فتوسنتز

فتوسنتز فرایندی زیست شیمیایی است که در آن، انرژی نورانی خورشید توسط گیاهان و برخی از باکتری ها به انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد غذایی آن ها تبدیل می شود. کمابیش همهٔ جانداران روی زمین به آن وابسته اند. در عمل فتوسنتز، اندام هایی مانند برگ که دارای سبزینه هستند، کربن دی اکسید، آب و نور را جذب کرده و به کلروپلاست می رسانند. طی واکنش هایی که درون کلروپلاست انجام می گیرد، این مواد به اکسیژن و کربوهیدرات ها تبدیل می شوند. همهٔ اکسیژن کنونی موجود بر روی زمین، فراوردهٔ فتوسنتز است. برخی از کربوهیدرات های مهم تولیدشده مانند گلوکز، می توانند به دیگر مواد آلی، لیپیدها، نشاسته، سلولز و پروتئین تبدیل شوند که برای تبدیل شدن به پروتئین، نیاز به نیتروژن دارند. ژان باپتیست ون هلمونت، یکی از نخستین آزمایش های مربوط به فتوسنتز را انجام داد.
همهٔ بخش های سبزرنگ گیاه، قادر به انجام عمل فتوسنتز هستند. مادهٔ سبز موجود در گیاهان که سبزینه یا کلروفیل نام دارد، آغازکنندهٔ واکنش های فتوسنتز است. فتوسنتز در اندام هایی که فاقد سبزینه هستند، انجام نمی گیرد. کلروپلاستها که در سلول های سبزینه دار گیاهان وجود دارند، محل استقرار مولکولهای سبزینه می باشند. سلول های برگ، بیشترین مقدار کلروپلاست را دارند و به همین دلیل، اندام اصلی فتوسنتز در گیاهان به شمار می آیند.
قدمت نخستین فتوسنتز به حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش بازمی گردد که در آن واکنش، از هیدروژن و سولفید هیدروژن الکترونی به جای آب استفاده شده است. حدود یک میلیارد سال پیش، آغازیان با سیانوباکتری ها هم زیستی کردند که حاصل آن، به وجود آمدن کلروپلاست در گیاهان امروزی است.
نیاکان آب هایی که به عنوان منبع الکترونها در فرایند فتوسنتز استفاده می شوند، سیانوباکتری های منقرض شده هستند. داده های زمین شناسی نشان می دهد که تاریخ این رویداد به دورهٔ نخست زمین شناسی، میان ۲٫۴۵ تا ۲٫۳۲ میلیارد سال پیش و حتی بسیار بیشتر از آن بازمی گردد.
پژوهشگران دانشگاه تل آویو در سال ۲۰۱۰ کشف کردند که زنبور سرخ آسیایی، با استفاده از رنگدانه های به نام زانتوپترین، نور خورشید را به برق تبدیل می کند. این شواهد علمی نشان داد که جانوران نیز در فتوسنتز درگیرند.
حدود ۳ میلیارد سال پیش، تنها ۰٫۰۴٪ هواکرهٔ زمین را اکسیژن پوشانده بود. هواکرهٔ آن زمان بیشتر از نیتروژن، بخار آب و کربن دی اکسید تشکیل شده بود. جاندارانی که در آن عصر می زیستند، تنها باکتری های بی هوازی بودند. باکتری هایی که بدون نیاز به اکسیژن، مواد آلی را به الکل یا اسید تبدیل می کنند و از این راه، انرژی خود را به دست می آورند. چنین باکتری هایی که در هوا می زیستند، هم اکنون نیز روی زمین فراوانند. حدود ۲٫۵ میلیارد سال پیش، جاندارانی که قادر به انجام عمل فتوسنتز بودند، روی زمین پدیدار شدند و هم زمان با رویداد بزرگ اکسیژنی آغاز به آزادسازی اکسیژن از آب کردند. تقریباً همهٔ اکسیژن هواکرهٔ کنونی، محصول فتوسنتز است. [ ۱]

فُتوسَنْتِز (photosynthesis)
فُتوسَنْتِز
فُتوسَنْتِز
(یا: نورآمایی) فرآیندی که طی آن گیاهان با استفاده از انرژی نور خورشید، دی اکسید کربن و آب را ترکیب می کنند و مواد شیمیایی پرانرژی، مانند گلوکز و سایر کربوهیدرات ها، را می سازند. گلوکز قندی ساده و غذای اصلی گیاهان و جانوران است. برای فتوسنتز، گیاه باید کلروفیل داشته باشد. کلروفیل مادۀ شیمیایی سبز رنگی است که انرژی نور خورشید را جذب می کند. دسترسی به دی اکسید کربن و آب نیز برای فتوسنتز ضروری است. فتوسنتز درون کلروپلاست صورت می گیرد که حاوی آنزیم ها و کلروفیل لازم برای این فرآیند است. کلروپلاست غالباً در یاخته های برگ گیاهان یافت می شود. اکسیژن فرآوردۀ جانبی فتوسنتز است که برای همۀ موجودات زنده اهمیت دارد و در واقع، همۀ اکسیژن اتمسفری از فتوسنتز به دست می آید. گیاهان با فتوسنتز می توانند برخی از مواد غذایی خود را بسازند؛ از این رو تغذیۀ گیاهان با تغذیه جانوران فرق می کند. گلوکز حاصل می تواند به نشاسته تبدیل و ذخیره شود. نشاسته نیز می تواند به گلوکز تجزیه شود و در موقعیتی دیگر، مثلاً در شب، برای گیاه انرژی فراهم کند.ساختار برگ. در روپوست زیرین برگ روزنه هایی وجود دارد (← روزنه) که هر یک با یک جفت یاختۀ نگهبان احاطه شده اند. این یاخته های کلروپلاست دار باز و بسته شدن روزنه ها را کنترل می کنند. لایۀ مرکزی برگ، بین لایه های روپوست، میانبرگ نامیده می شود و همۀ یاخته ها در این بافت دارای کلروپلاست اند. در درون میانبرگ، رگبرگ ها قرار دارند. هر رگبرگ آوند چوبی و آبکش دارد: عناصر آوند چوبی دیواره ای ضخیم برای هدایت آب، و لوله های آبکشی دیوارۀ نازکی برای انتقال مواد غذایی تولید شده در برگ دارند. قسمت اعظم گلوکز ساخته شده بر اثر فتوسنتز در کلروپلاست ها به صورت نشاسته ذخیره می شود. جانوران برای تأمین نیازهای انرژی پایه ای خود از برگ تغذیه می کنند و بنابراین به فرآیند فتوسنتز گیاهان وابسته اند.
