فتوسنتز چیست؟ چگونه اتفاق می افتد و چرا مهم است؟

فتوسنتز

فتوسنتز فرآیندی است که گیاهان، جلبک ها و باکتری های خاصی از نور خورشید برای مهار انرژی و تبدیل آن به انرژی شیمیایی استفاده می کنند. در طی این فرآیند در گیاهان سبز، انرژی نور گرفته شده و برای تبدیل آب، دی اکسید کربن و مواد معدنی به اکسیژن و ترکیبات آلی غنی از انرژی استفاده می شود. در این متن ما اصول کلی فُتوسنتز را بیان می کنیم ولی بهتر است بدانید که دانشمندان در حال مطالعه این روند طبیعی برای کمک به تولید سوخت های پاک و منابع انرژی تجدیدپذیر هستند. در ادامه با ما همراه باشید.

پاسخ به  ۱۰ سوال مهم درباره اصطلاحات و واژگان تخصصی مربوط به فرآیند فتوسنتز

۱- فتوسنتز (photosynthesis) چیست؟

فرآیندی است زیست شیمیایی که در آن گیاهان، جلبک ها و برخی از باکتری ها، انرژی نورانی خورشید را به انرژی شیمیایی به شکل قند یا گلوکز تبدیل کرده و از آن به عنوان سوخت در فعالیت های سلولی استفاده می کنند. چنین فرآیندی منحصراً توسط رنگدانه های فتوسنتزی یا کلروفیل ها در کلروپلاست گیاهان انجام شده و گیاهان از آن برای ساخت مواد غذایی بهره می گیرند. البته چند محصول جانبی هم در این فرآیند تولید می شود و آن اکسیژن، گلوکز و فروکتوز می باشند. گیاهان از این قندها به عنوان یک منبع انرژی برای رشد ریشه ها، ساقه ها، برگ ها، میوه ها، گل ها و دانه هایشان استفاده می کنند.

فتوسنتز
فتوسنتز به روایت تصویر

۲- کلروپلاست (Chloroplasts) چیست؟

کلروپلاست ها، اندامک های سلولی میکروسکوپی در بخش های سبز گیاه از جمله ساقه و برگ می باشد که محل انجام فتوسنتز بوده و فُتوسنتز در آنجا اتفاق می افتد.

۳- کلروفیل (Chlorophyll) چیست؟

کلروفیل یک رنگدانه سبز موجود در کلروپلاست بوده که گیاهان از طریق آن قادر به جذب نور خورشید و انجام عمل فُتوسنتز می باشند.

۴- تیلاکوئید (Thylakoids) چیست؟

تیلاکوئیدها سیستم فشرده غشای درونی کلروپلاست ها می باشند که محل واکنش نوری فتوسنتز بوده و کل کلروفیل ها در آنها قرار دارند.

۵- استروما (Stroma) کجاست؟

استروما ناحیه ای از کلروپلاست بوده که در بیرون تیلاکوئیدها واقع شده است و واکنش های تاریکی که به واکنش های احیای کربن نیز معروف می باشند در آنها انجام می پذیرد.

۶- روبیسکو (rubisco enzyme) چیست؟

روبیسکو، آنزیمی است که باعث جذب دی اکسید کربن در واکنش های مستقل نوری می شود. این نوع آنزیم فراوان ترین پروتئین یا آنزیم جهان بوده که با جذب مولکول دی اکسید کربن و تثبیت آن، کربوهیدرات تولید می کند. برگ گیاه یونجه بالاترین میزان این پروتئین را داشته و نسبت به ساقه آن مطلوبیت بالایی از نظر مواد غذایی دارد.

۷- موجودات آتوتروف (Autootrophs) به چه موجوداتی گفته می شود؟

آتوتروف ها موجوداتی هستند که خودشان مواد غذایی مورد نیاز خود را تولید می نمایند. گیاهان جزو موجودات آتوتروف می باشند.

۸- موجودات هتروتروف (Heterotrophs) به چه موجوداتی گفته می شود؟

هتروتروف ها موجوداتی هستند که مستقیم یا غیر مستقیم از گیاهان و موجودات آتوتروف تغذیه کنند تا مواد لازم شان را برای رشد به دست آورند. حیوانات، قارچ ها و باکتری ها جزو این گروه می باشند.

