راز ذخیره انرژی در گیاهان: از فتوسنتز تا ATP

۱۴ بهمن ۱۴۰۲ توسط واحد آموزش (بروزرسانی: )

شیمی چرخه حیات
فهرست محتوا

همه‌ی موجودات زنده برای عملکرد به انرژی نیاز دارند و یاخته‌های آنها به یک انرژی ورودی ثابت و مداوم برای تامین نیروی محرکه‌ی فرآیندها و عملکردهای سلولی گوناگون نیاز دارند. آنچه واقعاً شگفت‌انگیز است این است که چگونه انرژی‌های طبیعی خارج از موجودات زنده به انرژی‌های یاخته‌ا‌ی درونی تبدیل می‌شوند؛ که این به نوبه خود، فرآیندهای زندگی را به جلو می‌برد.

بدیهی است که برای هر ذهن کنجکاوی این سوال مطرح می‌شود که منشأ انرژی نگهدارنده‌ی حیات کجاست و این انرژی چگونه منتقل می‌شود و استفاده می‌گردد.

معرفی ATP (آدنوزین تری‌فسفات)، باتری شیمیایی زندگی

انرژی که حیات روی زمین را به پیش می‌راند در پیوندهای شیمیایی درون یاخته‌ها، به ویژه در یاخته‌هایی مانند ATP و گلوکز ذخیره می‌شود. این یاخته‌های غنی از انرژی منبع فرآیندهای مختلف یاخته‌ا‌ی هستند و انرژی مورد نیاز برای عملکرد، رشد و تولید‌مثل همه موجودات زنده را تأمین می‌کنند.

چگونه انرژی در پیوندهای شیمیایی ذخیره می‌شود.

پیوندهای شیمیایی هنگامی شکل می‌گیرد که اتم‌ها الکترون‌ها را برای دستیابی به وضعیت انرژی پایدارتر و پایین‌تر به اشتراک می‌گذارند یا منتقل می‌کنند. شکستن این پیوندها نیاز به ورودی انرژی دارد، در حالی که تشکیل پیوندهای جدید انرژی را آزاد می‌کند. این انرژی در ساختار شیمیایی یاخته‌ها ذخیره می‌شود.

متداول‌ترین یاخته‌ی انتقال و ذخیره انرژی در سلول‌ها آدنوزین تری فسفات (ATP) است. این یاخته از ریبوز (قند پنج کربن) تشکیل شده است که به آدنین (باز نیتروژنی) و زنجیره‌ای از گروه فسفات سه‌تایی متصل است.

ATP در مقام تشبیه به عنوان «ارز رایج انرژی» سلول‌ها در نظر گرفته می‌شود، دقیقاً مانند پول که ارز رایج اقتصادی در جوامع بشری است. پیوند بین گروه‌های فسفات در ATP پیوندهای «انرژی بالا» هستند. هنگامی که پیوند بین گروه دوم و سوم فسفات شکسته می‌شود، انرژی آزاد می‌شود که سلول‌ها می‌توانند از آن برای کارکردهای مختلف استفاده کنند.

ATP یاخته‌ی اصلی ذخیره انرژی در سلول‌ها است، با آب واکنش می‌دهد و یک فسفات خود را از دست می‌دهد و مانند باتری انرژی آزاد می‌کند و به ADP (آدنوزین دی‌فسفات) تبدیل می‌شود. سپس ADP می‌تواند با جذب انرژی آزاد شده از سوزاندن گلوکز موجود در غذا بازیافت شود تا فسفات را دوباره پیوند دهد و ATP را دوباره بسازد.

