ประวัติการค้นพบสมการ การสังเคราะห์ด้วยแสง

ประวัติการค้นพบสมการ การสังเคราะห์ด้วยแสง

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง เป็นกระบวนการเดียวในธรรมชาติที่สามารถเปลี่ยนสารอนินทรีย์ ให้กลายเป็นสารอินทรีย์ได้ แต่กว่าที่มนุษย์เราจะเข้าใจกระบวนการเหล่านั้นก็ใช้เวลาในการศึกษาอยู่หลายช่วงอายุคน มาดูกันว่า กว่าจะได้สมการการสังเคราะห์ด้วยแสงมา นักวิทยาศาสตร์ต้องทำอะไรกันบ้าง

สมการการสังเคราะห์ด้วยแสง

ยุคที่ 1 : ยุคที่มนุษย์ยังเชื่อว่าพืชได้สารอาหารทั้งหมดมาจากดิน

การทดลองของ Jean Baptiste Van Helmont 

ทดลองปลูกต้นหลิว น้ำหนัก 2.3 กิโลกรัม ลงในกระถางที่มีดินอยู่ 90 กิโลกรัม เป็นเวลา 5 ปี

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้นในการทดลองครั้งนี้ คือ น้ำที่ใช้ในการรดต้นหลิว ตลอด 5 ปี 

ส่วนตัวแปรตาม คือน้ำหนักของต้นหลิวที่เพิ่มขึ้น

ผลการทดลองพบว่า ต้นหลิวมีน้ำหนักเพิ่มขึ้น 77 กิโลกรัม ในขณะที่น้ำหนักของดินหายไปเพียง  0.057 กิโลกรัม เท่านั้น

สรุปผลการทดลอง : น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของพืช มาจากน้ำ 

(ล้มล้างความเชื่อเดิมๆ ที่เข้าใจว่าพืชได้สารอาหารทั้งหมดมาจากดิน)

การทดลองของ Joseph Priestley

ทดลอง 2 การทดลอง ดังนี้

การทดลองที่ 1

เป็นการทดลองเพื่อพิสูจน์ว่าอากาศที่เสีย จะทำให้หนูตาย และทำให้เทียนไขดับ

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ อากาศในครอบแก้ว

ส่วนตัวแปรตาม คือ การตายของหนู และการดับของเทียนไข

ผลการทดลองพบว่า 

เทียนไขที่จุดไว้ในครอบแก้ว จะดับภายในเวลา 3 นาที -----(ชุดการทดลองที่ 1)

หนูที่ปล่อยไว้ในครอบแก้ว จะตายภายใน ในเวลา 3 นาที ----- (ชุดการทดลองที่ 2)

ทดลองนำหนูใส่ในครอบแก้วที่ผ่านการทดลองชุดที่ 1 แล้ว พบว่าหนูตายทันที

ทดลองนำเทียนไขจุดไฟ ใส่ในครอบแก้วที่ผ่านการทดลองชุดที่ 2 แล้ว พบว่าเทียนไขดับทันที

สรุปผลการทดลอง : แก๊สที่ทำให้เทียนไขดับ เป็นแก๊สเดียวกันที่ทำให้หนูตาย

*** การทดลองของ J. Priestley น่าสนใจหลายอย่าง ที่สามารถนำไปใช้สอนเรื่องการออกแบบการทดลองได้เป็นอย่างดี เช่น นักเรียนคิดว่าจะจุดเทียนไขอย่างไร โดยไม่ให้อากาศรั่วออกจากครอบแก้ว เป็นต้น

การทดลองที่ 2 

เป็นการทดลองเพื่อพิสูจน์ว่าพืชสามารถทำให้อากาศเสีย กลับเป็นอากาศดีได้ 

นิยามศัพท์เฉพาะ :
- อากาศเสีย หมายถึง อากาศที่ทำให้เทียนไขดับ และ
- อากาศดี หมายถึง อากาศที่จุดเทียนไขติดได้

ทดลองโดยการนำพืชใส่ในครอบแก้ว ที่ผ่านการทดลองชุดที่ 1 แล้ว (ครอบแก้วนี้เต็มไปด้วยอากาศเสีย) ตั้งทิ้งไว้ 10 วัน จากนั้นทำการจุดเทียนไข 