۹- تنفس نوری (Photorespiration) چیست؟

به اکسیداسیون مجدد محصولات تولید شده طی فتوسنتز، تنفس نوری گفته می شود. طی این فرآیند هنگام کاتالیزه شدن مقدار بیشتری از اکسیژن نسبت به دی اکسید کربن توسط آنزیم روبیسکو مصرف می شود. مسیر تنفسی نوری از فعالیت حداقل سه اندامک سلولی (کلروپلاست،پراکسی زوم و میتوکندری) تشکیل شده و چون در جریان آن دی اکسیدکربن آزاد می شود،منجر به از دست رفتن کربن از سلول می گردد.

۱۰- چرخه کالوین (Calvin cycle) چیست؟

در هنگام انجام فتوسنتز، گیاهان انرژی نورانی خورشید را در مولکول های کربوهیدرات ها نظیر گلوکز ذخیره می‌کنند. در این روش، دی‌اکسید کربن با هوا، آب و خاک ترکیب می‌شود که  این چرخه را چرخه کالوین می‌گویند.

چه عواملی بر فرآیند فُتوسنتز تأثیرگذار می باشند؟

  • شدت نور که باعث افزایش سرعت فُتوسنتز می شود.
  • مقدار و غلظت دی اکسید کربن که هر چه قدر بیشتر باشد باعث افزایش سرعت فتوسنتز می شود.
  • دمای بین ۲۵ تا ۳۵ درجه سانتی گراد
  • آب که کمبود آن باعث می شود جذب co2 کاهش یابد.
  • آلاینده ها که با مسدود کردن منافذ موجود در برگ باعث کاهش جذب co2 توسط برگ ها می شود.

مراحل انجام فتوسنتز کدامند؟

  • انتقال انرژی به سبزینه
  • انتقال الکترون در واکنش های فتوشیمیایی
  • زنجیره الکترونی
  • چرخه کالوین

یعنی

  • ابتدا دی اکسید کربن (CO2) از طریق منافذ برگ وارد آنها می شود (به نور وابسته است)
  • تارهای ریشه آب (H2O) را جذب کرده و به برگ ها انتقال می دهند (به نور وابسته است)
  • نور به رنگدانه موجود در غشای یک تیلاکوئید برخورد کرده و کلروفیل ها با جذب انرژی نورانی خورشید باعث شکسته شدن مولکول های آب می شوند (به نور وابسته است)
  • الکترون ها به سمت پایین به سمت آنزیم ها حرکت می کنند (به نور وابسته است)
  • نور خورشید به مولکول رنگدانه دوم برخورد می کند و به آنزیم ها اجازه می دهد ADP را به ATP و NADP را به NADPH تبدیل کنند (به نور وابسته است)
  • ATP و NADPH توسط چرخه کالوین به عنوان منبع قدرت برای تبدیل دی اکسید کربن از جو به گلوکز قند ساده استفاده می شود (مستقل از نور می باشد)
  • چرخه کالوین، مولکول های ۳CO2 را از جو به گلوکز تبدیل می کند (مستقل از نور می باشد)
  • اتم اکسیژن آب، از طریق برگ ها آزاد شده و وارد جو می شود.
  • گیاهان از گلوکز به عنوان منبع غذایی خود استفاده کرده و سایر قندهای تولید شده در این فرآیند را در ریشه، برگ و میوه برای استفاده بعدی ذخیره می کنند.

چند نوع واکنش فتوسنتزی وجود دارد؟

۱- واکنش نوری: که در طول روز و فقط با وجود نور در غشای تیلاکوئیدهای کلروپلاستی انجام می شود. درون تیلاکوئیدها ساختارهای کیسه مانندی به نام گرانوم وجود دارد که از مولکول های پروتئینی و رنگدانه ها تشکیل شده و نقش آنها جمع آوری نور می باشد. در طی این مرحله آدنوزین تری فسفات (ATP) و نیکوتین آمید دی نوکلوئید فسفات (NADPH) از انرژی نورانی حاصل می شود.

۲- واکنش تاریکی: که مستقل از نور بوده و در استرومای کلروپلاست انجام می شود. طی این واکنش از مولکول های آب و دی اکسید کربن، مولکول های قند یا گلوکز تولید می شوند. در این مرحله ATP و NADPH تولیدی در واکنش نوری مصرف می شود.