 

یاخته‌ی ATP بسیار ناپایدار است و هیدرولیز می‌شود (با آب واکنش می‌دهد) تا یک گروه فسفات معدنی (Pi) را از دست دهد و به ADP تجزیه شود و انرژی آزاد کند، مانند واکنش زیر:

آزاد‌سازی انرژی +ATP + H2O → ADP + Pi

هیدرولیز ATP به ADP همانند بسیاری از واکنش‌های شیمیایی، برگشت پذیر است و این بار نیاز به ورودی انرژی آزاد دارد تا ATP را از ADP + Pi بازسازی کند و در این فرآیند آب آزاد شود. تشکیل ATP را می‌توان بصورت معادله زیر نشان داد:

ATP + H2O→انرژی آزاد +ADP + Pi

همانطور که اشاره شد انرژی آزادشده‌ی ناشی از جدا کردن یک گروه فسفات معدنی از ATP برای تشکیلADP برای فرآیندهای سلولی مختلف استفاده می‌شود.

سلول‌ها چه وظایفی را انجام می‌دهند؟

سلول‌ها بسته به نوع آنها، عملکردهای متمایزی از خود نشان می‌دهند. برخی از این عملکردهاعبارتند از:

  • تقسیم سلولی برای ایجاد سلول‌های جدید.
  • سنتز درشت‌مولکول‌های مختلف مانند پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و لیپیدها.
  • انتقال فعال یاخته‌ها از طریق غشای سلولی، برای مثال، انتقال مواد مغذی به سلول‌ها و دفع مواد زائد.
  • انتقال فعال به یون‌ها (اتم‌ها یا مولکول‌های باردار الکتریکی) در غشاهای سلولی در برابر شیوغلظت آنها با هدف حفظ تعادل یونی و حجم سلولی مناسب.
  • انقباض و حرکت در سلول‌های عضلانی.
  • انتقال تکانه‌های عصبی، رهاسازی انتقال دهنده‌های عصبی، سنتز و تخریب یاخته‌های پیام‌رسان در سلول‌های عصبی.
  • زیست‌تابی، در برخی موجودات مانند کرم شب‌تاب، که نور تولید شده توسط واکنش شیمیایی در موجود زنده است.

انرژی در «سپهر‌حیات» محدود است.

ما درباره نحوه‌ی ذخیره و انتقال انرژی بحث کرده‌ایم، اما انرژی از جای ناشناخته به دست نمی‌آید. در فیزیک، قانون اول ترمودینامیک، قانون بقای انرژی، بیان می‌کند که انرژی نه می‌تواند ایجاد شود و نه از بین می‌رود، فقط از یک شکل انرژی به شکل دیگر تبدیل می‌شود. یعنی یک سیستم همیشه مقدار انرژی ثابتی را دارد، مگر اینکه انرژی از خارج به آن اضافه شود.

در مورد موجود زنده، انرژی از بیرون و به شکل غذا وارد می‌شود، اما در مورد «سپهر‌حیات»،که همان اکوسیستم جهانی سیاره‌ی زمین است، انرژی از کجا می‌آید؟

می دانیم که انرژی به طور مداوم با ماده تشکیل چرخه می‌دهد، اما اگر موجودات زنده به طور مداوم غذا مصرف می‌کنند و انرژی سیستم به شکل گرما از طریق فرآیندهای سوخت‌وساز مانند تنفس، حفظ دمای بدن برای جبران اتلاف گرما به محیط، و گرمای از دست رفته ناشی از فرایند تجزیه از دست می‌رود، چرا موجودات زنده روی این سیاره انرژی محدود و متناهی موجود را مصرف نکرده و طی صدها میلیون سال منقرض نشده اند؟

حتماً باید چیزی وجود داشته باشد که از چنین فاجعه جهانی جلوگیری می‌کند!

نقش زیست‌محیطی خودپروردها یا تولیدکنندگان

در بوم‌شناسی، خودپروردها یا تولیدکنندگان جاندارانی هستند که می‌توانند یاخته‌های آلی(حاوی کربن) خود را از یاخته‌های غیرآلی (غیر کربنی) بسازند و به‌عنوان تولیدکنندگان اولیه‌ی غذا در زنجیره غذایی عمل می‌کنند، از این رو، نام آن‌ها تولید‌کننده است.

