Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future
by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone
Chapter 7: Energy from the Sun – Chương 7: Năng lượng từ Mặt trời (Phần 3)
Từ ánh sáng tới năng lượng hóa học – Quang hợp tự nhiên
Quang hợp tự nhiên là một quá trình xảy ra ở thực vật: ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi các phân tử diệp lục (chlorophyll). Thông qua sự điều hòa của chất diệp lục, quá trình này chuyển đổi các chất từ dạng năng lượng thấp – H2O (nước), CO2 (khí carbon dioxide) – thành các chất có năng lượng cao – O2 (oxy), và carbohydrate (tinh bột) chứa trong các sản phẩm thực vật (phản ứng 1).
H2 + CO2 ———-> O2 + cacbohydrates (ví dụ: đường) (1)
(xúc tác: ánh sáng và chất diệp lục)
Quang hợp tự nhiên, quá trình mà cuối cùng chuyển ánh sáng mặt trời thành năng lượng hóa học, cũng là quá trình gián tiếp mang đến cho chúng ta nguồn lợi nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên). Những sản phẩm này được hình thành dưới lòng đất sau sự chuyển hóa của các tổ chức thực vật và động vật thông qua một loạt quá trình hóa học phức tạp đã diễn ra trong hàng trăm triệu năm. Quang hợp tự nhiên liên tục tạo ra các nhiên liệu hóa thạch, mặc dù ở một nhịp độ chậm hơn rất rất nhiều lần so với tốc độ mà chúng được tiêu thụ.
Quang hợp tự nhiên có thể chuyển đổi tối đa khoảng 5% năng lượng ánh sáng Mặt trời thành năng lượng hóa học, nhưng trung bình chỉ khoảng 0.3% năng lượng Mặt trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất được chuyển hóa vào thực vật, trong đó chỉ một lượng nhỏ được thu hoạch và sử dụng.
Quá trình quang hợp tự nhiên rất phức tạp; cơ chế của quang hợp đã được khám phá nhờ phần lớn vào các nghiên cứu được tiến hành trong vài thập kỷ trở lại đây. Để trình bày một cách đơn giản, các giai đoạn ban đầu của quá trình gồm:
1) Ánh sáng được hấp thụ bởi lá cây thông qua một hệ thống có tổ chức gồm các phân tử diệp lục thu nhận ánh sáng để trở thành phân tử ở trạng thái kích thích điện tử (excited electronic state).
2) Năng lượng điện tử được thu nhận, hơi giống như một ăng-ten, sau đó được chuyển lên một khu vực đặc biệt – trung tâm phản ứng (reaction center).
3) Tại trung tâm phản ứng này, năng lượng được sử dụng trong thời gian cực kỳ ngắn – tính bằng pico giây, 10-12 giây – để phân tách các điện tích trái dấu: điện tích dương ở một bên và âm ở một bên.
Tiếp theo giai đoạn đầu tiên này, quá trình ở thực vật tiếp tục trải qua một loạt phản ứng rất phức tạp để dẫn tới hình thành oxy phân tử và carbohydrate. Tất cả diễn ra đều nhờ vào sự tổ chức phân tử chính xác, kết quả của hàng tỷ năm tiến hóa: (1) tổ chức về không gian – khoảng cách chính xác giữa các phân tử khác nhau tham gia vào quá trình này, (2) tổ chức về thời gian – một số phản ứng nhanh hơn số còn lại và diễn ra trong khoảng thời gian cực ngắn, và (3) tổ chức về năng lượng – mỗi giai đoạn của quá trình sử dụng một phần năng lượng được cung cấp bởi ánh sáng mặt trời.
Từ ánh sáng tới năng lượng hóa học – Vitamin từ ánh sáng
Vitamin D – cũng được biết tới như là calciferol – là tên chung của một tập hợp nhiều hợp chất tương tự steroid gồm có vitamin D2 (ergocalciferol) và vitamin D3 (cholecalciferol). Vitamin D được tạo ra trong cơ thể khi các tia cực tím từ ánh sáng mặt trời được hấp thụ bởi da và kích hoạt phản ứng tổng hợp chúng. Đây là một vitamin tan trong chất béo có mặt tự nhiên trong rất ít loại thức ăn, nhưng thường được bổ sung vào thức ăn – đây cũng là một loại dinh dưỡng bổ sung.
