فتوسنتز چیست و چه اهمیتی برای ادامه حیات دارد؟
فتوسنتز فرآیندی است که توسط گیاهان و برخی جلبک ها برای تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی استفاده می شود که بعداً با تنفس سلولی می تواند آزاد شود تا فعالیت های متابولیکی ارگانیسم را تأمین کند. این انرژی شیمیایی در مولکول های کربوهیدرات- قندهایی که از دی اکسید کربن و آب تولید می شوند ، ذخیره می شود.
در اکثر موارد ، اکسیژن نیز به عنوان متابولیت فرعی فتوسنتز آزاد می شود. به گیاهان ، جلبک ها و سیانوباکتری هایی که فتوسنتز انجام می دهند فوتواتوتروف گفته می شود. فتوسنتز تا حد زیادی مسئول تولید و حفظ اکسیژن در جو زمین است و بیشتر انرژی لازم برای زندگی روی زمین را تأمین می کند. این موارد در مبحث فتوسنتز چیست علوم پنجم شرح داده شده است. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد.
حقایقی در رابطه با فتوسنتز
اگرچه فتوسنتز توسط گونه های مختلف به طور متفاوتی انجام می شود ، اما این فرآیند همیشه زمانی شروع می شود که انرژی حاصل از نور توسط پروتئین هایی به نام مراکز واکنش که حاوی رنگدانه های کلروفیل سبز هستند ، جذب شود. در گیاهان ، این پروتئین ها درون اندامک هایی به نام کلروپلاست نگهداری می شوند که بیشترین تعداد آنها در سلول های برگ وجود دارد ، در حالی که در باکتری ها در غشای پلاسما قرار دارند.
در این واکنش های وابسته به نور ، مقداری از انرژی برای سلب الکترون از مواد مناسب مانند آب ، تولید گاز اکسیژن استفاده می شود. هیدروژن آزاد شده از مولکول آب برای تولید دو ترکیب دیگر که به عنوان ذخیره کوتاه مدت انرژی استفاده می شود و واکنش های دیگر را تحریک کند: این ترکیبات باعث کاهش نیکوتین آمید آدنین دی نوکلئوتید فسفات (NADPH) و آدنوزین تری فسفات دارند ( ATP) ، “واحد پول انرژی” سلول ها می شوند.
در گیاهان ، جلبک ها و سیانوباکتری ها ذخیره انرژی طولانی مدت به شکل قندها توسط توالی بعدی واکنش های مستقل از نور به نام چرخه کالوین تولید می شود. در چرخه کالوین ، دی اکسید کربن اتمسفر در ترکیبات آلی کربن دار مانند بیس فسفات ریبولوز (RuBP) گنجانیده شده است. با استفاده از ATP و NADPH حاصل از واکنش های وابسته به نور ، ترکیبات حاصل کاهش یافته و حذف می شوند تا کربوهیدرات های بیشتری مانند گلوکز تشکیل دهند. در برخی باکتری ها مکانیسم های دیگری مانند چرخه معکوس کربس برای رسیدن به همان هدف استفاده می شود. در درس فتوسنتز چیست علوم نهم به این موارد اشاره شده است.
تاریخچه آغاز فرآیند فتوسنتز
اولین موجودات فتوسنتزی احتمالاً در اوایل تاریخ تکامل حیات به وجود آمده اند و به احتمال زیاد از عوامل احیا کننده هایی مانند هیدروژن یا سولفید هیدروژن و نه آب به عنوان منبع الکترون استفاده کرده اند. سیانوباکتریها بعدا ظاهر شدند. اکسیژن اضافی که این موجودات تولید می کنند مستقیماً به اکسیژن رسانی زمین کمک می کند که تکامل زندگی ها را ممکن می کند.