از سوی دیگر، دگردپروردها یا مصرف‌کنندگان نمی‌توانند غذای خود را تولید کنند؛ از این رو، مولکول‌های آلی را با خوردن موجودات دیگر، اعم از تولیدکنندگان یا مصرف‌کنندگان دیگر به دست می‌آورند. در واقع، یک «زنجیره غذایی» ایجاد می‌کنند که در آن یک موجود زنده دیگری را می‌خورد و او نیز موجودی دیگر را می‌خورد و این فرآیند ادامه دارد.

خودپروردها (از ریشه‌ی یونانی autos به معنی «خود» و trophe به معنی «تغذیه») انرژی و مواد مغذی را برای ایجاد مواد آلی از مواد معدنی با روش‌های زیر به دست می‌آورند:

نورپرودها می‌توانند انرژی نور خورشید را از طریق فرآیند فتوسنتز جذب کرده و آن را به انرژی شیمیایی ذخیره شده در یاخته‌هایی مانند گلوکز تبدیل کنند. این گروه از جانداران شامل گیاهان، جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها (جلبک‌های سبز‌آبی) می‌شود. علاوه بر این، گلسنگ‌ها قادر به فتوسنتز هستند؛ با این حال، آنها در واقع جانداران ترکیبی هستند که از یک بخش قارچی (مایکوبیونت) و جلبک سبز یا سیانوباکترها (فتوبیونت) تشکیل شده‌اند که یک رابطه همزیستی سودمند دوجانبه را تشکیل می‌دهند.

شیمی‌خودپروردها، که کمتر متداول هستند، انرژی شیمیایی را از اکسایش مواد معدنی، مانند سولفید هیدروژن (H2S)، گوگرد عنصری (S)، آهن دوظرفیتی(⁺Fe²) و آمونیاک (NH3) به دست می‌آورند و از آن برای تثبیت دی اکسید کربن (CO2) به یاخته‌های آلی مانند قندها، پروتئین‌ها و لیپیدها استفاده می‌کنند. این جانداران معمولاً در محیط‌های نامساعد که گیاهان نمی‌توانند زنده بمانند، یافت می‌شوند، مانند چاه‌های گرمابی در کف اقیانوس که نور به راحتی نمی‌تواند به آن برسد، و در چنین محیط‌هایی به دلیل عدم وابستگی‌شان به منابع خارجی کربن به غیر از دی اکسید کربن، رشد می‌کنند. شیمی‌خودپروردها شامل باکتری‌های تثبیت کننده نیتروژن در خاک، باکتری اکسید کننده‌ی آهن در پهنه‌های گدازه، و باکتری‌های اکسید کننده‌ی گوگرد واقع در چاه‌های حرارتی اعماق دریا هستند.

چگونه انرژی جذب‌شده توسط خودپروردها ذخیره و به سایر موجودات منتقل می‌شود

خودپرودها (تولیدکنندگان) نقش اساسی در پیشبرد فرآیند جذب و ذخیره انرژی در پیوندهای شیمیایی دارند. خودپرودهای فتوسنتزی، مانند گیاهان و انواع خاصی از باکتری‌ها، انرژی نور خورشید را جذب کرده و آن را به انرژی شیمیایی ذخیره شده در پیوندهای شیمیایی یاخته‌های گلوکز تبدیل می‌کنند.

در فرآیند فتوسنتز، انرژی نور خورشید برای ترکیب دی اکسید کربن از هوا و آب از خاک برای تولید گلوکز قند جذب می‌شود و اکسیژن را به عنوان یک محصول جانبی آزاد می‌کند.

 

گلوکز تولید شده توسط فتوسنتز به عنوان یاخته‌ی اصلی ذخیره انرژی در گیاهان عمل می‌کند و می‌تواند بلافاصله برای تامین انرژی از طریق فرآیند تنفس استفاده شود یا برای ذخیره در تمام قسمتهای گیاه به نشاسته تبدیل شود و در صورت نیاز دوباره به گلوکز تبدیل شود.

