การแปลงพลังงานในคลอโรพลาสต์ พลังงานของแสงอาทิตย์ถูกแปลงอย่างไร บทที่ 3

เป็นที่รู้กันอย่างกว้างขวางว่าดวงอาทิตย์เป็นเทห์ฟากฟ้า (ดาว) และพลังงานแสงอาทิตย์เป็นผลมาจากกิจกรรมที่สำคัญของมัน กระบวนการที่เกิดขึ้นกับมันปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล ขว้างมันด้วยความเร็วอันน่าเหลือเชื่อมายังโลกของเรา การนำพลังงานแสงอาทิตย์มาใช้เกิดขึ้นกับคนทั้งโดยรู้ตัวและไม่รู้ตัว เมื่ออาบแสงแดด เราไม่ได้คิดถึงความจริงที่ว่าพลังงานของดาวดวงนี้กระตุ้นให้เกิดกระบวนการสำคัญหลายอย่างในร่างกายของเรา (เช่น วิตามินดีผลิตในผิวหนังของเรา) ด้วยการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในพืช วัฏจักรของน้ำในธรรมชาติก็เป็น “งานของเธอ” เช่นกัน เราถือว่ามันเป็นเรื่องธรรมดา แต่นี่เป็นเพียงส่วนหนึ่งของบทบาทของพลังงานแสงอาทิตย์ในชีวิตของเรา

การใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในทางปฏิบัติ

ที่ง่ายที่สุดและคุ้นเคยที่สุดสำหรับทุกคน ประเภทของการใช้พลังงานแสงอาทิตย์- ใช้ในเครื่องคิดเลขสมัยใหม่ (บนแผงโซลาร์เซลล์ขนาดกะทัดรัดมาก) และสำหรับใช้ในครัวเรือน (ผลไม้แห้ง น้ำร้อนในถังอาบน้ำกลางแจ้งในประเทศ) การเคลื่อนที่ของอากาศร้อนจากความร้อนของดวงอาทิตย์ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการทำงานของระบบระบายอากาศและปล่องไฟ รังสีดวงอาทิตย์ถูกใช้เป็นเครื่องระเหยเพื่อแยกเกลือออกจากน้ำทะเล ดวงอาทิตย์เป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานหลักสำหรับการทำงานของดาวเทียมในระยะยาว เช่นเดียวกับอุปกรณ์ที่ใช้ในการศึกษาอวกาศ รถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานไฟฟ้ากำลังถูกนำมาใช้ในชีวิตของเรามากขึ้น

การรับและการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์

พลังงานแสงอาทิตย์พุ่งชนโลกของเราในรูปของคลื่นรังสีสามประเภท: อัลตราไวโอเลต แสง และอินฟราเรด

การใช้พลังงานแสงอาทิตย์มุ่งเป้าไปที่การสร้างความร้อนหรือไฟฟ้าเป็นหลัก เป็นคลื่นอินฟราเรดที่ตกลงบนพื้นผิวพิเศษที่พัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ซึ่งกลายเป็นสิ่งที่เราต้องการ

ดังนั้นในการดึงความร้อนออกมา จึงมีการใช้ตัวสะสมเพื่อดูดซับคลื่นอินฟราเรด อุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลที่สะสมความร้อน และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่เกิดความร้อน

เมื่อสร้างพลังงานไฟฟ้าจะใช้โฟโตเซลล์พิเศษ พวกมันดูดซับรังสีของแสงและการติดตั้งที่เกี่ยวข้องจะแปลงรังสีเหล่านี้เป็นไฟฟ้า

วิธีการใช้พลังงานแสงอาทิตย์สามารถแบ่งออกได้ขึ้นอยู่กับประเภทของโรงไฟฟ้าในการแปรรูป มีทั้งหมดหกคน

สามคนแรก:หอคอย (ออกแบบเป็นรูปหอคอยสีดำมีน้ำอยู่ข้างในและมีกระจกล้อมรอบ) พาราโบลา (คล้ายจานดาวเทียมที่มีกระจกอยู่ข้างใน) รูปทรงจาน (ดูเหมือนต้นไม้โลหะที่มีใบไม้ทำจากกระจก) สามารถนำมารวมกันได้เนื่องจากมีหลักการทำงานที่เหมือนกัน: พวกมันจับแสงจำนวนหนึ่งแล้วส่งไปยังแหล่งกักเก็บของเหลวซึ่งจะให้ความร้อนและปล่อยไอน้ำออกมาซึ่งจะถูกนำไปใช้ในการผลิตไฟฟ้า

ที่สี่- อุปกรณ์ที่มีตาแมว ประเภทที่มีชื่อเสียงที่สุดเนื่องจากขนาดอาจแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับความต้องการ แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กใช้สำหรับความต้องการของครัวเรือนส่วนตัว ส่วนแผงโซลาร์เซลล์ขนาดใหญ่ใช้สำหรับความต้องการของภาคอุตสาหกรรม หลักการทำงานคือการผลิตกระแสไฟฟ้าจากรังสีดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดซับโดยตาแมวเนื่องจากความต่างศักย์อยู่ข้างใน

ประการที่ห้า- เครื่องดูดฝุ่น. โครงสร้างเป็นผืนดินมุงหลังคากระจกทรงกลม ภายในมีหอคอยมีกังหันอยู่ที่ฐาน หลักการทำงานคือการให้ความร้อนแก่พื้นใต้หลังคานี้และสร้างกระแสลมเนื่องจากอุณหภูมิที่แตกต่างกัน ใบพัดกังหันหมุนและผลิตพลังงาน

พวกเราหลายคนเคยพบกับเซลล์แสงอาทิตย์ไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง มีคนใช้หรือใช้แผงโซลาร์เซลล์เพื่อผลิตไฟฟ้าเพื่อใช้ในบ้าน บางคนใช้แผงโซลาร์เซลล์ขนาดเล็กเพื่อชาร์จอุปกรณ์โปรดของตนในสนาม และมีคนเห็นเซลล์แสงอาทิตย์ขนาดเล็กบนเครื่องคิดเลขขนาดเล็กอย่างแน่นอน บางคนโชคดีมากที่ได้ไปเยี่ยมชม

แต่คุณเคยคิดบ้างไหมว่ากระบวนการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นพลังงานไฟฟ้าเกิดขึ้นได้อย่างไร? ปรากฏการณ์ทางกายภาพใดที่เป็นรากฐานการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์เหล่านี้ทั้งหมด หันมาใช้ฟิสิกส์และทำความเข้าใจกระบวนการสร้างโดยละเอียด

จากจุดเริ่มต้นเห็นได้ชัดว่าแหล่งพลังงานที่นี่คือแสงแดดหรือในแง่วิทยาศาสตร์ได้มาจากโฟตอนของรังสีดวงอาทิตย์ โฟตอนเหล่านี้สามารถจินตนาการได้ว่าเป็นกระแสของอนุภาคมูลฐานที่เคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องจากดวงอาทิตย์ ซึ่งแต่ละอนุภาคมีพลังงาน ดังนั้นกระแสแสงทั้งหมดจึงมีพลังงานบางชนิด

จากทุกตารางเมตรของพื้นผิวดวงอาทิตย์ พลังงาน 63 เมกะวัตต์ถูกปล่อยออกมาอย่างต่อเนื่องในรูปของรังสี! ความเข้มสูงสุดของรังสีนี้อยู่ในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ - .

ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงได้พิจารณาแล้วว่าความหนาแน่นของพลังงานจากการไหลของแสงอาทิตย์ที่ระยะห่างจากดวงอาทิตย์ถึงโลก 149,600,000 กิโลเมตร หลังจากผ่านชั้นบรรยากาศและเมื่อมาถึงพื้นผิวโลกของเรา จะเฉลี่ยประมาณ 900 วัตต์ต่อตารางเมตร

ที่นี่คุณสามารถยอมรับพลังงานนี้และพยายามรับกระแสไฟฟ้าจากมันนั่นคือแปลงพลังงานของฟลักซ์แสงของดวงอาทิตย์ให้เป็นพลังงานของอนุภาคที่มีประจุเคลื่อนที่หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือ

เพื่อแปลงแสงเป็นไฟฟ้าที่เราต้องการ ตัวแปลงตาแมว- ตัวแปลงดังกล่าวเป็นเรื่องธรรมดามากมีขายฟรีซึ่งเรียกว่าเซลล์แสงอาทิตย์ - ตัวแปลงตาแมวในรูปแบบของเวเฟอร์ที่ตัดจากซิลิคอน

ที่ดีที่สุดคือโมโนคริสตัลไลน์มีประสิทธิภาพประมาณ 18% กล่าวคือหากโฟตอนฟลักซ์จากดวงอาทิตย์มีความหนาแน่นของพลังงาน 900 W/sq.m คุณก็วางใจได้ว่าจะได้รับไฟฟ้า 160 W ต่อตารางเมตรของ แบตเตอรี่ที่ประกอบจากเซลล์ดังกล่าว

