Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
I. Khái quát về quang hợp
1. Khái niệm về quang hợp
Quang hợp ở thực vật là quá trình lục lạp hấp thụ và sử dụng năng lượng ánh sáng để chuyển hóa CO₂ và nước thành hợp chất hữu cơ (C₆H₁₂O₆), đồng thời giải phóng O₂.
Phương trình tổng quát của quá trình quang hợp:
$$6CO_2 + 12H_2O \xrightarrow[\text{lục lạp}]{\text{Ánh sáng}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 6H_2O$$
Quang hợp diễn ra chủ yếu ở lá cây, trong bào quan lục lạp. Đây là quá trình chuyển hóa năng lượng ánh sáng (quang năng) thành năng lượng hóa học (hóa năng) tích lũy trong các hợp chất hữu cơ.
2. Vai trò của quang hợp
Quang hợp có vai trò vô cùng quan trọng đối với sự sống trên Trái Đất:
| STT | Vai trò | Chi tiết |
|---|---|---|
| 1 | Cung cấp chất hữu cơ | Tạo nguồn chất hữu cơ đa dạng, phong phú đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng của hầu hết các sinh vật trên Trái Đất |
| 2 | Cung cấp nguyên liệu, nhiên liệu | Là nguyên liệu cho các ngành công nghiệp, xây dựng, y dược. Nguồn năng lượng từ sản phẩm quang hợp (than đá, củi, dầu hỏa…) chiếm 90% tổng năng lượng con người sử dụng |
| 3 | Cung cấp năng lượng | Cung cấp nguồn năng lượng lớn duy trì hoạt động của sinh giới |
| 4 | Điều hòa khí quyển | Khí O₂ được tạo ra có ý nghĩa quan trọng đối với sự cân bằng O₂/CO₂ trong khí quyển |
Lưu ý quan trọng: Quang hợp quyết định 90-95% năng suất cây trồng, chỉ 5-10% còn lại là do dinh dưỡng khoáng quyết định.
3. Hệ sắc tố quang hợp
a) Các nhóm sắc tố
Hệ sắc tố quang hợp ở cây xanh gồm hai nhóm chính:
| Nhóm sắc tố | Đặc điểm | Thành phần |
|---|---|---|
| Diệp lục (Chlorophyll) | Tạo nên màu xanh của lá và các bộ phận có màu xanh ở cây. Hấp thụ ánh sáng đỏ và xanh tím. Đây là nhóm sắc tố quan trọng nhất trong quang hợp | Có khoảng 10 loại, trong đó diệp lục a là sắc tố chủ đạo mà thiếu nó cây không thể quang hợp được |
| Carotenoid | Tạo nên màu vàng, đỏ, cam của lá, hoa, củ, quả ở nhiều loài cây như gấc, xoài, cà rốt… | Gồm xanthophyll (loại có oxygen) và carotene (loại không có oxygen). β-carotene là tiền chất của vitamin A |
Tại sao lá cây có màu xanh lục?
Diệp lục hấp thụ chủ yếu ánh sáng đỏ và xanh tím, nhưng không hấp thụ ánh sáng màu xanh lục. Ánh sáng xanh lục được phản xạ lại, đi vào mắt ta nên ta thấy lá có màu xanh lục.
Cây có lá màu đỏ có quang hợp được không?
Có. Những cây có lá màu đỏ (như cây huyết dụ, cây tía tô) vẫn có diệp lục trong lá, chỉ là diệp lục bị che khuất bởi các sắc tố màu đỏ (carotenoid, anthocyanin). Diệp lục vẫn thực hiện chức năng quang hợp bình thường.
b) Vai trò của hệ sắc tố
Hệ sắc tố quang hợp phân bố trên màng thylakoid có vai trò quan trọng trong việc hấp thụ và biến đổi năng lượng ánh sáng thành dạng hóa năng.
