אנו מסבירים מהי פוטוסינתזה, מאפייניה, המשוואה והשלבים שלה. כמו כן, מדוע זה חשוב למערכות האקולוגיות בעולם.
מהי פוטוסינתזה?
פוטוסינתזה היא התהליך הביוכימי שבאמצעותו צמחים, אצות ו בַּקטֶרִיָה המרה פוטוסינתטי חומר אנאורגני (פחמן דו חמצני ומים) פנימה חומר אורגני (סוכרים), מנצלים אֵנֶרְגִיָה מגיע מה אוֹר שֶׁמֶשׁ. זהו המנגנון העיקרי של תְזוּנָה מכל ה אורגניזמים אוטוטרופיים שיש להם כלורופיל, שהוא הפיגמנט החיוני לתהליך הפוטוסינתזה.
פוטוסינתזה מהווה את אחד המנגנונים הביוכימיים החשובים ביותר על פני כדור הארץ מכיוון שהיא כרוכה בייצור של חומרים מזינים אורגניים המאחסנים את אנרגיית אור מגיע מ שמש בשונה מולקולות שימושי (פחמימות). למעשה, שמו של תהליך זה מגיע מהקולות היווניים תמונה, "אור ו סִינתֶזָה, "הרכב".
לאחר הפוטוסינתזה, ניתן להשתמש במולקולות האורגניות המסונתזות כמקור של אנרגיה כימית לתמוך בתהליכים חיוניים, כגון נשימה תאית ותגובות אחרות שהן חלק מה- חילוף חומרים של ה יצורים חיים.
לביצוע פוטוסינתזה נדרשת נוכחות של כלורופיל, פיגמנט רגיש לאור השמש, המעניק לצמחים ולאצות את הצבע הירוק האופייני להם. פיגמנט זה נמצא בכלורופלסטים, אברונים תאיים בגדלים שונים האופייניים ל- תאי ירקות, במיוחד תאי העלים (של העלים). כלורופלסטים מכילים קבוצה של חֶלְבּוֹן י אנזימים המאפשרים התפתחות של תגובות מורכבות שהן חלק מתהליך הפוטוסינתזה.
תהליך הפוטוסינתזה חיוני עבור מערכת אקולוגית ועבור ה חַיִים כפי שאנו מכירים אותם, שכן הוא מאפשר יצירה ומחזור של חומר אורגני וקיבוע של חומר לא אורגני. בנוסף, במהלך הפוטוסינתזה החמצנית, נוצר החמצן שרוב היצורים החיים צריכים לייצורם. נְשִׁימָה.
סוגי פוטוסינתזה
ניתן להבחין בין שני סוגים של פוטוסינתזה, בהתאם לחומרים המשמשים את הגוף לביצוע התגובה:
- פוטוסינתזה חמצן. הוא מאופיין בשימוש ב מים (H2O) להפחתת פחמן דו חמצני (CO2) נצרך. בסוג זה של פוטוסינתזה, לא רק שמיוצרים סוכרים שימושיים לגוף, אלא גם חמצן (O2) מתקבל כתוצר של התגובה. צמחים, אצות וציאנובקטריה מבצעים פוטוסינתזה חמצן.
- פוטוסינתזה אנאוקסגנינית. הגוף אינו משתמש במים להפחתת פחמן דו חמצני (CO2), אלא משתמש באור השמש כדי לפרק מולקולות מימן גופרתי (H2S) או גז מימן (H2). סוג זה של פוטוסינתזה אינו מייצר חמצן (O2) ובמקום זאת משחרר גופרית כתוצר של התגובה. פוטוסינתזה לא חמצונית מתבצעת על ידי מה שנקרא חיידקי גופרית ירוקה וסגולה, המכילים פיגמנטים פוטוסינתטיים המקובצים תחת השם בקטריוכלורופילים, השונים מהכלורופיל של הצמחים.
מאפייני פוטוסינתזה
בצמחים ובאצות, הפוטוסינתזה מתרחשת באברונים הנקראים כלורופלסטים.
באופן כללי, פוטוסינתזה מאופיינת על ידי הדברים הבאים:
- זהו תהליך ביוכימי של ניצול אור השמש להשגת תרכובות אורגניות, כלומר סינתזה של חומרים מזינים מיסודות אנאורגניים כמו מים (H2O) ופחמן דו חמצני (CO2).
- זה יכול להתבצע על ידי שונים אורגניזמים אוטוטרופיים, כל עוד יש להם פיגמנטים פוטוסינתטיים (החשוב ביותר הוא כלורופיל). זהו תהליך התזונה של צמחים (יבשתיים ומימיים), אצות, פיטופלנקטון, חיידקים פוטוסינתטיים. כמה מעטים בעלי חיים מסוגלים לבצע פוטוסינתזה, כולל שבלול הים אלזיה כלורוטיקה והסלמנדרה המנוקדת Ambystoma maculatum (האחרון עושה זאת הודות ל- סִימבִּיוֹזָה עם אצה).
- בצמחים ובאצות, הפוטוסינתזה מתרחשת באברונים מיוחדים הנקראים כלורופלסטים, בהם נמצא כלורופיל. לחיידקים פוטוסינתטיים יש גם כלורופיל (או פיגמנטים אנלוגיים אחרים), אך אין להם כלורופלסטים.
- ישנם שני סוגים של פוטוסינתזה, בהתאם לחומר המשמש לקיבוע הפחמן מפחמן דו חמצני (CO2). פוטוסינתזה חמצן משתמשת במים (H2O) ומייצרת חמצן (O2), המשתחרר לסביבה הסובבת. פוטוסינתזה אנאוקסגנינית משתמשת במימן גופרתי (H2S) או בגז מימן (H2), ואינה מייצרת חמצן אלא משחררת גופרית.
- מאז יוון העתיקה, הקשר בין אור השמש לצמחים כבר הונח. עם זאת, ההתקדמות בחקר והבנת הפוטוסינתזה החלה לקבל חשיבות הודות לתרומות של קבוצה רצופה של מדענים מהמאות ה-18, ה-19 וה-20. לדוגמה, הראשון שהדגים את יצירת החמצן בצמחים היה איש הדת האנגלי ג'וזף פריסטלי (1732-1804) והראשון שגיבש את המשוואה הבסיסית של הפוטוסינתזה היה הבוטנאי הגרמני פרדיננד זאקס (1832-1897). מאוחר יותר, ה ביוכימי מלווין קלווין האמריקאי (1911-1997), תרם תרומה עצומה נוספת, והבהיר את מחזור קלווין (אחד משלבי הפוטוסינתזה), אשר זיכה אותו בפרס נובל על כִּימִיָה בשנת 1961.
משוואת פוטוסינתזה
המשוואה הכללית לפוטוסינתזה חמצן היא כדלקמן:
הדרך הנכונה לנסח את המשוואה הזו בצורה כימית, כלומר את המשוואה המאוזנת לתגובה זו, היא כדלקמן:
שלבי פוטוסינתזה
פוטוסינתזה כתהליך כימי מתרחשת בשני שלבים שונים: שלב האור (או האור) ושלב החושך, שנקרא כך מכיוון שרק הראשון מעורב ישירות בנוכחות אור השמש (מה שלא אומר שהשני בהכרח מתרחש בחושך ).
- שלב אור או פוטוכימי. במהלך שלב זה מתרחשות תגובות תלויות אור בתוך הצמח, כלומר הצמח לוכד את אנרגיה סולארית באמצעות כלורופיל ומשתמש בו לייצור ATP ו-NADPH. הכל מתחיל כאשר מולקולת הכלורופיל באה במגע עם קרינת השמש ו אלקטרונים מהקליפות החיצוניות שלו מתרגשות, מה שיוצר שרשרת הובלה של אלקטרונים (בדומה ל- חַשְׁמַל), המשמש לסינתזה של ATP (אדנוזין טריפוספט) ו-NADPH (ניקוטין אדנין דינוקלאוטיד פוספט). פירוק מולקולת מים בתהליך הנקרא "פוטוליזה" מאפשר למולקולת כלורופיל להחזיר את האלקטרון שאבד לה בעת ההתרגשות (דרושה עירור של מספר מולקולות כלורופיל כדי לבצע את שלב האור). כתוצאה מפוטוליזה של שתי מולקולות מים, נוצרת מולקולת חמצן המשתחררת ל אַטמוֹספֵרָה כתוצר לוואי של שלב זה של הפוטוסינתזה.
- במה כהה או סינתטית. בשלב זה, המתרחש במטריקס או בסטרומה של הכלורופלסטים, הצמח משתמש בפחמן דו חמצני ומנצל את המולקולות שנוצרו בשלב הקודם (אנרגיה כימית) כדי לסנתז חומרים חומרים אורגניים דרך מעגל של תגובות כימיות מורכבות ביותר המכונה מחזור קלווין-בנסון. במהלך מחזור זה, ובאמצעות התערבות של אנזימים שונים, שנוצרו בעבר ATP ו-NADPH, גלוקוז מסונתז מפחמן דו חמצני שהצמח לוקח מהאטמוספירה. שילוב של פחמן דו חמצני ב תרכובות אורגני ידוע כקיבוע פחמן.
חשיבות הפוטוסינתזה
פוטוסינתזה היא תהליך חיוני ומרכזי בביוספרה מסיבות רבות. הראשון והברור ביותר הוא שהוא מייצר חמצן (O2), גז חיוני לנשימה הן במים והן במים. אוויר. ללא צמחים, רוב היצורים החיים (כולל בן אדם) הם פשוט לא יכלו לשרוד.
מצד שני, על ידי קליטתו מהסביבה הסובבת, צמחים מתקנים פחמן דו חמצני (CO2), וממירים אותו לחומר אורגני. גז זה, שאנו נושפים כאשר אנו נושמים, עלול להיות רעיל אם הוא לא נשמר בגבולות מסוימים.
מכיוון שצמחים משתמשים בפחמן דו חמצני כדי ליצור בעצמם מזון, הירידה בחיי הצומח על הפלנטה משפיעה על עליית הגז הזה באטמוספירה, שם הוא מתפקד כסוכן של התחממות גלובלית. לדוגמה, CO2 פועל כגז של אפקט החממה, מניעת עודף חוֹם שמגיע ל כדור הארץ מקרין מתוך האטמוספירה. ההערכה היא שבכל שנה אורגניזמים פוטוסינתטיים מקבעים כחומרים אורגניים כ-100,000 מיליון טונות של פחמן.