Quang hợp là gì?
Quang hợp là quá trình sử dụng năng lượng ánh sáng đã được diệp lục hấp thụ để tổng hợp cacbohiđrat và giải phóng khí ôxi từ khí cacbônic và nước.Quang hợp có ở thực vật, tảo và một số vi khuẩn có khả năng quang hợp.
Ở thực vật, quá trình quang hợp chủ yếu được thực hiện nhờ diệp lục thường chứa trong các bào quan gọi là lục lạp.
Phương trình quang hợp:
$CO_2 + H_2O \overset {năng\,lượng\,ánh\,sáng;\,diệp\,lục} \rightarrow Tinh bột (C_6H_12O_6) + O_2$
Sơ đồ quang hợp
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. Các vai trò của quang hợp gồm:- 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 và làm ra thuộc chữa bện cho con người.
- Cung cấp năng lượng: Năng lượng trong ánh sáng mặt trời được hấp thụ và chuyển hóa thành hóa năng trong các liên kết hóa học. Đây là nguồn cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sống của các sinh vật.
- Cung cấp O2: Quá trình quang hợp của cây xanh hấp thụ khí CO2 và giải phóng O2 giúp điều hoad không khí, giảm hiệu ứng nhà kính, đem lại không khí trong lành cho trái đất và cung cấp dưỡng khí cho các sinh vật khác.
Ý nghĩa của quang hợp
Chuỗi thức ăn trong tự nhiên, các sinh vật sống và phát triển bằng nguồn năng lượng được cung cấp từ quá trình quang hợp thường là nhân tố đầu tiên. Các sinh vật còn lại sẽ sử dụng những sản phẩm tạo ra từ quá trình quang hợp để phục vụ cho sự sinh tồn của chúng.Có thể hiểu, quá trình quang hợp là chuỗi phản ứng hóa học quan trọng không thể thiếu đối với sinh vật trên Trái đất. Nó sinh ra năng lượng cho mọi sự sống của sinh vật. Bù lại các chất hữu cơ đã qua sử dụng trong quá trình sinh sống và phát triển. Ngoài ra, quang hợp còn giúp cân bằng lượng khí O2 và CO2 trong không khí giúp chúng ta có bầu không khí trong sạch.
Quá trình quang hợp ở thực vật chủ yếu được tiến hành nhờ diệp lục. Sắc tố này thường chứa trong các hạt màu, bào quan đó gọi là lục lạp. Hầu như tất cả các bộ phận của nhiều loài thực vật đều có màu lục, năng lượng để thực hiện quá trình quang hợp chủ yếu được thu nhận từ lá cây. Tất cả các quá trình quang hợp ở các loài sinh vật như thực vật, tảo và vi khuẩn lam đều sử dụng chlorophyll và tạo ra oxy.
Quang hợp không chỉ là một quá trình không thiếu đối với sinh vật tự dưỡng mà nó còn đóng vai trò quan trọng đối với con người. Hoạt động quang hợp giúp ích cho con người như sau:
- Cung cấp cho con người một nguồn lương thực, thực phẩm dồi dào, ≥ 80% nhu cầu dinh dưỡng của con người bắt nguồn từ thực vật.
- Cung cấp nguồn nhiên liệu rất đa dạng cho mọi hoạt động sản xuất của con người (bao gồm các ngành như than đá, dầu mỏ, củi, than bùn, khí đốt).
- Cung cấp nguồn nguyên liệu vô cùng phong phú cho ngành công nghiệp như CN gỗ, CN giấy, CN thuốc lá, CN đường,…
- Quang hợp còn tạo ra một lượng lớn chất hữu cơ tham gia vào cấu trúc của cơ thể sinh vật.
Các giai đoạn của quá trình quang hợp
Quang hợp diễn ra tại lục lạp theo hai pha: pha sáng (màng thylakoid) và pha tối (chất nền lục lạp)
1. Pha sáng
- Điều kiện xảy ra: Pha sáng quá trình quang hợp xảy ra dưới tác dụng của ánh sáng.- Vị trí: Ở tế bào thực vật, quá trình này diễn ra ở thylakoid trong lục lạp.