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ พืช

ส่วนตัวแปรตาม คือ การติดไฟของเทียนไข

ผลการทดลองพบว่า หลังจากใส่พืชเข้าไปในครอบแก้วเป็นเวลา 10 วัน พบว่าเทียนไขที่ดับจากชุดการทดลองที่ 1 สามารถจุดติดได้อีกครั้ง (ไม่ดับทันที)

สรุปผลการทดลอง : พืชสามารถเปลี่ยนอากาศเสีย (ที่ทำให้เทียนไขดับ) เป็นอากาศดี (เทียนไขจุดติดไฟ) ได้

*** ในยุคนั้นมนุษย์ยังไม่รู้จักแก๊สออกซิเจนนะครับ เลยใช้คำว่าอากาศดี อากาศเสียกันไปก่อน

*** การทดลองของ  J. Priestley ได้ถูกนำไปการทดลองซ้ำ โดย Jan Ingen Housz และ J.I. Housz ได้เพิ่มข้อสรุปว่า "หลังจากใส่พืชเข้าไปในครอบแก้วเป็นเวลา 10 วัน พบว่าเทียนไขที่ดับจากชุดการทดลองที่ 1 สามารถจุดติดได้อีกครั้ง" จะต้องวางชุดทดลองไว้ในบริเวณที่แสงส่องถึง เพราะถ้าวางชุดทดลองในที่มืดเทียนไขก็จุดไม่ติด แม้ว่าจะใส่พืชเข้าไปก็ตาม

สรุปยุคที่ 1 มนุษย์ทราบว่าพืชเติบโตมีน้ำหนักเพิ่มขึ้นได้ ไม่ได้มาจากดินอย่างเดียว แต่มาจากน้ำด้วย และ พืชยังสามารถเปลี่ยนอากาศเสียให้เป็นอากาศดีได้ โดยต้องอยู่ในบริเวณที่แสงส่องถึง

ยุคที่ 2 : เมื่อความรู้ทางเคมีของมนุษย์มีมากขึ้น

การทดลองของ J. Priestley และ  J.I. Housz ได้รับการอธิบายที่ชัดเจนมากขึ้น โดยอากาศเสียที่พูดถึง ก็คือ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ส่วนอากาศดีที่พูดถึงกัน ก็คือแก๊สออกซิเจน นั่นเอง

นอกจากนี้ J.I. Housz ได้ค้นพบอีกว่าในสภาพที่มีแสง พืชดูดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เข้าไป และทำการปล่อยแก๊สออกซิเจน ออกมา โดยที่แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่ดูดเข้าไป ถูกเอาไปสร้างเป็นสารอินทรีย์ (น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นของพืช)

และการทดลองของ J.I. Housz ได้ถูกนำไปทำการทดลองซ้ำ โดย Nicholas de Saussure และพบว่า น้ำหนักแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ ที่พืชดูดเข้าไป มีค่าน้อยกว่าน้ำหนักของพืชที่เพิ่มขึ้น N.d. Saussure จึงเพิ่มเติมข้อสรุปว่า สารอินทรีย์ที่ถูกสร้างขึ้น (น้ำหนักที่เพิ่มขึ้น) ของพืช นอกจากจะมาจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์แล้วยังมาจากน้ำที่พืชรับเข้าไปด้วย (สนับสนุนทั้ง J.I. Housz และ J.V. Helmont)

*** และอย่างที่บอกไปว่ายุคนี้เป็นยุครุ่งเรืองของวิชาเคมี มนุษย์ทราบว่าสารอินทรีย์ที่พืชสร้างขึ้นคือสารจำพวกคาร์โบไฮเดตร (แป้ง) ซึ่งมีหน่วยย่อยเป็นน้ำตาลกลูโคส นั่นเอง

สรุปความรู้ในยุคที่สอง มนุษย์ทราบว่า อากาศเสียก็คือแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และอากาศดีก็คือแก๊สออกซิเจน และในสภาพที่มีแสงพืชดูดแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ เข้าไปเพื่อสร้างสารจำพวกคาร์โบไฮเดตร (แป้ง) ซึ่งมีหน่วยย่อยเป็นน้ำตาลกลูโคส และปล่อยแก๊สออกซิเจนออกมา

ยุคที่ 3 : จุดเริ่มต้นของคำว่า "กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง"