امروزه ، میزان متوسط جذب انرژی توسط فتوسنتز در سطح جهان تقریباً ۱۳۰ تراوات است که تقریباً هشت برابر مصرف انرژی فعلی تمدن بشر است. ارگانیسم های فتوسنتزی همچنین سالانه حدود ۱۰۰ تا ۱۱۵ میلیارد تن (۹۱-۱۰۴ پتگرام) کربن را به زیست توده تبدیل می کنند. پدیده ای که گیاهان مقداری انرژی از نور دریافت می کنند – علاوه بر هوا ، خاک و آب – اولین بار در سال ۱۷۷۹ توسط یان اینگنوس کشف شد و فتوسنتز نامیده شد.
فتوسنتز چگونه انجام می شود؟
از نظر شیمیایی ، فتوسنتز یک فرآیند کاهش واکسایش توسط انرژی است. اکسیداسیون به حذف الکترون از یک مولکول اشاره دارد، منظور از کاهش به دست آوردن الکترون توسط یک مولکول است. در فتوسنتز گیاهان از انرژی نور برای اکسیداسیون آب (H2O) ، تولید گاز اکسیژن (O2) ، یون های هیدروژن (H +) و الکترون ها استفاده می کند.
بیشتر الکترون های حذف شده و یونهای هیدروژن در نهایت به دی اکسید کربن (CO2) منتقل می شوند که به محصولات آلی تبدیل می شوند. از الکترون ها و یونهای هیدروژن دیگر برای کاهش نیترات و سولفات به گروه های آمینه و سولفیدریل ، جهت تولید اسیدهای آمینه که عناصر سازنده پروتئین ها هستند استفاده می شود. در اکثر سلولهای سبز ، کربوهیدرات ها – به ویژه نشاسته و ساکارز قند – عمده ترین محصولات آلی مستقیم فتوسنتز هستند. واکنش کلی که در آن کربوهیدرات ها در طی فتوسنتز گیاه تولید می شود را می توان با معادله زیر نشان داد:
این معادله صرفاً یک عبارت خلاصه است ، زیرا فرآیند فتوسنتز شامل واکنشه ای زیادی است که توسط آنزیم ها (کاتالیزورهای آلی) کاتالیز می شوند. این واکنش ها در دو مرحله رخ می دهد و چرخه فتوسنتز را تشکیل می دهند : مرحله “نوری” ، متشکل از واکنش های فتوشیمیایی (به عنوان مثال جذب نور) و مرحله ” تاریکی” شامل واکنش های شیمیایی کنترل شده توسط آنزیم ها است.
در طی مرحله اول ، انرژی نور جذب شده و برای هدایت الکترون استفاده می شود و باعث سنتز ATP و نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید فسفات کاهش دهنده (NADPH) می شود. در طول مرحله تاریک ، ATP و NADPH تشکیل شده در واکنش های جذب نور برای کاهش دی اکسید کربن به ترکیبات آلی کربن دار استفاده می شود که به آن تثبیت کربن گفته می شود.
فواید فتوسنتز چیست و محصولات اصلی آن چه هستند؟
همانطور که گفته شد ، کربوهیدرات ها مهمترین محصول مستقیم فتوسنتز در اکثر گیاهان سبز هستند. تشکیل یک کربوهیدرات ساده ، گلوکز ، با یک معادله شیمیایی نشان داده می شود:
مقدار کمی گلوکز آزاد نیز در گیاهان تولید می شود. واحدهای گلوکز به شکل نشاسته متصل می شوند و یا با فروکتوز ترکیب می شوند و ساکارز را تشکیل می دهند.
نه تنها کربوهیدرات ها ، همانطور که قبلا تصور می شد ، بلکه اسیدهای آمینه ، پروتئین ها ، لیپیدها (یا چربی ها) ، رنگدانه ها و سایر اجزای آلی بافت های سبز در طی فتوسنتز سنتز می شوند. مواد معدنی به عنوان مثال ، نیتروژن ، فسفر ، گوگرد برای تشکیل این ترکیبات مورد نیاز هستند.
