ตรงหน้าคุณมีชามขนาดใหญ่
เต็มไปด้วยพลังงานที่อัดอยู่ใน คาร์บอน ครันชีส์
หนึ่งช้อน สองช้อน สามช้อน
ไม่นาน คุณถูกเติมพลังด้วยพลังงาน
ที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว
ซึ่งมาจากอาหารของคุณ
แต่พลังงานมาอยู่ในชามได้อย่างไร
พลังงานปรากฎอยู่ในรูปของน้ำตาล
ที่สร้างขึ้นโดยพืชซึ่งนำมาทำเป็นซีเรียล
อย่างเช่นธัญพืชหรือข้าวโพด
อย่างที่เห็น คาร์บอนคือองค์ประกอบหลักทางเคมี
และพืชก็ตรึงมันมา
ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ CO2
จากอากาศที่เราหายใจ
แต่โรงงานพลังงานของพืช
ซึ่งตั้งอยู่ในส่วนสโตรมาของคลอโรพลาส
เปลี่ยนก๊าซที่มีคาร์บอนตัวเดียวอย่าง CO2
เป็นของแข็งที่มีคาร์บอนหกตัวอย่างกลูโคส
ได้อย่างไรกัน
ถ้าคุณคิดถึงการสังเคราะห์ด้วยแสง คุณคิดถูกแล้ว
แต่การสังเคราะห์ด้วยแสงแบ่งได้เป็นสองขั้นตอน
ขั้นแรก ซึ่งเก็บพลังงานมาจากดวงอาทิตย์
ในรูปแบบของ อะดีโนซีน ไตรฟอสเฟส หรือ ATP
และขั้นที่สอง วัฏจักรคัลวิน (Calvin cycle)
ที่จับเอาคาร์บอน
และเปลี่ยนมันเป็นน้ำตาล
ในส่วนที่สองนี้เป็นตัวแทนหนึ่ง
ของสายการผลิตของธรรมชาติที่ยั่งยืนที่สุด
และด้วยสิ่งนี้
ยินดีต้อนรับสู่โรงงานที่เล็กจิ๋วที่สุดในโลก
วัตถุดิบเริ่มต้น
ส่วนผสมของโมเลกุล CO2 จากอากาศ
และโมเลกุลก่อนการรวมตัวที่เรียกว่า
ไรโบส บิสฟอสเฟต หรือ RuBP
แต่ละโมเลกุลมีคาร์บอนอยู่หกอะตอม
ตัวเริ่มน่ะหรือ เอ็นไซม์ในอุตสาหกรรมชื่อว่า
รูบิสโก (rubisco)
ที่เชื่อมอะตอมคาร์บอนจากโมเลกุล CO2
เข้ากับสาย RuBP
เพื่อสร้างโมเลกุลตั้งต้นที่มีคาร์บอนหกตัว
ซึ่งไม่นานก็ถูกแยกออกเป็นโมเลกุลที่เล็กกว่าสองสาย
ที่ประกอบด้วยคาร์บอนสามอะตอม
และเรียกว่า ฟอสโฟกลีเซอร์เรต
หรือเรียกสั้นๆ ว่า PGA
ATP ถูกนำเข้าไป และสารเคมีอีกอย่างเรียกว่า
นิโคตินาไมน์ อดีนิน ไดนิวคลีโอไทด์ ฟอสเฟต
หรือ NADPH
ATP ทำงานเหมือนสารหล่อลื่น นำส่งพลังงาน
ในขณะที่ NADPH แนบไฮโดรเจนหนึ่งอะตอม
ให้แต่ละ PGA
เปลี่ยนให้พวกมันกลายเป็นโมเลกุลที่เรียกว่า
กลีเซอรัลดีไฮด์ 3 ฟอสเฟต หรือ G3P
กลูโคสต้องการคาร์บอนหกอะตอมเป็นองค์ประกอบ
ซึ่งสร้างขึ้นจากสองโมเลกุลของ G3P
ซึ่งบังเอิญว่าแต่ละโมเลกุลมีคาร์บอนหกอะตอม
ดังนั้น น้ำตาลก็ถูกสร้างขึ้นแบบนี้สินะ
ก็ไม่เชิงนะ
วัฎจักรคัลวินทำงานเหมือนกับสายการผลิตที่ยั่งยืน
หมายความว่า RuBP ที่มีอยู่แต่แรก
ที่ทำให้ทุกอย่างดำเนินไปในตอนแรก
ต้องถูกสร้างขึ้นมาใหม่โดยนำวัตถุดิบกลับมาใช้ใหม่
ภายในวัฎจักรตอนนี้
แต่ว่าแต่ละโมเลกุลของ RuBP
ต้องการคาร์บอนหกอะตอม
