การศึกษาเกียวกับการสร้างอาหารของพืช

การค้นคว้าที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
ความรู้เกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชในปัจจุบันนี้ได้มาจากการศึกษาค้นคว้าของนักวิทยาศาสตร์หลายท่าน ซึ่งการตั้งสมมุติฐานและข้อสรุปที่ได้จากการทำการทดลองของนักวิทยาศาสตร์ที่เราควรทราบมีดังต่อไปนี้

#ในปี ค.ศ. 1648 แวน เฮลมองท์ (Van Helmont) นักวิทยาศาสตร์ชาวเบลเยียม ได้ทำการทดลองปลูกต้นหลิวในกระถาง โดยการควบคุมตัวแปรต่างๆ ที่มีผลต่อการเจริญเติบโตของพืช เช่น ปริมาณดิน ปริมาณน้ำ อุณหภูมิ แสงสว่าง เป็นต้น เวลาผ่านไป 5 ปี ต้นหลิวมีการเจริญเติบโตมากขึ้น เมื่อนำต้นหลิวไปชั่งน้ำหนักพบว่ามีน้ำหนักเพิ่มขึ้นจากเดิมมาก แต่น้ำหนักของดินในกระถางลดลงไปเพียงเล็กน้อยเท่านั้น จากการทดลองดังกล่าวแวน เฮลมองท์ได้ให้ข้อสรุปได้ว่า น้ำหนักของต้นหลิวที่เพิ่มขึ้นได้มาจากน้ำเพียงอย่างเดียว ซึ่งข้อสรุปนี้ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางมากในยุคนั้น

# ในปี ค.ศ. 1772 โจเซฟ พริสต์ลีย์ (Joseph Priestley) นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ได้ทำการทดลองจุดเทียนไขไว้ในครอบแก้ว พบว่าเพียงชั่วครู่เทียนไขก็จะดับ และเมื่อทำการทดลองอีกครั้งโดยใส่หนูไว้ในครอบแก้ว พบว่าหนูมีชีวิตอยู่ได้เพียงชั่วระยะเวลาหนึ่งแล้วก็จะตาย จากการทดลองดังกล่าว โจเซฟ พริสต์ลีย์ได้ให้ข้อสรุปไว้ว่า การลุกไหม้ของเทียนไขและการหายใจของหนูทำให้เกิดอากาศเสีย ดังนั้นจึงทำให้เทียนไขดับและทำให้หนูตาย

ต่อมาโจเซฟ พริสต์ลีย์ ได้ทำการทดลองจุดเทียนไขไว้ในครอบแก้วและนำต้นสะระแหน่ใส่ไว้ด้วย พบว่าเทียนไขยังคงจุดติดไฟได้ดี และเมื่อทำการทดลองอีกครั้งโดยใส่หนูไว้ในครอบแก้วและนำต้นสะระแหน่ใส่ไว้ด้วย พบว่าหนูยังคงมีชีวิตอยู่ได้เป็นเวลานาน จากการทดลองดังกล่าวโจเซฟ พริสต์ลีย์ได้ให้ข้อสรุปไว้ว่า พืชสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได้

# ในปี ค.ศ. 1799 แจน อินเก็น-ฮูซ (Jan Ingen-Housz) นักวิทยาศาสตร์ชาวดัทช์ ได้ทำการทดลองคล้ายกับโจเซฟ พริสต์ลีย์ โดยใส่พืชไว้ในครอบแก้ว แต่แยกเป็นส่วนต่างๆ ของพืช เช่น ลำต้น ใบ เป็นต้น แล้วทิ้งไว้ในที่มืดชั่วระยะเวลาหนึ่ง หลังจากนั้นจึงจุดเทียนไขไว้ในครอบแก้วแต่ละอัน พบว่าเทียนไขในครอบแก้วทุกอันไม่ติดไฟ และเมื่อทำการทดลองอีกครั้งโดยนำครอบแก้วทุกอันไปไว้ในบริเวณที่มีแสงสว่างระยะเวลาหนึ่ง หลังจากนั้นจึงจุดเทียนไขในครอบแก้วแต่ละอัน พบว่าในครอบแก้วที่มีส่วนของพืชซึ่งมีสีเขียวสามารถจุดเทียนไขให้ติดไฟได้ จากการทดลองดังกล่าวแจน อินเก็น-ฮูซได้ให้ข้อสรุปไว้ว่า ส่วนของพืชที่มีสีเขียวสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได้ โดยพืชต้องอาศัยแสงเป็นปัจจัยในกระบวนการดังกล่าวด้วย

