פוטוסינתזה מוסברת: כיצד צמחים הופכים אור שמש לאנרגיה כימית

פוטוסינתזה היא התהליך הביולוגי שהופך אנרגיית אור לאנרגיה כימית המאוחסנת במולקולות סוכר. לדברי חינוך National Geographic, צמחים משתמשים בטאים שמש, מים וסלחי כרבוני כדי ליצור חמצן ואנרגיה בצורת גלוקוז, תהליך התומך בחיים רוב על פני כדור הארץ.

מצפה הארץ של נאס"א מתאר את אותו הטרנספורמציה במונחים כימיים: צמחים ספוגים סלחי כרבוני ומים, ובשימוש באנרגיה סולארית, הם הופכים אותם לפחמימות בעוד שמשחררים חמצן כתוצר משני. התגובה הכוללת כתובה בדרך כלל כ- CO2 + H2O + light energy → CH2O (פחמימה) + O2.

איפה זה מתרחש: הכלורופלסט

בצמחים, פוטוסינתזה מתרחשת בתוך כלורופלסטים, מבנים מיוחדים הנמצאים בעיקר בתאי עלים. כלורופלסטים מכילים מערכת קרום פנימית הנקראת תילאקואיד, שם מתרחשות תגובות תופסות אור, וזרז סביבתי הנקרא סטרומה, כאשר פחמן מומר לסוכר, כפי שהוסבר על ידי חינוך National Geographic.

תפקידו של הכלורופיל

כלורופיל הוא הפיגמנט הירוק בתוך כלורופלסטים שספוג אנרגיית אור כדי להתחיל את התהליך. מצפה הארץ של נאס"א מציין כי כלורופיל ספוג בחוזקה את האור הנראה בספקטרום הסולארי לשימוש בפוטוסינתזה, בעוד שמבני תאי עלים משקפים אור בעל אדום קרוב במקום זאת. מכיוון שכלורופיל ספוג אורכי גל אדומים וכחולים אך משקפים אור ירוק, עלים נראים ירוקים, לפי חינוך National Geographic.

שלב ראשון: תגובות תלויות אור

השלב הראשון מתרחש בקרום התילאקואיד ודורש טאיים שמש. אנרגיית אור מעוררת אלקטרונים בכלורופיל, וזו אנרגיה משמשת לפיצול מולקולות מים, משחררות חמצן כתוצר משני. האנרגיה שנתפסה בשלב זה מאוחסנת באופן זמני במולקולות ATP ו- NADPH, אשר מהן משמשות בשלב הבא, כפי שסוכם על ידי חינוך National Geographic.

שלב שני: מחזור קלווין

השלב השני, המכונה מחזור קלווין או תגובות בלתי תלויות אור, מתרחש בסטרומה ואינו דורש אור ישירות. במקום זאת, הוא משתמש ב- ATP ו- NADPH המיוצרים בשלב הראשון כדי להמיר סלחי כרבוני לגלוקוז ופחמימות אחרות בהן הצמח משתמש לצמיחה וחסכון אנרגיה.

מדוע זה חשוב מעבר לצמח

פוטוסינתזה היא בסיס רוב שרשראות המזון על כדור הארץ: בעלי חיים אוכלי צמחים מקבלים אנרגיה על ידי אכילת צמחים, ובעלי חיים טורפים מקבלים אותה בעקיפין על ידי אכילת אוכלי צמחים, כפי שצוין על ידי חינוך National Geographic. מצפה הארץ של נאס"א מוסיף כי צמחי יבשה ופיטופלנקטון אוקיינוסי ביחד מהווים את הבסיס של מה שמדענים קוראים לו המחזור המהיר או הביולוגי של פחמן, תוך הפחתת דו תחמוצת פחמן אטמוספרית כשהם גדלים.

מצפה הארץ של נאס"א גם קובע כי צמחים כיום ספוגים כ- 25 אחוז מדו תחמוצת הפחמן העודפת הנפלטת על ידי פעילות אנושית, אם כי יכולת זו מוגבלת על ידי זמינות מים, חומרים מזינים וטמפרטורות עולות. מכיוון שפוטוסינתזה מסירה דו תחמוצת פחמן מהאטמוספירה על בסיס עונתי, מדענים יכולים לעקוב אחר עונת הגדילה של חצי הכדור הצפוני דרך הירידות הניתנות למדידה בדו תחמוצת פחמן אטמוספרית בכל אביב, לפי אותו מקור.

חישה מרחוקה וניטור בעולם האמיתי

הדרך המובהקת שבה כלורופיל ספוג אור נראה בעוד שמבני עלים משקפים אור בעל אדום קרוב מאפשרת לעלויות לווין כמו הכלי MODIS של נאס"א להעריך צפיפות צמחייה וגמא של צמח מהמסלול, כפי שמצפה הארץ של נאס"א מסביר. יישום חישה זה מרחוק הוא שימוש ישיר ומעשי של העיקרון הבסיסי של ספיגת אור המניע את הפוטוסינתזה.