และการสร้างกลูโคสก็เอาไปหมดแล้วทั้งหกอะตอม
มีอะไรบางอย่างที่รวมแล้วไม่เป็นเช่นนั้น
คำตอบนั้นอยู่ในข้อเท็จจริงที่น่าทึ่ง
ระหว่างที่เราสนใจกับสายการผลิตนี้อันเดียว
อีกห้าสายการผลิตกำลังดำเนินไปพร้อมๆ กัน
ด้วยสายพานทั้งหกที่เคลื่อนไปพร้อมๆ กัน
ไม่ใช่แค่คาร์บอนอะตอมเดียวที่ถูกเชื่อม
เข้ากับสาย RuBP หนึ่งสาย
แต่เป็นคาร์บอนหกอะตอมเชื่อมเข้ากับ
หกโมเลกุลของ RuBP
ซึ่งนั้นทำให้ได้ G3P 12 สาย แทนที่จะเป็นสอง
ซึ่งหมายความว่าทั้งหมดแล้ว
มีคาร์บอนทั้งหมด 36 อะตอม
จำนวนที่พอเหมาะกับการสร้างน้ำตาล
และสร้าง RuBP ขึ้นใหม่
จาก G3P 12 อะตอม
สองโมเลกุลถูกถ่ายไปเพื่อสร้างเป็น
สายน้ำตาลคาร์บอนหกอะตอมที่เต็มไปด้วยพลังงาน
ที่เติมพลังให้กับคุณผ่านทางอาหารเช้า สำเร็จ!
กลับมายังสายการผลิต
ผลิตภัณฑ์ข้างเคียงของการผลิตน้ำตาล
รวมตัวอย่างรวดเร็วเพื่อสร้าง RuBP หกโมเลกุลขึ้นใหม่
ซึ่งต้องการคาร์บอน 30 อะตอม
เป็นจำนวนที่พอดีกับ G3P 10 โมเลกุลที่เหลือ
ทีนี้การจับคู่โมเลกุลก็เกิดขึ้น
G3P สองโมเลกุลถูกเชื่อมเข้าด้วยกัน
เกิดเป็นลำดับสายคาร์บอนหกอะตอม
โดยการเติม GFP ตัวที่สาม
สายคาร์บอนเก้าอะตอมก็เกิดขึ้น
RuBP ตัวแรก ที่ถูกสร้างขึ้นจากคาร์บอนหกอะตอม
ถูกปลดปล่อยออก
ทำให้เหลือคาร์บอนอีกสี่อะตอม
แต่ว่าไม่มีการทิ้งอะไรให้เสียเปล่า
พวกมันจะถูกเชื่อมกับ G3P โมเลกุลที่สี่
ทำให้เกิดสายคาร์บอนเจ็ดอะตอม
เติม GFP โมเลกุลที่ห้า
สายคาร์บอนสิบอะตอมได้ถูกสร้างขึ้น
เพียงพอแล้วคราวนี้ที่จะสร้างเป็น RuBP สองโมเลกุล
RuBP สามโมเลกุลที่สร้างขึ้น
จากห้าในสิบของ G3P
ทำกระบวนการนี้ซ้ำอีกรอบ
จะได้สาย RuBP หกสาย
ที่จำเป็นต่อการเริ่มวัฏจักรใหม่อีกครั้ง
ดังนั้น วัฏจักรคัลวินสร้างจำนวน
ของสสารและกระบวนการ
ที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนสายการผลิตเชิงชีวเคมีนี้
อย่างไม่มีที่สิ้นสุด
และมันก็เป็นแค่หนึ่งในอีกหลายร้อยวัฏจักร
ที่ปรากฎอยู่ในธรรมชาติ
ทำไมถึงมีมากมายนัก
เพราะว่า ถ้ากระบวนการผลิตทางชีวภาพ
เป็นไปแบบเส้นตรง
พวกมันคงจะไม่มีประสิทธิภาพหรือความสำเร็จ
ใกล้เคียง
กับพลังงานที่ใช้ไปในการผลิตวัตถุดิบต่างๆ
ที่ธรรมชาติต้องพึ่งพามัน เช่น น้ำตาล
วัฏจักรสร้างวงจรย้อนกลับที่สำคัญ
ที่นำส่วนผสมต่างๆ กับมาใช้ใหม่และสร้างใหม่
ตลอดเวลา
สร้างให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้
จากแหล่งที่ธรรมชาติมีอยู่
อย่างเช่นน้ำตาล
สร้างโดยแสงแดดและคาร์บอน
ถูกเปลี่ยนรูปในโรงงานพืช
เพื่อให้เป็นพลังงานที่ให้กับคุณ
และทำให้วัฏจักรหมุนไปในชีวิตของคุณ