# ในปี ค.ศ. 1804 นิโคลาส ธีโอดอร์ เดอ โซซูร์ (Nicolas Theodore de Soussure) ได้ทำการรวบรวมและศึกษาผลงานของนักวิทยาศาสตร์ในอดีตหลายๆ ท่าน โดยอาศัยความรู้พื้นฐานทางด้านเคมีสมัยใหม่ ทำให้ได้ข้อสรุปเกี่ยวกับกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชดังต่อไปนี้
- พืชจะคายแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และแก๊สออกซิเจนในเวลากลางวัน และจะคายเฉพาะแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ในเวลากลางคืน แสดงว่าพืชหายใจตลอดเวลา แต่พืชมีการสังเคราะห์แสงเฉพาะเวลากลางวันหรือเมื่อได้รับแสง
- แร่ธาตุในดินมีความจำเป็นต่อการเจริญเติบโตของพืช
- น้ำไม่ใช่เพียงละลายแร่ธาตุในดินให้แก่พืชเท่านั้น แต่น้ำยังมีบทบาทสำคัญโดยตรงในกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช

การสร้างอาหารของพืช

สมการการสร้างอาหารของพืช

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชเป็นปฏิกิริยาเคมีที่ซับซ้อน โดยสามารถเขียนสมการเคมีแสดงการเกิดกระบวนการได้ดังนี้