فتوسنتز چرا مهم است؟

فتوسنتز برای وجود اکثریت قریب به اتفاق زندگی در کره زمین حیاتی است و روشی است که در آن تقریباً تمام انرژی موجود در زیست کره برای موجودات زنده در دسترس قرار می گیرد. ارگانیسم های فتوسنتزی به عنوان تولید کنندگان اولیه پایه شبکه ها و زنجیره های غذایی زمین را تشکیل می دهند و به طور مستقیم یا غیرمستقیم توسط همه اشکال بالاتر زندگی مصرف می شوند. به علاوه تقریباً اکسیژن موجود در جو به دلیل فرآیند فُتوسنتز است. این ماده درچرخه کربن بین زمین، اقیانوس ها، گیاهان و حیوانات سهیم می باشد.

اگر فُتوسنتز متوقف شود، مواد غذایی یا سایر مواد آلی کمی روی زمین وجود خواهد داشت. بیشتر ارگانیسم ها ناپدید می شوند و به مرور زمان جو زمین تقریباً از اکسیژن گازی خالی می شود. تنها موجوداتی که می توانند تحت چنین شرایطی وجود داشته باشند، باکتری های شیمی سنتتیک (chemosynthetic bacteria) هستند که می توانند از انرژی شیمیایی برخی ترکیبات غیر آلی استفاده کنند و بنابراین به تبدیل انرژی نور وابسته نیستند.

انرژی تولید شده توسط فُتوسنتز انجام شده توسط گیاهان میلیون ها سال پیش مسئول سوخت های فسیلی (زغال سنگ، نفت و گاز) می باشند که جامعه صنعتی را تأمین می کند. در دوره های گذشته گیاهان سبز و ارگانیسم های کوچکی که از گیاهان تغذیه می کردند، سریعتر از میزان مصرف افزایش یافته و بقایای آنها در اثر رسوب و سایر فرآیندهای زمین شناسی در پوسته زمین رسوب می کند. آنجا در برابر اکسیداسیون محافظت می شود، این بقایای آلی به آرامی به سوخت های فسیلی تبدیل می شوند. این سوخت ها نه تنها مقدار زیادی از انرژی مورد استفاده در کارخانه ها، خانه ها و حمل و نقل را تأمین می کنند بلکه به عنوان ماده اولیه پلاستیک ها و سایر محصولات مصنوعی نیز عمل می کنند. متأسفانه تمدن مدرن در طی چند قرن از میزان بیش از حد تولید فتوسنتز جمع شده طی میلیون ها سال استفاده می کند. در نتیجه دی اکسید کربنی که طی میلیون ها سال برای تولید کربوهیدرات از هوا خارج شده و با سرعت فوق العاده سریع بازگردانده می شود. غلظت دی اکسیدکربن در اتمسفر زمین با بیشترین سرعت در طول تاریخ در حال افزایش است و انتظار می رود این پدیده تأثیرات عمده ای بر آب و هوای زمین داشته باشد.

کدام موجودات می توانند فتوسنتز کنند؟

توانایی فُتوسنتز در موجودات یوکاریوتی و پروکاریوتی وجود دارد. مشهورترین نمونه ها گیاهان هستند زیرا بجز تعداد بسیار کمی از گونه های انگلی یا مایکو هتروتروف ها کلروفیل دارند و غذای خود را تولید می کنند. جلبک ها گروه غالب دیگر موجودات فُتوسنتز یوکاریوتی هستند. همه جلبک ها  که شامل جلبک های دریایی عظیم و دیاتوم های میکروسکوپی می باشد از تولید کنندگان اصلی و مهم هستند. سیانوباکتریوم و برخی از باکتری های گوگردی پروکاریوت های فُتوسنتز هستند که در آنها فُتوسنتز تکامل یافته تر است. تصور می شود هیچ حیوانی به طور مستقل قادر به فتوسنتز نیست اگرچه حلزون دریایی سبز زمردی (emerald green sea slug) می تواند به طور موقت کلروپلاست جلبک را در بدن خود برای تولید غذا ترکیب کند.

کدام گیاهان نمی توانند فُتوسنتز کنند؟ گیاهان غیر فتوسنتزی

در حالی که اکثر گیاهان از فتوسنتز برای تولید انرژی استفاده می کنند، برخی از آنها قادر به انجام فُتوسنتز نیستند. گیاهانی که از فُتوسنتز برای تولید غذا استفاده نمی کنند معمولاً انگلی هستند، به این معنی که برای تولید مواد مغذی به یک میزبان متکی هستند. به عنوان مثال می توان به نی هندی (Monotropa uniflora) که به گیاه شبح یا جسد معروف است و قطرات راش (Epifagus americana یک نوع گیاه انگلی که حاوی گل های لوله ای روی ساقه قهوه ای بدون برگ می باشد  توسط غده های خود به ریشه گیاه میزبان متصل می شود) اشاره کرد که مواد مغذی موجود در ریشه درخت راش را می دزدد. گیاه نی هندی چون  فاقد کلروفیل است یک رنگ سفید شبح گونه دارد. قارچ ها، کپک ها و مخمرها  به جای فتوسنتز، برای غذا به محیط زندگی خود متکی می باشند.

