Quang hợp là quá trình sinh lý quan trọng nhất của thực vật, trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được chuyển hóa thành năng lượng hóa học dưới dạng các hợp chất hữu cơ như glucose. Quá trình này không chỉ là nguồn gốc của năng lượng và chất hữu cơ cho tất cả các sinh vật sống trên Trái Đất mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nồng độ khí oxy và carbon dioxide trong khí quyển. Trong chương trình Sinh học lớp 11, học sinh được tìm hiểu về khái niệm, cơ chế, các pha quang hợp và ý nghĩa sinh thái của quá trình này.
Quang hợp diễn ra ở thực vật, tảo và một số vi khuẩn nhờ vào các sắc tố quang hợp, chủ yếu là chlorophyll. Quá trình này xảy ra chủ yếu ở lá, cụ thể là trong các lục lạp, nơi chứa các sắc tố hấp thụ ánh sáng. Chlorophyll hấp thụ ánh sáng mặt trời, đặc biệt là ánh sáng xanh và đỏ, để kích hoạt các phản ứng quang hóa. Lá cây có cấu trúc phù hợp để thực hiện quang hợp, với lớp cutin bên ngoài ngăn mất nước và các khí khổng giúp điều tiết trao đổi khí, cho phép CO₂ đi vào và O₂ thoát ra. Các bó mạch trong lá vận chuyển nước từ rễ lên lá và vận chuyển sản phẩm quang hợp đến các bộ phận khác của cây.
Quang hợp bao gồm hai pha chính: pha sáng và pha tối. Pha sáng là giai đoạn phụ thuộc trực tiếp vào ánh sáng, trong đó năng lượng ánh sáng được hấp thụ bởi các sắc tố quang hợp để tạo ra năng lượng hóa học dưới dạng ATP và NADPH. Pha này diễn ra trên màng thylakoid trong lục lạp. Nước được phân giải trong pha sáng, giải phóng khí oxy, đồng thời cung cấp electron và proton cho các phản ứng quang hóa. Các electron được truyền qua chuỗi vận chuyển điện tử, tạo ra năng lượng để tổng hợp ATP thông qua quá trình quang phosphoryl hóa. NADP⁺ cũng nhận electron và proton để tạo thành NADPH, một chất khử mạnh cần thiết cho pha tối.
Pha tối, hay chu trình Calvin, là giai đoạn không phụ thuộc trực tiếp vào ánh sáng. Quá trình này diễn ra trong chất nền stroma của lục lạp và sử dụng ATP và NADPH từ pha sáng để cố định CO₂ thành các hợp chất hữu cơ. CO₂ được gắn vào ribulose-1,5-bisphosphate (RuBP) nhờ enzyme Rubisco, tạo thành hợp chất trung gian không bền, sau đó chuyển thành hai phân tử 3-phosphoglycerate (3-PGA). 3-PGA tiếp tục được khử thành glyceraldehyde-3-phosphate (G3P), một hợp chất đường ba carbon. Một phần G3P được sử dụng để tổng hợp glucose và các hợp chất hữu cơ khác, trong khi phần còn lại tái tạo RuBP để duy trì chu trình.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình quang hợp bao gồm ánh sáng, nồng độ CO₂, nhiệt độ và nước. Ánh sáng là yếu tố quyết định, với cường độ và bước sóng ánh sáng ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ quang hợp. Cường độ ánh sáng cao hơn thường làm tăng tốc độ quang hợp, nhưng chỉ đến một mức độ nhất định trước khi các yếu tố khác trở thành giới hạn. Nồng độ CO₂ cũng ảnh hưởng lớn, vì CO₂ là nguyên liệu đầu vào cho chu trình Calvin. Ở nhiệt độ tối ưu, các enzyme quang hợp hoạt động hiệu quả nhất, nhưng nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp có thể làm giảm hoạt động của enzyme và làm chậm quá trình. Nước cần thiết để duy trì turgor của tế bào và cung cấp nguyên liệu cho pha sáng, nhưng sự thiếu hụt nước có thể dẫn đến đóng khí khổng và giảm tốc độ quang hợp.
Quang hợp có ý nghĩa to lớn đối với sự sống trên Trái Đất. Đây là nguồn cung cấp năng lượng chính cho mọi sinh vật, trực tiếp hoặc gián tiếp. Các sinh vật tự dưỡng như thực vật, tảo và một số vi khuẩn sử dụng sản phẩm quang hợp để duy trì sự sống và phát triển, trong khi các sinh vật dị dưỡng phụ thuộc vào nguồn thức ăn từ sinh vật tự dưỡng. Quang hợp cũng góp phần điều hòa khí hậu toàn cầu bằng cách hấp thụ CO₂, một khí nhà kính quan trọng, và giải phóng O₂, một thành phần thiết yếu của khí quyển. Điều này không chỉ hỗ trợ sự sống của các sinh vật hiếu khí mà còn giúp giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu.
Hiểu biết về quang hợp còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong nông nghiệp và công nghệ sinh học. Trong nông nghiệp, việc tối ưu hóa các yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp như ánh sáng, CO₂ và nước giúp tăng năng suất cây trồng. Kỹ thuật nhà kính được sử dụng để kiểm soát điều kiện môi trường, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình quang hợp. Trong công nghệ sinh học, các nghiên cứu về quang hợp đã mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng như phát triển nhiên liệu sinh học, sản xuất các hợp chất hữu cơ và tạo ra các giống cây trồng chịu hạn, chịu mặn và thích nghi với biến đổi khí hậu.
Tóm lại, quang hợp là quá trình không thể thiếu đối với sự sống trên Trái Đất. Nó không chỉ cung cấp năng lượng và chất hữu cơ cho các sinh vật mà còn điều hòa khí hậu và bảo vệ môi trường. Hiểu rõ về cơ chế, các pha và yếu tố ảnh hưởng đến quang hợp không chỉ giúp học sinh nắm vững kiến thức cơ bản về sinh học mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Những nghiên cứu sâu hơn về quang hợp sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội để giải quyết các thách thức toàn cầu như an ninh lương thực, biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng sạch.