ปรากฏการณ์ที่เรียกว่า “เอฟเฟกต์ภาพถ่าย” กำลังเกิดขึ้นที่นี่ เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคหรือเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค- นี่คือปรากฏการณ์การปล่อยอิเล็กตรอนโดยสสาร (ปรากฏการณ์ของอิเล็กตรอนที่ถูกขับออกจากอะตอมของสสาร) ภายใต้อิทธิพลของแสงหรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าอื่น ๆ

ย้อนกลับไปในปี 1900 แม็กซ์ พลังค์ บิดาแห่งฟิสิกส์ควอนตัม เสนอว่าแสงถูกปล่อยออกมาและดูดซับในแต่ละส่วนหรือในควอนตัม ซึ่งต่อมาคือในปี 1926 นักเคมี กิลเบิร์ต ลูอิส เรียกว่า "โฟตอน"

โฟตอนแต่ละตัวมีพลังงาน ซึ่งสามารถกำหนดได้โดยสูตร E = hv - ค่าคงที่ของพลังค์คูณด้วยความถี่ของการแผ่รังสี

ตามแนวคิดของ Max Planck ปรากฏการณ์ที่ Hertz ค้นพบในปี 1887 จากนั้นได้ศึกษาอย่างละเอียดโดย Stoletov ในปี 1888 ถึง 1890 Alexander Stoletov ศึกษาการทดลองเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกและกำหนดกฎสามข้อของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก (กฎของ Stoletov):

ด้วยองค์ประกอบสเปกตรัมคงที่ของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตกกระทบบนโฟโตแคโทดโฟโตแคโทดอิ่มตัวจะเป็นสัดส่วนกับการส่องสว่างพลังงานของแคโทด (กล่าวอีกนัยหนึ่ง: จำนวนโฟโตอิเล็กตรอนที่หลุดออกจากแคโทดใน 1 วินาทีจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความเข้มของรังสี) .

ความเร็วเริ่มต้นสูงสุดของโฟโตอิเล็กตรอนไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสงตกกระทบ แต่จะถูกกำหนดโดยความถี่ของมันเท่านั้น

สำหรับสารแต่ละชนิด มีขีดจำกัดสีแดงของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริก ซึ่งก็คือความถี่ต่ำสุดของแสง (ขึ้นอยู่กับลักษณะทางเคมีของสารและสถานะของพื้นผิว) ซึ่งต่ำกว่านั้นซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะเกิดโฟโตอิเล็กทริก

ต่อมาในปี พ.ศ. 2448 ไอน์สไตน์ได้ชี้แจงทฤษฎีปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก เขาจะแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีควอนตัมของแสง กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงพลังงาน อธิบายสิ่งที่เกิดขึ้นและสิ่งที่สังเกตได้อย่างสมบูรณ์แบบอย่างไร ไอน์สไตน์เขียนสมการเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งเขาได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2464:

ฟังก์ชันงาน A นี่คืองานขั้นต่ำที่อิเล็กตรอนต้องทำเพื่อออกจากอะตอมของสาร เทอมที่สองคือพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนหลังจากทางออก

นั่นคือโฟตอนถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนของอะตอมเนื่องจากพลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนในอะตอมเพิ่มขึ้นตามปริมาณพลังงานของโฟตอนที่ถูกดูดซับ

พลังงานส่วนหนึ่งถูกใช้ไปกับอิเล็กตรอนที่ออกจากอะตอม อิเล็กตรอนจะออกจากอะตอมและสามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ และอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ในทิศทางนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่ากระแสไฟฟ้าหรือโฟโตปัจจุบัน เป็นผลให้เราสามารถพูดคุยเกี่ยวกับการเกิด EMF ในสารอันเป็นผลมาจากโฟโตอิเล็กทริค

นั่นคือ, แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์ทำงานได้เนื่องจากมีโฟโตอิเล็กทริคทำงานอยู่แต่อิเล็กตรอนที่ "ถูกกระแทก" ไปอยู่ที่ไหนในตัวแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์? โฟโตอิเล็กทริคคอนเวอร์เตอร์หรือโซลาร์เซลล์หรือโฟโตเซลล์จึงเป็นเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกที่เกิดขึ้นในลักษณะที่ผิดปกติ มันเป็นโฟโตเอฟเฟกต์ภายในและยังมีชื่อพิเศษว่า "เอฟเฟกต์วาล์ว"

ภายใต้อิทธิพลของแสงแดดเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจะเกิดขึ้นที่จุดเชื่อมต่อ p-n ของเซมิคอนดักเตอร์และแรงเคลื่อนไฟฟ้าจะปรากฏขึ้น แต่อิเล็กตรอนไม่ออกจากโฟโตเซลล์ทุกอย่างเกิดขึ้นในชั้นปิดกั้นเมื่ออิเล็กตรอนออกจากส่วนหนึ่งของร่างกายย้ายไปที่อีกส่วนหนึ่ง ของมัน

ซิลิคอนในเปลือกโลกมีมวลถึง 30% ซึ่งเป็นสาเหตุว่าทำไมจึงถูกนำมาใช้ทุกที่ ลักษณะเฉพาะของเซมิคอนดักเตอร์โดยทั่วไปคือไม่ใช่ทั้งตัวนำไฟฟ้าหรือไดอิเล็กทริก ค่าการนำไฟฟ้าขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเจือปน อุณหภูมิ และการสัมผัสกับรังสี

ช่องว่างแถบความถี่ในเซมิคอนดักเตอร์คือโวลต์อิเล็กตรอนหลายโวลต์ และนี่คือความแตกต่างพลังงานระหว่างระดับบนสุดของแถบความจุของอะตอม ซึ่งเป็นจุดที่อิเล็กตรอนหลุดออกไป กับระดับล่างของแถบการนำไฟฟ้า ในซิลิคอน bandgap มีความกว้าง 1.12 eV ซึ่งเป็นสิ่งที่จำเป็นสำหรับการดูดซับรังสีดวงอาทิตย์

ดังนั้น รอยต่อ p-n ชั้นซิลิคอนที่เจือในตาแมวจะเกิดเป็นรอยต่อ p-n ตรงนี้มีการสร้างกำแพงกั้นพลังงานสำหรับอิเล็กตรอน โดยพวกมันจะออกจากแถบเวเลนซ์และเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น รูจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม นี่คือวิธีการสร้างกระแสไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์ กล่าวคือ ไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นจากแสงแดด

จุดเชื่อมต่อ Pn ที่สัมผัสกับโฟตอนไม่อนุญาตให้พาหะประจุ - อิเล็กตรอนและรู - เคลื่อนที่ไปในทิศทางอื่น พวกมันแยกจากกันและจบลงที่ด้านตรงข้ามของสิ่งกีดขวาง และเมื่อเชื่อมต่อกับวงจรโหลดผ่านอิเล็กโทรดบนและล่าง โฟโตอิเล็กทริคคอนเวอร์เตอร์เมื่อโดนแสงแดดจะสร้างในวงจรภายนอก

วิธีการผลิตไฟฟ้านี้มีพื้นฐานมาจาก แสงแดดซึ่งมีชื่อในตำราเรียนว่า – โฟตอน สำหรับเรามันเป็นเรื่องที่น่าสนใจเพราะว่า เช่นเดียวกับกระแสลมที่กำลังเคลื่อนที่ แสงก็มีพลังงานเช่นกัน! ที่ระยะห่างหนึ่งหน่วยดาราศาสตร์ (149,597,870.66 กม.) จากดวงอาทิตย์ซึ่งเป็นที่ที่โลกของเราตั้งอยู่ ความหนาแน่นฟลักซ์การแผ่รังสีจากแสงอาทิตย์จะอยู่ที่ 1,360 วัตต์/ตารางเมตร และเมื่อไหลผ่านชั้นบรรยากาศของโลก กระแสจะสูญเสียความเข้มเนื่องจากการสะท้อนและการดูดกลืน และที่พื้นผิวโลกก็มีอยู่แล้ว ~ 1,000 วัตต์/ตารางเมตร นี่คือจุดเริ่มต้นของงานของเรา: ใช้พลังงานของฟลักซ์แสงและแปลงเป็นพลังงานที่เราต้องการในชีวิตประจำวัน - ไฟฟ้า

ความลึกลับของการเปลี่ยนแปลงนี้เกิดขึ้นบนสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็ก ๆ ที่มีมุมเอียงซึ่งถูกตัดจากกระบอกซิลิกอน (รูปที่ 2) ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 125 มม. และชื่อของมันคือ ยังไง?

