การสังเคราะห์ด้วยแสงจับแสงและพลังชีวิตบนโลกอย่างไร

บอกตามตรงว่าเรื่องราวทั้งหมดยุ่งเหยิงและซับซ้อนมากเราอาจไม่เคยรู้ความจริงว่าบรรพบุรุษสีเขียวของเราอนุญาตให้คนอื่นวิวัฒนาการได้อย่างไร แต่แง่มุมหนึ่งของเรื่องราวนั้นเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แสงอย่างแน่นอนนั่นคือความสามารถของพืชในการสร้างอาหารของตัวเองให้พ้นจากแสงแดด

การสังเคราะห์ด้วยแสง: กุญแจสู่ชีวิต

"วิธีที่ดีในการชื่นชมการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการเปรียบเทียบชั้นบรรยากาศของโลกกับดาวเคราะห์ 'น้องสาว' ของเรา" Gregory Schmidt ศาสตราจารย์กิตติคุณจากภาควิชาชีววิทยาพืชแห่งมหาวิทยาลัยจอร์เจียกล่าว "ดาวเคราะห์ทั้งสามดวงมีแนวโน้มใกล้เคียงกันมากที่สุดเมื่อก่อตัวและเย็นตัวลง แต่ชั้นบรรยากาศของทั้งดาวศุกร์และดาวอังคารมีคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) 95 เปอร์เซ็นต์ไนโตรเจน 2.7 เปอร์เซ็นต์ (N2) และออกซิเจน 0.13 เปอร์เซ็นต์ (O2) อากาศของโลกคือ 77 เปอร์เซ็นต์ N2, O2 21 เปอร์เซ็นต์และ CO2 0.41 เปอร์เซ็นต์ - แม้ว่าจำนวนนั้นจะเพิ่มสูงขึ้นนั่นหมายความว่ามีคาร์บอนไดออกไซด์ 800 กิกะตันในชั้นบรรยากาศของเรา แต่มีอีก 10,000 กิกะตัน - 10,000,000,000 ตัน - หายไปหรือถูกฝังอยู่ในรูปของหินปูนฟอสซิลถ่านหิน และน้ำมัน "

กล่าวอีกนัยหนึ่งคาร์บอนถูกลักลอบนำออกจากชั้นบรรยากาศและเข้าสู่เปลือกโลกเป็นเวลาหลายพันล้านปีซึ่งเป็นเหตุผลเดียวที่ดาวเคราะห์ดวงนี้อาศัยอยู่ได้โดยสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์

"แล้วการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศอย่างมากเกิดขึ้นกับโลกได้อย่างไร" ถาม Schmidt "มีเพียงคำตอบเดียวและค่อนข้างง่ายนั่นคือการสังเคราะห์ด้วยแสงซึ่งเป็นปัจจัยที่น่าทึ่งที่สุดในวิวัฒนาการของโลก"

การปฏิวัติเขียว

PHOTOSYNTHESIS เพื่อน ๆ ประมาณหนึ่งพันล้านปีหลังจากที่โลกก่อตัวขึ้นสิ่งมีชีวิตปรากฏขึ้นครั้งแรกอาจเป็นแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนบางชนิดทำให้กำมะถันและไฮโดรเจนหลุดออกมาจากช่องระบายความร้อนใต้พิภพ ตอนนี้เรามียีราฟแล้ว แต่มีขั้นตอน 10,000 กิกะตันบนถนนระหว่างแบคทีเรียตัวแรกกับยีราฟ: แบคทีเรียโบราณเหล่านี้ต้องหาวิธีในการค้นหาช่องระบายความร้อนใต้พิภพใหม่ซึ่งนำไปสู่การพัฒนาเม็ดสีตรวจจับความร้อนที่เรียกว่าแบคเทอริโอคลอโรฟิลล์ซึ่งแบคทีเรียบางตัวยังคงอยู่ ใช้ตรวจจับสัญญาณอินฟราเรดที่เกิดจากความร้อน แบคทีเรียเหล่านี้เป็นต้นกำเนิดของลูกหลานที่สามารถสร้างคลอโรฟิลล์ซึ่งเป็นเม็ดสีที่สามารถจับความยาวคลื่นแสงที่สั้นกว่าและมีพลังมากกว่าจากดวงอาทิตย์และใช้เป็นแหล่งพลังงาน