Cơ chế hoạt động:
- Phân tử sắc tố hấp thụ photon ánh sáng → chuyển thành trạng thái có electron bị kích động
- Năng lượng được truyền cộng hưởng đến phân tử sắc tố khác
- Cuối cùng đến phân tử diệp lục a ở trung tâm phản ứng
- Tại đây, diệp lục a biến đổi quang năng thành hóa năng chứa trong ATP và NADPH
II. Quá trình quang hợp ở thực vật
Quá trình quang hợp ở thực vật diễn ra tại lục lạp theo hai pha: pha sáng và pha tối (pha đồng hóa CO₂).
1. Pha sáng
Pha sáng diễn ra trên màng thylakoid với sự tham gia của ánh sáng và các phân tử sắc tố, có diễn biến giống nhau ở tất cả các nhóm thực vật (C₃, C₄ và CAM).
| Đặc điểm | Nội dung |
|---|---|
| Nơi diễn ra | Màng thylakoid (trong lục lạp) |
| Điều kiện | Cần ánh sáng |
| Nguyên liệu | H₂O, NADP⁺, ADP + Pi, năng lượng ánh sáng |
Diễn biến:
Diệp lục hấp thụ ánh sáng và chuyển thành trạng thái kích động electron, làm cho một số electron (e) của diệp lục bật ra khỏi quỹ đạo. Dưới tác dụng của ánh sáng, nước phân li (quang phân li nước), giải phóng O₂, electron và H⁺ theo sơ đồ:
$$2H_2O → 4H^+ + 4e + O_2$$
- Electron sinh ra từ quá trình phân li nước được dùng để bù lại cho phân tử diệp lục a đã mất electron
- H⁺ tham gia tổng hợp ATP và khử NADP⁺ thành NADPH
Sản phẩm của pha sáng: O₂, ATP và NADPH
Lưu ý quan trọng: O₂ sinh ra trong quang hợp có nguồn gốc từ H₂O (qua quá trình quang phân li nước), không phải từ CO₂.
2. Pha tối
Sự cố định CO₂ tạo thành các hợp chất hữu cơ (glucose…) diễn ra ở pha tối nhờ nguồn năng lượng ATP và NADPH do pha sáng cung cấp.
| Đặc điểm | Nội dung |
|---|---|
| Nơi diễn ra | Chất nền (stroma) của lục lạp |
| Điều kiện | Không cần ánh sáng trực tiếp, cần sản phẩm pha sáng |
| Nguyên liệu | CO₂, ATP, NADPH |
| Sản phẩm | G3P → Glucose và các hợp chất hữu cơ khác |
Lưu ý: Pha tối không có nghĩa là chỉ diễn ra trong bóng tối, mà là pha không cần ánh sáng trực tiếp tham gia vào phản ứng. Pha tối vẫn diễn ra ban ngày, đồng thời với pha sáng.
Tùy từng nhóm thực vật mà pha tối sẽ diễn ra theo các con đường khác nhau.
a) Con đường cố định CO₂ ở thực vật C₃ (Chu trình Calvin hay chu trình C₃)
Năm 1951, hai nhà bác học Calvin và Benson cùng cộng sự phát hiện ra con đường cố định CO₂ ở nhiều loài thực vật phân bố rộng rãi trên thế giới, chủ yếu ở vùng ôn đới và cận nhiệt đới như lúa, khoai, sắn, các loại rau, đậu…
Diễn biến chu trình Calvin:
| Giai đoạn | Nội dung |
|---|---|
| Cố định CO₂ | RuBP (Ribulose 1,5-biphosphate – hợp chất 5C) là chất nhận CO₂ đầu tiên → tạo thành 3-PGA (3-Phosphoglyceric acid – hợp chất 3C) |
| Khử | Với sự tham gia của ATP và NADPH (từ pha sáng), 3-PGA bị khử thành G3P (Glyceraldehyde 3-phosphate) |
| Tái tạo | Một phần G3P đi ra khỏi chu trình để tạo glucose và các hợp chất hữu cơ khác. Phần còn lại được sử dụng để tái tạo RuBP |
Tại sao gọi là chu trình C₃? Vì sản phẩm đầu tiên được tạo thành (3-PGA) là hợp chất có 3 carbon.