นักฟิสิกส์ได้รับคำตอบสำหรับคำถามนี้ซึ่งค้นพบปรากฏการณ์เช่นเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกเป็นปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนถูกขับออกจากอะตอมของสารภายใต้อิทธิพลของแสง

ในปี 1900 มักซ์ พลังค์ นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันเสนอสมมติฐานว่า แสงถูกปล่อยออกมาและถูกดูดกลืนโดยแยกส่วน - ควอนตัม(หรือโฟตอน) พลังงานของโฟตอนแต่ละอันถูกกำหนดโดยสูตร: อี =ชม.∙ ν (ขี้เถ้าเปลือย) ที่ไหน ชม.- ค่าคงที่ของพลังค์เท่ากับ 6.626 × 10 -34 J∙s ν - ความถี่โฟตอน สมมติฐานของพลังค์อธิบายปรากฏการณ์ของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งค้นพบในปี พ.ศ. 2430 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Heinrich Hertz และศึกษาการทดลองโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Alexander Grigorievich Stoletov ผู้ซึ่งสรุปผลลัพธ์ที่ได้รับได้กำหนดสิ่งต่อไปนี้ กฎสามประการของเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริค:

1. ด้วยองค์ประกอบสเปกตรัมที่คงที่ของแสง ความแรงของกระแสอิ่มตัวจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับฟลักซ์แสงที่ตกกระทบบนแคโทด
2. พลังงานจลน์เริ่มต้นของอิเล็กตรอนที่ถูกปล่อยออกมาจากแสงจะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรงกับความถี่ของแสงที่เพิ่มขึ้น และไม่ขึ้นอยู่กับความเข้มของแสง
3. เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกจะไม่เกิดขึ้นหากความถี่ของแสงน้อยกว่าค่าคุณลักษณะเฉพาะของสารแต่ละชนิด เรียกว่าขีดจำกัดสีแดง

ทฤษฎีเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริกซึ่งชี้แจงความลึกลับที่ครอบงำใน FEP ได้รับการพัฒนาโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Albert Einstein ในปี 1905 โดยอธิบายกฎต่างๆ ผลกระทบจากโฟโตอิเล็กทริคโดยใช้ทฤษฎีควอนตัมของแสง ตามกฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน ไอน์สไตน์ได้เขียนสมการความสมดุลของพลังงานระหว่างปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริค:

ที่ไหน: ชม.∙ ν – พลังงานโฟตอน ก– ฟังก์ชั่นงาน – งานขั้นต่ำที่ต้องทำเพื่อปล่อยอิเล็กตรอนออกจากอะตอมของสาร ดังนั้นปรากฎว่าอนุภาคของแสง - โฟตอน - ถูกดูดซับโดยอิเล็กตรอนซึ่งได้รับพลังงานจลน์เพิ่มเติม ½ม.∙โวลต์ 2 และทำหน้าที่ออกจากอะตอมซึ่งทำให้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างอิสระ และการเคลื่อนที่โดยตรงของประจุไฟฟ้าคือกระแสไฟฟ้าหรือพูดให้ถูกต้องกว่านั้นคือแรงเคลื่อนไฟฟ้า - E.M.F.

ไอน์สไตน์ได้รับรางวัลโนเบลจากสมการเอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคของเขาในปี 1921

เมื่อย้อนกลับไปจากอดีตจนถึงปัจจุบัน เราพบว่า "หัวใจ" ของแบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์คือ FEP (โฟโตเซลล์เซมิคอนดักเตอร์) ซึ่งสร้างความมหัศจรรย์อันน่าอัศจรรย์ของธรรมชาติได้เกิดขึ้นจริง - Valve PhotoEffect (VPE) ประกอบด้วยลักษณะของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่รอยต่อ p-n ภายใต้อิทธิพลของแสง วีเอฟอีหรือ เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคในชั้นกั้น, - ปรากฏการณ์ที่อิเล็กตรอนออกจากร่างกายโดยผ่านส่วนต่อประสานไปยังวัตถุแข็งอื่น (เซมิคอนดักเตอร์)

เซมิคอนดักเตอร์- สิ่งเหล่านี้เป็นวัสดุที่อยู่ในตำแหน่งกลางระหว่างตัวนำและไดอิเล็กทริกในแง่ของค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะและแตกต่างจากตัวนำในการพึ่งพาค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะอย่างมากต่อความเข้มข้นของสิ่งเจือปนอุณหภูมิและรังสีประเภทต่างๆ เซมิคอนดักเตอร์คือสารที่มีช่องว่างของแถบความถี่เรียงตามลำดับอิเล็กตรอนโวลต์ [eV] Band gap คือความแตกต่างของพลังงานอิเล็กตรอนในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ระหว่างระดับล่างของแถบการนำไฟฟ้าและระดับบนของแถบวาเลนซ์ของเซมิคอนดักเตอร์

เซมิคอนดักเตอร์ประกอบด้วยองค์ประกอบทางเคมีมากมาย: เจอร์เมเนียม, ซิลิคอน, ซีลีเนียม, เทลลูเรียม, สารหนูและอื่น ๆ โลหะผสมจำนวนมากและสารประกอบทางเคมี (แกลเลียมอาร์เซไนด์ ฯลฯ ) เซมิคอนดักเตอร์ที่พบมากที่สุดในธรรมชาติคือ ซิลิคอน, คิดเป็นประมาณ 30% ของเปลือกโลก

ซิลิคอนถูกกำหนดให้เป็นวัสดุเนื่องจากเกิดขึ้นอย่างแพร่หลายในธรรมชาติ โดยมีความเบาและช่องว่างแถบความถี่ที่เหมาะสมที่ 1.12 eV สำหรับการดูดซับพลังงานจากแสงแดด ปัจจุบัน ผลึกซิลิกอน (ประมาณ 90% ของตลาดโลก) และเซลล์แสงอาทิตย์แบบฟิล์มบาง (ประมาณ 10% ของตลาด) เป็นสินค้าที่โดดเด่นที่สุดในตลาดสำหรับระบบภาคพื้นดินเชิงพาณิชย์

องค์ประกอบสำคัญในการออกแบบตัวแปลงไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ซิลิคอนแบบผลึก (PVC) คือจุดเชื่อมต่อ p-n ในรูปแบบที่เรียบง่าย เซลล์แสงอาทิตย์สามารถแสดงเป็น "แซนวิช" ได้ โดยประกอบด้วยชั้นของซิลิคอนที่เจือเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ p-n

คุณสมบัติหลักอย่างหนึ่งของจุดเชื่อมต่อ pn คือความสามารถในการเป็นอุปสรรคด้านพลังงานสำหรับพาหะในปัจจุบัน กล่าวคือ ปล่อยให้พวกมันผ่านไปในทิศทางเดียวเท่านั้น ด้วยเหตุนี้จึงมีการสร้างกระแสไฟฟ้าในเซลล์แสงอาทิตย์ การแผ่รังสีที่ตกกระทบบนพื้นผิวขององค์ประกอบจะสร้างพาหะประจุที่มีสัญญาณต่างกันในปริมาตรของเซมิคอนดักเตอร์ ได้แก่ อิเล็กตรอน (n) และรู (p) ด้วยคุณสมบัติของมัน ทางแยก pn จะ "แยก" พวกมันออก ทำให้แต่ละประเภทผ่านไปได้เพียงครึ่ง "ของตัวเอง" เท่านั้น และตัวพาประจุจะเคลื่อนที่อย่างโกลาหลในปริมาตรขององค์ประกอบไปสิ้นสุดที่ด้านตรงข้ามของแผงกั้น หลังจากนั้น สามารถถ่ายโอนไปยังวงจรภายนอกเพื่อสร้างแรงดันไฟฟ้าข้ามโหลดและกระแสไฟฟ้าในวงจรปิดที่เชื่อมต่อกับเซลล์แสงอาทิตย์

ประวัติความเป็นมาของการศึกษาการสังเคราะห์ด้วยแสงย้อนกลับไปในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2314 เมื่อนักศาสนศาสตร์ นักปรัชญา และนักธรรมชาติวิทยาสมัครเล่นชาวอังกฤษ โจเซฟ พรีสต์ลีย์ (พ.ศ. 2276-2347) ค้นพบว่าพืชสามารถ "แก้ไข" คุณสมบัติของอากาศที่เปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของมันอันเป็นผลมาจากการเผาไหม้หรือ กิจกรรมของสัตว์ พรีสต์ลีย์แสดงให้เห็นว่าเมื่อมีต้นไม้ อากาศที่ "เน่าเสีย" จะเหมาะสมสำหรับการเผาไหม้และช่วยชีวิตสัตว์อีกครั้ง