ดังนั้นโดยพื้นฐานแล้วแบคทีเรียเหล่านี้จึงสร้างวิธีการจับพลังงานของแสงแดด การก้าวกระโดดของวิวัฒนาการครั้งต่อไปจำเป็นต้องใช้วิธีการกักเก็บพลังงานที่มั่นคงนั่นคือการสร้างแบตเตอรี่แสงแดดชนิดหนึ่งที่กระตุ้นให้โปรตอนสะสมที่ด้านใดด้านหนึ่งของเยื่อหุ้มภายในเมื่อเทียบกับอีกด้านหนึ่ง

การเผาไหม้น้ำ (Photosystem II)

ความมหัศจรรย์ที่แท้จริงของวิวัฒนาการของพืชและสาหร่ายคือในบางครั้งแบคทีเรียที่ผลิตคลอโรฟิลล์ในสมัยโบราณเหล่านี้เริ่มสร้างออกซิเจน หลังจากนั้นหลายพันล้านปีก่อนมีออกซิเจนน้อยมากในชั้นบรรยากาศและเป็นพิษต่อแบคทีเรียในยุคแรก ๆ จำนวนมาก (ยังคงเป็นพิษต่อแบคทีเรียที่ไม่ใช้ออกซิเจนซึ่งยังคงอยู่ในสถานที่ที่ไม่มีออกซิเจนบนโลก) อย่างไรก็ตามกระบวนการใหม่ในการจับภาพและจัดเก็บแสงแดดจำเป็นแบคทีเรียที่มีส่วนร่วมในการเผาผลาญน้ำใช่พวกเขาเผาสิ่งที่นักผจญเพลิงใช้ในการดับไฟ

กระบวนการเผาไหม้เป็นเพียงการออกซิเดชั่น - การแยกอิเล็กตรอนออกจากอะตอมหนึ่งและการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเหล่านั้นไปยังอีกอะตอมหนึ่ง (ซึ่งเรียกว่าการลดลง) แบคทีเรียสังเคราะห์แสงในยุคแรกได้พัฒนาวิธีการจับโฟตอนซึ่งโดยพื้นฐานแล้วเป็นอนุภาคของแสงและใช้พลังงานในการดึงโปรตอนและอิเล็กตรอนจำนวนมากเพื่อใช้ในการผลิตพลังงาน

ความก้าวหน้าของการพัฒนาครั้งใหญ่เกิดขึ้นเมื่อ 3 พันล้านปีก่อนคือเมื่อเครื่องจักรสังเคราะห์แสงได้รับการปรับปรุงให้สมบูรณ์จนถึงจุดที่คลอโรฟิลล์สามารถแยกโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุลในเวลาเดียวกัน - ทุกวันนี้เราเรียกสิ่งนี้ว่า " คลัสเตอร์คลอโรฟิลล์ - โปรตีนPhotosystem II "

แบตเตอรี่สีเขียว (ระบบภาพถ่าย I)

