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

فتوسنتز فرآیند بیولوژیکی است که انرژی نوری را به انرژی شیمیایی ذخیره شده در مولکول‌های قند تبدیل می‌کند. بر اساس آموزش نشنال جئوگرافیک، گیاهان از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن برای ایجاد اکسیژن و انرژی به صورت گلوکز استفاده می‌کنند، فرآیندی که بیشتر حیات در روی زمین را تامین می‌کند.

رصدخانه زمین ناسا این تبدیل را به شرح شیمیایی توصیف می‌کند: گیاهان دی‌اکسید کربن و آب را جذب می‌کنند و با استفاده از انرژی خورشیدی، آن‌ها را به کربوهیدرات‌ها تبدیل می‌کنند در حالی‌که اکسیژن را به‌عنوان یک محصول فرعی آزاد می‌کنند. واکنش کلی معمولاً به صورت CO2 + H2O + light energy → CH2O (کربوهیدرات) + O2 نوشته می‌شود.

جایی که این اتفاق می‌افتد: کلروپلاست

در گیاهان، فتوسنتز درون کلروپلاست‌ها اتفاق می‌افتد، ساختارهای تخصصی شده که عمدتاً در سلول‌های برگ یافت می‌شوند. کلروپلاست‌ها دارای یک سیستم غشای داخلی به نام تیلاکوید هستند، جایی‌که واکنش‌های دریافت نور اتفاق می‌افتد، و یک مایع اطراف به نام استروما، جایی‌که کربن به قند تبدیل می‌شود، همان‌طور که توسط آموزش نشنال جئوگرافیک توضیح داده شده است.

نقش کلروفیل

کلروفیل صبغه سبز درون کلروپلاست‌ها است که انرژی نوری را جذب می‌کند تا فرآیند را شروع کند. رصدخانه زمین ناسا یادآور می‌شود که کلروفیل به شدت نور مرئی در طیف خورشیدی را برای استفاده در فتوسنتز جذب می‌کند، درحالی‌که ساختارهای سلول برگ نور مادون قرمز نزدیک را منعکس می‌کنند. از آنجایی که کلروفیل طول‌موج‌های قرمز و آبی را جذب می‌کند اما نور سبز را منعکس می‌کند، برگ‌ها سبز به نظر می‌رسند، بر اساس آموزش نشنال جئوگرافیک.

مرحله اول: واکنش‌های وابسته به نور

مرحله اول در غشاهای تیلاکوید اتفاق می‌افتد و نیاز به نور خورشید دارد. انرژی نوری الکترون‌ها را در کلروفیل تحریک می‌کند، و این انرژی برای تقسیم مولکول‌های آب استفاده می‌شود، که اکسیژن را به‌عنوان یک محصول فرعی آزاد می‌کند. انرژی دریافت شده در این مرحله به طور موقت در مولکول‌های ATP و NADPH ذخیره می‌شود، که سپس در مرحله بعد استفاده می‌شوند، همان‌طور که در آموزش نشنال جئوگرافیک خلاصه شده است.

مرحله دوم: چرخه کالوین

مرحله دوم، که به چرخه کالوین یا واکنش‌های مستقل از نور شناخته می‌شود، در استروما اتفاق می‌افتد و مستقیماً نور را نیاز ندارد. در عوض، از ATP و NADPH تولید شده در مرحله اول برای تبدیل دی‌اکسید کربن به گلوکز و سایر کربوهیدرات‌هایی که گیاه برای رشد و ذخیره‌سازی انرژی استفاده می‌کند استفاده می‌کند.

چرا مهم است فراتر از گیاه

فتوسنتز پایه‌ی بیشتر زنجیره‌های غذایی روی زمین است: حیوانات گیاه‌خوار انرژی را از طریق خوردن گیاهان به دست می‌آورند، و حیوانات گوشت‌خوار به طور غیرمستقیم با خوردن حیوانات گیاه‌خوار به دست می‌آورند، همان‌طور که توسط آموزش نشنال جئوگرافیک یادآوری شده است. رصدخانه زمین ناسا اضافه می‌کند که گیاهان خشکی و فیتوپلانکتون‌های دریایی با هم پایه‌ی آنچه دانشمندان چرخه سریع یا زیستی کربن می‌نامند را تشکیل می‌دهند، که دی‌اکسید کربن اتمسفری را در حین رشد کاهش می‌دهند.

رصدخانه زمین ناسا همچنین بیان می‌کند که گیاهان در حال حاضر تقریباً 25 درصد از دی‌اکسید کربن اضافی تولید شده توسط فعالیت انسانی را جذب می‌کنند، اگرچه این ظرفیت توسط دسترسی به آب، مواد غذایی و دمای بالا محدود می‌شود. از آنجایی که فتوسنتز دی‌اکسید کربن را از اتمسفر بر اساس فصلی حذف می‌کند، دانشمندان می‌توانند فصل رشد نیمکره شمالی را از طریق کاهش‌های قابل اندازه‌گیری در دی‌اکسید کربن اتمسفری هر بهار، بر اساس همان منبع، دنبال کنند.

سنجش‌های دوری و نظارت در جهان واقعی

روش مشخصی که کلروفیل نور مرئی را جذب می‌کند در حالی‌که ساختارهای برگ نور مادون قرمز نزدیک را منعکس می‌کنند، به ماهواره‌هایی مثل ابزار MODIS ناسا اجازه می‌دهد تا چگالی پوشش گیاهی و سلامت گیاه را از مدار تخمین بزنند، همان‌طور که رصدخانه زمین ناسا توضیح می‌دهد. این کاربرد سنجش از دور استفاده مستقیم و عملی از اصل اساسی جذب نور است که فتوسنتز را به راه می‌اندازد.