پیوندهای شیمیایی بین اکسیژن (O) و کربن (C) ، هیدروژن (H) ، نیتروژن و گوگرد شکسته شده و پیوندهای جدیدی در محصولاتی تشکیل می شود که شامل اکسیژن گازی (O2) و ترکیبات آلی است. برای شکستن پیوندهای بین اکسیژن و سایر عناصر (به عنوان مثال ، در آب ، نیترات و سولفات) انرژی بیشتری لازم است تا زمانی که پیوندهای جدید در محصولات ایجاد می شود.
این تفاوت در انرژی پیوند قسمت عمده ای از انرژی نور را که به عنوان انرژی شیمیایی در محصولات آلی تشکیل شده در طی فتوسنتز ذخیره می شود ، تشکیل می دهد. انرژی اضافی در ساخت مولکول های پیچیده از مولکول های ساده استفاده می شود.
تکامل روند فتوسنتز
اگرچه زندگی و کیفیت اتمسفر امروزه به فتوسنتز بستگی دارد ، اما به احتمال زیاد گیاهان سبز مدتها پس از اولین سلول های زنده تکامل یافته اند. هنگامی که زمین جوان بود ، طوفان های الکتریکی و تابش خورشید احتمالاً انرژی را برای سنتز مولکول های پیچیده از مولکول های ساده تر مانند آب ، آمونیاک و متان فراهم می کردند.
اولین سلول های زنده احتمالاً از این مولکول های پیچیده تکامل یافته اند. به عنوان مثال ، اتصال تصادفی (تراکم) اسید آمینه گلیسین و اسید چرب استات ممکن است مولکول های آلی پیچیده ای را تشکیل دهد که به پورفیرین معروف هستند. این مولکول ها ، به نوبه خود ، ممکن است به مولکول های رنگی موسوم به رنگدانه ها تبدیل شوند – به عنوان مثال ، کلروفیل های گیاهان سبز ، باکتریوکلروفیل در باکتری های فتوسنتز کننده ، همین (رنگدانه قرمز خون) و سیتوکروم ها ، گروهی از مولکول های رنگدانه ضروری در فتوسنتز و تنفس سلولی.
سلول های رنگی اولیه باید مکانیسم هایی را برای استفاده از انرژی نورانی جذب شده توسط رنگدانه هایشان ایجاد می کردند. در ابتدا ممکن است بلافاصله از این انرژی برای شروع واکنشهای مفید در سلول استفاده شده باشد. با ادامه روند تکامل قسمت بیشتری از انرژی نورانی جذب شده و احتمالاً به عنوان انرژی شیمیایی ذخیره شده و برای حفظ زندگی استفاده می شود. گیاهان سبز با توانایی استفاده از انرژی نور برای تبدیل دی اکسید کربن و آب به کربوهیدرات و اکسیژن ، اوج این فرایند تکاملی هستند.
بهتر است بدانید:
اولین سلول های اکسیژن ساز (اکسیژن ساز) احتمالاً جلبک های سبز آبی (سیانوباکتریها) بودند که حدود دو میلیارد تا سه میلیارد سال پیش ظاهر شدند. اعتقاد بر این است که این ارگانیسم های میکروسکوپی میزان اکسیژن هوا را بسیار افزایش داده و رشد موجودات هوازی (اکسیژن استفاده کننده) را امکان پذیر کرده است.
سیانوفیت ها سلول های پروکاریوتی هستند در مقابل ، گیاهان سبز که از سلولهای یوکاریوتی تشکیل شده اند و در آنها دستگاه فتوسنتز درون کلروپلاست های متصل به غشا قرار دارد. توالی کامل ژنوم سیانوباکتریها و گیاهان بالاتر شواهدی را ارائه می دهد که نشان می دهد اولین یوکاریوت های فتوسنتزی به احتمال زیاد جلبک های قرمز رنگی بوده اند که در داخل سلول های میزبان به کلروپلاست تبدیل شده اند.