فرآیند جذب و انتقال انرژی از منبع خارجی (خورشید) و انتقال آن به موجودات دیگر طی مراحل زیر انجام می‌شود:

  1. فتوسنتز – خودپروردهای فتوسنتزی از کلروفیل و سایر رنگدانه‌ها برای جذب نور خورشید استفاده می‌کنند. آنها انرژی نور را جذب می‌کنند و از آن برای تبدیل دی اکسید‌کربن و آب به گلوکز و اکسیژن استفاده می‌کنند. این فرآیند در ساختارهای سلولی تخصصی به نام سبز‌دیسه اتفاق می‌افتد. انرژی نور خورشید برای ترکیب اتم‌های موجود در دی اکسید کربن (CO2) و آب (H2O) برای تشکیل گلوکز (C6H12O6) استفاده می‌شود که طی آن، اکسیژن (O2) به عنوان یک محصول جانبی آزاد می‌شود.

  2. ذخیره انرژی در گلوکز - گلوکز، که یاخته‌ی قندی است، حاوی مقدار قابل توجهی انرژی است که در پیوندهای شیمیایی آن ذخیره می‌شود. این انرژی نتیجه‌ی واکنش‌های وابسته به نور و مستقل از نور است که در طول فتوسنتز رخ می‌دهد. گلوکز تولید شده به عنوان منبع انرژی عمل می‌کند و می‌تواند توسط خود گیاه برای رشد، ترمیم و تولید‌‌مثل استفاده شود و یا توسط سایر جانداران اکوسیستم که از گیاهان تغذیه می‌کنند، استفاده شود.

  3. انتقال انرژی – هنگامی که گیاهخواران یا جانداران دیگر گیاهان را مصرف می‌کنند، انرژی ذخیره شده به شکل گلوکز را به دست می‌آورند. سپس، با تغذیه‌ی گوشتخواران و سایر مصرف‌ کنندگان از گیاهخواران، انرژی به زنجیره‌ی غذایی منتقل می‌شود. این انتقال انرژی از طریق هر سطح پروردگی‌(غذایی) در اکوسیستم ادامه می‌یابد.

شبکه به‌‌هم‌ وابسته‌ی زندگی

به طور خلاصه، انرژی که زندگی را به حرکت در می‌آورد، در ابتدا از منابع خارجی، عمدتاً نور خورشید، گرفته می‌شود و در پیوندهای شیمیایی یاخته‌هایی مانند گلوکز ذخیره می‌شود. خودپروردها یا تولیدکنندگان با تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی از طریق فتوسنتز، نقش مهمی در این فرآیند ایفا می‌کنند. انرژی ذخیره شده از طریق بوم‌سازگان‌ها (اکوسیستم‌‌ها) جریان می‌یابد؛ زیرا موجودات زنده از یکدیگر تغذیه می‌کنند و تعادل و عملکرد حیات روی زمین را حفظ می‌کنند.

فرآیند فتوسنتز نقش مهمی در حفظ حیات روی سیاره‌ی زمین دارد. فتوسنتز فرایندی است که طی آن انرژی خورشیدی از خورشید، که در فاصله 147.5 تا 152 میلیون کیلومتری ما قرار دارد، گرفته می‌شود تا انرژی از دست رفته از حیات‌سپهر ما را دوباره جبران کند. اگر فتوسنتز متوقف شود، به زودی غذا یا سایر مواد آلی کمی روی زمین باقی می‌ماند و بیشتر موجودات غیر از باکتری‌های شیمیایی‌خودپرورد ناپدید می‌‌شوند.

علاوه بر این، فرآیند فتوسنتز سطح اکسیژن و دی اکسید کربن موجود در جو را متوازن نگه می‌دارد؛ که بدون آن جو زمین به سرعت تقریباً فاقد اکسیژن گازی می‌‌شود.

این مطلب چقدر مفید بود؟

4,5 از 5 (2 رای)

بازگشت به وبلاگ

دیدگاه‌ها

افزودن دیدگاه

لطفا 9 و 2 را با هم جمع نمایید.

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید:

مشترک خبرنامه وطن‌بیو شوید!

لطفا جمع 4 و 8 را محاسبه نمایید.