ในยุคนี้มนุษย์ได้เริ่มใช้คำว่า กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง (Photosynthesis) โดยกระบวนการนี้เป็นกระบวนการที่พืชเปลี่ยนแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และน้ำ ให้กลายเป็นน้ำตาลกลูโคส และแก๊สออกซิเจน

การทดลองของ Engelmann

ทดลองการสังเคราะห์ด้วยแสงของสาหร่าย Spyrogyra เพื่อพิสูจน์ว่า คลอโรพลาสต์เป็นส่วนของเซลล์ที่ทำหน้าที่ในการสังเคราะห์ด้วยแสง และผลิตแก๊สออกซิเจนออกมา และพิสูจน์ว่าแสงสีต่างๆ มีผลต่อปริมาณออกซิเจนที่ผลิตได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง

ทดลองโดยการนำสาหร่ายสีเขียววางบนแผ่นสไลด์ และหยดของเหลวที่มีแบคทีเรีย (แบคทีเรียกลุ่มนี้ชอบออกซิเจน และจะเคลื่อนที่ไปอยู่ในบริเวณที่มีออกซิเจน) จากนั้นให้แสงในสภาพต่างๆ เช่นให้แสงตลอดทั้งแผ่นสไลด์ หรือให้แสงแค่บางส่วนของสไลด์ หรือให้เฉพาะแสงสีแดง เป็นต้น

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ แสงสีต่างๆ

ส่วนตัวแปรตาม คือ การกระจายตัวของแบคทีเรีย

ผลการทดลองพบว่า 

สาหร่ายที่ได้รับแสงตลอดทั้งแผ่นสไลด์ จะมีแบคทีเรียมาเกาะที่ผิวของสาหร่ายตลอดทั้งสาย

แต่ถ้าได้รับแสงเป็นบางจุด พบว่ามีแบคทีเรียเกาะที่ผิวของสาหร่ายมากในบริเวณที่ได้รับแสง

และการส่องแสงสีแดง เทียบกับแสงสีเขียว พบว่า แบคทีเรียเกาะที่ผิวของสาหร่ายมากในบริเวณที่ได้รับแสงแดง ส่วนบริเวณที่ได้รับแสงสีเขียวไม่มีแบคทีเรียเลย

สรุปผลการทดลอง : คลอโรพลาสต์เป็นส่วนของเซลล์ที่ทำหน้าในการสังเคราะห์ด้วยแสง โดยนอกจากพืช ก็มีสาหร่ายที่สามารถเกิดกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ และแสงสีแดงทำให้เกิดกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงได้ดีกว่าแสงสีเขียว

การทดลองของ Van Niel

ทดลองเพื่อพิสูจน์ว่า น้ำตาลกลูโคส เกิดจากโมเลกุลของแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สออกซิเจนเกิดจากโมเลกุลของน้ำ 

ทดลองโดยการนำแบคทีเรีย Chromatium vinocum เป็นตัวอย่างในการเกิดกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสง โดยแบคทีเรียกลุ่มนี้ไม่ได้ใช้น้ำ เป็นสารตั้งต้น แต่ใช้ H2S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์) แทน

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ H2S (ไฮโดรเจนซัลไฟด์)

ส่วนตัวแปรตาม คือ ปริมาณน้ำตาลกลูโคส 

ผลการทดลองพบว่า ผลิตภัณฑ์ที่ได้จากกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงของ Chromatium vinocum เป็นน้ำตาลกลูโคส ซัลเฟอร์ และน้ำ แต่ไม่พบแก๊สออกซิเจน

สรุปผลการทดลอง : น้ำตาลกลูโคส เกิดจากแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ และแก๊สออกซิเจนเกิดจากโมเลกุลของน้ำ 

*** ข้อสรุปของ Van Niel ได้รับการพิสูจน์จาก Samuel Ruben ซึ่งทำการทดลองใช้โมเลกุลของน้ำที่มีออกซิเจนที่เป็นธาตุกัมมันตรังสี (18) และให้น้ำนั้นแก่สาหร่ายสีเขียว พบว่าเกิด ออกซิเจนที่เป็นธาตุกัมมันตรังสี (18)

การทดลองของ Robin Hill

ทดลองเพื่อพิสูจน์ว่า มีสารเคมีที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนจากการแตกตัวของน้ำ