ในระหว่างการวิจัยเพิ่มเติมโดย Ingenhaus, Senebier, Saussure, Boussingault และนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ พบว่าเมื่อพืชได้รับแสงสว่างจะปล่อยออกซิเจนและดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์จากอากาศ พืชสังเคราะห์สารอินทรีย์จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ กระบวนการนี้เรียกว่าการสังเคราะห์ด้วยแสง

โรเบิร์ต เมเยอร์ ผู้ค้นพบกฎการอนุรักษ์พลังงานเสนอในปี ค.ศ. 1845 ว่าพืชเปลี่ยนพลังงานจากแสงอาทิตย์เป็นพลังงานของสารประกอบเคมีที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง ตามที่เขาพูด "รังสีของดวงอาทิตย์ที่แพร่กระจายในอวกาศจะถูก "จับ" และเก็บไว้เพื่อใช้ในภายหลังตามความจำเป็น" ต่อมานักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย K.A. Timiryazev พิสูจน์ให้เห็นอย่างน่าเชื่อว่าบทบาทที่สำคัญที่สุดในการใช้พลังงานแสงอาทิตย์จากพืชนั้นเล่นโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่อยู่ในใบไม้สีเขียว

คาร์โบไฮเดรต (น้ำตาล) ที่เกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจะใช้เป็นแหล่งพลังงานและวัสดุก่อสร้างสำหรับการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ต่างๆ ในพืชและสัตว์ ในพืชชั้นสูง กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์ ซึ่งเป็นออร์แกเนลล์เฉพาะที่ทำหน้าที่แปลงพลังงานของเซลล์พืช

การแสดงแผนผังของคลอโรพลาสต์แสดงไว้ในรูปที่. 1.

ภายใต้เปลือกสองชั้นของคลอโรพลาสต์ ซึ่งประกอบด้วยเยื่อหุ้มด้านนอกและด้านใน มีโครงสร้างเมมเบรนที่ขยายออกซึ่งก่อตัวเป็นถุงปิดที่เรียกว่าไทลาคอยด์ เยื่อไทลาคอยด์ประกอบด้วยโมเลกุลไขมันสองชั้น ซึ่งรวมถึงคอมเพล็กซ์โปรตีนสังเคราะห์แสงโมเลกุลขนาดใหญ่ ในคลอโรพลาสต์ของพืชชั้นสูง ไทลาคอยด์จะถูกจัดกลุ่มเป็นกรานา ซึ่งเป็นกองของไทลาคอยด์ที่มีรูปร่างเป็นดิสก์ซ้อนกันจนแบนและอัดแน่นเข้าด้วยกัน ความต่อเนื่องของไทลาคอยด์แต่ละอันของกรานาคือไทลาคอยด์ตามขอบเกรนที่ยื่นออกมาจากพวกมัน ช่องว่างระหว่างเมมเบรนคลอโรพลาสต์และไทลาคอยด์เรียกว่าสโตรมา สโตรมาประกอบด้วยโมเลกุลคลอโรพลาสต์ RNA, DNA, ไรโบโซม, เมล็ดแป้ง รวมถึงเอนไซม์หลายชนิด รวมถึงเอนไซม์ที่ช่วยให้พืชดูดซึมคาร์บอนไดออกไซด์ได้

สิ่งพิมพ์นี้จัดทำขึ้นโดยได้รับการสนับสนุนจากบริษัท Sushi E’xpress บริษัท "Sushi E'xpress" ให้บริการจัดส่งซูชิในโนโวซีบีสค์ เมื่อสั่งซูชิจากบริษัท Sushi E’xpress คุณจะได้รับอาหารจานอร่อยและดีต่อสุขภาพที่ปรุงโดยเชฟมืออาชีพโดยใช้วัตถุดิบสดใหม่คุณภาพสูงสุดอย่างรวดเร็ว เมื่อเยี่ยมชมเว็บไซต์ของบริษัท Sushi E’xpress คุณจะได้ทำความคุ้นเคยกับราคาและองค์ประกอบของโรลที่นำเสนอ ซึ่งจะช่วยคุณตัดสินใจเลือกอาหารจานต่างๆ หากต้องการสั่งซูชิเดลิเวอรี่ โทร 239-55-87

ขั้นตอนการสังเคราะห์ด้วยแสงและความมืด

ตามแนวคิดสมัยใหม่ การสังเคราะห์ด้วยแสงเป็นชุดของกระบวนการทางแสงและชีวเคมีซึ่งเป็นผลมาจากการที่พืชสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรต (น้ำตาล) โดยใช้พลังงานจากแสงแดด การสังเคราะห์ด้วยแสงหลายขั้นตอนมักแบ่งออกเป็นสองกลุ่มใหญ่ของกระบวนการ - ระยะแสงและระยะมืด

ระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงมักเรียกว่าชุดของกระบวนการซึ่งเป็นผลมาจากพลังงานแสงโมเลกุลอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) จึงถูกสังเคราะห์และการก่อตัวของนิโคตินาไมด์อะดีนีนไดนิวคลีโอไทด์ฟอสเฟต (NADP H) ที่ลดลงซึ่งเป็นสารประกอบที่มีค่าสูง ลดศักยภาพเกิดขึ้น โมเลกุล ATP ทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานสากลในเซลล์ เป็นที่รู้กันว่าพลังงานของพันธะฟอสเฟตแบบ Macroergic (เช่น อุดมด้วยพลังงาน) ของโมเลกุล ATP ใช้ในกระบวนการทางชีวเคมีส่วนใหญ่ที่ใช้พลังงาน

กระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงเกิดขึ้นในไทลาคอยด์ซึ่งเยื่อหุ้มประกอบด้วยส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์สังเคราะห์แสงของพืช - คอมเพล็กซ์เม็ดสีโปรตีนและโปรตีนที่เก็บเกี่ยวแสงและการขนส่งอิเล็กตรอนรวมถึงคอมเพล็กซ์ ATP synthase ซึ่งกระตุ้นการก่อตัวของ ATP จากอะดีโนซีน ไดฟอสเฟต (ADP) และอนินทรีย์ฟอสเฟต (P i) (ADP + Ф i → ATP + H 2 O) ดังนั้นจากการสังเคราะห์ด้วยแสงในระยะแสง พลังงานของแสงที่พืชดูดซับจะถูกเก็บไว้ในรูปแบบของพันธะเคมีพลังงานสูงของโมเลกุล ATP และสารรีดิวซ์ที่แข็งแกร่ง NADP H ซึ่งใช้สำหรับการสังเคราะห์คาร์โบไฮเดรตใน สิ่งที่เรียกว่าระยะมืดของการสังเคราะห์ด้วยแสง

การสังเคราะห์ด้วยแสงในระยะมืดมักเรียกว่าชุดของปฏิกิริยาทางชีวเคมีซึ่งเป็นผลมาจากการที่พืชดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ในชั้นบรรยากาศ (CO 2) และเกิดคาร์โบไฮเดรต วงจรของการเปลี่ยนแปลงทางชีวเคมีสีเข้มที่นำไปสู่การสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์จาก CO 2 และน้ำเรียกว่าวัฏจักรคาลวิน-เบนสัน ซึ่งตั้งชื่อตามผู้เขียนที่มีส่วนสนับสนุนอย่างเด็ดขาดในการศึกษากระบวนการเหล่านี้ ต่างจากการขนส่งอิเล็กตรอนและคอมเพล็กซ์ ATP synthase ซึ่งอยู่ในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ เอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยา "ความมืด" ของการสังเคราะห์ด้วยแสงจะถูกละลายในสโตรมา เมื่อเมมเบรนคลอโรพลาสต์ถูกทำลาย เอนไซม์เหล่านี้จะถูกชะล้างออกจากสโตรมา ซึ่งส่งผลให้คลอโรพลาสต์สูญเสียความสามารถในการดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์

จากการเปลี่ยนแปลงของสารประกอบอินทรีย์จำนวนหนึ่งในวัฏจักรคาลวิน–เบนสัน โมเลกุลของกลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตจึงเกิดขึ้นจากโมเลกุลของ CO 2 สามโมเลกุลและน้ำในคลอโรพลาสต์ โดยมีสูตรทางเคมี CHO–CHOH–CH 2 อ–ป.3 2-. ในกรณีนี้ ต่อหนึ่งโมเลกุลของ CO 2 ที่รวมอยู่ในกลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟต จะใช้ ATP สามโมเลกุลและ NADP H สองโมเลกุล

สำหรับการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ในวัฏจักรคาลวิน-เบนสัน พลังงานที่ปล่อยออกมาระหว่างปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของพันธะฟอสเฟตพลังงานสูงของโมเลกุล ATP (ปฏิกิริยา ATP + H 2 O → ADP + Ph i) และศักยภาพการรีดักชันที่แข็งแกร่งของ NADP H มีการใช้โมเลกุล ส่วนหลักของโมเลกุลที่เกิดขึ้นในคลอโรพลาสต์กลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตจะเข้าสู่ไซโตโซลของเซลล์พืชซึ่งจะถูกแปลงเป็นฟรุกโตส-6-ฟอสเฟตและกลูโคส-6-ฟอสเฟตซึ่งในระหว่างการเปลี่ยนแปลงต่อไปจะเกิดเป็นน้ำตาล ฟอสเฟตซึ่งเป็นสารตั้งต้นของซูโครส แป้งถูกสังเคราะห์จากโมเลกุลกลีเซอราลดีไฮด์-3-ฟอสเฟตที่เหลืออยู่ในคลอโรพลาสต์

การแปลงพลังงานในศูนย์ปฏิกิริยาสังเคราะห์แสง

คอมเพล็กซ์การแปลงพลังงานการสังเคราะห์แสงของพืช สาหร่าย และแบคทีเรียสังเคราะห์แสงได้รับการศึกษาอย่างดี องค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างเชิงพื้นที่ของโปรตีนคอมเพล็กซ์ที่เปลี่ยนรูปพลังงานได้ถูกสร้างขึ้น และลำดับของกระบวนการเปลี่ยนรูปพลังงานได้รับการชี้แจงแล้ว แม้จะมีความแตกต่างในองค์ประกอบและโครงสร้างโมเลกุลของอุปกรณ์สังเคราะห์แสง แต่ก็มีรูปแบบทั่วไปของกระบวนการแปลงพลังงานในศูนย์ปฏิกิริยาแสงของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงทั้งหมด ในระบบการสังเคราะห์แสงของทั้งพืชและแบคทีเรีย หน่วยโครงสร้างและฟังก์ชันเดียวของเครื่องสังเคราะห์แสงคือ ระบบภาพถ่ายซึ่งรวมถึงเสาอากาศสำหรับเก็บแสง ศูนย์ปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล และโมเลกุลที่เกี่ยวข้อง - ตัวพาอิเล็กตรอน

ก่อนอื่นให้เราพิจารณาหลักการทั่วไปของการเปลี่ยนแปลงของพลังงานแสงแดด คุณลักษณะของระบบการสังเคราะห์แสงทั้งหมด จากนั้นเราจะกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวอย่างการทำงานของศูนย์ปฏิกิริยาแสงและห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของคลอโรพลาสต์ในพืชชั้นสูง

เสาอากาศเก็บเกี่ยวแสง (การดูดกลืนแสง การย้ายพลังงานไปยังศูนย์ปฏิกิริยา)

การกระทำเบื้องต้นขั้นแรกของการสังเคราะห์ด้วยแสงคือการดูดกลืนแสงโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์หรือเม็ดสีเสริมที่เป็นส่วนหนึ่งของสารเชิงซ้อนโปรตีนและเม็ดสีชนิดพิเศษที่เรียกว่าเสาอากาศสำหรับเก็บเกี่ยวแสง เสาอากาศเก็บเกี่ยวแสงเป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ที่ออกแบบมาเพื่อจับแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ในคลอโรพลาสต์ สารเชิงซ้อนของเสาอากาศประกอบด้วยโมเลกุลคลอโรฟิลล์จำนวนมาก (มากถึงหลายร้อย) และเม็ดสีเสริม (แคโรทีนอยด์) จำนวนหนึ่งจับกับโปรตีนอย่างแน่นหนา

ในแสงแดดจ้า โมเลกุลคลอโรฟิลล์แต่ละตัวจะดูดซับควอนตัมแสงได้ค่อนข้างน้อย โดยเฉลี่ยจะไม่เกิน 10 ครั้งต่อวินาที อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีโมเลกุลคลอโรฟิลล์จำนวนมากต่อศูนย์ปฏิกิริยาแสง (200–400) แม้ว่าแสงตกกระทบบนใบจะมีความเข้มค่อนข้างน้อยภายใต้สภาวะแรเงาของพืช ศูนย์ปฏิกิริยาจึงถูกเปิดใช้งานค่อนข้างบ่อย กลุ่มเม็ดสีที่ดูดซับแสงโดยพื้นฐานแล้วทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ ซึ่งเนื่องจากขนาดค่อนข้างใหญ่ จึงจับแสงแดดได้อย่างมีประสิทธิภาพและส่งพลังงานไปยังศูนย์ปฏิกิริยา ตามกฎแล้วพืชที่ชอบร่มเงาจะมีเสาอากาศในการเก็บเกี่ยวแสงที่ใหญ่กว่าเมื่อเปรียบเทียบกับพืชที่ปลูกในสภาพที่มีแสงสูง

ในพืช เม็ดสีหลักในการเก็บเกี่ยวแสงคือโมเลกุลของคลอโรฟิลล์ กและคลอโรฟิลล์ ข, ดูดซับแสงที่มองเห็นด้วยความยาวคลื่น γ ≤ 700–730 นาโนเมตร โมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่แยกออกมาจะดูดซับแสงเฉพาะในสเปกตรัมแสงอาทิตย์สองแถบที่ค่อนข้างแคบเท่านั้น: ที่ความยาวคลื่น 660–680 นาโนเมตร (แสงสีแดง) และ 430–450 นาโนเมตร (แสงสีน้ำเงิน-ม่วง) ซึ่งแน่นอนว่าจะจำกัดประสิทธิภาพของการใช้ แสงอาทิตย์ตกกระทบบนใบไม้สีเขียวทั้งหมด

อย่างไรก็ตาม องค์ประกอบทางสเปกตรัมของแสงที่ถูกดูดกลืนโดยเสาอากาศรับแสงนั้นมีความกว้างกว่ามาก สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของคลอโรฟิลล์ในรูปแบบรวมซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของเสาอากาศสำหรับเก็บเกี่ยวแสงจะเลื่อนไปทางความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น นอกเหนือจากคลอโรฟิลล์แล้ว เสาอากาศสำหรับเก็บเกี่ยวแสงยังรวมถึงเม็ดสีเสริม ซึ่งเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน เนื่องจากพวกมันดูดซับแสงในบริเวณเหล่านั้นของสเปกตรัมซึ่งโมเลกุลคลอโรฟิลล์ ซึ่งเป็นเม็ดสีหลักของเสาอากาศสำหรับเก็บเกี่ยวแสง ดูดซับ แสงค่อนข้างอ่อน

ในพืช เม็ดสีเสริมคือแคโรทีนอยด์ที่ดูดซับแสงในบริเวณความยาวคลื่น แลมบี 450–480 นาโนเมตร ในเซลล์ของสาหร่ายสังเคราะห์ด้วยแสง ได้แก่ เม็ดสีแดงและสีน้ำเงิน: ไฟโคอีรีทรินในสาหร่ายสีแดง (แลมบี พรีเมี่ยม 495–565 นาโนเมตร) และไฟโคไซยานินในสาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียว (แลมป์ 550–615 นาโนเมตร)

การดูดซับควอนตัมแสงโดยโมเลกุลคลอโรฟิลล์ (Chl) หรือเม็ดสีเสริมทำให้เกิดการกระตุ้น (อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปสู่ระดับพลังงานที่สูงขึ้น):

Chl + hν → Chl*

พลังงานของโมเลกุลคลอโรฟิลล์ Chl* ที่ตื่นเต้นจะถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลของเม็ดสีข้างเคียง ซึ่งในทางกลับกันสามารถถ่ายโอนไปยังโมเลกุลอื่นๆ ของเสาอากาศเก็บเกี่ยวแสงได้:

Chl* + Chl → Chl + Chl*

พลังงานกระตุ้นสามารถเคลื่อนผ่านเมทริกซ์เม็ดสีจนกระทั่งการกระตุ้นไปถึงศูนย์ปฏิกิริยาแสง P ในที่สุด (การแสดงแผนผังของกระบวนการนี้แสดงในรูปที่ 2):

