บทที่ 2 การสังเคราะห์ด้วยแสง รายวิชาชีววิทยาเพิ่มเติม 3

ภาคเรียนที่ 2 ปีการศึกษา 2559

คุณครูฐิตารีย์ ส าเภา โรงเรียนท่ามะกาวิทยาคม

ส านักงานเขตพื้นที่การศึกษามัธยมศึกษาเขต 8 (กาญจนบุรี-ราชบุรี)

สืบค้นข้อมูล วิเคราะห์และสรุปผลการค้นคว้าของนักวิทยาศาสตร์ในอดีตเกี่ยวกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

สืบค้นข้อมูล อธิบายและสรุปขั้นตอนที่ส าคัญของกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

ทดลองและสรุปความสามารถในการดูดกลืนแสงของสารสีชนิดต่างๆ

สืบค้นข้อมูล อธิบายและสรุปการเกิดโฟโตเรสไพเรชัน

สืบค้นข้อมูล อภิปรายและเปรียบเทียบกลไกการเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ในพืช C4 และ พืช CAM

ทดลอง อธิบาย และสรุปเกี่ยวกับอัตราการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช

สืบค้นข้อมูล วิเคราะห์และอธิบายเกี่ยวกับปัจจัยบางประการที่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง

สืบค้นข้อมูล และอภิปรายเก่ียวกับการปรับตัวของพืชเพื่อรับแสง

จุดประสงค์การเรียนรู้

การค้นคว้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการสังเคราะหด์้วยแสง

โฟโตเรสไพเรชัน

กลไกการเพิ่มความเข้มข้นของคารบ์อนไดออกไซด์ในพืช C4

กลไกการเพิ่มความเข้มข้นของคารบ์อนไดออกไซด์ในพืช CAM

ปัจจัยบางประการที่มีผลต่ออัตราการสังเคราะห์ด้วยแสง

การปรับตัวของพืชเพื่อรบัแสง

เนื้อหา (CONTENT)

พ.ศ. 2191 ฌอง แบบติสท์ แวน เฮลมอง (Jean Baptiste Van Helmont) พ.ศ. 2315 โจเซฟ พริสต์ลีย์ (Joseph Priesley) พ.ศ. 2322 แจน อินเก็น ฮูซ (Jan Ingen Housz) พ.ศ. 2325 ฌอง ซีนีบิเยร์ (Jean Senebier) พ.ศ. 2347 นิโคลาส ธีโอดอร์ เดอ โซซูร์ (Nicolas Theodore de Soussure) พ.ศ. 2405 จูเลียส ซาซ (Julius Sachs) พ.ศ. 2438 เองเกลมัน (T.W. Engelmann) พ.ศ. 2473 แวน นีล (Van Niel) พ.ศ. 2484 แซม รูเบน และมาร์ติน คาเมน (Sam Ruben และ Martin Kamen) พ.ศ. 2475 โรบิน ฮิลล์ (Robin Hill) พ.ศ. 2494 แดเนียล อาร์นอน (Daniel Arnon)

การค้นคว้าที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ด้วยแสง

ฌอง แบบติสท์ แวน เฮลมอง (JEAN BAPTISTE VAN HELMONT)

วัตถุดิบที่ใช้ : ต้นหลิว และน ้า ผลที่ได้ : น ้าหนักของต้นหลิวที่เพิ่มขึ้น ข้อสรุป : น ้าหนักของต้นหลิวที่เพิ่มขึ้นนั้น ได้มาจากน ้าเพียงอย่างเดียว (โดยลืมพิจารณาถึง อากาศ แสง อุณหภูมิและสิ่งแวดล้อมอื่นๆ ที่เก่ียวข้อง)

การทดลองที่ 1

โจเซฟ พริสต์ลีย์ (JOSEPH PRIESLEY)

สรุปการทดลองนี้ว่า “ การลุกไหม้ของเทียนไขและการหายใจของหนูท าให้เกิดอากาศเสีย

วัตถุดิบที่ใช้ : อากาศเสีย ผลที่ได้ : อากาศดี ข้อสรุป : พืชสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้กลับมาเป็นอากาศดีได้

โจเซฟ พริสต์ลีย์ (JOSEPH PRIESLEY) การทดลองที่ 2

พิสูจน์ให้เห็นว่า การทดลองของพริสต์ลีย์ จะได้ผลก็ต่อเมื่อพืชได้รับแสงสว่างเท่านั้น พืชจึงจะสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได ้

