbon dioxide thành oxy và đường hữu cơ. Quá trình quang hợp ở thực vật được thực hiện ở bào quan lục lạp bao gồm 2 pha là: pha sáng và pha tối.

Pha sáng

Pha sáng là giai đoạn có sự tham gia của ánh sáng chuyển hóa năng lượng. Trong pha này, ánh sáng sẽ biến đổi thành các dạng năng lượng hóa học dưới dạng là hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH. Sắc tố quang hợp – diệp lục sẽ hấp thu năng lượng ánh sáng và đưa vào chuỗi chuyền electron quang hợp. Sau các phản ứng oxy hóa khử, ADP và NADP+ sẽ chuyển thành hợp chất dự trữ năng lượng ATP và hợp chất khử NADPH.

Vị trí diễn ra là Tilacoit – Màng của tế bào lục lạp.

Nguyên liệu bao gồm ánh sáng, nước, ADP, NADP+.

Sản phẩm cuối cùng là: ATP, NADPH, oxy.

Pha tối:

Pha tối là giai đoạn Carbon dioxide tạo thành cacbohidrat. Pha tối không có sự tham gia trực tiếp của ánh sáng. Khác với pha sáng, pha tối là phản ứng khử biến đổi Carbon dioxide tạo thành các hợp chất 6C không bền → Hợp chất 3C bền vững → Cacbohidrat.

Vị trí diễn ra: trong chất nền của tế bào lục lạp.

Nguyên liệu bao gồm: ATP, NADPH, Carbon dioxide.

Sản phẩm cuối cùng là : Sản phẩm hữu cơ Cacbohidrat.

7. So sánh giữa quang hợp và hô hấp:

Giống nhau:

Đều là các chuỗi phản ứng oxy hoá – khử phức tạp.

Đều là các quá trình chuyển hoá vật chất và năng lượng trong tế bào.

Đều có sự tham gia của chất vận chuyển electron tạo ra ATP.

Khác nhau:

         Tiêu chí                     Quang hợp                        Hô hấp Khái niệm Là quá trình thu nhận và chuyển hóa năng lượng mặt trời ở thực vật, tảo và một số vi khuẩn, năng lượng ánh sáng mặt trời được hấp thụ vào bên trong tế bào thực vật tham gia tổng hợp cacbonhidrat và giải phóng oxy từ nước và từ khí cacbonic. Là quá trình oxy hóa các chất hữu cơ thành khí cacbonic và H2O. Giải phóng năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của cây. Bào quan thực hiện Diễn ra ở lục lạp Diễn ra ở ti thể Tế bào thực hiện Tế bào thực vật, tảo, một số loại vi khuẩn nhất định Tất cả các loại tế bào Điều kiện Chỉ thực hiện khi có ánh sáng Không cần ánh sáng Sản phẩm tạo ra Đường và oxy CO2 và năng lượng Sắc tố Cần sắc tố quang hợp Không cần sắc tố quang hợp Sự chuyển hoá năng lượng Chuyển năng lượng ánh sáng thành năng lượng hoá học trong các hợp chất hữu cơ. Giải phóng năng lượng tiềm ẩn trong các hợp chất hữu cơ thành năng lượng ATP dễ sử dụng. Sự chuyển hoá vật chất Quá trình tổng hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ. Quá trình phân giải các chất hữu cơ thành các chất vô cơ.