Vì sao CO2+H2O→C6H12O6+O2 là phương trình quan trọng nhất trong sinh học?

Mèo Cọp

“This world is merciless.”
Thành viên thân thiết
Tham gia
25/11/2012
Bài viết
351
(kenhsinhvien.vn) Sự sống sẽ không tồn tại nếu không có phương trình này.

Gần đây tiến sĩ Ethan Siegel đồng nghiệp tôi vừa viết một bài tham luận giải thích vì sao phương trình F = ma (lực tác động = khối lượng x gia tốc) là phương trình quan trọng bậc nhất trong vật lý. Phương trình có vẻ như khá khiêm nhường đó, được gọi là định luật II Newton về chuyển động, lại rất hữu ích đối với các nhà vật lý học ở mọi cấp độ và thậm chí còn đưa ra gợi ý về thuyết tương đối hẹp.


1643202765534.png

Điều đó khiến tôi suy nghĩ: Có phải mọi lĩnh vực khoa học đều có một phương trình như vậy không? Một phương trình quan trọng đến mức bản thân chủ đề hoặc lĩnh vực đó không thể tồn tại nếu không có phương trình ấy. Với tư cách là một nhà vi sinh vật học, tôi đã nghĩ ngợi về điều đó rất nhiều và đi đến kết luận rằng đúng là vậy, có một phương trình như thế trong sinh học: CO2 + H2O → C6H12O6 + O2. (Đó là phương trình chưa cân bằng. Phương trình đã cân bằng trông như thế này: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.)

Dễ hiểu hơn thì là vầy: cacbon dioxit + nước → glucose + oxi. Đây là quá trình quang hợp, và nếu không có nó, có thể sẽ không có cỏ cây hay muôn thú nào cả.


Vì sao quang hợp thống trị thế giới

Vì nhiều lý do nên tôi sẽ miêu tả kỹ hơn sau, nhưng mọi sinh vật sống đều cần 3 thứ: nguồn năng lượng, nguồn cacbon và nguồn electron. Thực vật (và vi khuẩn sống nhờ quang hợp) nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời, nhận cacbon từ khí CO2 và nhận electron từ H2O. Tuy nhiên cũng quan trọng không kém quang hợp, cần lưu ý rằng bản thân sự sống không nhất thiết phải có quang hợp. Vi sinh vật có cách để tồn tại ở bất cứ đâu trên Trái Đất. Ví dụ, một số vi sinh vật sống dưới biển thẳm (nơi không có ánh sáng) và nhận năng lượng từ hoá chất sunfua. Có ánh sáng thì vui nhưng sự sống không nhất thiết phải có ánh sáng.

Dù quang hợp sử dụng năng lượng không hiệu quả lắm, nhưng nó là dạng thức cuối cùng của tự dưỡng. Để tiến hoá khả năng quang hợp, những tế bào phức hợp đầu tiên (được gọi là sinh vật nhân thực) đã ăn các vi khuẩn sở hữu khả năng quang hợp rồi, tạo nên một mối quan hệ đôi bên cùng có lợi – tế bào quang hợp nhỏ hơn có một ngôi nhà đẹp bên trong một tế bào lớn. Tế bào lớn nhận “tiền thuê” dưới dạng thức ăn và năng lượng. Mối quan hệ này diễn ra một cách tốt đẹp, vì những sự kết hợp từ thời cổ sơ ấy cuối cùng đã tiến hoá thành thực vật rất đa dạng ta có ngày nay. Điều đó khiến cho mọi loài thực vật đều quang hợp (với ngoại lệ là một vài loài thực vật ký sinh).


Giải thích phương trình “cacbon dioxit + nước → glucose + oxi”

Phương trình biểu thị quá trình quang hợp đơn giản đến mức gây hiểu lầm: Cho một cái cây khí CO2 và nước rồi nó sẽ tạo ra thức ăn (đường) và oxi. Nhưng đằng sau hậu đài là cả một chuỗi các phản ứng hoá học rối rắm, và có lẽ thêm một chút cơ học lượng tử nữa.

Ta sẽ bắt đầu với nước trước. Nước là nguồn electron mà thực vật cần để kích hoạt quá trình này. Khi ánh sáng (nguồn năng lượng) chiếu vào chất diệp lục (có trong một cấu trúc phức tạp gọi là hệ thống quang hợp, hệ thống này gắn vào một lớp màng gọi là thylakoid), phân tử nước sẽ nhường electron. Những electron này sẽ tiếp tục hoàn thành một số quá trình thú vị. Nhưng chất diệp lục muốn electron ở lại, nên nó đánh cắp electron từ phân tử nước. Phân tử nước sau đó tách thành 2 proton (H+) và một nguyên tử oxi. Việc đó khiến nguyên tử oxi thấy lẻ loi và buồn bã, nên nó cặp kè với một nguyên tử oxi khác, tạo thành O2, chính là dạng oxi phân tử mà ta hít thở.