แจน อินเก็น ฮูซ (JAN INGEN HOUSZ)

ปี พ.ศ. 2329 ค้นพบว่า “พืชเก็บธาตุคาร์บอนไว้ในรูปของสารอินทรีย์”

แจน อินเก็น ฮูซ (JAN INGEN HOUSZ)

วัตถุดิบที่ใช้ : คาร์บอนไดออกไซด์ ผลท่ีได้ : สารอินทรีย์ และออกซิเจน ข้อสรุป : แสงสว่าง ข้อสรุป คาร์บอนไดออกไซด์ สารอินทรีย์ + ออกซิเจน พืชสีเขียว

แจน อินเก็น ฮูซ (JAN INGEN HOUSZ)

ปี พ.ศ. 2339 เสนอข้อมูลว่า “พืชเก็บธาตุคาร์บอนซึ่งได้จากแก๊ส CO2 ไว้ในรูปของสารอินทรีย์ และปลดปล่อยแก๊ส O2 ออกมา”

จากการทดลองของฮูซจะเห็นได้ว่าการเจริญเติบโตของพืชส่งผลให้น้ าหนักของพืชเพ่ิมขึ้น ซึ่งส่วนใหญ่เป็นผลมาจากการสังเคราะห์สารอินทรีย์ โดยน้ าหนักขอพืชที่เพิ่มขึ้นมาจากแก๊ส CO2 ที่พืชน าเข้าไป และพืชยังปล่อย O2 ออกสู่บรรยากาศเม่ือพืชได้รับแสง

พบว่า “แก๊สท่ีเกิดจากการลุกไหม้ และแก๊สท่ีเกิดจากการหายใจของสัตว์ คือ CO2 ส่วนแก๊สที่ช่วยในการลุกไหม้ และแก๊สที่ใช้ในการหายใจของสัตว์ คือ O2 แสดงว่าเมื่อพืชได้รับแสง พืชจะน า CO2 เข้าไป และปล่อย O2 ออกมา”

ฌอง ซีนีบิเยร์ (JEAN SENEBIER)

พบว่า พืชมีการดูด CO2 ไปใช้ในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งสอดคล้องกับการศึกษาของฮูซ นอกจากนี้ยังทดลองให้เห็นว่า น ้าหนักของพืชที่เพิ่มขึ้นมากกว่าน ้าหนักของ CO2 ที่พืชได้รับ เขาสันนิษฐานว่าน ้าหนักของพืชที่เพิ่มขึ้นบางส่วนเป็นน ้าหนักของน ้าที่พืชได้รับ

วัตถุดิบที่ใช้ : CO2 และ H2O

ผลท่ีได้ : สารอินทรีย์ และ O2

ข้อสรุป :

แสงสว่าง

CO2 + H2O สารอินทรีย์ (คาร์โบไฮเดรต) + O2

พืชสีเขียว

นิโคลาส ธีโอดอร์ เดอ โซซูร์ (NICOLAS THEODORE DE SOUSSURE)

ทดลองโดยใช้โคมไฟฉายแสงให้พืชสีเขียวหลายชนิด

พบว่า “พืชสามารถสังเคราะห์แป้งขึ้นในใบ และเม่ือปิดไฟเป็นเวลานาน แป้งจะสลายไป ซึ่งทราบผลปริมาณของแป้งโดยทดสอบกับสารละลายไอโอดีน

จากการทดลองแสดงว่า “สารอินทรีย์ที่พืชสังเคราะห์ขึ้นคือ แป้ง ซึ่งเป็นสารประเภทคาร์โบไฮเดรต

ต่อมานักวิทย์จึงเรียก กระบวนการสร้างอาหารของพืชที่อาศัยแสงว่า กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis)

จูเลียส ซาซ (JULIUS SACHS)

ใช้ Aerobic bacteria และใช้สาหร่าย spirogyra ที่มีรงควัตถุเหมือนพืช เพ่ือยืนยันว่าความยาวคลื่นแสงสีแดง และแสงสีม่วง ท าให้เกิดการสังเคราะห์แสงมากที่สุด คือมีการปล่อย ออกซิเจนออกมามากสุดนั่นเอง

จากการทดลองพบว่า Aerobic bacteria มารวมกลุ่มกันที่บริเวณสาหร่าย ได้รับแสงสีม่วง สีแดงและสีน ้าเงิน เพราะทั้งสองบริเวณนี้สาหร่ายจะให้แก๊สออกซิเจน