ไซยาโนแบคทีเรียพัฒนาขึ้นเมื่อแบคทีเรียสังเคราะห์แสงเหล่านี้ค้นพบวิธีเผาผลาญน้ำและกักเก็บพลังงานจากปฏิกิริยาเคมีนั้น ในการสังเคราะห์ด้วยแสง Photosystem II (การเผาไหม้ของน้ำ) ไม่สามารถคงอยู่ได้จริงหากไม่มีขั้นตอนที่สองคือPhotosystem Iซึ่งเกี่ยวข้องกับการดึงอิเล็กตรอนออกจากโมเลกุลของน้ำในขั้นตอนแรกและใช้ประโยชน์จากมันก่อนที่จะสลายตัว ระบบภาพถ่ายฉันทำสิ่งนี้โดยการติดอิเล็กตรอนเหล่านี้บนสายการประกอบทางเคมีเพื่อให้สิ่งมีชีวิตสามารถเก็บพลังงานที่หามาได้ยากซึ่งจะใช้ในการเปลี่ยน CO2 เป็นน้ำตาลเพื่อให้แบคทีเรียใช้เป็นอาหาร

รุ่งอรุณของคลอโรพลาสต์

เมื่อ Photosystems I และ II ถูกคัดแยกไซยาโนแบคทีเรียเข้ายึดครองมหาสมุทรและเนื่องจากออกซิเจนเป็นของเสียของมันจึงมีอยู่มากมายในชั้นบรรยากาศของโลก เป็นผลให้แบคทีเรียจำนวนมากกลายเป็นแอโรบิคนั่นคือพวกมันต้องการออกซิเจน (หรืออย่างน้อยก็ทนได้) สำหรับกระบวนการเผาผลาญของพวกมัน ประมาณหนึ่งพันล้านปีต่อมาโปรโตซัวได้วิวัฒนาการเป็นแบบไม่ใช้ออกซิเจน (สิ่งมีชีวิตที่ไม่ต้องการออกซิเจนในการเจริญเติบโต) เพื่อกักขังเหยื่อแบคทีเรียแบบแอโรบิค อย่างน้อยหนึ่งครั้งแบคทีเรียไม่ได้ย่อยอย่างสมบูรณ์ แต่อยู่ภายในเซลล์และลงเอยด้วยการช่วยให้สิ่งมีชีวิตที่ไม่ใช้ออกซิเจนที่แพ้ออกซิเจนรับมือกับสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิค สิ่งมีชีวิตทั้งสองนี้ติดกันและในที่สุดสิ่งมีชีวิตที่เป็นเหยื่อก็พัฒนาเป็นออร์แกเนลล์ของเซลล์ที่เรียกว่าไมโตคอนเดรีย

สถานการณ์คล้าย ๆ กันนี้เกิดขึ้นกับไซยาโนแบคทีเรียเมื่อประมาณ 1 พันล้านปีก่อน ในกรณีนี้เป็นโปรโตซัวแอโรบิกอาจ gobbled ขึ้นไซยาโนแบคทีเรียซึ่งจบลงด้วยการตั้งร้านค้าภายในโฮสต์ส่งผลให้ในขนาดเล็ก, เมมเบรนที่ถูกผูกไว้ organelle ร่วมกันกับพืชทั้งหมด: คลอโรพลา

เมื่อสาหร่ายและพืชหลายเซลล์วิวัฒนาการและได้รับประโยชน์จาก CO2 ที่มีอยู่มากมายและการเพิ่มออกซิเจนในชั้นบรรยากาศของโลกคลอโรพลาสต์จึงกลายเป็นสถานที่ที่การสังเคราะห์ด้วยแสง - ระบบภาพถ่าย I, II และสิ่งที่ซับซ้อนมากขึ้น - ลงไปในแต่ละเซลล์ เช่นเดียวกับไมโทคอนเดรียพวกมันมีดีเอ็นเอของตัวเองและใช้เวลาอย่างวุ่นวายในการเก็บเกี่ยวแสงให้กับพืชสร้างรากฐานทั้งหมดสำหรับสิ่งมีชีวิตบนโลก

ตอนนี้น่าสนใจ

ยุคน้ำแข็งแรกของโลกน่าจะเป็นผลมาจากไซยาโนแบคทีเรียที่สร้างออกซิเจนจำนวนมากและกลืนคาร์บอนเข้าไปในชั้นบรรยากาศมากจนอุณหภูมิลดลง