Ảnh: Rao, A., Ryan, K., Tag, A., Fletcher, S. và Hawkins, Khoa Sinh học, Đại học Texas A&M / OpenStax.

Giờ ta trở lại với những electron thú vị kia. Như trò tung hứng, các electron được chuyền từ protein này sang protein khác. Trên đường di chuyển, các protein khiến những proton (H+) bị bơm ra mặt kia của màng tế bào, tạo nên một chênh lệch điện hoá mạnh, tương tự như bình ắc quy. Khi “ắc quy” này phóng điện, nó tạo ra một phân tử giàu năng lượng là ATP. Nếu các tế bào có tiền, thì ATP chính là đồng tiền đó.

Nhưng đó không phải là thứ duy nhất electron tạo ra trên đường đi. Khi các electron không bị tung hứng nữa, chúng nhảy ra ngoài một phân tử gọi là NADPH, phân tử này có thể được coi là một con tàu chuyên chở electron. Về cơ bản, NADPH là phân tử có thể mang electron đi đến một nơi khác, thường là để cấu tạo nên một chất mới.

Hãy tạm dừng lại một chút để tóm tắt kết quả cây xanh đã làm: Cây hấp thụ ánh sáng và dùng năng lượng đó để tách electron ra khỏi nước, tạo ra sản phẩm phụ là khí oxi (O2). Sau đó cây sử dụng những electron ấy để tạo ra “tiền” (ATP), và rồi những electron tiếp tục bắt một chuyến xe buýt (NADPH). Giờ đã đến lúc để tiêu tiền và tái sử dụng các electron vào một quá trình gọi là chu trình Calvin.


Ảnh: Rao, A., Ryan, K., Tag, A., Fletcher, S. và Hawkins, Khoa Sinh học, Đại học Texas A&M / OpenStax.

Chu trình Calvin là thời điểm cacbon dioxit (CO2) bước lên sân khấu. Đây là quá trình “cố định” CO2 thành thể rắn bằng cách kết hợp CO2 với đường C5 để tạo ra đường C6. (Có lẽ enzyme rubisco thực hiện phản ứng này là protein dồi dào nhất trên Trái Đất.) Lưu ý rằng tế bào phải sử dụng ATP và NADPH được tạo ra trước đó để duy trì chu trình. Sản phẩm cuối cùng của chu trình là phân tử G3P. Tế bào có thể dủng G3P vào nhiều mục đích, từ tạo ra thức ăn (như đường glucose) đến kiến tạo cấu trúc phân tử để cây xanh có thể sinh trưởng.

Lời cảm ơn gửi đến quang hợp

Mỗi thành tố của phương trình quang hợp đều đã được nhắc đến. Một tế bào thực vật sẽ dùng cacbon dioxit (CO2) và nước (H2O) làm nguyên liệu đầu vào (với CO2 để cây chuyển cacbon thành thể rắn và nước là nguồn electron) và tạo ra sản phẩm là glucose (C6H12O6) và khí oxi (O2). Khí oxi là một loại chất thải trong quá trình này, nhưng cũng không hẳn thế. Đến cuối cùng, cây xanh cũng cần “ăn” glucose nó vừa tạo ra, và quá trình đó đòi hỏi phải có khí oxi.

Ảnh: Rao, A., Ryan, K., Fletcher, S., Hawkins, A. và Tag, A. Đại học Texas A&M / OpenStax.

Mặc dù một số loại vi khuẩn có thể sống mà không cần ánh sáng hay quang hợp, nhưng hầu hết sự sống trên Trái Đất đều nhất mực dựa vào quang hợp. Quang hợp cung cấp khí oxi cho những dạng sống cần năng lượng. Chúng ta cần khí oxi để tồn tại. Bên cạnh đó, chúng ta cũng tiêu thụ những phân tử chứa cacbon thể rắn để lấy năng lượng và sinh trưởng. Nếu không có quang hợp, chúng ta sẽ không ngồi đây. Hệ quả tất yếu là, những hành tinh không có đủ ánh sáng mặt trời để hỗ trợ quá trình quang hợp gần như chắc chắn không có các dạng sống phức tạp.

Sự sống và ngành sinh học trông cậy rất nhiều vào quang hợp. Vậy nên hãy trao cho chậu cây nhà bạn một cái ôm thắm thiết.


Dịch bởi Kenhsinhvien.vn
(Theo Bigthink)
 
Top