فتوسنتز چیست و فرایند آن چگونه انجام می‌شود؟

فتوسنتز چیست؟ فتوسنتز فرآیندی است که در آن انرژی نورانی به انرژی شیمیایی تبدیل شده و سپس از این انرژی شیمیایی بعنوان سوخت فعالیت‌های سلولی استفاده می‌شود. انرژی شیمیایی به‌شکل قندها ذخیره می‌شود که از آب و دی‌اکسیدکربن ساخته می‌شوند.

فتوسنتز چیست؟

در تعریف فتوسنتز چنین آمده که این فرآیند منحصرا در کلروپلاست‌ها و ازطریق رنگدانه‌های فتوسنتزی نظیر کلروفیل a، کلروفیل b، کاروتن و گزانتوفیل رخ می‌دهد. همه گیاهان سبز و چند ارگانیسم اتوتروف دیگر از فتوسنتز استفاده می‌کنند تا مواد غذایی خود را با استفاده از دی‌اکسیدکربن، آب و نور خورشید بسازند. اکسیژن، محصول فرعی فرآیند فتوسنتز است.

فتوسنتز علاوه بر گیاهان سبز درباره ارگانیسم‌های دیگر نیز بکار می‌رود. این ارگانیسم‌ها شامل چندین پروکاریوت ازجمله سیانوباکتری‌ها و باکتری‌های گوگردی سبز و ارغوانی هستند. فتوسنتز در این ارگانیسم‌ها درست مانند گیاهان سبز است.

سپس از گلوکزی که طی فتوسنتز تولید می‌شود بعنوان سوخت فعالیت‌های سلولی گوناگون استفاده می‌شود. محصول فرعی این فرآیند فیزیوشیمیایی، اکسیژن است.

• جلبک‌ها نیز با فتوسنتز انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند. اکسیژن بعنوان محصول فرعی آزاد شده و نور نیز بعنوان فاکتور اصلی برای تکمیل فرآیند فتوسنتز درنظر گرفته می‌شود.
• زمانی‌که گیاهان از انرژی نورانی استفاده می‌کنند تا دی‌اکسیدکربن و آب را به گلوکز و اکسیژن تبدیل کنند فتوسنتز رخ می‌دهد. برگ‌ها اندامک‌های سلولی میکروسکوپی بنام کلروپلاست دارند.
• هر کلروپلاست یک رنگدانه سبزرنگ بنام کلروفیل دارد. مولکول‌های کلروفیل انرژی نورانی را جذب می‌کنند درحالیکه دی‌اکسیدکربن و اکسیژن از طریق منافذ روزنه هوایی موجود در اپیدرمیس برگ‌ها وارد می‌شوند.
• محصول فرعی دیگر فتوسنتز قندهایی نظیر گلوکز و فروکتوز هستند.
• سپس این قندها به ریشه، ساقه، برگ، میوه، گل و دانه‌ها فرستاده می‌شوند. به‌عبارت دیگر گیاهان از این قندها بعنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند تا به رشد آن‌ها کمک ‌کند. سپس مولکول‌های این قندها با یکدیگر ترکیب شده و کربوهیدرات‌های پیچیده‌تر نظیر سلولز و نشاسته را می‌سازند. سلولز یک ماده ساختاری است که در دیواره‌های سلولی گیاهان استفاده می‌شود.

فتوسنتز کجا اتفاق می‌افتد؟

کلروپلاست‌ها محل انجام فتوسنتز در گیاهان و جلبک‌های سبز هستند. همه بخش‌های سبزرنگ گیاه از جمله ساقه‌های سبز، برگ‌های سبز و بخش‌های گل و کاسبرگ کلروپلاست –پلاست‌های سبزرنگ– دارند. این اندامک‌های سلولی فقط در سلول‌های گیاه وجود دارند و درون سلول‌های مزوفیل (میانبرگ) واقع شده‌اند.