فرمول اصلی فتوسنتز چیست؟

روند فتوسنتز معمولاً به صورت زیر نوشته می شود: ۶CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 این بدان معنی است که واکنش دهنده ها، ۶ مولکول دی اکسیدکربن و ۶ مولکول آب توسط انرژی نورانی که توسط کلروفیل گرفته می شود (با پیکان نشان داده می شود) به یک مولکول قند و شش مولکول اکسیژن تبدیل می شوند. قند توسط ارگانیسم استفاده می شود و اکسیژن به عنوان یک محصول جانبی آزاد می شود.

مقایسه فرمول فُتوسنتز و تنفس سلولی
مقایسه فرمول فُتوسنتز و تنفس سلولی

اهمیت تنفس سلولی برای فتوسنتز

تنفس سلولی (Cellular Respiration) به همه سلولهای زنده این امکان را می دهد که انرژی را به صورت ATP از غذا استخراج کرده و آن انرژی را برای فرآیندهای حیاتی زندگی به کار بگیرند. تمام سلولهای زنده موجود در گیاهان، حیوانات و انسانها در تنفس سلولی شرکت می کنند. تنفس سلولی یک فرآیند سه مرحله ای است. در مرحله یک ، سیتوپلاسم سلول در فرآیندی به نام گلیکولیز(glycolysis)، گلوکز را تجزیه می کند و از یک مولکول گلوکز دو مولکول پیروات (pyruvate) تولید و کمی ATP آزاد می کند. در مرحله دوم، سلول بدون استفاده از اکسیژن، مولکول های پیروات را به داخل میتوکندری، مرکز انرژی سلول ها منتقل می کند که به تنفس بی هوازی (anaerobic respiration) معروف است. مرحله سوم تنفس سلولی شامل اکسیژن است و به آن تنفس هوازی (aerobic respiration) گفته می شود که در آن انرژی غذایی در محلی که ATP تولید می کند وارد یک زنجیره انتقال الکترون می شود.

تنفس سلولی در گیاهان اساساً مخالف فتوسنتز است. موجودات زنده اکسیژن تنفس می کنند و دی اکسید کربن را به عنوان محصول جانبی آزاد می کنند. یک گیاه از دی اکسید کربن بازدم شده توسط حیوانات و انسانها در ترکیب با انرژی خورشید در هنگام تنفس سلولی برای تولید مواد غذایی مورد نیاز خود استفاده می کند. گیاهان سرانجام اکسیژن را به داخل جو آزاد می کنند و در نتیجه یک رابطه همزیستی بین گیاهان، حیوانات و انسان ایجاد می شود.

تقسیم بندی گیاهان طبق نیاز به نور

  • گیاهان سایه دوست (Shade plants) نظیر سرخس و فیکوس
  • گیاهان آفتاب دوست (plants Sun) نظیر داودی و گل سرخ
  • گیاهان هم آفتاب دوست و هم سایه دوست (Partial shade plants) نظیر بگونیا و حسن یوسف
  • گیاهان غیر حساس به شدت نور  (Light intensity intensitive) نظیر ماگنولیا

انواع فتوسنتز در گیاهان مختلف

۱- فُتوسنتز c3: در کلروپلاست و در طول روز انجام می شود آن زمانی که روزنه های موجود در برگ باز بوده و با ورود دی اکسید کربن به سلول، آب از طریق این روزنه ها خارج می شود. در این نوع فتوسنتز که بیشتر با محیط سرد و آب و هوای مرطوب سازگار می باشد، بیشترین مقدار اتلاف آب صورت گرفته و هنگام انجام بیشترین مقدار فُتوسنتز در زمان هایی از سال این عمل موجب استرس گیاهان می شود. بیش از ۸۰ درصد گونه های گیاهی از جمله گندم و سویا در این گروه قرار می گیرند.

