فتوسنتز چیست؟ مراحل و فرایند فتوسنتز

فتوسنتز فرآیندی است که در آن، گیاهان، جلبک‌ها و بعضی از باکتری‌ها می‌توانند به‌کمک نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن را به مواد آلی و اکسیژن تبدیل کنند. واژه فتو به معنای نور و واژه سنتز به معنای ساختن است. فتوسنتز پایه زندگی روی زمین است و فرایند فتوسنتز به شکل‌گیری و تداوم حیات روی کره زمین کمک می‌کند.

به‌کمک فرآیند فتوسنتز، امکان ساخت قند در گیاهان (گلوکز) جهت ذخیره انرژی و آزادسازی اکسیژن برای تنفس موجودات زنده فراهم می‌شود. مراحل غذاسازی در گیاهان شامل دو بخش است؛ واکنش‌های نوری که به نور خورشید نیاز دارند و واکنش‌های تاریکی یا چرخه کالوین که بدون نور انجام می‌شوند. در ادامه از این مقاله سایت مدرسه سلام، تمام نکات لازم برای شناخت این فرایند مهم را با شما درمیان می‌گذاریم.

چرخه فتوسنتز به زبان ساده

فتوسنتز شبیه یک کارخانه تولید غذا در گیاهان است. مواد اولیه این کارخانه آب، نور خورشید و دی‌اکسید کربن هستند. محصول نهایی کارخانه هم قند و اکسیژن‌ است. در طول این فرایند، آب از راه ریشه‌‌ها و دی‌اکسید کربن از طریق روزنه‌های روی برگ گیاه جذب می‌شوند. در نهایت گیاهان به‌کمک نور خورشید، غذای مورد نیازشان را می‌سازند.

برگ گیاهان ماده‌ای به‌ نام کلروفیل دارد که می‌تواند نور خورشید را جذب کند. انرژی نور خورشید در مراحل فتوسنتز باعث می‌شود که گیاه قند (گلوکز) تولید کند. گلوکز منبع انرژی گیاهان برای رشد و فعالیت‌های مختلف است. علاوه بر این، طی این فرایند، اکسیژن تولید شده توسط گیاهان وارد جریان هوا می‌شود.

اگر می‌خواهید درباره‌ سایر قسمت های گیاه مانند آوند نیز اطلاعات کسب کنید، آموزش آوند چیست؟ را مطالعه کنید.

محل انجام فتوسنتز در گیاهان

برای درک بهتر فرایند فتوسنتز، باید با بخش‌های مختلف برگ که محل انجام این واکنش‌ها هستند، آشنا شوید.

بیشتر فرایند غذاسازی گیاهان در برگ گیاهان انجام می‌شود. برگ‌ها سطح وسیع‌تری نسبت به بخش‌های دیگر گیاه دارند و بیشتر در معرض نور خورشید قرار می‌گیرند. برای همین است که برگ‌ها بهترین گزینه برای فتوسنتز در گیاهان هستند.

داخل هر برگ، بافتی به نام مزوفیل وجود دارد که از سلول‌های پارانشیمی تشکیل شده است. این بافت به دو نوع مزوفیل ستونی و مزوفیل اسفنجی تقسیم می‌شود. سلول‌های مزوفیل بیشترین تعداد کلروپلاست را در خود جای می‌دهند و طوری ساخته شده‌اند که آب، دی‌اکسید کربن و نور به‌راحتی در دسترس‌شان باشد.

کلروپلاست چیست؟

کلروپلاست نوعی اندامک در سلول‌های گیاهی و بعضی از جلبک‌ها است که فتوسنتز در آن انجام می‌شود. در این اندامک رنگدانه سبز کلروفیل وجود دارد که توانایی جذب نور خورشید را دارد.

برای درک بهتر اینکه این اندامک در چه محیطی فعالیت می‌کند و درباره تعریف، انواع و عملکرد سلول‌ها، پیشنهاد می‌کنیم مقاله جامع ما سلول چیست و چه ساختاری دارد؟ را مطالعه کنید.