Chl* + P → Chl + P*

โปรดทราบว่าระยะเวลาการดำรงอยู่ของโมเลกุลคลอโรฟิลล์และเม็ดสีอื่น ๆ ในสภาวะตื่นเต้นนั้นสั้นมาก τ µ 10 –10 –10 –9 วินาที ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้บางประการที่ระหว่างทางไปยังศูนย์ปฏิกิริยา P พลังงานของสภาวะเม็ดสีที่น่าตื่นเต้นในช่วงสั้น ๆ อาจสูญหายไปอย่างไร้ประโยชน์ - กระจายไปสู่ความร้อนหรือปล่อยออกมาในรูปของควอนตัมแสง (ปรากฏการณ์เรืองแสง) อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ประสิทธิภาพการโยกย้ายพลังงานไปยังศูนย์ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงนั้นสูงมาก ในกรณีที่ศูนย์ปฏิกิริยาอยู่ในสถานะใช้งาน ตามกฎแล้วความน่าจะเป็นของการสูญเสียพลังงานจะไม่เกิน 10–15% ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแสงอาทิตย์ที่สูงนี้เกิดจากการที่เสาอากาศรับแสงเป็นโครงสร้างที่ได้รับการจัดลำดับสูงเพื่อให้แน่ใจว่าเม็ดสีจะมีปฏิกิริยาระหว่างกันเป็นอย่างดี ด้วยเหตุนี้ จึงสามารถถ่ายโอนพลังงานกระตุ้นจากโมเลกุลที่ดูดซับแสงไปยังศูนย์ปฏิกิริยาแสงได้ในอัตราที่สูง ตามกฎแล้วเวลาเฉลี่ยสำหรับการ "กระโดด" ของพลังงานกระตุ้นจากเม็ดสีหนึ่งไปยังอีกสีหนึ่งคือ τ µ 10 –12 –10 –11 วินาที เวลารวมของการกระตุ้นไปยังศูนย์ปฏิกิริยามักจะไม่เกิน 10–10–10–9 วินาที

ศูนย์ปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล (การถ่ายโอนอิเล็กตรอน การทำให้ประจุแยกออกจากกันคงตัว)

แนวคิดสมัยใหม่เกี่ยวกับโครงสร้างของศูนย์ปฏิกิริยาและกลไกของระยะปฐมภูมิของการสังเคราะห์ด้วยแสงนำหน้าด้วยงานของ A.A. Krasnovsky ผู้ค้นพบว่าต่อหน้าผู้บริจาคและผู้รับอิเล็กตรอน โมเลกุลของคลอโรฟิลล์ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงสามารถถูกรีดิวซ์แบบย้อนกลับได้ (รับอิเล็กตรอน) และออกซิไดซ์ (บริจาคอิเล็กตรอน) ต่อจากนั้น Cock, Witt และ Duyzens ค้นพบในพืช สาหร่าย และแบคทีเรียสังเคราะห์แสง เม็ดสีพิเศษของคลอโรฟิลล์ที่เรียกว่าศูนย์ปฏิกิริยา ซึ่งถูกออกซิไดซ์ภายใต้การกระทำของแสง และในความเป็นจริงแล้วเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนหลักในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

ศูนย์ปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอล P เป็นคู่พิเศษ (ไดเมอร์) ของโมเลกุลคลอโรฟิลล์ที่ทำหน้าที่เป็นกับดักพลังงานกระตุ้นที่เคลื่อนผ่านเมทริกซ์เม็ดสีของเสาอากาศสำหรับเก็บเกี่ยวแสง (รูปที่ 2) เช่นเดียวกับที่ของเหลวไหลจากผนังของกรวยกว้างไปยังคอแคบของมัน พลังงานของแสงที่ดูดซับโดยเม็ดสีทั้งหมดของเสาอากาศรับแสงจะถูกส่งไปยังศูนย์ปฏิกิริยาโดยตรง การกระตุ้นของศูนย์ปฏิกิริยาจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงต่อเนื่องของพลังงานแสงในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสง

ลำดับของกระบวนการที่เกิดขึ้นหลังจากการกระตุ้นของศูนย์ปฏิกิริยา P และแผนภาพของการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในพลังงานของระบบภาพถ่ายจะแสดงเป็นแผนผังในรูปที่ 1 3.

นอกเหนือจากไดเมอร์คลอโรฟิลล์ P แล้ว สารเชิงซ้อนการสังเคราะห์ด้วยแสงยังรวมถึงโมเลกุลของตัวรับอิเล็กตรอนปฐมภูมิและทุติยภูมิ ซึ่งตามอัตภาพเราจะกำหนดให้เป็น A และ B เช่นเดียวกับผู้บริจาคอิเล็กตรอนปฐมภูมิ โมเลกุล D ศูนย์ปฏิกิริยาที่ตื่นเต้น P* มีค่าต่ำ ความสัมพันธ์กับอิเล็กตรอนจึงบริจาคให้กับตัวรับอิเล็กตรอนหลักที่อยู่ใกล้เคียง A:

D(P*A)B → D(P + A –)B.

ดังนั้น เป็นผลมาจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่รวดเร็วมาก (t ño10–12 s) จาก P* ไปยัง A ขั้นตอนสำคัญพื้นฐานที่สองของการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์ในระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงจึงเกิดขึ้น - การแยกประจุในศูนย์ปฏิกิริยา ในกรณีนี้จะเกิดตัวรีดิวซ์อย่างแรง A – (ผู้บริจาคอิเล็กตรอน) และตัวออกซิไดซ์อย่างแรง P + (ตัวรับอิเล็กตรอน) เกิดขึ้น

โมเลกุล P + และ A – ตั้งอยู่ในเมมเบรนไม่สมมาตร: ในคลอโรพลาสต์, ศูนย์ปฏิกิริยา P + ตั้งอยู่ใกล้กับพื้นผิวของเมมเบรนซึ่งหันหน้าไปทางด้านในของไทลาคอยด์ และตัวรับ A – ตั้งอยู่ใกล้กับด้านนอกมากขึ้น ดังนั้น ผลจากการแยกประจุด้วยแสงทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าบนเมมเบรน การแยกประจุที่เกิดจากแสงในศูนย์ปฏิกิริยานั้นคล้ายคลึงกับการสร้างความต่างศักย์ไฟฟ้าในตาแมวทั่วไป อย่างไรก็ตาม ควรเน้นย้ำว่าประสิทธิภาพของศูนย์ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงนั้นแตกต่างจากโฟโตคอนเวอร์เตอร์พลังงานในเทคโนโลยีที่เป็นที่รู้จักและใช้กันอย่างแพร่หลาย ตามกฎแล้วประสิทธิภาพของการแยกประจุในศูนย์ปฏิกิริยาการสังเคราะห์แสงที่ใช้งานอยู่นั้นเกิน 90–95% (ตัวอย่างที่ดีที่สุดของเซลล์แสงอาทิตย์มีประสิทธิภาพไม่เกิน 30%)

กลไกใดที่ทำให้การแปลงพลังงานมีประสิทธิภาพสูงในศูนย์ปฏิกิริยา? เหตุใดอิเล็กตรอนจึงถ่ายโอนไปยังตัวรับ A จึงไม่กลับไปยังศูนย์กลางออกซิไดซ์ที่มีประจุบวก P + ? ความเสถียรของประจุที่แยกจากกันนั้นส่วนใหญ่เกิดจากกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนรองหลังจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจาก P* ไปยัง A จากตัวรับหลักที่ได้รับการฟื้นฟู A อิเล็กตรอนอย่างรวดเร็วมาก (ใน 10–10–10–9 วินาที) ไปที่ ตัวรับอิเล็กตรอนรอง B:

D(พี + ก –)B → D(P + A)B – .

ในกรณีนี้ อิเล็กตรอนไม่เพียงเคลื่อนที่ออกจากศูนย์ปฏิกิริยาที่มีประจุบวก P + แต่พลังงานของทั้งระบบก็ลดลงอย่างเห็นได้ชัดเช่นกัน (รูปที่ 3) ซึ่งหมายความว่าในการถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปในทิศทางตรงกันข้าม (การเปลี่ยนผ่าน B – → A) จะต้องเอาชนะอุปสรรคพลังงานที่ค่อนข้างสูง ΔE data 0.3–0.4 eV โดยที่ ΔE คือความแตกต่างในระดับพลังงานสำหรับสองสถานะของ ระบบที่อิเล็กตรอนอยู่บนพาหะ A หรือ B ตามลำดับ ด้วยเหตุนี้ เพื่อให้อิเล็กตรอนกลับมาจากโมเลกุล B ที่รีดิวซ์ไปยังโมเลกุลที่ถูกออกซิไดซ์ A จึงต้องใช้เวลามากกว่าการเปลี่ยนผ่านโดยตรง A - → B. กล่าวอีกนัยหนึ่ง ในทิศทางไปข้างหน้า อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนเร็วกว่าในทางกลับกันมาก ดังนั้นหลังจากที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนไปยังตัวรับรอง B ความน่าจะเป็นที่มันจะกลับมาและการรวมตัวกันอีกครั้งด้วย "รู" ที่มีประจุบวก P + จะลดลงอย่างมาก

ปัจจัยที่สองที่มีส่วนในการรักษาเสถียรภาพของประจุที่แยกจากกันคือการทำให้เป็นกลางอย่างรวดเร็วของศูนย์ปฏิกิริยาแสงออกซิไดซ์ P + เนื่องจากอิเล็กตรอนที่จ่ายให้กับ P + จากผู้บริจาคอิเล็กตรอน D:

D(พี + ก)B – → D + (PA)B – .