عوامل موثر بر فتوسنتز

فرآیند فتوسنتز به چند فاکتور نیاز دارد ازجمله:

• شدت نور. افزایش شدت نور به افزایش سرعت فتوسنتز می‌انجامد. به ‌عبارت دیگر، شدت نور کم به سرعت پایین‌تر فتوسنتز می‌انجامد.
• غلظت CO₂. غلظت بالاتر دی‌اکسیدکربن به افزایش سرعت فتوسنتز کمک می‌کند. معمولا محدوده ۳۰۰ تا ۴۰۰ ppm برای فتوسنتز کافی است.
• دما. برای اجرای موثر فتوسنتز لازم است دما بین ۲۵ تا ۳۵ درجه‌ی سانتی‌گراد باشد.
• آب. از آنجاییکه آب یک فاکتور مهم در فتوسنتز است کمبود آن باعث بروز مشکلاتی در جذب دی‌اکسیدکربن می‌شود. کمبود آب باعث می‌شود تا سلول‌های نگهبان به منظور حفظ مقدار آب ذخیره‌شده داخلی منفذ روزنه را باز نکنند.
• آلودگی. آلاینده‌های صنعتی و ذرات دیگر روی سطح برگ نشسته و ممکن است منفذ روزنه را مسدود کنند که خود باعث می‌شود جذب دی‌اکسیدکربن دشوار شود.

معادله فتوسنتز

واکنش فتوسنتز دو واکنش‌دهنده یعنی آب و دی‌اکسیدکربن دارد. این دو واکنش‌دهنده دو محصول بنام‌های اکسیژن و گلوکز تولید می‌کنند. بنابراین واکنش فتوسنتز بعنوان یک واکنش گرماگیر درنظر گرفته می‌شود. فرمول فتوسنتز در ادامه آمده است:

6CO₂ + 6H₂O —> C₆H₁₂O₆ + 6O₂

باکتری‌های خاصی، برخلاف گیاهان، اکسیژن را بعنوان محصول فرعی فتوسنتز تولید نمی‌کنند. چنین باکتری‌هایی را باکتری‌های فتوسنتزکننده بی‌هوازی (Anoxygenic photosynthetic bacteria) می‌نامند. باکتری‌هایی که اکسیژن را بعنوان محصول فرعی فتوسنتز تولید می‌کنند، باکتری‌های فتوسنتزکننده هوازی (Oxygenic photosynthetic bacteria) می‌نامند.

رنگدانه‌های فتوسنتزی

۴ نوع رنگدانه متفاوت که در برگ‌ها وجود دارند عبارتند از:

1. کلروفیل a
2. کلروفیل b
3. گزانتوفیل‌ها
4. کاروتنوئیدها

ساختمان کلروفیل

کلروفیل یک رنگدانه سبز است که در کلروپلاست‌های سلول گیاهی و در مزوزوم‌های سیانوباکتری‌ها وجود دارد. این رنگدانه سبز گیاه را قادر می‌سازد نور خورشید را جذب کند و نقشی حیاتی در فرآیند فتوسنتز ایفا می‌کند. کلروفیل مخلوطی از کلروفیل a و کلروفیل b است.

علاوه بر گیاهان سبز، ارگانیسم‌های فتوسنتزکننده دیگر انواع گوناگون دیگری از کلروفیل را دارند ازجمله: کلروفیل c1، کلروفیل c2، کلروفیل d و کلروفیل f.

فرآیند فتوسنتز

فتوسنتز در سطح سلولی در اندامک‌های سلولی بنام کلروپلاست انجام می‌شود. این اندامک‌ها یک رنگدانه سبز بنام کلروفیل دارند که رنگ سبز شاخص برگ‌ها نیز بدلیل وجود آن است (مسئول رنگ سبز شاخص برگ‌ها هستند).

همانطور که پیشتر گفته شد فتوسنتز در برگ‌ها و اندامک‌های تخصصی سلول بنام کلروپلاست انجام می‌شود که مسئول این فرآیند هستند. برگ از نظر ساختاری شامل یک دمبرگ، اپیدرمیس و یک پهنک است. از پهنک برای جذب نور خورشید و دی‌اکسیدکربن طی فتوسنتز استفاده می‌شود.

مراحل فتوسنتز:

