Tại sao carbon dioxide + nước → glucose + oxy là phương trình quan trọng nhất trong sinh học?

Sự sống phần lớn nhờ vào sự tồn tại của phương trình này. Hãy chắc chắn ôm cây cảnh của bạn hôm nay.

Gần đây, đồng nghiệp của tôi, tiến sĩ Ethan Siegel, đã viết một bài báo giải thích tại sao F = ma – tức là lực = khối lượng x gia tốc – là phương trình quan trọng nhất trong vật lý. Phương trình tưởng chừng khiêm tốn này, được biết đến là định luật thứ hai của Newton về chuyển động, hữu ích cho các nhà vật lý ở mọi cấp độ và thậm chí đưa ra gợi ý về thuyết tương đối đặc biệt.

Điều đó khiến tôi suy nghĩ: Mỗi lĩnh vực khoa học có phải đều có một phương trình như thế không? Một phương trình quan trọng đến mức chủ đề hay lĩnh vực đó sẽ không thể tồn tại nếu thiếu nó? Tôi đã suy ngẫm điều này với tư cách là một nhà vi sinh vật học và đi đến kết luận rằng, có, có một phương trình như vậy cho sinh học: CO₂ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + O₂. (Đây là phiên bản chưa cân bằng. Phiên bản cân bằng là: 6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.)

Nói đơn giản: carbon dioxide + nước → glucose + oxy. Đây là quang hợp, và nếu không có nó, có lẽ sẽ không có thực vật hay động vật.

Tại sao quang hợp thống trị thế giới?

Vì những lý do mà tôi sẽ mô tả chi tiết sau, mọi sinh vật sống đều cần ba thứ: một nguồn năng lượng, một nguồn carbon, và một nguồn electron. Thực vật (và các vi sinh vật quang hợp) nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời, carbon từ CO₂, và electron từ H₂O. Tuy nhiên, dù quang hợp rất quan trọng, cần lưu ý rằng nó không nhất thiết phải có cho sự sống. Các vi sinh vật đã tìm ra cách tồn tại ở gần như mọi nơi trên Trái đất. Ví dụ, một số sống ở đáy đại dương (nơi không có ánh sáng), nhận năng lượng từ các hóa chất lưu huỳnh. Ánh sáng là một điều tốt để có nhưng không cần thiết cho sự phát triển của sự sống.

Dù quang hợp không đặc biệt hiệu quả về năng lượng, nó là hình thức tự cung tự cấp tối ưu. Các tế bào phức tạp đầu tiên (gọi là eukaryote) phát triển khả năng quang hợp bằng cách hấp thụ các vi khuẩn đã có khả năng này, hình thành một mối quan hệ đôi bên cùng có lợi – tế bào nhỏ hơn, có khả năng quang hợp, có một ngôi nhà ấm cúng bên trong tế bào lớn hơn, mà đổi lại tế bào lớn nhận được tiền thuê dưới dạng thức ăn và năng lượng. Mối quan hệ này phát triển rất tốt, vì những sự kết hợp tổ tiên này cuối cùng đã tiến hóa thành sự đa dạng phong phú của các loài thực vật mà chúng ta có ngày nay. Kết quả là, tất cả các loài thực vật đều quang hợp (ngoại trừ một số loài ký sinh).

Giải thích carbon dioxide + nước → glucose + oxy

Phương trình biểu thị quang hợp có vẻ đơn giản: Cung cấp cho một cây CO₂ và nước, và nó tạo ra thức ăn (đường) và oxy. Nhưng đằng sau đó là một chuỗi phản ứng sinh hóa phức tạp đến mức không thể tưởng tượng được, và thậm chí có thể có một chút cơ học lượng tử.

Hãy bắt đầu với nước. Nước là nguồn electron mà thực vật cần để bắt đầu quá trình. Khi ánh sáng (nguồn năng lượng) chiếu vào diệp lục (bên trong một cấu trúc phức tạp được gọi là hệ quang, mà bản thân nó được nhúng trong một màng gọi là thylakoid), phân tử này mất electron – những electron này sau đó sẽ thực hiện một số điều tuyệt vời. Nhưng diệp lục muốn lấy lại electron của nó, vì vậy nó lấy chúng từ một phân tử nước, phân tử nước sau đó phân tách thành hai proton (H⁺) và một nguyên tử oxy. Điều này làm cho nguyên tử oxy cô đơn và không vui, vì vậy nó kết hợp với một nguyên tử oxy khác, tạo thành O₂, dạng phân tử của oxy mà chúng ta thở.