หลังจากได้รับอิเล็กตรอนจากโมเลกุลผู้บริจาค D และกลับสู่สถานะรีดิวซ์ P ดั้งเดิม ศูนย์ปฏิกิริยาจะไม่สามารถรับอิเล็กตรอนจากตัวรับรีดิวซ์ได้อีกต่อไป แต่ตอนนี้ก็พร้อมที่จะยิงอีกครั้ง - เพื่อให้อิเล็กตรอนแก่ ตัวรับหลักออกซิไดซ์ A ที่อยู่ข้างๆ นี่คือลำดับของเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นในศูนย์ปฏิกิริยาแสงของระบบสังเคราะห์แสงทั้งหมด

ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนของคลอโรพลาสต์

ในคลอโรพลาสต์ของพืชชั้นสูง มีระบบภาพถ่ายสองระบบ: ระบบภาพถ่าย 1 (PS1) และระบบภาพถ่าย 2 (PS2) ซึ่งแตกต่างกันในองค์ประกอบของโปรตีน เม็ดสี และคุณสมบัติทางแสง เสาอากาศเก็บแสง FS1 ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่น γ ≤ 700–730 นาโนเมตร และ FS2 ดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่น γ ≤ 680–700 นาโนเมตร ออกซิเดชันที่เกิดจากแสงของศูนย์ปฏิกิริยาของ PS1 และ PS2 นั้นมาพร้อมกับการฟอกสี ซึ่งมีลักษณะเฉพาะจากการเปลี่ยนแปลงสเปกตรัมการดูดกลืนแสงที่ γ µ 700 และ 680 นาโนเมตร ตามลักษณะทางแสง ศูนย์ปฏิกิริยาของ PS1 และ PS2 มีชื่อว่า P 700 และ P 680

ระบบภาพถ่ายทั้งสองเชื่อมต่อกันผ่านสายโซ่ของตัวพาอิเล็กตรอน (รูปที่ 4) PS2 เป็นแหล่งอิเล็กตรอนของ PS1 การแยกประจุที่เริ่มต้นโดยแสงในศูนย์ปฏิกิริยาด้วยแสง P 700 และ P 680 ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากน้ำที่สลายตัวใน PS2 ไปยังตัวรับอิเล็กตรอนสุดท้าย - โมเลกุล NADP + ห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน (ETC) ซึ่งเชื่อมต่อระบบภาพถ่ายทั้งสองระบบ รวมถึงโมเลกุลพลาสโตควิโนน ซึ่งเป็นโปรตีนเชิงซ้อนการขนส่งอิเล็กตรอนที่แยกจากกัน (ที่เรียกว่าคอมเพล็กซ์ b/f) และพลาสโตไซยานินโปรตีนที่ละลายน้ำได้ (P c) เป็นตัวพาอิเล็กตรอน แผนภาพแสดงการจัดเรียงสัมพัทธ์ของสารเชิงซ้อนการขนส่งอิเล็กตรอนในเมมเบรนไทลาคอยด์ และเส้นทางการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากน้ำไปยัง NADP + แสดงในรูปที่ 1 4.

ใน PS2 จากศูนย์กลางที่ตื่นเต้น P* 680 อิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังตัวรับฟีโอเฟตินหลัก (เพ) ก่อน จากนั้นไปยังโมเลกุลพลาสโตควิโนน Q A ซึ่งจับกันอย่างแน่นหนากับโปรตีน PS2 ตัวใดตัวหนึ่ง

Y(P* 680 เพ)Q A Q B → Y(P + 680 เพ –)Q A Q B →Y(P + 680 เพ)Q A – QB

จากนั้นอิเล็กตรอนจะถูกถ่ายโอนไปยังโมเลกุลพลาสโตควิโนนตัวที่สอง QB และ P 680 ได้รับอิเล็กตรอนจากผู้บริจาคอิเล็กตรอนหลัก Y:

Y(P + 680 เพ)Q A – Q B → Y + (P 680 เพ)Q A Q B – .

โมเลกุลของพลาสโตควิโนน ซึ่งเป็นสูตรทางเคมีและตำแหน่งของมันในเยื่อหุ้มชั้นไขมันสองชั้นแสดงไว้ในรูปที่ 1 5 สามารถรับอิเล็กตรอนได้ 2 ตัว หลังจากที่ศูนย์ปฏิกิริยา PS2 ยิงสองครั้ง โมเลกุลของพลาสโตควิโนน QB จะได้รับอิเล็กตรอนสองตัว:

QB + 2е – → QB 2– .

โมเลกุล Q B 2 ที่มีประจุลบมีความสัมพันธ์กับไอออนไฮโดรเจนสูง ซึ่งจับได้จากพื้นที่สโตรมัล หลังจากการโปรตอนของพลาสโตควิโนน QB 2 ที่ลดลง (Q B 2– + 2H + → QH 2) จะเกิดรูปแบบที่เป็นกลางทางไฟฟ้าของโมเลกุล QH 2 นี้ซึ่งเรียกว่าพลาสโตควินอล (รูปที่ 5) พลาสโตควินอลทำหน้าที่เป็นพาหะเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน 2 ตัวและโปรตอน 2 ตัว หลังจากออกจาก PS2 แล้ว โมเลกุล QH 2 จะสามารถเคลื่อนที่ภายในเมมเบรนไทลาคอยด์ได้อย่างง่ายดาย ทำให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อของ PS2 กับคอมเพล็กซ์การขนส่งอิเล็กตรอนอื่น ๆ

ศูนย์ปฏิกิริยาออกซิไดซ์ PS2 R 680 มีสัมพรรคภาพอิเล็กตรอนสูงเป็นพิเศษ เช่น เป็นสารออกซิไดซ์ที่แรงมาก ด้วยเหตุนี้ PS2 จึงสลายน้ำซึ่งเป็นสารประกอบที่มีความเสถียรทางเคมี คอมเพล็กซ์แยกน้ำ (WSC) ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ PS2 มีกลุ่มของไอออนแมงกานีส (Mn 2+) อยู่ในศูนย์กลางที่แอคทีฟ ซึ่งทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนสำหรับ P680 ด้วยการบริจาคอิเล็กตรอนให้กับศูนย์ปฏิกิริยาออกซิไดซ์ ไอออนของแมงกานีสจะกลายเป็น "ตัวสะสม" ของประจุบวก ซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำ จากผลของการเปิดใช้งานสี่เท่าตามลำดับของศูนย์ปฏิกิริยา P 680 สารออกซิเดชันที่แรงสี่ตัว (หรือ "รู" สี่รู) จะสะสมในศูนย์กลางแอคทีฟที่ประกอบด้วย Mn ของ VRC ในรูปของไอออนแมงกานีสที่ถูกออกซิไดซ์ (Mn 4+) ซึ่ง ทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของน้ำ 2 โมเลกุล เร่งปฏิกิริยาน้ำที่เกิดปฏิกิริยาการสลายตัว:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2

ดังนั้นหลังจากการถ่ายโอนอิเล็กตรอนสี่ตัวตามลำดับจาก VRC ไปยัง P 680 การสลายตัวแบบซิงโครนัสของโมเลกุลน้ำสองโมเลกุลจะเกิดขึ้นพร้อมกันพร้อมกับการปล่อยโมเลกุลออกซิเจนหนึ่งโมเลกุลและไอออนไฮโดรเจนสี่ไอออนซึ่งเข้าสู่ช่องว่างภายในของคลอโรพลาสต์

โมเลกุลพลาสโตควินอล QH 2 ที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงานของ PS2 จะแพร่กระจายเข้าไปในไขมัน bilayer ของเมมเบรนไทลาคอยด์ไปยังคอมเพล็กซ์ b/f (รูปที่ 4 และ 5) เมื่อมันพบกับสารเชิงซ้อน b/f โมเลกุล QH 2 จะจับกับมันแล้วถ่ายโอนอิเล็กตรอนสองตัวไปให้มัน ในกรณีนี้ สำหรับโมเลกุลพลาสโตควินอลแต่ละตัวที่ถูกออกซิไดซ์โดยสารเชิงซ้อน b/f ไอออนไฮโดรเจน 2 ไอออนจะถูกปล่อยออกมาภายในไทลาคอยด์ ในทางกลับกัน สารเชิงซ้อน b/f ทำหน้าที่เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนสำหรับพลาสโทไซยานิน (P c) ซึ่งเป็นโปรตีนที่ละลายน้ำได้ขนาดค่อนข้างเล็กซึ่งมีแอคทีฟเซ็นเตอร์ประกอบด้วยไอออนทองแดง (ปฏิกิริยารีดักชันและออกซิเดชันของพลาสโทไซยานินจะมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงในความจุของ ไอออนทองแดง Cu 2+ + e – ↔ Cu+) Plastocyanin ทำหน้าที่เป็นตัวเชื่อมระหว่าง b/f complex และ PS1 โมเลกุลพลาสโทไซยานินเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วภายในไทลาคอยด์ ทำให้มีการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากคอมเพล็กซ์ b/f ไปยัง PS1 จากพลาสโทไซยานินรีดิวซ์ อิเล็กตรอนจะตรงไปยังศูนย์ปฏิกิริยาออกซิไดซ์ของ PS1 – P 700 + (ดูรูปที่ 4) ดังนั้นจากการกระทำร่วมกันของ PS1 และ PS2 อิเล็กตรอนสองตัวจากโมเลกุลของน้ำที่สลายตัวใน PS2 จะถูกถ่ายโอนในที่สุดผ่านห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนไปยังโมเลกุล NADP + เพื่อให้แน่ใจว่าการก่อตัวของสารรีดิวซ์ที่แข็งแกร่ง NADP H.