• حین فرآیند فتوسنتز دی‌اکسیدکربن ازطریق روزنه وارد می‌شود، آب توسط تارهای ریشه‌ای جذب شده و توسط آوندهای چوبی تا برگ‌ها حمل می‌شود. کلروفیل انرژی نورانی خورشید را جذب می‌کند تا مولکول‌های آب را به هیدروژن و اکسیژن بشکند.
• هیدروژن حاصل از شکستن مولکول آب و دی‌اکسیدکربنی که از هوا گرفته شده‌است برای تولید گلوکز استفاده می‌شوند. بعلاوه اکسیژن بعنوان محصول زاید ازطریق برگ‌ها به هوا آزاد می‌شود.
• گلوکز منبع غذایی گیاهان است که انرژی را برای رشد و نمو فراهم می‌آورد درحالیکه بقیه قندها در ریشه‌ها، برگ‌ها و میوه‌ها ذخیره می‌شوند تا بعدا مورد استفاده قرار بگیرند.
• رنگدانه‌ها مولفه‌های سلولی اساسی دیگر در فتوسنتز هستند. این مولکول‌ها باعث ایجاد رنگ می‌شوند، برخی طول‌موج‌های خاص نور را جذب کرده و نور جذب‌نشده را منعکس می‌کنند. همه گیاهان سبز عمدتا کلروفیل a، کلروفیل b و کاروتنوئیدها را دارند که در تیلاکوئیدهای کلروپلاست‌ها حضور دارند. از این رنگدانه‌ها در درجه اول برای به‌دام‌انداختن انرژی نورانی استفاده می‌شود. کلروفیل a رنگدانه اصلی است.

فرآیند فتوستنز در دو مرحله رخ می‌دهد:

• واکنش‌ نوری یا واکنش‌ وابسته به نور
• واکنش تاریکی یا واکنش مستقل از نور

واکنش نوری فتوسنتز یا واکنش وابسته به نور

• فتوسنتز با واکنش نوری شروع می‌شود که فقط درطول روز در حضور نور انجام می‌شود. واکنش نوری گیاهان در غشاهای تیلاکوئیدها در کلروپلاست‌ انجام می‌شود.
• گرانوم‌ها ساختارهای کیسه‌مانند غشایی درون تیلاکوئیدها هستند که نور را جمع‌آوری کرده و فتوسیستم خوانده می‌شوند.
• این فتوسیستم‌ها کمپلکس‌های بزرگی شامل مولکول‌های پروتئینی و رنگدانه‌های موجود در سلول‌های گیاهی دارند و نقش اصلی را در واکنش‌های نوری فتوسنتز ایفا می‌کنند.
• دو نوع فتوسیستم وجود دارد: فتوسیستم I و فتوسیستم II.
• در واکنش‌های نوری فتوسنتز انرژی نورانی به ATP و NADPH تبدیل می‌شود که از این مولکول‌ها در مرحله دوم استفاده می‌شود.
• در واکنش‌های نوری ATP و NADPH با دو زنجیره انتقال الکترون ساخته می‌شوند، آب استفاده شده و اکسیژن تولید می‌شود.
• معادله شیمیایی واکنش نوری فتوسنتز را می‌توان بصورت ذیل خلاصه کرد:

2H₂O + 2NADP+ + 3ADP + 3Pi → O₂ + 2NADPH + 3ATP

واکنش تاریکی فتوسنتز یا واکنش مستقل از نور

• واکنش تاریکی را واکنش تثبیت کربن نیز می‌نامند.
• این واکنش یک فرآیند مستقل از نور است که در آن مولکول‌های قند از مولکول‌های آب و دی‌اکسیدکربن تولید می‌شوند.
• واکنش تاریکی در استرومای کلروپلاست انجام می‌شود و در آن محصولات واکنش نوری یعنی ATP و NADPH مصرف می‌شوند.
• گیاهان دی‌اکسیدکربن را ازطریق روزنه‌ها از اتمسفر گرفته و آن را وارد چرخه فتوسنتزی کالوین می‌کنند.
• در چرخه کالوین (Calvin)، ATP و NADPH که در مرحله نوری حاصل شده‌اند واکنش را به پیش برده و 6 مولکول دی‌اکسیدکربن را به یک مولکول قند یا گلوکز تبدیل می‌کنند.

معادله شیمیایی واکنش تاریکی را می‌توان بدین صورت خلاصه کرد:

3CO₂ + 6 NADPH + 5H₂O + 9ATP → G3P + 2H⁺ + 6 NADP⁺ + 9 ADP + 8 Pi

G3P: گلیسرآلدهید- 3 - فسفات

اهمیت فتوسنتز

• فتوسنتز برای وجود حیات (حیات تمامی موجودات) روی زمین الزامی است. فتوسنتز در زنجیره غذایی نقش حیاتی دارد – گیاهان غذای خود را با این فرآیند می‌سازند و درنتیجه تولیدکنندگان اصلی را تشکیل می‌دهند.
• فتوسنتز همچنین مسئول تولید اکسیژن است – بیشتر ارگانیسم‌ها برای بقای خود نیازمند اکسیژن هستند.