Bây giờ, quay lại với những electron tuyệt vời đó. Giống như một trò chơi nóng bỏng, các electron được truyền từ protein này sang protein khác. Khi chúng di chuyển, chúng làm các proton (H⁺) được bơm sang phía bên kia của màng, tạo ra một gradient điện hóa mạnh mẽ, giống như một cục pin. Khi cục pin này xả điện, nó tạo ra một phân tử giàu năng lượng gọi là ATP. Nếu các tế bào có tiền, ATP sẽ là loại tiền đó.

Nhưng đó không phải là điều duy nhất mà những electron di chuyển này làm. Khi chúng kết thúc trò chơi nóng bỏng, chúng nhảy lên một phân tử gọi là NADPH, có thể được coi là một chiếc xe điện tử. Thực chất, NADPH là một phân tử có thể mang electron đến một nơi khác, thường là để xây dựng một thứ gì đó.

Tóm tắt những gì mà cây đã đạt được

Hãy tạm dừng để tóm tắt những gì mà cây đã đạt được cho đến nay: Nó đã hấp thụ ánh sáng và sử dụng năng lượng đó để tách electron khỏi nước, tạo ra oxy (O₂) như một sản phẩm phụ. Sau đó, nó đã sử dụng các electron này để tạo ra tiền (ATP), sau đó các electron lên một chiếc xe buýt (NADPH). Bây giờ, đã đến lúc tiêu tiền và sử dụng các electron đó một lần nữa trong một quá trình gọi là chu trình Calvin.

Chu trình Calvin là điểm mà carbon dioxide (CO₂) tham gia vào. Đây là quá trình cố định carbon dioxide thành dạng rắn bằng cách kết hợp nó với một đường năm carbon để tạo thành một đường sáu carbon. (Enzyme thực hiện phản ứng này, gọi là rubisco, có khả năng là protein phong phú nhất trên Trái đất.) Lưu ý rằng tế bào phải sử dụng ATP và NADPH mà nó tạo ra trước đó để duy trì chu trình tiếp tục. Kết quả cuối cùng của chu trình là một phân tử gọi là G3P, mà tế bào có thể sử dụng cho nhiều mục đích – từ việc tạo thức ăn (như đường glucose) đến xây dựng các phân tử cấu trúc để cây có thể phát triển.

Cảm ơn quang hợp!

Bây giờ, mọi phần của phương trình quang hợp đã được giải thích. Một tế bào thực vật sử dụng carbon dioxide (CO₂) và nước (H₂O) làm đầu vào – cái trước để có thể chuyển carbon thành dạng rắn và cái sau như một nguồn electron – và tạo ra glucose (C₆H₁₂O₆) và oxy (O₂) làm đầu ra. Oxy giống như một sản phẩm thải trong quá trình này, nhưng không hẳn là vậy. Sau tất cả, cây cần phải ăn glucose mà nó vừa tạo ra, và để làm điều đó, nó cần oxy.

Dù một số vi sinh vật có thể sống mà không có ánh sáng hay quang hợp, phần lớn sự sống trên Trái đất hoàn toàn phụ thuộc vào nó. Quang hợp cung cấp cho các sinh vật sống tiêu thụ năng lượng nguồn oxy mà chúng ta cần để tồn tại, cùng với các phân tử chứa carbon ở dạng rắn mà chúng ta tiêu thụ để lấy năng lượng và tăng trưởng. Nếu không có quang hợp, chúng ta sẽ không có mặt ở đây. Hệ quả là, những hành tinh không nhận đủ ánh sáng để hỗ trợ quang hợp gần như chắc chắn không chứa các dạng sống phức tạp.

Sự sống và lĩnh vực sinh học phần lớn mang ơn quang hợp. Hãy ôm cây cảnh của bạn hôm nay.