b) Con đường cố định CO₂ ở thực vật C₄ (Con đường C₄)
Năm 1965, hai nhà khoa học Úc là Hatch và Slack đã tìm thấy quá trình cố định CO₂ ở các thực vật sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới như mía, rau dền, ngô, kê, cao lương, cỏ gấu…
Diễn biến con đường C₄:
| Giai đoạn | Nơi diễn ra | Nội dung |
|---|---|---|
| Cố định CO₂ sơ bộ | Tế bào mô giậu | Chất nhận CO₂ đầu tiên là PEP (Phosphoenol pyruvate – hợp chất 3C) → Sản phẩm đầu tiên là OAA (Oxaloacetic acid – hợp chất 4C) |
| Vận chuyển | Qua cầu sinh chất | Hợp chất 4C (dạng malate) đi đến tế bào bao bó mạch |
| Giải phóng CO₂ | Tế bào bao bó mạch | Hợp chất 4C phân giải thành pyruvate và CO₂ |
| Chu trình Calvin | Tế bào bao bó mạch | CO₂ tham gia vào chu trình Calvin để tạo carbohydrate |
Tại sao gọi là con đường C₄? Vì sản phẩm đầu tiên được tạo thành (OAA) là hợp chất có 4 carbon.
c) Con đường cố định CO₂ ở thực vật CAM (Con đường CAM)
Nhóm thực vật CAM gồm các loài thực vật sống ở sa mạc hoặc trong các điều kiện hạn chế về nước như dứa, xương rồng, thuốc bỏng…
Sống trong điều kiện khô hạn, thực vật CAM có con đường cố định CO₂ theo cách riêng:
| Thời gian | Hoạt động khí khổng | Quá trình |
|---|---|---|
| Ban đêm | Mở | CO₂ khuếch tán vào → được cố định thành acid malic → dự trữ trong không bào |
| Ban ngày | Đóng (hạn chế thoát hơi nước) | Acid malic phân giải giải phóng CO₂ → CO₂ đi vào chu trình Calvin |
3. Sự thích nghi của thực vật C₄ và CAM trong điều kiện môi trường bất lợi
Sống trong điều kiện nóng, hạn, thực vật C₄ và CAM đã hình thành đặc điểm thích nghi trong quang hợp đảm bảo cho chúng tổng hợp được chất hữu cơ trong điều kiện khí hậu không thuận lợi.
| Đặc điểm thích nghi | Ý nghĩa |
|---|---|
| Có thêm chu trình sơ bộ cố định CO₂ | Đảm bảo nguồn cung cấp CO₂ cho quang hợp |
| Enzyme PEP-carboxylase có ái lực cao với CO₂ | Cây C₄ và CAM có thể cố định nhanh CO₂ ở nồng độ rất thấp. Điều này rất có lợi khi trời nóng, hạn, khí khổng đóng một phần khiến nồng độ CO₂ trong gian bào thấp |
| Thực vật C₄ tích lũy CO₂ trong không gian rộng (nhu mô thịt lá) | Dự trữ được nhiều CO₂ → đây là nhóm thực vật cho năng suất cao |
So sánh ba nhóm thực vật C₃, C₄, CAM:
| Tiêu chí | Thực vật C₃ | Thực vật C₄ | Thực vật CAM |
|---|---|---|---|
| Chất nhận CO₂ đầu tiên | RuBP (5C) | PEP (3C) | PEP (3C) |
| Sản phẩm đầu tiên | 3-PGA (3C) | OAA (4C) | OAA (4C) |
| Nơi cố định CO₂ | Tế bào mô giậu | TB mô giậu + TB bao bó mạch | Cùng 1 loại TB thịt lá |
| Thời gian cố định CO₂ | Ban ngày | Ban ngày | Ban đêm (sơ bộ), ban ngày (Calvin) |
| Điểm bù CO₂ | Cao | Thấp | Thấp |
| Năng suất | Trung bình | Cao | Thấp |
| Phân bố | Ôn đới, cận nhiệt đới | Nhiệt đới, cận nhiệt đới | Sa mạc, khô hạn |
| Ví dụ | Lúa, khoai, sắn, đậu | Mía, ngô, cao lương, kê | Dứa, xương rồng, thuốc bỏng |
4. Vai trò của sản phẩm quang hợp
Glyceraldehyde 3-phosphate (G3P) là sản phẩm quang hợp ở các nhóm thực vật C₃, C₄ và CAM. Đây là hợp chất 3 carbon đóng vai trò quan trọng, là nguyên liệu tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ cần thiết cho cơ thể thực vật và sinh giới.