ساختار کلروپلاست

کلروپلاست ساختار پیچیده‌ای دارد و از بخش‌های مختلفی تشکیل می‌شود. این بخش‌ها شامل موارد زیر هستند:

• گرانا
• استروما
• تیلاکوئید
• غشای داخلی
• غشای خارجی
• فضای بین دو غشا

بخش‌های کلروپلاست	شرح و توضیح
گرانا	ستون‌هایی از تیلاکوئیدهای روی‌هم‌چیده، محل اصلی جذب نور.
استروما	مایع ژلاتینی حاوی آنزیم‌ها، DNA و ریبوزوم‌ها.
تیلاکوئید	کیسه‌های غشایی محل انجام واکنش‌های نوری فتوسنتز.
غشای داخلی	غشای انتخاب‌پذیر که ورود و خروج مواد را تنظیم می‌کند.
غشای خارجی	غشای نفوذپذیر که کلروپلاست را از سیتوپلاسم جدا می‌کند.
فضای بین دو غشا	فاصله میان دو غشا با نقش حفاظتی و انتقالی.

نقش هر بخش کلروپلاست در فتوسنتز

هر بخش از کلروپلاست نقشی مشخص در فرایند فتوسنتز ایفا می‌کند. در ادامه مهم‌ترین بخش‌های موثر در این فرایند را معرفی می‌کنیم:

• استروما: محل چرخه کالوین.
• غشای تیلاکوئید: محل واکنش‌های نوری.
• گرانا: تجمع تیلاکوئیدها برای افزایش سطح جذب نور.

آیا فتوسنتز فقط در گیاهان انجام می‌شود؟

شاید برایتان سوال باشد که فرایند فتوسنتز فقط مخصوص گیاهان است یا موجودات دیگری هم امکان انجام آن را دارند. برای پاسخ به این موضوع باید بگوییم که علاوه‌بر گیاهان، جلبک‌ها و بعضی از باکتری‌ها هم می‌توانند فتوسنتز کنند. بنابراین علاوه بر گیاهان جلبک‌ها نیز نقش مهمی در فتوسنتز و تولید اکسیژن ایفا می‌کنند.

یادتان باشد که بعضی از باکتری‌ها فتوسنتز می‌کنند، اما شاید در این فرایند، اکسیژنی تولید نکنند. این را هم بدانید که همه موجودات فتوسنتزکننده از آب و کلروفیل برای انجام فتوسنتزاستفاده نمی‌کنند و بعضی از باکتری‌ها رنگدانه‌ای مشابه کلروفیل به نام باکتریوکلروفیل دارند.

در این نوع فتوسنتز، به‌جای آب از مواد دیگری نظیر سولفید هیدروژن استفاده می‌شود؛ در نتیجه، اکسیژنی تولید نمی‌شود و به آن فتوسنتز غیراکسیژنی می‌گویند.

مواد اولیه و محصولات فتوسنتز چیست؟

در معادله فتوسنتز مواد اولیه مختلفی به‌کار گرفته می‌شوند که شامل این‌ موارد هستند:

• آب
• نور خورشید
• دی‌اکسید کربن

محصولاتی که در نهایت به‌دست می‌آیند هم به‌صورت زیر هستند:

• قند (گلوکز)
• اکسیژن

این نکته را به‌خاطر بسپارید که محصول مستقیم چرخه کالوین لزوما «گلوکز آماده» نیست؛ ابتدا ترکیبات سه‌کربنه مانند G3P ساخته می‌شوند و در ادامه، به گلوکز و سایر مواد آلی تبدیل می‌شوند. اکسیژن عمدتا از شکستن مولکول آب در مرحله تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی به وجود می‌آید.

معادله فتوسنتز چیست؟

معادله کلی، ساده و خلاصه‌شده فتوسنتز به‌شرح زیر است:

6CO₂​ + 6H₂​O +نور⟶ C₆​H₁₂​O₆ ​+ 6O₂​

در معادله فتوسنتز، شش مولکول دی‌اکسیدکربن و شش مولکول آب با استفاده از انرژی نور خورشید، به یک مولکول گلوکز و شش مولکول اکسیژن تبدیل می‌شوند. باید بدانید که جزئیات بیوشیمیایی گیاهان پیچیده‌تر از این معادله کلی است و قندهای نهایی، طی واکنش‌های میانی (مانند تولید G3P) حاصل می‌شوند.

