Tiến sĩ Ethan Siegel đã từng khẳng định phương trình F=ma (lực = khối lượng x gia tốc) là quan trọng nhất trong vật lý. Điều này gợi mở rằng, liệu có một phương trình tương tự, đóng vai trò then chốt trong sinh học? Câu trả lời là có: CO2 + H2O → C6H12O6 + O2 (hay chính xác hơn: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2). Đây chính là phương trình quang hợp, quá trình mà nếu thiếu nó, sự sống như chúng ta biết có lẽ đã không tồn tại.
Tại Sao Quang Hợp Là “Ông Vua” Của Thế Giới?
Mọi sinh vật sống đều cần ba yếu tố cơ bản: nguồn năng lượng, nguồn carbon và nguồn electron. Thực vật (cùng với vi khuẩn quang hợp) sử dụng ánh sáng mặt trời làm nguồn năng lượng, CO2 từ khí quyển làm nguồn carbon và H2O (nước) làm nguồn electron. Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng, sự sống không nhất thiết phải phụ thuộc hoàn toàn vào quang hợp. Vi sinh vật có thể tồn tại ở những môi trường khắc nghiệt nhất, ví dụ như dưới đáy biển sâu, nơi chúng thu năng lượng từ các hợp chất sulfur.
Dù quang hợp không phải là quá trình sử dụng năng lượng hiệu quả nhất, nhưng nó lại là hình thức tự dưỡng phổ biến nhất. Các tế bào phức tạp đầu tiên (sinh vật nhân thực) đã “ăn” các vi khuẩn có khả năng quang hợp, hình thành mối quan hệ cộng sinh: vi khuẩn quang hợp có một “ngôi nhà” an toàn trong tế bào lớn, đổi lại tế bào lớn nhận được thức ăn và năng lượng. Quá trình tiến hóa này đã tạo ra sự đa dạng của thực vật mà chúng ta thấy ngày nay.
Giải Mã Phương Trình: Carbon Dioxide + Nước → Glucose + Oxy
Phương trình quang hợp có vẻ đơn giản: cây xanh sử dụng CO2 và nước để tạo ra đường (glucose) và oxy. Tuy nhiên, phía sau đó là một loạt các phản ứng hóa học phức tạp, thậm chí có liên quan đến cơ học lượng tử.
Đầu tiên là nước (H2O), nguồn cung cấp electron cho quá trình. Khi ánh sáng (nguồn năng lượng) chiếu vào chất diệp lục (chlorophyll) trong hệ thống quang hợp (nằm trên màng thylakoid), phân tử nước sẽ nhường electron. Chất diệp lục “đánh cắp” electron từ nước, khiến nước phân tách thành 2 proton (H+) và một nguyên tử oxy. Nguyên tử oxy này kết hợp với một nguyên tử oxy khác tạo thành O2, khí oxy mà chúng ta hít thở.
Các electron được truyền qua một chuỗi protein. Trong quá trình này, các proton (H+) được bơm ra khỏi màng tế bào, tạo ra sự chênh lệch điện hóa, tương tự như một “bình ắc quy”. Khi “ắc quy” này phóng điện, nó tạo ra ATP, một phân tử giàu năng lượng. Electron cũng tạo ra NADPH, một “tàu chở electron”, có nhiệm vụ mang electron đến nơi khác để cấu tạo chất mới.
Tóm lại, cây xanh hấp thụ ánh sáng, sử dụng năng lượng để tách electron khỏi nước, tạo ra khí oxy (O2) làm sản phẩm phụ. Sau đó, cây sử dụng electron để tạo ra ATP và NADPH. Đến đây, chu trình Calvin bắt đầu.
Chu trình Calvin là giai đoạn carbon dioxide (CO2) được “cố định” thành thể rắn bằng cách kết hợp với đường C5 để tạo ra đường C6. Enzyme rubisco đóng vai trò quan trọng trong phản ứng này. Để duy trì chu trình, tế bào phải sử dụng ATP và NADPH đã được tạo ra trước đó. Sản phẩm cuối cùng của chu trình là phân tử G3P, được tế bào sử dụng để tạo ra thức ăn (ví dụ như glucose) và xây dựng cấu trúc để cây xanh sinh trưởng.
Lời Tri Ân Dành Cho Quang Hợp
Phương trình quang hợp tóm gọn quá trình kỳ diệu này: tế bào thực vật sử dụng CO2 và H2O làm nguyên liệu đầu vào (CO2 để chuyển carbon thành thể rắn, H2O là nguồn electron) và tạo ra glucose (C6H12O6) và khí oxy (O2). Mặc dù oxy là sản phẩm phụ, nhưng cây xanh cũng cần oxy để “ăn” glucose mà nó vừa tạo ra.
Mặc dù một số vi khuẩn có thể tồn tại mà không cần ánh sáng hay quang hợp, nhưng phần lớn sự sống trên Trái Đất phụ thuộc vào quang hợp. Quang hợp cung cấp khí oxy cho các sinh vật hiếu khí. Chúng ta cần oxy để tồn tại. Bên cạnh đó, chúng ta cũng tiêu thụ các phân tử chứa carbon thể rắn để lấy năng lượng và sinh trưởng. Nếu không có quang hợp, sự sống phức tạp như chúng ta biết sẽ không tồn tại. Do đó, những hành tinh thiếu ánh sáng mặt trời để hỗ trợ quang hợp có khả năng cao là không có sự sống phức tạp. Sự sống và ngành sinh học phụ thuộc rất nhiều vào quang hợp.