| Sản phẩm quang hợp | Chuyển hóa thành |
|---|---|
| G3P | Glucose → Carbohydrate (tinh bột, cellulose…) |
| G3P | Amino acid → Protein |
| G3P | Acid béo → Lipid |
III. Ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến quang hợp
Các yếu tố chủ yếu ảnh hưởng đến quang hợp ở thực vật là ánh sáng, khí CO₂ và nhiệt độ. Ngoài ra, nước và chất khoáng cũng ảnh hưởng đến quang hợp.
1. Ánh sáng
Ánh sáng là điều kiện cơ bản để cây tiến hành quang hợp. Ánh sáng ảnh hưởng đến hoạt động quang hợp của cây thông qua cường độ ánh sáng và thành phần ánh sáng.
a) Cường độ ánh sáng
Cường độ ánh sáng ảnh hưởng rõ rệt tới cường độ quang hợp của cây. Hai chỉ tiêu quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến quang hợp là điểm bù ánh sáng và điểm bão hòa ánh sáng.
| Khái niệm | Định nghĩa | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Điểm bù ánh sáng (I₀) | Cường độ ánh sáng mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp (I_qh = I_hh) | Cây ưa bóng có điểm bù ánh sáng thấp hơn cây ưa sáng |
| Điểm bão hòa ánh sáng (Iₘ) | Cường độ ánh sáng mà ở đó cường độ quang hợp đạt cao nhất | Dù có tăng cường độ ánh sáng thì cường độ quang hợp cũng không tăng |
Lưu ý quan trọng: Cường độ quang hợp KHÔNG luôn tỉ lệ thuận với cường độ ánh sáng. Chỉ trong giới hạn từ điểm bù đến điểm bão hòa, cường độ quang hợp mới tăng khi cường độ ánh sáng tăng.
b) Thành phần ánh sáng
Thành phần ánh sáng tại vùng ánh sáng khả kiến (mắt người có thể nhìn thấy các màu khác nhau) có 6 tia sáng là tím, xanh, lục, vàng, da cam, đỏ tương ứng với các bước sóng 400-700 nm.
Thành phần ánh sáng thay đổi theo thời gian trong ngày:
- Buổi sáng và buổi chiều: nhiều tia đỏ, bước sóng dài
- Buổi trưa: nhiều tia xanh tím, có bước sóng ngắn
Ảnh hưởng của các tia sáng đến quang hợp:
| Loại tia sáng | Ảnh hưởng đến cường độ quang hợp | Ảnh hưởng đến sản phẩm |
|---|---|---|
| Ánh sáng đỏ | Cường độ quang hợp mạnh nhất | Thúc đẩy tổng hợp carbohydrate |
| Ánh sáng xanh tím | Quang hợp diễn ra tốt | Kích thích tổng hợp amino acid, protein |
| Ánh sáng lục | Ít ảnh hưởng (không được hấp thụ) | – |
Nếu cùng cường độ ánh sáng, hiệu quả quang hợp của ánh sáng đơn sắc màu đỏ cao hơn ánh sáng đơn sắc xanh tím.
2. Khí CO₂
Trong giới hạn nhất định, khi nồng độ CO₂ tăng thì cường độ quang hợp cũng tăng.
| Khái niệm | Định nghĩa | Đặc điểm |
|---|---|---|
| Điểm bù CO₂ | Nồng độ CO₂ tối thiểu mà tại đó cường độ quang hợp bằng cường độ hô hấp | Điểm bù CO₂ của thực vật CAM và C₄ thấp hơn C₃ |
| Điểm bão hòa CO₂ | Nồng độ CO₂ mà ở đó cường độ quang hợp đạt cực đại | Cây trồng có điểm bão hòa CO₂ dao động khoảng 0,06-0,1% |
Lưu ý:
- Nồng độ CO₂ quá thấp: quang hợp sẽ không xảy ra
- Nồng độ CO₂ quá cao (khoảng 0,2%): có thể làm cây chết vì ngộ độc
3. Nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến quang hợp thông qua ảnh hưởng đến các phản ứng enzyme trong quang hợp.