رنگیزه های گیاهی. رنگیزه های فتوسنتزی مسئول جذب انرژی نورانی اند. رنگیزۀ اصلی کلروفیل است که نور آبی و قرمز را جذب می کند. سایر رنگیزه ها، مانند کاروتنوئیدها، رنگیزه هایی کمکی اند که پس از جذب انرژی نورانی آن را به کلروفیل منتقل می کنند. حدود ۲میلیارد سال پیش، سیانوباکتری ها با فتوسنتز اکسیژن را در اتمسفر زمین پخش کردند. گیاهان میزان اکسیژن را در سطح فعلی حفظ می کنند.
آب. از کل آب جذب شده از طریق تارهای کشندۀ ریشه که بر اثر جریان تعرقی به برگ ها می رسد، فقط یک درصد به منزلۀ مادۀ خام فتوسنتز به کار می رود. آب متابولیسمی، حاصل از تنفس، منبع دیگری است که در همۀ یاخته های میتوکندری۹ تشکیل می شود. ضرورت دارد که هر برگ بی آن که خشک شود، مقدار کافی از انرژی نورانی و دی اکسید کربن را برای تأمین نیازهای خود به دست آورد. هوای خشک باعث می شود که گیاه تعرق کند و آب را از طریق منافذ موجود در سطح برگ های خود، یعنی روزنه ها، به حالت بخار بیرون بفرستد. وقتی هوا آفتابی و خشک باشد، برگ باید روزنه ها را باز کند تا دی اکسید کربن لازم برای فتوسنتز را بگیرد. اما نیاز به ساختن قند با خطر از دست دادن بیش از حد آب همراه است که این دو باید در نقطه ای به تعادل برسند.
تنفس. تنفس بیرونی در گیاهان گل دار وابسته به شدت نور است. روزها فتوسنتز و تنفس صورت می گیرد. در روز، فتوسنتز اکسیژن لازم برای تنفس، و تنفس دی اکسید کربن لازم برای فتوسنتز را تأمین می کند؛ اما در تاریکی، فقط تنفس صورت می گیرد و اکسیژن لازم از اتمسفر بیرونی تأمین می شود. در روشنایی، میزان فتوسنتز ده تا بیست برابر میزان تنفس است و بنابراین، مقدار فراوانی اکسیژن فراهم می شود. در نور رو به کاهش، میزان فتوسنتز کاهش می یابد و به حدی می رسد که در آن میزان تنفس و فتوسنتز برابر می شود. این حد به نقطۀ جبران معروف است. در نور بسیار کم یا در تاریکی، میزان فتوسنتز کمتر از میزان تنفس است.
اهمیّت فتوسنتز. فتوسنتز فرآیندی بسیار مهم است، زیرا همۀ شکل های حیات در نهایت به آن وابسته اند. این فرآیند یگانه راهی است که با آن انرژی اضافی نور به صورت انرژی شیمیایی مطلوب در زمین ذخیره می شود. به غیر از میتوکندری ها، کلروپلاست ها منبع آدنوزین تری فسفات در یاخته های گیاهی اند. فرآورده های ناشی از تثبیت دی اکسید کربن به صورت مواد متابولیسمی به کار می روند، و به ترکیبات ساختاری و ژنتیکی، مانند کربوهیدرات ، پروتئین، لیپید و اسید نوکلئیک، نیز تبدیل می شوند. به علاوه، آدنوزین تری فسفات و نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید فسفات تولید شده در واکنش های نوری ممکن است به سایر بخش های یاخته انتقال یابند و در واکنش هایی کاملاً متفاوت از واکنش های تثبیت دی اکسید کربن به مصرف برسند.
فرآیند شیمیایی فتوسنتز. واکنش های شیمیایی فتوسنتز در دو مرحله صورت می گیرند. در واکنش نوری، نور خورشید برای شکستن آ‎ب (H۲O) به اکسیژن (O۲) پروتون (هیدروژن، +H)، و الکترون به کار گرفته می شود. اکسیژن به صورت فرآوردۀ جانبی آزاد می شود. در واکنش تاریکی، که در آن وجود نور خورشید ضرورت ندارد، پروتون و الکترون برای تبدیل دی اکسید کربن (CO۲) به کربوهیدرات(Cm (H۲O)n) به کار می رود. بنابراین، کل فرآیند را می توان به این صورت خلاصه کرد:
CO۲ + ۲H۲O→ (Cm (H۲O)n) + H۲O + O۲
فتوسنتز وابسته به توانایی کلروفیل در جذب انرژی نور خورشید و استفاده از آن برای شکستن مولکول های آب است.