- Diễn biến:
+ Diệp lục hấp thụ năng lượng ánh sáng (photon) trở thành dạng kích động điện tử và chuyền (nhường) e cho chuỗi chuyền điện tử trền màng thilakoid.
+ Dưới tác dụng của ánh sáng nước phân li, giải phóng $O_2$, e và $H^+$ theo sơ đồ:
$2H_2O → 4H^+ + 4e + O_2$
+ Electron sinh ra bù với e của diệp lục a đã bị mất. $H^+$ tham gia tổng hợp ATP, khử NADP+ thành NADPH
- Sản phẩm của pha sáng: $O_2$ NADPH và ATP
2. Pha tối
- Vị trí: Pha tối của quá trình quang hợp diễn ra ở chất nền lục lạp.- Nguyên liệu: sử dụng ATP và NADPH do pha sáng cung cấp.
| Đại diện | Quá trình diễn ra |
| Thực vật C3 | |
| - Ở phần lớn thực vật, chủ yếu ở vùng ôn đới và á nhiệt đới như: lúa, khoai, sắn, các loại rau, đậu... - Điều kiện khí hậu ôn hòa (cường độ ánh sáng, nhiệt độ, nồng độ CO2, O2 bình thường) | Chu trình Canvin - Sản phẩm đầu tiên là hợp chất 3 Cacbon (3-phosphoglycerate) - Sản phẩm cả chu trình: chất hữu cơ (glucose), ADP, NADP+. |
| Thực vật C4 | |
| - Một số loài thực vật sống ở vùng nhiệt đới như: mía, cao lương... - Điều kiện nóng, khô, cường độ ánh sáng mạnh, hàm lượng CO2 thấp | - Chu trình 1: + Ở lục lạp tế bào thịt lá. CO2 được cố định bởi PEP, tạo thành hợp chất 4 Cacsbon và chuyển hóa thanh malate. + Malate đi vào tế bào bó mạch và phân hủy thành CO2 và pyruvate. - Chu trình 2: Chu trình Canvin (giống ở thực vật C3) |
| Thực vật CAM | |
| - Thực vật mọng nước sống ở vùng hoang mạc khô hạn và một số loại cây trồng. Ví dụ: Cây xương rồng, cây dứa, cây thanh long, thuốc bỏng,... - Điều kiện khô hạn, nhiệt độ cao. - Khí khổng đóng vào ban ngày và mở vào ban đêm. | Quá trình tương đối giống với thực vật C4 Điểm khác: - Thực vật C3: diễn ra ở 2 tế bào khác nhau. - Thực vật C4: diễn ra ở 1 tế bào nhưng 2 thời điểm khác nhau. Cố định CO2 thành hợp chất 4 Cacbon diễn ra vào ban đêm Quá trình Canvin diễn ra vào ban ngày. |
Đặc điểm của lá cây thích nghi với chức năng quang hợp
1. Đặc điểm bên ngoài
- Diện tích bề mặt của lá lớn giúp hấp thụ được nhiều tia nắng.- Phiến lá mỏng đáp ứng cho sự khuếch tán của khí vào và ra một cách dễ dàng.
- Tế bào khí khổng nằm trong lớp biểu bì của lá có chứa tế bào có chức năng khuếch tán khí CO2 vào bên trong lá đến lục lạp.
2. Đặc điểm bên trong của lá cây
- Chứa tế bào hình mô giậu có nhiều diệp lục phân bố ngay dưới lớp biểu bì của mặt trên của lá cây để hấp thụ trực tiếp ánh sáng chiếu vào mặt trên của lá.- Chứa tế bào mô xốp có ít diệp lục hơn so với các tế bào mô giậu, chúng nằm ở mặt dưới của lá cây. Trong mô xốp chứa nhiều khoảng trống rỗng giúp khí oxy dễ dàng khuếch tán vào các tế bào có chứa sắc tố quang hợp.