Vitamin D có tính trơ về mặt sinh học, và phải được chuyển đổi về dạng hoạt động bởi hai quá trình hydroxyl hóa trong cơ thể – quá trình mà các nhà hóa học sẽ đề cập như là việc thêm hai nhóm OH vào phân tử vitamin D trơ. Quá trình chuyển hóa đầu tiên diễn ra trong gan và chuyển vitamin D thành 1 sản phẩm tên là 25-hydroxyvitamin D – cũng được biết đến với tên 25(OH)D hay calcidiol (xem sơ đồ ở dưới). Quá trình chuyển đổi thứ hai được diễn ra chủ yếu ở thận và tạo thành sản phẩm hoạt động sinh lý 1,25-dihydroxy vitamin D, cũng được biết đến với tên 1,25(OH)2D.
Thiếu vitamin D chẳng những có thể gây ra bệnh còi xương ở trẻ em mà còn tác động xấu và gây ra hiện tượng mềm xương ở người lớn và dẫn tới bệnh đau xương được biết đến với tên bệnh loãng xương. Thiếu vitamin D cũng liên quan tới các nguy cơ tăng lên của các bệnh ung thư gây chết người, bệnh tim mạch, bệnh đa xơ cứng, bệnh viêm thấp khớp, và bệnh tiểu đường loại 1.
Việc duy trì nồng độ trong máu của 25-hydroxy vitamin D trên khoảng 30 ng/mL là điều quan trọng cho việc tối ưu hóa hấp thu canxi trong ruột và cung cấp thêm enzyme 1-alpha-hydroxylase vốn tồn tại trong hầu hết các mô thận để sản xuất hợp chất 1,25-dihydroxyvitamin D3. Mặc dù sự phơi nắng quá mức thường xuyên dưới ánh sáng mặt trời làm tăng nguy cơ ung thư da u hắc tố, sự hạn chế hoàn toàn tiếp xúc trực tiếp với ánh nắng mặt trời có thể làm tăng sự thiếu hụt vitamin D, điều mà chỉ dẫn tới những hậu quả nghiêm trọng.
Lượng vitamin D được tạo ra phụ thuộc vào cường độ bức xạ UVB từ Mặt Trời và nhiều yếu tố khác: theo mùa, thời gian trong ngày, độ dài ngày, mây che phủ, sương mù, sắc tố da, và kem chống nắng là những yếu tố có thể ảnh hưởng tới sự tiếp xúc với bức xạ UV và sự tổng hợp vitamin D (xem Sơ đồ 1).
Những người có sắc tố da tối hơn có thể cần tiếp xúc với ánh mặt trời nhiều hơn từ 5 tới 10 lần so với người có da sắc tố sáng màu hơn để tạo ra lượng vitamin D tương đương, cụ thể là ở trong khoảng 3000 và 20 000 Đơn vị Quốc tế (International Units; 1 IU = 40 micrograms). Ở những vùng khí hậu phương bắc, ánh sáng mặt trời quá yếu trong một số thời điểm của năm không đủ cho cơ thể có thể tạo được bất cứ lượng vitamin D nào – một giai đoạn được gọi là Mùa Đông Vitamin D.
Ngạc nhiên thay, mặc dù vậy, một vĩ độ địa lý không thể dự đoán thống nhất về mức độ 25(OH)D trung bình trong một quần thể dân số. Dù sao thì, vẫn còn nhiều cơ hội để tổng hợp vitamin D – được dự trữ trong gan và chất béo – từ sự tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong các mùa xuân, mùa hè, và mùa thu ngay cả ở những vùng cực bắc.