مراحل فتوسنتز

فتوسنتز طی دو مرحله اصلی و وابسته به یکدیگر در کلروپلاست انجام می‌شود:

• مرحله اول: تبدیل انرژی نورانی به انرژی شیمیایی (ATP و NADPH).
• مرحله دوم: استفاده از انرژی شیمیایی برای تثبیت کربن و ساخت مواد آلی

در ادامه، هر یک ازمراحل فتوسنتز را دقیق‌تر شرح می‌دهیم.

مرحله اول: واکنش‌های وابسته به نور

این بخش از فتوسنتز در غشای تیلاکوئید انجام می‌شود و مستقیما به نور خورشید وابسته است. در طی این گام، انرژی شیمیایی لازم برای مرحله بعد تولید می‌شود.

در طول مرحله اول اتفاقات زیر رخ می‌دهند:

• کلروفیل نور را جذب می‌کند.
• انرژی نور باعث شکسته‌شدن مولکول‌های آب (فتولیز آب) می‌شود.
• اکسیژن به عنوان فرآورده جانبی آزاد می‌شود و بعد مولکول‌های پرانرژی ATP و NADPH به‌وجود می‌آیند.

مرحله دوم: واکنش‌های مستقل از نور یا چرخه کالوین

مرحله دوم در بخش استروما انجام می‌شود و مانند مرحله قبل به نور خورشید وابسته نیست. البته برای انجام شدن به محصولات مرحله قبل یعنی ATP و NADPH نیاز دارد. در مرحله دوم مواد آلی ساخته می‌شوند.

اتفاقات چرخه کالوین شامل موارد زیر است:

• دی‌اکسیدکربن تثبیت می‌شود.
• ترکیبات آلی سه‌کربنه مانند G3P ساخته می‌شوند.
• از G3P در نهایت برای ساخت گلوکز و سایر کربوهیدرات‌ها استفاده می‌شود.

تفاوت واکنش نوری و واکنش تاریکی چیست؟

واکنش‌ نوری انرژی مورد نیاز فرایند فتوسنتز را تولید می‌کند و چرخه کالوین یا واکنش تاریکی از این انرژی، برای ساخت گلوکز بهره می‌برد.

ویژگی	واکنش نوری (Light Reactions)	واکنش تاریکی / چرخه کالوین (Calvin Cycle)
نیاز به نور	به نور خورشید وابسته است	مستقیما به نور وابسته نیست
محل انجام	غشای تیلاکوئید در کلروپلاست	استروما در کلروپلاست
هدف اصلی	تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی	استفاده از انرژی شیمیایی برای ساخت مواد آلی
مواد ورودی	نور خورشید، آب (H₂O)، NADP⁺، ADP	دی‌اکسید کربن (CO₂)، ATP، NADPH
محصولات	ATP، NADPH و اکسیژن (O₂)	ترکیبات سه‌کربنه مثل G3P که بعدها به گلوکز تبدیل می‌شوند
نوع فرایند مهم	فتولیز آب و انتقال الکترون	تثبیت کربن و تولید ترکیبات آلی
نقش در فتوسنتز	تامین انرژی و قدرت کاهشی برای مرحله بعد	تولید قندها و مواد آلی برای گیاه

فواید فتوسنتز چیست؟

فتوسنتز گیاهان فایده‌های زیادی برای کره زمین دارد. در واقع، بخش مهمی از تداوم حیات در این دنیا به این فرآیند وابسته است. از مهم‌ترین فواید فتوسنتز باید به موارد زیر اشاره کنیم.

• تولید اکسیژن مورد نیاز زندگی
• پایه زنجیره غذایی
• کاهش دی‌اکسید کربن و کمک به تعادل اقلیم
• تامین انرژی و مواد غذایی برای خود گیاه
• کمک به پاکسازی هوا و پایداری محیط زیست
• اهمیت فتوسنتز برای انسان‌ها

۱.تولید اکسیژن مورد نیاز زندگی

بخش بزرگ و مهمی از اکسیژن موجود در جو، به‌واسطه فتوسنتز گیاهان تولید می‌شود. از جمله موجوداتی که به‌هنگام فتوسنتز، اکسیژن آزاد می‌کنند، باید به موارد زیر اشاره کنیم:

• گیاهان
• فیتوپلانکتون‌های دریایی

این را هم به‌خاطر بسپارید که بخش مهمی از اکسیژن موجود در سطح زمین از سوی فیتوپلانکتون‌های موجود در اقیانوس‌ها تولید می‌شود. اگر فتوسنتز در گیاهان وجود نداشته باشد، خبری از اکسیژن کافی برای تنفس موجودات زنده هم نخواهد بود. در واقع، زندگی به‌شکل کنونی آن، اصلا امکان‌پذیر نیست.