کلروپلاست ساختاری برای انجام فتوسنتز
در گیاهان و جلبک ها ، فتوسنتز در اندامک هایی به نام کلروپلاست انجام می شود. یک سلول گیاهی معمولی حاوی حدود ۱۰ تا ۱۰۰ کلروپلاست است. کلروپلاست توسط غشایی محصور شده است. این غشا از غشای داخلی و غشای خارجی فسفولیپیدی و فضای بین غشایی تشکیل شده است.
این غشاء یک مایع با منشا آب به نام استروما را محصور کرده است. درون استروما پشته های تیلاکوئید (گرانا) قرار دارد که محل فتوسنتز هستند. تیلاکوئیدها به صورت دیسک های مسطح ظاهر می شوند. خود تیلاکوئید توسط غشا تیلاکوئید محصور شده است و در داخل حجم محصور شده ، یک لومن یا فضای تیلاکوئیدی قرار دارد. در غشای تیلاکوئید مجتمع های پروتئینی غشایی و محیطی سیستم فتوسنتز قرار دارند.
گیاهان در درجه اول نور را با استفاده از رنگدانه کلروفیل جذب می کنند. قسمت سبز طیف نور جذب نمی شود اما منعکس می شود و به همین دلیل اکثر گیاهان سبز رنگ هستند. علاوه بر کلروفیل ، گیاهان از رنگدانه هایی مانند کاروتن و گزانتوفیل نیز استفاده می کنند.
جلبک ها نیز از کلروفیل استفاده می کنند ، اما رنگدانه های مختلف دیگری نیز در آنها وجود دارد ، مانند فایکوسیانین ، کاروتن ها و گزانتوفیل ها در جلبک های سبز ، فیکواریترین در جلبک های قرمز (ردوفیت ها) و فوکوزانتین در جلبک های قهوه ای و دیاتوم ها به همین دلیل در انواع مختلفی از رنگ ها دیده می شوند.
نکته:
این رنگدانه ها در گیاهان و جلبک ها در مجتمع هایی به نام پروتئین های آنتن قرار دارند. در چنین پروتئین هایی ، رنگدانه ها به گونه ای تنظیم می شوند که با هم کار کنند. چنین ترکیبی از پروتئین ها را مجتمع برداشت نور نیز می نامند.
اگرچه تمام سلول های قسمتهای سبز گیاه دارای کلروپلاست هستند ، اما بیشتر آنها در ساختارهایی سازگار به نام برگ وجود دارد. برخی از گونه های سازگار با شرایط شدید نور خورشید و خشکی ، مانند بسیاری از گونه های Euphorbia و کاکتوسها، اندام های اصلی فتوسنتزی خود را در ساقه های خود دارند. سلولهای موجود در بافت های داخلی برگ که مزوفیل نامیده می شود ، می تواند برای هر میلی متر مربع برگ بین ۴۵۰،۰۰۰ تا ۸۰۰،۰۰۰ کلروپلاست داشته باشد.
سطح برگ با کوتیکول ، ماده ای موم مانند و مقاوم در برابر آب پوشانده شده است که از برگ در برابر تبخیر بیش از حد آب محافظت می کند و جذب نور ماورا بنفش یا نور آبی را کاهش می دهد تا حرارت را کاهش دهد. لایه اپیدرم شفاف به نور اجازه می دهد تا به سلول های مزوفیلی که بیشتر فتوسنتز در آن انجام می شود ، برسد.
فاکتورهای تاثیر گذار بر فتوسنتز کدامند؟
شدت فتوسنتز بر حسب میزان تولید اکسیژن در واحد جرم (یا مساحت) بافت های گیاه سبز یا بر اساس واحد وزن کلروفیل کل تعریف می شود. میزان نور ، تأمین دی اکسید کربن ، دما ، تأمین آب و در دسترس بودن مواد معدنی مهمترین عوامل محیطی هستند که بر میزان فتوسنتز در گیاهان زمینی تأثیر می گذارند. میزان فتوسنتز نیز با توجه به گونه های گیاهی و وضعیت فیزیولوژیکی گیاه به عنوان مثال ، سلامتی ، بلوغ و گل دادن آن تعیین می شود.