| Nhóm thực vật | Nhiệt độ bắt đầu quang hợp | Nhiệt độ tối ưu |
|---|---|---|
| Cây nhiệt đới | Khoảng 5-7°C | 25-30°C |
| Cây vùng lạnh và ôn đới | Khoảng (-15) – (-5)°C | 8-15°C |
Quy luật: Nhiệt độ tăng → cường độ quang hợp tăng nhanh → đạt cực đại ở nhiệt độ tối ưu → sau đó giảm dần.
IV. Quang hợp và năng suất cây trồng
1. Mối quan hệ giữa quang hợp và năng suất cây trồng
Khi phân tích thành phần hóa học của các sản phẩm nông nghiệp, người ta nhận thấy tổng số chất khô do quang hợp tạo ra chiếm tới 90-95% tổng số chất khô của thực vật. Chính vì vậy, quang hợp là nhân tố chủ yếu quyết định năng suất cây trồng; 5-10% còn lại là do dinh dưỡng khoáng quyết định.
2. Một số biện pháp kỹ thuật và công nghệ nâng cao năng suất cây trồng thông qua quang hợp
Quang hợp quyết định phần lớn năng suất cây trồng, vì vậy, muốn nâng cao năng suất cây trồng cần tăng diện tích bộ lá, tăng cường độ và hiệu quả quang hợp.
a) Biện pháp kỹ thuật nông học
| Biện pháp | Tác dụng |
|---|---|
| Bón phân hợp lí | Thúc đẩy quá trình vận chuyển sản phẩm đồng hóa về cơ quan dự trữ, làm tăng năng suất. Phân bón (nhất là đạm) ảnh hưởng đến sự phát triển bộ lá, tăng diện tích lá sẽ nâng cao hiệu suất quang hợp |
| Cung cấp nước đầy đủ | Nước là nguyên liệu của quang hợp. Thiếu nước, hoa sẽ không thụ tinh, hạt lép, quả bị rụng. Đặc biệt quan trọng khi cây bắt đầu chuyển sang giai đoạn sinh sản |
| Gieo trồng đúng thời vụ | Tạo điều kiện thuận lợi về các yếu tố thời tiết (nhiệt độ, cường độ ánh sáng) giúp cây sinh trưởng, phát triển tốt, cho năng suất cao |
| Chọn giống tốt | Chọn, tạo những giống cây trồng có diện tích lá lớn, cường độ quang hợp và năng suất cao |
| Phòng trừ sâu bệnh | Bảo vệ bộ lá, duy trì hiệu suất quang hợp |
Ví dụ: Bón phân kali đầy đủ cho các cây lấy củ (khoai tây, sắn, củ cải…) sẽ làm củ to, hàm lượng tinh bột và đường tăng; bón phân lân cho các cây họ Đậu làm tăng tổng hợp chất béo và chuyển hóa nitrogen thành đạm.
b) Công nghệ nâng cao năng suất cây trồng
Hiện nay, sử dụng ánh sáng đèn LED thay thế ánh sáng mặt trời là công nghệ mới giúp con người có thể chủ động tạo được nguồn ánh sáng có cường độ và thành phần quang phổ phù hợp với quá trình quang hợp ở từng loại cây trồng.
Ưu điểm của công nghệ đèn LED:
- Tốn ít không gian
- Rút ngắn thời gian sinh trưởng của cây
- Khắc phục được những điều kiện bất lợi của môi trường (mùa đông lạnh giá, ánh sáng yếu)
- Đem lại năng suất và giá trị kinh tế cao
Công nghệ này đã được ứng dụng phổ biến với nhiều loại cây trồng, nhất là rau xanh và các cây trồng được nhân giống bằng phương pháp nuôi cấy mô tế bào thực vật.
Cô Nguyễn Ngọc Châu
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Sinh Học THPT
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Sinh học, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ AT sinh học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Trần Phú