- Hệ gân lá có hệ thống mạch dẫn bao gồm mạch gỗ và mạch rây, xuất phát từ bó mạch nằm ở cuống lá đi đến từng tế bào trong cây như mô của lá, giúp đưa nước và ion khoáng đến từng tế bào để thực hiện được chức năng quang hợp và từ đó vận chuyển sản phẩm của quang hợp.
- Trong lá chứa nhiều tế bào có diệp lục chứa trong lục lạp - bào quan quang hợp.
Thành phần và chức năng hệ sắc tố quang hợp của lá
Thực vật quang hợp được là nhờ vào chất diệp lục có trong hệ sắc tố quang hợp trong lá cây cùng với một chất nữa là Carotenoit. Bề mặt của lá cây hấp thụ được ánh sáng mặt trời giúp các sắc tố diệp lục hấp thụ được năng lượng từ ánh sáng ấy và xảy ra quá trình quang hợp ở cây xanh. Bởi vậy, hệ sắc tố quang hợp của lá cây bao gồm 2 thành phần chính là chất diệp lục và carotenoit.1. Diệp lục
Chất diệp lục là sắc tố quang hợp hấp thụ được ánh sáng trong vùng xanh lam là 430 nm và vùng đỏ là 662 nm. Chất diệp lục bao gồm 2 nhóm chính: Diệp lục a (C55H72O5N4Mg) và diệp lục b (C55H72O6N4Mg)Vai trò:
- Sắc tố giúp cho lá cây có màu xanh
- Hấp thụ được năng lượng từ ánh sáng mặt trời, vận chuyển được năng lượng ánh sáng đến cho trung tâm phản ứng.
- Tham gia vào biến đổi năng lượng ánh sáng mà cây hấp thụ được thành năng lượng trong các liên kết hóa học như ATP hay NADPH.
2. Carotenoit
Carotenoit được hiểu là một chất có vai trò trong truyền các năng lượng đến cho chất diệp lục a và b. Carotenoit bao gồm 2 chất là xantophin (C40H56On) và caroten (C40H56), 2 chất này chính là các sắc tố phụ của quá trình quang hợp.Vai trò:
- Sắc tố giúp cho lá cây, củ, quả có màu: vàng, cam, đỏ, xanh...
- Chỉ hấp thụ được năng lượng ánh sáng, sau đó truyền năng lượng ấy tới cho trung tâm phản ứng.
- Vai trò tham gia lọc ánh sáng và giúp bảo vệ diệp lục.
Phân biệt hô hấp và quang hợp ở thực vật
Quá trình quang hợp và hô hấp là 2 quá trình song song nhau, giúp duy trì sự sống cho cơ thể thực vật. Để giúp học sinh phân biệt rõ 2 quá trình này. Doctailieu đã tổng hợp và so sánh những điểm gống và khác nhau trong bảng dưới đây.| Đặc điểm | Hô hấp | Quang hợp |
|---|---|---|
| Khái niệm | Là quá trình cây dùng chất diệp lục để hấp thụ ánh sáng mặt trời. Sử dụng những năng lượng ấy để tạo nên các chất hữu cơ. | Là quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ để tạo thành chất vô cơ như khí CO2 và H2O. Giải phóng ra năng lượng cần thiết cho các hoạt động sống của cơ thể sinh vật. |
| Nơi diễn ra | Tất cả các bộ phận của cây | Lá cây |
| Bào quan thực hiện | Ti thể | Lục lạp |
| Điều kiện tiến hành | Suốt ngày đêm | Khi có ánh sáng |
| Nguyên liệu | Khí O2, chất hữu cơ | Nước, khí CO2, năng lượng ánh sáng mặt trời |
| Sản phẩm | Năng lượng, khí CO2, hơi nước | Tinh bột, khí O2 |
| Cơ chế | Quang hợp diễn ra bao gồm 2 pha: pha sáng và pha tối | - Quá trình phân giải của đường - Hô hấp dạng yếm khí - Chu kỳ Krebs - Chuỗi truyền điện tử |
| Năng lượng | Giải phóng | Tích lũy |
| Ảnh hưởng của điều kiện bên ngoài | Độ thoáng của đất | Ánh sáng, nước, hàm lượng khí CO2, nhiệt độ |