פוטוסינתזה מוסברת: כיצד צמחים הופכים אור שמש לאנרגיה כימית

פוטוסינתזה היא תהליך ביולוגי המומיר אנרגיה אור לאנרגיה כימית המאוחסנת בסוכריות. לפי National Geographic Education, צמחים משתמשים באור שמש, במים ובדו-תחמוצת פחמן כדי ליצור חמצן והנגנון בצורת סוכריות, כשהם לוקחים דו-תחמוצת פחמן ומים ומשחררים חמצן תוך שמירה על אנרגיה במולקולות גלוקוז.

איפה זה קורה: בתוך הכלורופלסט

התהליך מתרחש בכלורופלסטים, אורגנליות הנמצאות בתאי צמחים ואצות, לפי National Geographic Education. כלורופלסטים מכילים שתי אזורים עיקריים המתוארים בהפניות ביולוגיה ב-bio.libretexts.org: ממברנות תילקואיד, שבהן מתרחשות תגובות תלויות בחוק, וה-stroma, המרחב הנוזלי שבו מתרחשות התגובות העצמאיות של אור במחזור קלווין.

כלורופיל, הצבע הירוק אחוד בממברנות תילקואיד, ספוג אנרגיה בעיקר מאורך גל כחול ואדום תוך הקרנת אור ירוק, וזו הסיבה שרוב העלים נראים ירוקים, National Geographic Education מציין.

שלב ראשון: תגובות תלויות בחוק

בממברנת תילקואיד, אנרגיה אור ספוגה על ידי כלורופיל במבנה הנקרא photosystem II משמשת לפיצול מולקולות מים, לפי bio.libretexts.org. פיצול זה משחרר שני אלקטרונים, שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד; החמצן משוחרר כתוצר לוואי, שהוא מקור החמצן שצמחים משחררים.

האלקטרונים המשוחררים נוסעים דרך שרשרת הובלת אלקטרונים מ-photosystem II דרך קומפלקס הנקרא cytochrome b6f ל-photosystem I, מפסידים אנרגיה בדרך ובהיות מופעלים מחדש על ידי אור ספוג ב-photosystem I, לפי bio.libretexts.org. כאשר אלקטרונים נעים דרך cytochrome b6f, יוני מימן נשאבים על פני הממברנה תילקואיד, ובונים שיפוע ריכוז. שיפוע זה מנהל osmosis כימי, בו ATP synthase מוסיף קבוצת פוספט ל-ADP ליצירת ATP. ב-photosystem I, אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה משמשים בסופו של דבר להמרת NADP+ ל-NADPH.

התוצאה הנטו של שלב זה, כמסוכמת על ידי bio.libretexts.org, היא התגובה: 2 H2O + 2 NADP+ + 3 ADP + 3 Pi → O2 + 2 NADPH + 3 ATP. ה-ATP וה-NADPH המופקים כאן מובילים אנרגיה כימית לשלב השני.

שלב שני: מחזור קלווין

מחזור קלווין מתרחש ב-stroma ואינו דורש אור ישירות, לפי bio.libretexts.org. הוא פועל בשלוש שלבים. ראשית, בקיבוע פחמן, האנזים RuBisCO משלב דו-תחמוצת פחמן עם מולקולה בת חמישה פחמנים בשם RuBP, ומייצר שתי מולקולות של חומצה 3-פוספוגליצרית (3-PGA) לכל CO2 שאינו קבוע.

שנית, בהנמכה, ATP ו-NADPH המיוצרים במהלך התגובות התלויות בחוק המיר 3-PGA ל-glyceraldehyde 3-phosphate (G3P), בלוק הבנייה שצמחים משתמשים בו לעשיית גלוקוז וסוכריות אחרות. שלישית, בחידוש, רוב ה-G3P המיוצר משמש לשחזור RuBP, תוך שימוש ב-ATP נוסף, כך שהמחזור יוכל להמשיך, לפי bio.libretexts.org.

ייצור של מולקולת G3P אחת דורש שלוש סיבובים של המחזור, צורך שלוש מולקולות CO2, תשע ATP ושש NADPH; בנייה של מולקולת גלוקוז אחת דורשת שישה סיבובים של המחזור, לפי bio.libretexts.org.

למה פוטוסינתזה חשובה מעבר לצמח

National Geographic Education קובע שרוב החיים על כדור הארץ תלויים בפוטוסינתזה: אוכלי צמחים מקבלים אנרגיה בעיסה צמחים, וטורפים מקבלים אותה בעקיפין בעיסה אוכלי צמחים, מה שהופך את הפוטוסינתזה לנקודת הכניסה לאנרגיה ברוב השרשראות הזנות. התהליך הוא גם המקור הראשוני לחמצן אטמוספרי.

צמחי יבשה אינם היחידים המייצרים פוטוסינתזה החשובים לאספקת החמצן של הכוכב. על פי שירות האקיינוס הלאומי של NOAA, בערך חצי מחמצן כדור הארץ מקורו בים, המיוצר על ידי פיטופלנקטון — צמחים נסחפים, אצות וחלק מהחיידקים המסוגלים לפוטוסינתזה. NOAA מדגיש Prochlorococcus, המתואר כאורגניזם הפוטוסינתטי הקטן ביותר על כדור הארץ, בתור מין שלבדו מייצר עד 20% מחמצן כל הביוספירה, יותר מכל יערות הגשם הטרופיים משולבים.

NOAA מציין גם התראה חשובה: בים, בערך כמו הרבה חמצן מיוצר על ידי פוטוסינתזה כמו נצרך על ידי חיים ימיים דרך נשימה ופירוק, כך שהאוקיינוס פועל יותר כמו מחזור חמצן מאוזן מאשר רווח אטמוספרי נטו.

שני השלבים בהצצה