สรุปว่า “คลอโรฟิลล์เป็นสารสีที่ส าคัญที่ท าหน้าที่ดูดซับพลังงานแสงเพ่ือให้เกิดการสังเคราะห์สารอาหารขึ้น”

เองเกลมัน (T.W. ENGELMANN)

พบว่าแบคทีเรียบางชนิดสามารถสังเคราะห์ด้วยแสงได้โดยไม่ใช้น้ าแต่ใช้ H2S แทน ผลที่ได้จากการสังเคราะห์ด้วยแสงแทนที่จะเป็น O2 แต่กลับเป็น S ออกมาแทน แสดงว่า S เกิดจากการสลายตัวของ H2S

แวน นีล (VAN NIEL)

แวน นีล จึงเสนอสมมติฐานว่า “การสังเคราะห์ด้วยแสงของแบคทีเรียน่าจะคล้ายกับการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช นั่นคือ ในการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช โมเลกุลของน้ าจะถูกแยกสลายได้ออกซิเจนอิสระ

สรุปผลการทดลองได้ว่า “ออกซิเจนที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงมาจากโมเลกุลของน้ าเท่านั้น”

แซม รูเบน และมาร์ติน คาเมน (SAM RUBEN และ MARTIN KAMEN)

ท าการทดลองโดยใช้สาหร่ายสีเขียวปริมาณเท่ากันใส่ลงในขวดแก้วสองใบ แล้วใส่น้ าและ CO2 ลงไปในขวดทั้งสอง

สรุปได้ว่า “ไฮโดรเจนที่เกลือเฟอริกได้รับและออกซิเจนที่เกิดขึ้นมาจากการแตกตัวของน้ า

การทดลองนี้น าไปสู่แนวคิดที่ว่าปฏิกิริยาการสังเคราะห์ด้วยแสงน่าจะมีอย่างน้อย 2 ชั้นตอนใหญ่ๆ คือ ขั้นที่ปล่อย O2 กับขั้นที่เกี่ยวข้องกับ CO2 เรียกปฏิกิริยานี้ปฏิกิริยาฮิลล์ โดยต่อมาเรียกว่า โฟโตไลซิส ซึ่งเป็นปฏิกิริยาที่น้ าแตกตัวออกโดยแสงและได้ O2

โรบิน ฮิลล์ (ROBIN HILL)

แดเนียล อาร์นอน (DANIEL ARNON)

ปฏิกิริยาที่ต้องใช้แสง

วัตถุดิบที่ใช้ : ADP , Pi , NADP+, H2O และ คลอโรพลาสต์

ผลที่ได้ : ATP , NADPH และ O2

ข้อสรุป :

แสงสว่าง

คลอโรพลาสต ์+ H2O + ADP + Pi + NADP+ ATP + NADPH + O2

แดเนียล อาร์นอน (DANIEL ARNON)

แดเนียล อาร์นอน (DANIEL ARNON)

ปฏิกิริยาที่ไม่ใช้แสง

วัตถุดิบที่ใช้ : ATP , NADPH, CO2 , H2O และคลอโรพลาสต์

ผลที่ได้ : น ้าตาล ADP, Pi และ NADP+

ข้อสรุป :

ATP , NADPH + CO2 + H2O + คลอโรพลาสต์ น ้าตาล + ADP + Pi + NADP+

จะเห็นได้ว่า การสร้างน ้าตาลของคลอโรพลาสตน์ั้น ไม่จ าเป็นต้องใช้แสง แต่ต้องมี ATP , NADPH, CO2

แดเนียล อาร์นอน (DANIEL ARNON)

จากการทดลองของอาร์นอน สรุปได้ดังนี้

ขั้นตอนการใช้แสง

แสง

ADP + Pi + NADP+ + H2O ATP+ NADPH + O2

คลอโรฟิลล์

ขั้นตอนของการใช้คาร์บอนไดออกไซด์

ATP + NADPH + CO2 + H2O น ้าตาล + ADP + Pi+ NADP+

คลอโรฟิลล์

แสงมีบทบาทส าคัญในการแยกน ้า กระตุ้นให้อิเล็กตรอนหลุดออกจากโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ และส าคัญต่อการสร้าง ATP และ NADPH

ในการสร้างน ้าตาลไม่จ าเป็นต้องใช้แสง

แดเนียล อาร์นอน (DANIEL ARNON)