انواع فُتوسنتز در گیاهان مختلف
انواع فتوسنتز در گیاهان مختلف

۲- فُتوسنتز c4: گیاهانی که این نوع فُتوسنتز را انجام می دهند مثل ذرت، سورگوم، نیشکر، چوب پنبه، تاج خروس و… در یک نوع از سلول های خود روبیسکو داشته و یک فرآیند انتقال دی اکسید کربن به سلول دارند که متفاوت و خاص بوده به این ترتیب که دارای منافذ بین سلولی می باشند که به پلاسمودسماتا معروف بوده ترکیبات از طریق آنها انتقال می یابد. استفاده از این منافذ بین سلولی باعث می شود مصرف آب گیاه تا ۴۰ درصد کاهش بیابد و نسبت به نوع اول کارآیی بیشتری داشته باشد. روزنه ها در طول روز باز بوده ولی این گیاهان می توانند برای اینکه مقدار هدر رفت آب را کاهش دهند مقداری از روزنه های خود را ببندند. این گیاهان سازگار با محیط های سرد و آب و هوای خشک می باشند.

۳- گیاهان CAM یا گیاهان دارای متابولیسم کراسولاسه: این گیاهان که در مناطق گرم و خشک و کویری وجود دارند، سازگار با محیط های خیلی گرم و آب و هوای خشک بوده و برای اینکه تنفس نوری را به حداقل برسانند از این نوع متابولیسم استفاده می کنند. کاکتوس و آناناس آشناترین گیاهان این نوع می باشند که روزنه هایشان شب ها باز می باشد. شب ها دی اکسید کربن از روزنه های باز وارد برگ ها شده و بعد از طی مراحلی به مالات و دیگر شکل های اسیدهای آلی تبدیل می شوند. اسیدهای آلی تولید شده تا فردای آن روز درون واکوئل های سلول ها ذخیره می شود. در طول مدت روز، روزنه ها بسته باقی مانده اما این گیاهان بازهم قادرند فتوسنتز را انجام دهند. بلی درست شنیدید! برای اینکه اسیدهای آلی ذخیره شده در واکوئل ها، از آنجا خارج شده و برای اینکه دی اکسید کربن را آزاد کنند، شروع به تجزیه می کنند. دی اسیدهای کربن حاصل شده از تجزیه این اسیدهای آلی وارد چرخه کالوین شده و غلظت دی اکسید کربن دور و بر آنزیم روبیسکو را در حد بالایی نگه می دارد. چون روزنه های این نوع گیاهان فقط شب ها باز می باشد یعنی زمان افزایش رطوبت و کاهش دما، میزان هدر رفت آب در آنها تا حد زیادی کاهش می یابد.

و در پایان…

تا اینجا دانستیم که فتوسنتز نور خورشید را به شکل قند به انرژی شیمیایی تبدیل می کند. سپس این قند از طریق تنفس سلولی تجزیه می شود تا تأمین کننده حیات در سطح سلولی باشد. ما اکسیژن تنفس می کنیم و دی اکسید کربن را بیرون می دهیم، در حالی که گیاهان دی اکسید کربن تنفس می کنند و اکسیژن را بیرون می دهند. بنابراین فتوسنتز منبع نهایی غذایی است که می خوریم و هوایی که تنفس می کنیم. گیاهان و درختان یکی از مهم‌ترین و زیباترین مظاهر تکوین آفریدگار و ضامن هوای پاک می باشند که نیاز اساسی موجودات زنده را فراهم می‌آورند و با تولید اکسیژن از آلودگی هوا می‌کاهند.

باید آگاه شوید که توسعه مراتع و جنگل‌ها، حفظ آب و خاک  می‌تواند تأثیرات چشم گیری در فرآیند توسعه اقتصادی کشور داشته باشد. مجمع فعالان زیست محیطی کشور (انجمن حمایت از حیوانات و محیط زیست) معتقد است برای داشتن هوای پاک، بایستی خانواده ها خود را متعهد به کاشت نهال بدانند. اگر شما می‌خواهید یک سرمایه‌گذاری بلند‌مدت انجام دهید و برای آیندگان و فرزندان مان میراثی به جا بگذارید کاشت درخت می‌تواند گزینه خوبی باشد. به یاد داشته باشید که اگر مسئولیت اجتماعی خود را در کاشت نهال بر گردن نمی‌گیرید لااقل به درختان آسیب نزنید و نگهداری از درختان را در اولویت خود قرار دهید.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *