فتوسنتز توضیح شده: چگونه گیاهان نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند

فتوسنتز فرآیندی بیولوژیکی است که انرژی نوری را به انرژی شیمیایی ذخیره شده در قندها تبدیل می‌کند. طبق National Geographic Education، گیاهان از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن برای ایجاد اکسیژن و انرژی به شکل قندها استفاده می‌کنند، CO2 و آب را وارد می‌کنند و اکسیژن را آزاد می‌کنند در حالی که انرژی را در مولکول‌های گلوکز ذخیره می‌کنند.

جایی که اتفاق می‌افتد: درون کلروپلاست

این فرآیند در کلروپلاست‌ها، ارگانل‌هایی که در سلول‌های گیاهی و جلبکی یافت می‌شوند، انجام می‌گیرد، طبق National Geographic Education. کلروپلاست‌ها دو منطقه کلیدی را دارند که در مراجع بیولوژی در bio.libretexts.org توضیح داده شده است: غشاهای تایلاکویید، جایی که واکنش‌های وابسته به نور اتفاق می‌افتند، و استروما، فضای مایع جایی که واکنش‌های مستقل از نور چرخه کالوین انجام می‌گیرند.

کلوروفیل، رنگدانه سبز بسته شده در غشاهای تایلاکویید، انرژی را عمدتاً از طول موج‌های آبی و قرمز جذب می‌کند در حالی که نور سبز را منعکس می‌کند، که همین دلیل است که اکثر برگ‌ها سبز به نظر می‌رسند، National Geographic Education یادآوری می‌کند.

مرحله اول: واکنش‌های وابسته به نور

در غشای تایلاکویید، انرژی نوری جذب شده توسط کلوروفیل در ساختاری به نام سیستم فتوسنتتیک II برای شکستن مولکول‌های آب استفاده می‌شود، طبق bio.libretexts.org. این شکستن دو الکترون، دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن را آزاد می‌کند؛ اکسیژن به عنوان یک محصول فرعی آزاد می‌شود، که منبع اکسیژنی است که گیاهان تولید می‌کنند.

الکترون‌های آزاد شده از طریق زنجیره حمل الکترون از سیستم فتوسنتتیک II از طریق کمپلکسی به نام سیتوکروم b6f به سیستم فتوسنتتیک I حرکت می‌کنند، انرژی را در طول راه از دست می‌دهند و توسط نور جذب شده در سیستم فتوسنتتیک I دوباره فعال می‌شوند، طبق bio.libretexts.org. با حرکت الکترون‌ها از طریق سیتوکروم b6f، یون‌های هیدروژن در سراسر غشای تایلاکویید پمپ می‌شوند، یک گرادیان غلظت تشکیل می‌دهند. این گرادیان اسمز شیمیایی را هدایت می‌کند، در آن ATP سینتاز یک گروه فسفات را به ADP اضافه می‌کند تا ATP تشکیل شود. در سیستم فتوسنتتیک I، الکترون‌های با انرژی بالا در نهایت برای تبدیل NADP+ به NADPH استفاده می‌شوند.

خلاصه خالص این مرحله، همانطور که توسط bio.libretexts.org خلاصه شده است، واکنش است: 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP. ATP و NADPH تولید شده در اینجا انرژی شیمیایی را به مرحله دوم حمل می‌کنند.

مرحله دوم: چرخه کالوین

چرخه کالوین در استروما اتفاق می‌افتد و نیاز مستقیمی به نور ندارد، طبق bio.libretexts.org. این در سه مرحله اجرا می‌شود. اول، در تثبیت کربن، آنزیم RuBisCO دی‌اکسید کربن را با یک مولکول پنج کربنی به نام RuBP ترکیب می‌کند، برای هر CO2 تثبیت شده دو مولکول حمض 3-فسفوگلیسریک (3-PGA) تولید می‌کند.

دوم، در کاهش، ATP و NADPH تولید شده در طول واکنش‌های وابسته به نور، 3-PGA را به گلیسرالدهیدفسفات 3 (G3P) تبدیل می‌کنند، واحد ساختمانی که گیاهان برای ساختن گلوکز و کربوهیدرات‌های دیگر استفاده می‌کنند. سوم، در بازتولید، اکثر G3P تولید شده برای بازسازی RuBP استفاده می‌شود، با استفاده از ATP اضافی، بنابراین چرخه می‌تواند ادامه یابد، طبق bio.libretexts.org.

تولید یک مولکول G3P نیاز به سه چرخش چرخه دارد، مصرف سه مولکول CO2، نه ATP و شش NADPH؛ ساختن یک مولکول گلوکز نیاز به شش چرخش چرخه دارد، طبق bio.libretexts.org.

چرا فتوسنتز فراتر از گیاه اهمیت دارد

National Geographic Education بیان می‌کند که بیشتر حیات روی زمین به فتوسنتز وابسته است: گیاه‌خواران انرژی را با خوردن گیاهان بدست می‌آورند، و گوشت‌خواران آن را به طور غیرمستقیم با خوردن گیاه‌خواران بدست می‌آورند، که باعث می‌شود فتوسنتز نقطه ورود انرژی به بیشتر زنجیره‌های غذایی باشد. این فرآیند همچنین منبع اصلی اکسیژن جو است.

گیاهان خشکی تنها منبع فتوسنتز نیستند که برای تامین اکسیژن سیاره اهمیت دارند. طبق خدمات ملی اقیانوس NOAA، تقریباً نیمی از اکسیژن زمین از اقیانوس منشأ می‌گیرد، که توسط فیتوپلانکتون تولید می‌شود — گیاهان شناور، جلبک‌ها و برخی باکتری‌های قادر به فتوسنتز. NOAA پروکلوروکوکس را برجسته می‌کند، که به عنوان کوچک‌ترین ارگانیسم فتوسنتزی روی زمین توصیف می‌شود، به عنوان گونه‌ای که تنها خود تا 20% از اکسیژن در کل بیوسفر را تولید می‌کند، بیش از همه جنگل‌های باران استوایی در کنار هم.

NOAA همچنین یک هشدار مهم را یادآوری می‌کند: در اقیانوس، تقریباً همان میزان اکسیژن توسط فتوسنتز تولید می‌شود که توسط حیات دریایی از طریق تنفس و تجزیه مصرف می‌شود، بنابراین اقیانوس بیشتر به عنوان یک چرخه متعادل اکسیژن عمل می‌کند تا یک سود جوی خالص.

دو مرحله در یک نگاه