شدت نور و دما
همانطور که گفته شد ، مکانیسم پیچیده فتوسنتز شامل یک مرحله فتوشیمیایی ، یا برداشت نور و یک مرحله آنزیمی یا جذب کننده کربن است که شامل واکنش های شیمیایی است. این مراحل را می توان با مطالعه میزان فتوسنتز در درجات مختلف اشباع نور (یعنی شدت) و در دماهای مختلف تشخیص داد. در دامنه ای از دمای متوسط و در شدت نور کم تا متوسط (نسبت به دامنه طبیعی گونه های گیاهی) ، سرعت فتوسنتز با شدت افزایش می یابد و نسبتاً از دما مستقل است. با افزایش شدت نور به سطوح بالاتر ، سرعت اشباع می شود. بنابراین ، در محدوده وابسته به نور قبل از اشباع ، میزان فتوسنتز با نرخ مراحل فتوشیمیایی تعیین می شود.
در شدت نور زیاد ، برخی از واکنش های شیمیایی مرحله تاریک سرعت را محدود می کنند. در بسیاری از گیاهان زمینی ، فرایندی به نام تنفس نوری رخ می دهد و با افزایش دما ، تأثیر آن بر فتوسنتز افزایش می یابد. به طور خاص ، تنفس نوری با فتوسنتز رقابت می کند و افزایش بیشتر در میزان فتوسنتز را محدود می کند به ویژه اگر میزان تأمین آب محدود باشد.
دی اکسید کربن
واکنش های شیمیایی که توسط آنها ترکیبات آلی با استفاده از دی اکسید کربن به عنوان منبع کربن ایجاد می شود ، از جمله مراحل محدود کننده سرعت است. میزان این واکنش ها را می توان با افزایش غلظت دی اکسید کربن تا حدی افزایش داد. از اواسط قرن نوزدهم ، سطح دی اکسید کربن در جو به دلیل احتراق گسترده سوخت های فسیلی و تغییرات کاربری اراضی مرتبط با جنگل زدایی در حال افزایش است.
سطح اتمسفری دی اکسیدکربن از حدود ۰.۰۲۸ درصد در سال ۱۸۶۰ به ۰.۰۳۲ درصد در سال ۱۹۵۸ و به ۰.۰۴۱ درصد در سال ۲۰۲۰ رسیده است. این افزایش دی اکسید کربن به طور مستقیم فتوسنتز گیاه را تا یک نقطه ای افزایش می دهد ، اما اندازه آن بستگی به نوع و شرایط فیزیولوژیکی گیاه دارد. بعلاوه ، بیشتر دانشمندان معتقدند که افزایش سطح دی اکسید کربن در جو بر آب و هوا ، افزایش دمای کره زمین و تغییر الگوی بارندگی تأثیر می گذارد. چنین تغییراتی بر میزان فتوسنتز نیز تأثیر خواهد گذاشت.
آب
برای گیاهان خشکی ، در دسترس بودن آب می تواند به عنوان یک عامل محدود کننده فتوسنتز و رشد گیاه عمل کند. علاوه بر این مقدار کمی آب در خود واکنش فتوسنتز تولید می شود و مقدار زیادی آب از برگ ها خارج می شود. آب از طریق روزنه های کوچک برگ ها از طریق تبخیر وارد جو می شود. استوماتا دریچه های کوچکی در اپیدرم برگ یا پوسته خارجی هستند که اجازه ورود دی اکسیدکربن را می دهند اما به طور حتم اجازه خروج بخار آب را نیز خواهند داد.