เหตุใดคลอโรพลาสต์จึงต้องมีระบบภาพถ่ายสองระบบ เป็นที่ทราบกันว่าแบคทีเรียสังเคราะห์แสงซึ่งใช้สารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิด (เช่น H 2 S) เป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนเพื่อฟื้นฟูศูนย์ปฏิกิริยาออกซิไดซ์ทำงานได้สำเร็จด้วยระบบภาพถ่ายเดียว การปรากฏตัวของระบบภาพถ่ายสองระบบน่าจะเกิดจากการที่พลังงานของหนึ่งควอนตัมของแสงที่มองเห็นนั้นไม่เพียงพอที่จะรับประกันการสลายตัวของน้ำและการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอย่างมีประสิทธิภาพไปตามสายโซ่ของโมเลกุลพาหะจากน้ำถึง NADP + ประมาณ 3 พันล้านปีก่อน สาหร่ายสีน้ำเงินแกมเขียวหรือไซยาโนแบคทีเรียปรากฏบนโลก ซึ่งทำให้สามารถใช้น้ำเป็นแหล่งอิเล็กตรอนในการลดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ปัจจุบันเชื่อกันว่า PS1 มาจากแบคทีเรียสีเขียว และ PS2 มาจากแบคทีเรียสีม่วง หลังจากนั้นในระหว่างกระบวนการวิวัฒนาการ PS2 ถูก "รวม" ไว้ในห่วงโซ่การถ่ายโอนอิเล็กตรอนเดี่ยวพร้อมกับ PS1 จึงเป็นไปได้ที่จะแก้ปัญหาพลังงาน - เพื่อเอาชนะความแตกต่างที่ค่อนข้างมากในศักยภาพรีดอกซ์ของคู่ออกซิเจน/น้ำและ NADP + / NADP H. การเกิดขึ้นของสิ่งมีชีวิตสังเคราะห์แสงที่สามารถออกซิไดซ์น้ำได้กลายเป็นหนึ่งในขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการพัฒนาธรรมชาติของสิ่งมีชีวิตบนโลก ประการแรกสาหร่ายและพืชสีเขียวที่ "เรียนรู้" ในการทำออกซิไดซ์น้ำได้เชี่ยวชาญแหล่งอิเล็กตรอนที่ไม่สิ้นสุดสำหรับการลด NADP + ประการที่สอง โดยการสลายน้ำ พวกมันเติมเต็มชั้นบรรยากาศของโลกด้วยโมเลกุลออกซิเจน ซึ่งสร้างเงื่อนไขสำหรับการพัฒนาวิวัฒนาการอย่างรวดเร็วของสิ่งมีชีวิตซึ่งพลังงานเกี่ยวข้องกับการหายใจแบบใช้ออกซิเจน

การเชื่อมโยงกระบวนการขนส่งอิเล็กตรอนกับการถ่ายโอนโปรตอนและการสังเคราะห์เอทีพีในคลอโรพลาสต์

การถ่ายโอนอิเล็กตรอนผ่าน ETC มักจะมาพร้อมกับพลังงานที่ลดลง กระบวนการนี้สามารถเปรียบได้กับการเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นเองของร่างกายไปตามระนาบเอียง การลดลงของระดับพลังงานของอิเล็กตรอนในระหว่างการเคลื่อนที่ไปตาม ETC ไม่ได้หมายความว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจะเป็นกระบวนการที่ไร้ประโยชน์เสมอไป ภายใต้สภาวะปกติของการทำงานของคลอโรพลาสต์ พลังงานส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาระหว่างการขนส่งอิเล็กตรอนจะไม่สูญเปล่าอย่างไร้ประโยชน์ แต่ใช้สำหรับการทำงานของคอมเพล็กซ์การแปลงพลังงานพิเศษที่เรียกว่า ATP synthase คอมเพล็กซ์นี้กระตุ้นกระบวนการสร้าง ATP ที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างมีพลังจาก ADP และฟอสเฟตอนินทรีย์ P i (ปฏิกิริยา ADP + P i → ATP + H 2 O) ในเรื่องนี้เป็นเรื่องปกติที่จะกล่าวว่ากระบวนการบริจาคพลังงานของการขนส่งอิเล็กตรอนนั้นเกี่ยวข้องกับกระบวนการรับพลังงานของการสังเคราะห์ ATP

บทบาทที่สำคัญที่สุดในการประกันการมีเพศสัมพันธ์ของพลังงานในเยื่อหุ้มไทลาคอยด์ เช่นเดียวกับในออร์แกเนลล์ที่แปลงพลังงานอื่นๆ ทั้งหมด (ไมโตคอนเดรีย, โครมาโตฟอร์ของแบคทีเรียสังเคราะห์แสง) มีบทบาทโดยกระบวนการขนส่งโปรตอน การสังเคราะห์ ATP เกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับการถ่ายโอนโปรตอนสามตัวจากไทลาคอยด์ (3H ใน +) ไปยังสโตรมา (3H ออก +) ผ่านทาง ATP synthase:

ADP + Ф i + 3H ใน + → ATP + H 2 O + 3H ออก +

กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้เนื่องจากเนื่องจากการจัดเรียงตัวพาในเมมเบรนไม่สมมาตร การทำงานของ ETC ของคลอโรพลาสต์จึงนำไปสู่การสะสมโปรตอนส่วนเกินภายในไทลาคอยด์: ไอออนไฮโดรเจนจะถูกดูดซับจากภายนอกที่ระยะของ NADP + การลดลงและการก่อตัวของพลาสโตควินอลและถูกปล่อยออกมาภายในไทลาคอยด์ในขั้นตอนการสลายตัวของน้ำและการเกิดออกซิเดชันของพลาสโตควินอล (รูปที่ 4) การส่องสว่างของคลอโรพลาสต์ทำให้ความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนภายในไทลาคอยด์เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ (100–1,000 เท่า)

ดังนั้นเราจึงดูห่วงโซ่ของเหตุการณ์ในระหว่างที่พลังงานของแสงแดดถูกเก็บไว้ในรูปของพลังงานของสารประกอบเคมีพลังงานสูง - ATP และ NADP H ผลิตภัณฑ์ของระยะแสงของการสังเคราะห์ด้วยแสงเหล่านี้ใช้ในระยะที่มืด ให้เกิดสารประกอบอินทรีย์ (คาร์โบไฮเดรต) จากคาร์บอนไดออกไซด์และน้ำ ขั้นตอนหลักของการแปลงพลังงานที่นำไปสู่การก่อตัวของ ATP และ NADP H รวมถึงกระบวนการดังต่อไปนี้: 1) การดูดซับพลังงานแสงด้วยเม็ดสีของเสาอากาศเก็บเกี่ยวแสง; 2) การถ่ายโอนพลังงานกระตุ้นไปยังศูนย์ปฏิกิริยาแสง 3) การเกิดออกซิเดชันของศูนย์ปฏิกิริยาแสงและการรักษาเสถียรภาพของประจุที่แยกจากกัน 4) การถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปตามห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน การก่อตัวของ NADP H; 5) การถ่ายโอนเมมเบรนของไฮโดรเจนไอออน 6) การสังเคราะห์เอทีพี

1. อัลเบิร์ตส์ บี., เบรย์ ดี., ลูอิส เจ., โรเบิร์ตส์ เค., วัตสัน เจ.อณูชีววิทยาของเซลล์ ต. 1. – ม.: มีร์, 1994. ฉบับที่ 2.
2. Kukushkin A.K. , Tikhonov A.N.การบรรยายเรื่องชีวฟิสิกส์ของการสังเคราะห์ด้วยแสงของพืช – อ.: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยแห่งรัฐมอสโก, 1988.
3. นิโคลส์ ดี.ดี.พลังงานชีวภาพ ทฤษฎีเคมีเบื้องต้น – อ.: มีร์, 1985.
4. สคูลาเชฟ วี.พี.พลังงานของเยื่อหุ้มชีวภาพ – อ.: เนากา, 1989.