Mây che phủ hoàn toàn có thể làm giảm năng lượng UV tới 50%, trong khi bóng râm làm giảm tới 60%. Bức xạ UVB không xuyên qua được kính, do đó sự tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong phòng thông qua cửa sổ sẽ không tạo ra lượng vitamin D cần thiết cho cơ thể bạn. Kem chống nắng với nhân tố bảo vệ khỏi mặt trời (sun protection factor – SPF) bằng 8 hoặc cao hơn có thể ngăn cản các tia UV tạo ra vitamin D. Tuy nhiên, ở một mức độ nào đó hầu hết mọi người thường không sử dụng một lượng kem chống năng để che phủ hoàn toàn vùng da tiếp xúc với mặt trời và đạt được mức bảo vệ như SPF khuyến cáo, việc tổng hợp vitamin D có thể vẫn xảy ra ngay cả khi (một phần) da được bảo vệ bởi kem chống nắng.
Một số nhà nghiên cứu vitamin D đã gợi ý rằng khoảng từ 5 tới 30 phút tiếp xúc với ánh sáng mặt trời trong khoảng thời gian giữa 10 giờ sáng và 3 giờ chiều – ít nhất 2 lần mỗi tuần – tới mặt, cánh tay, chân, hay lưng mà không có kem chống nắng thường đủ hiệu quả cho sự tổng hợp vitamin D. Chúng tôi phải lưu ý ngay rằng mặc dù tầm quan trọng của ánh sáng mặt trời với việc tổng hợp vitamin D, mọi người phải hạn chế phơi nắng trong thời gian dài vì bức xạ UV là yếu tố gây ung thư da phổ biến, chịu trách nhiệm chủ yếu cho khoảng 1.5 triệu ca ung thư da và 8000 người tử vong do u ác tính di căn xảy ra hàng năm ở Mỹ.
Một vài thực phẩm được cho là nguồn cung cấp vitamin D tốt nhất gồm có thịt cá – ví dụ như cá hồi, cá ngừ, cá thu, và dầu gan cá. Một lượng nhỏ vitamin D cũng được tìm thấy trong gan bò, bơ và lòng đỏ trứng. Tuy nhiên, vitamin D trong những thực phẩm này chủ yếu được cung cấp ở dạng vitamin D3 và sản phẩm chuyển hóa 25(OH)D3. Một số loại nấm cung cấp vitamin này dưới dạng vitamin D2 với lượng khác nhau tùy loại.
Vitamin D thúc đẩy việc hấp thụ canxi trong ruột và duy trì nồng độ thích hợp của canxi (calcium – Ca2+) và phốtphat (phosphate – PO4–) trong huyết tương giúp quá trình khoáng hóa ở xương diễn ra bình thường và ngăn ngừa tình trạng co giật do hạ canxi máu – một bệnh gây ra do nồng độ canxi thấp bất thường trong máu. Vitamin D cũng cần thiết cho sự phát triển của xương và quá trình tái cấu trúc xương của các nguyên bào xương (osteoblasts) và hủy cốt bào (osteoclasts). Một nguyên bào xương là một tế bào tạo nên xương bằng việc sản xuất ra một chất nền mà sau đó được khoáng hóa – khối lượng xương được duy trì bởi một sự cân bằng giữa các hoạt động của nguyên bào xương hình thành nên xương và các tế bào khác được gọi là hủy cốt bào phá hủy chúng.
Nếu không có đủ vitamin D, xương có thể trở lên nhỏ, giòn, hoặc biến dạng. Có đủ vitamin D giúp ngăn ngừa bệnh còi xương ở trẻ em và bệnh loãng xương (osteomalacia: tỷ lệ khoáng trên vật chất xương bị giảm -ND) ở người lớn. Cùng với canxi, vitamin D cũng giúp bảo vệ những người cao tuổi khỏi bệnh xốp xương của người già (osteoporosis: giảm khối lượng xương trong khi duy trì một tỷ lệ khoáng trên khối lượng vật chất bình thường -ND). Vitamin D cũng đóng các vai trò khác trong cơ thể như điều tiết sự phát triển của tế bào, chức năng của cơ thần kinh và miễn dịch, và giảm viêm nhiễm.
Sơ đồ 1: Các bước phản ứng trong quá trình tổng hợp Vitamin D. Nguồn: Vivo.
Hết phần 3 – Chương 7 (còn tiếp)
Người dịch: Đoàn Công Điển
Biên tập: Phạm Thu Hường & Đào Thu Hằng
© copyright Zanichelli and Wiley-VCH
Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes.
Đọt Chuối Non 