این روزنه ها با توجه به نیازهای فیزیولوژیکی برگ باز و بسته می شوند. در مناطق گرم و خشک ممکن است روزنه ها باعث صرفه جویی در مصرف آب شوند ، اما این بسته شدن ورود دی اکسید کربن و از این رو سرعت فتوسنتز را محدود می کند. تعرق کاهش یافته به این معنی است که برگها کمتر خنک می شوند و از این رو دمای برگ ها افزایش می یابد. کاهش غلظت دی اکسیدکربن در داخل برگ ها و افزایش درجه حرارت برگ روند بی فایده تنفس عکس را ایجاد می کند. اگر سطح دی اکسید کربن در اتمسفر افزایش یابد ، دی اکسید کربن بیشتری می تواند از دهانه کوچکتر روزنه وارد شود ، بنابراین با تأمین آب معین ، می توان فتوسنتز بیشتری ایجاد کرد.
مواد معدنی
برای رشد گیاه سالم و حداکثر میزان فتوسنتز ، به چندین ماده معدنی نیاز است. نیتروژن ، سولفات ، فسفات ، آهن ، منیزیم ، کلسیم و پتاسیم به مقدار قابل توجهی برای سنتز اسیدهای آمینه ، پروتئین ها ، کوآنزیم ها ، اسید دئوکسی ریبونوکلئیک (DNA) و اسید ریبونوکلئیک (RNA) ، کلروفیل و سایر رنگدانه ها و سایر مواد ضروری مورد نیاز است. مقادیر کمتری از عناصر مانند منگنز ، مس و کلرید نیز در فتوسنتز مورد نیاز است. برخی عناصر کمیاب دیگر برای عملکردهای مختلفی غیر فتوسنتز در گیاهان مورد نیاز هستند.
عوامل داخلی موثر بر فتوسنتز
هر گونه گیاهی با طیف وسیعی از عوامل محیطی سازگار است. در این محدوده طبیعی ، مکانیسم های نظارتی پیچیده در سلول های گیاه فعالیت آنزیم ها (به عنوان مثال ، کاتالیزورهای آلی) را تنظیم می کنند. این تنظیمات باعث حفظ تعادل در روند کلی فتوسنتز و کنترل آن متناسب با نیاز کل گیاه می شود.
به عنوان مثال در یک گونه گیاهی خاص ، دو برابر شدن سطح دی اکسید کربن ممکن است باعث افزایش موقتی تقریباً دو برابر سرعت فتوسنتز شود. چند ساعت یا چند روز بعد ، ممکن است این میزان به حد اولیه برسد زیرا فتوسنتز ساکارز بیشتری تولید کرده تا باقی قسمت های گیاهان بتوانند از آن استفاده کنند. در مقابل ، گونه های گیاهی دیگری که توانایی غنی سازی دی اکسید کربن را دارا هستند ممکن است بتوانند از ساکارز بیشتری استفاده کنند ، زیرا اندام های بیشتری دارند که نیازمند کربن هستند و در بیشتر چرخه زندگی خود به فتوسنتز و رشد سریع ادامه می دهند.
بازدهی انرژی فتوسنتز
بازدهی انرژی فتوسنتز ، نسبت انرژی ذخیره شده به انرژی نور جذب شده است. انرژی شیمیایی ذخیره شده تفاوت بین مقدار موجود در اکسیژن گازی و محصولات آلی تولید شده با انرژی آب ، دی اکسید کربن و سایر واکنش دهنده ها است. میزان انرژی ذخیره شده را فقط می توان تخمین زد زیرا بسیاری از محصولات تشکیل شده اند و اینها با توجه به گونه های گیاهی و شرایط محیطی متفاوت هستند. اگر از معادله تشکیل گلوکز که قبلاً شرح داده شد برای تخمین فرآیند ذخیره سازی واقعی استفاده شود ، تولید یک مول اکسیژن و یک ششم مول گلوکز ذخیره حدود ۱۱۷ کیلو کالری انرژی شیمیایی را به همراه دارد. سپس برای محاسبه بازده فتوسنتز باید این مقدار را با انرژی نوری جذب شده برای تولید یک مول اکسیژن مقایسه کرد.