จากสมการจะเห็นได้ว่ากระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืชนั้นมีวัตถุดิบและสิ่งที่พืชจำเป็นต้องใช้ดังนี้
1. แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) เป็นแก๊สที่เกิดขึ้นจากการหายใจของพืชและสิ่งมีชีวิตต่างๆ เกิดจากการเผาไหม้ของสาร และการย่อยสลายของสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิต ซึ่งในอากาศมีแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ประมาณ 0.03-0.04 เปอร์เซ็นต์ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์เป็นวัตถุดิบที่ใช้ในการสร้างอาหารของพืช โดยเป็นแก๊สที่ให้ธาตุคาร์บอนแก่พืชเพื่อนำไปใช้การสร้างแป้งและน้ำตาล (สารอาหารประเภทคาร์โบไฮเดรต)
2. น้ำ (H2O) เป็นวัตถุดิบที่พืชดูดซึมมาจากดิน โดยอาศัยหลักการแพร่ของน้ำจากรากเข้าสู่ท่อลำเลียงน้ำของพืชไปยังใบ น้ำเป็นสารที่ให้ธาตุไฮโดรเจนแก่พืช เมื่อธาตุไฮโดรเจนรวมกับแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์จะได้เป็นสารประกอบคาร์โบไฮเดรต
3. แสงสว่าง (light) เป็นพลังงานที่มีบทบาทสำคัญต่อกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช โดยพลังงานแสงทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีระหว่างแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำซึ่งเป็นวัตถุดิบ สำคัญในการสร้างน้ำตาลกลูโคสและแก๊สออกซิเจน พืชแต่ละชนิดต้องการแสงเพื่อใช้ในการสร้างอาหารไม่เท่ากัน พืชบางชนิดต้องการแสงในปริมาณมาก เช่น ทานตะวัน เฟื่องฟ้า ข้าว เป็นต้น แต่พืชบางชนิดต้องการแสงในปริมาณน้อย เช่น พลูด่าง เป็นต้น
4. คลอโรฟิลล์ (chlorophyll) เป็นสารประกอบพวกรงควัตถุที่ทำหน้าที่ดูดกลืนพลังงานแสงสีต่างๆ จากแสงแดด (ยกเว้นแสงสีเขียวและสีเหลือง) คลอโรฟิลล์เป็นโปรตีนชนิดหนึ่งที่มีธาตุแมกนีเซียม ธาตุเหล็ก และธาตุแมงกานีสเป็นองค์ประกอบอยู่ภายในโมเลกุล พบได้ในพืชและสาหร่ายทุกชนิด ซึ่งในพืชและสาหร่ายแต่ละชนิดนั้นประกอบด้วยคลอโรฟิลล์หลายชนิดที่แตกต่างกันออกไปดังนี้
- คลอโรฟิลล์เอ เป็นคลอโรฟิลล์ที่มีสีเขียวแกมน้ำเงิน มีสมบัติทางเคมีคือ ไม่ละลายในน้ำ แต่สามารถละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เอทิลแอลกอฮอล์ เอทิลอีเทอร์ อะซีโตน คลอโรฟอร์ม เป็นต้น คลอโรฟิลล์เอพบในพืชสีเขียวหรือพืชที่มีกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงทุกชนิด
- คลอโรฟิลล์บี เป็นคลอโรฟิลล์ที่มีสีเขียวแกมเหลือง มีสมบัติทางเคมีคือ ไม่ละลายน้ำ แต่สามารถละลายได้ในตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เอทิลแอลกอฮอล์ เอทิลอีเทอร์ อะซีโตน เป็นต้น พบในพืชชั้นสูงและสาหร่ายสีเขียว (green algae)
- คลอโรฟิลล์ซี เป็นคลอโรฟิลล์ที่พบในสาหร่ายสีน้ำตาล (brown algae) และสาหร่ายสีทอง (golden algae)
- คลอโรฟิลล์ดี เป็นคลอโรฟิลล์ที่พบในสาหร่ายสีแดง (red algae)



ผลผลิตที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง
เมื่อพืชเกิดกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปลี่ยนรูปพลังงานแสงให้เป็นพลังงานเคมี โดยมีการสะสมพลังงานเคมีอยู่ในผลิตภัณฑ์คือ น้ำตาลกลูโคสและแก๊สออกซิเจน ดังนี้
1. น้ำตาลกลูโคส (C6H12O6) น้ำตาลกลูโคสที่สังเคราะห์ได้นี้บางส่วนถูกนำไปใช้ในกระบวนการหายใจของพืชเพื่อเปลี่ยนเป็นพลังงานต่อไป น้ำตาลบางส่วนถูกเปลี่ยนไปเป็นแป้งทันทีและพืชจะเก็บสะสมไว้ที่ใบ ราก และลำต้น และน้ำตาลบางส่วนถูกนำไปใช้ในการสร้างเซลลูโลสซึ่งเป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์ของพืช นอกจากนี้น้ำตาลบางส่วนจะรวมกับแร่ธาตุในเซลล์พืชแล้วเปลี่ยนไปเป็นสารอื่นได้อีก เช่น โปรตีน ไขมัน น้ำมันในเมล็ดพืช เป็นต้น
2. แก๊สออกซิเจน (O2) แก๊สออกซิเจนถูกนำไปใช้ในกระบวนการหายใจของพืช ซึ่งเมื่อแก๊สออกซิเจนรวมกับอาหารจะเปลี่ยนเป็นพลังงานให้แก่เซลล์พืช เพื่อนำไปใช้ในการดำเนินกิจกรรมต่างๆ ภายในเซลล์ ส่วนแก๊สออกซิเจนที่มากเกินความต้องการของพืช พืชก็จะคายออกมาทางปากใบ