ทดลองโดยการ สกัดเอาคลอโรพลาสต์จากผักโขมมา และแบ่งใส่ในหลอดทดลอง 2 หลอด หลอดแรกเติมเกลือเฟอริกลงไป (Fe3+) และหลอดที่สอง ไม่เติมเกลือเฟอริก จากนั้นให้แสงกับคลอโรพลาสต์เหล่านั้น 

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ เกลือเฟอริก (Fe3+)

ส่วนตัวแปรตาม คือ ปริมาณแก๊สออกซิเจน

ผลการทดลองพบว่า หลอดแรกที่เติมเกลือเฟอริกลงไป (Fe3+) เกิดแก๊สออกซิเจน และเกลือเฟอรัส (Fe2+) ส่วนหลอดที่สองที่ไม่เติมเกลือเฟอริก ไม่มีการผลิตแก๊สออกซิเจน

สรุปผลการทดลอง : เกลือเฟอริกทำหน้าที่เป็นเป็นตัวรับอิเล็กตรอนจากการแตกตัวของน้ำ ทำให้ได้แก๊สออกซิเจน ถ้าไม่มีเกลือเฟอริกเป็นตัวรับอิเล็กตรอนก็จะไม่เกิดแก๊สออกซิเจน

*** เรียก ปฏิกิริยาการแตกตัวของน้ำ และให้อิเล็กตรอนกับสารอื่นๆ ว่า Hill reaction

การทดลองของ Daniel Arnon และคณะ

การทดลองที่ 1

ทดลองเพื่อพิสูจน์ว่า สารเคมีที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนจากการแตกตัวของน้ำ คือ NADP+ และ การผลิตน้ำตาล และ แก๊สออกซิเจน ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกัน

ทดลองโดยการ สกัดเอาคลอโรพลาสต์จากผักโขมมา และแบ่งใส่ในหลอดทดลอง 2 หลอด หลอดแรกเติม NADP+  และหลอดที่สอง ไม่เติม NADP+ จากนั้นให้แสงกับคลอโรพลาสต์เหล่านั้น 

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ NADP+ 

ส่วนตัวแปรตาม คือ ปริมาณแก๊สออกซิเจน

ผลการทดลองพบว่า หลอดแรกที่เติม NADP+  เกิดแก๊สออกซิเจน และ NADPH ส่วนหลอดที่สองที่ไม่เติม NADP+  ไม่มีการผลิตแก๊สออกซิเจน

สรุปผลการทดลอง : สารเคมีที่ทำหน้าที่เป็นตัวรับอิเล็กตรอนจากการแตกตัวของน้ำ คือ NADP+

การทดลองที่ 2

ทดลองเพื่อพิสูจน์ว่า การผลิตน้ำตาล และ แก๊สออกซิเจน ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกัน

ทดลองโดยการ สกัดเอาคลอโรพลาสต์จากผักโขมมา และแบ่งใส่ในหลอดทดลอง จากนั้นเติม NADPH ATP และ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ลงไป (แต่ไม่ได้ให้แสงกับคลอโรพลาสต์เหล่านั้น )

สิ่งที่เป็นตัวแปรต้น คือ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์

ส่วนตัวแปรตาม คือ ปริมาณน้ำตาล

ผลการทดลองพบว่า คลอโรพลาสต์สามารถผลิตน้ำตาลได้ โดยที่มีสารตั้งต้นเป็น NADPH ATP และ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ โดยสามารถเกิดขึ้นในสภาพที่ไม่มีแสงก็ได้

สรุปผลการทดลอง : การผลิตน้ำตาล และ แก๊สออกซิเจน ไม่ได้เกิดขึ้นพร้อมกัน

การผลิตแก๊สออกซิเจนต้องมีแสง และมีตัวรับอิเล็กตรอนจากการแตกตัวของน้ำ นั้นก็คือ NADP+

การผลิตน้ำตาลไม่จำเป็นต้องมีแสง แต่ต้องมีสารตั้งต้น ได้แก่  NADPH ATP และ แก๊สคาร์บอนไดออกไซด์  (แต่ NADPH และ ATP เกิดมาจากกระบวนการที่ใช้แสงนะครับ)

และเรื่องราวทั้งหมดนี้เป็นที่มาของสมการการสังเคราะห์ด้วยแสง