۲.پایه زنجیره غذایی

گیاهان تولیدکننده اولیه هستند و تنها موجوداتی هستند که می‌توانند غذای خود را بسازند. آن‌ها به‌کمک نور خورشید، غذای لازم برای خود را تهیه می‌کنند و انرژی ذخیره‌شده‌شان را به علف‌خواران و بعد هم به گوشت‌خواران انتقال می‌دهند. پس انرژی خورشید از راه غذا سازی گیاهان وارد زنجیره غذایی موجودات روی زمین می‌شود. اگر فتوسنتز نباشد، تمام زنجیره غذایی از بین می‌رود.

اگر می‌خواهید درباره زنجیره غذایی و شبکه‌ی غذایی بیشتر بدانید، حتما مقاله زنجیره غذایی چیست؟ را مطالعه کنید.

۳.کاهش دی‌اکسید کربن و کمک به تعادل اقلیم

در طول فرایند فتوسنتز، گیاهان دی‌اکسید کربن (CO₂) را از جو دریافت می‌کنند. این موضوع نقش مهمی در چرخه کربن دارد. با جذب دی‌اکسید کربن توسط گیاهان، از مقدار آن در جو کم می‌شود و در نتیجه، اثرات گازهای گلخانه‌ای کاهش پیدا می‌کند. برای همین است که وجود جنگل‌ها و درختان برای کاهش گرم شدن کره زمین و تعادل اقلیم اهمیت زیادی دارد.

۴.تامین انرژی و مواد غذایی برای خود گیاه

گیاهان انرژی خود را از گلوکز حاصل از فتوسنتز تهیه می‌کنند. این ماده منبع اصلی تامین انرژی آن‌ها است و در موارد زیر کاربرد پیدا می‌کند:

• رشد گیاهان
• ساخت میوه‌ها و بذرها
• ترمیم بخش‌های آسیب‌دیده
• تولید سلولز برای محکم‌کردن دیواره سلولی
• ذخیره در قالب نشاسته برای استفاده در آینده

همان‌طور که می‌بینید، فتوسنتز فقط برای موجودات دیگر کره زمین ضروری نیست، بلکه خود گیاهان هم به آن وابسته‌ هستند.

۵.کمک به پاکسازی هوا و پایداری محیط زیست

گیاهان دی‌اکسید کربن را جذب و اکسیژن را به جو منتقل می‌کنند. گسترش فضای سبز در محیط زندگی، تاثیر مستقیمی بر بهبود کیفیت هوا دارد. درختانی که در پارک‌ها، معابر و نقاط مختلف شهرها کاشته می‌شوند، با جذب گازهای آلاینده و آزادسازی اکسیژن به جو، نقش به‌سزایی در تصفیه و پاک‌سازی هوای محیط ایفا می‌کنند.

۶.اهمیت فتوسنتز برای انسان

فتوسنتز نقشی مهم در زندگی انسان‌ها نیز دارد. برای درک این موضوع، به اهمیت و فواید فتوسنتز در موارد زیر، به‌خوبی دقت کنید:

• تامین غذا: تمام محصولات گیاهی (گندم، برنج و میوه‌ها) نتیجه فتوسنتز هستند. حتی محصولات گوشتی هم به‌طور غیرمستقیم حاصل همین فرآیند هستند.
• تامین اکسیژن: اکسیژنی که ما و تمام موجودات کره زمین تنفس می‌کنیم، در اثر فرآیند فتوسنتز تولید می‌شود.
• نقش در کشاورزی: فتوسنتز در کشاورزی هم نقش مهمی دارد. رشد محصولات کشاورزی به فتوسنتز وابسته است و در شرایطی که نور، آب و تغذیه محصولات بهتر باشد،‌ فتوسنتز هم موثرتر انجام می‌شود. بنابراین، محصولات کشاورزی بیشتری هم به‌عمل می‌آیند.
• نقش در منابع انرژی زیستی: بعضی از انواع سوخت مانند چوب، سوخت‌های زیستی و اتانول گیاهی از گیاهان به‌دست می‌آیند. گیاهان هم با فتوسنتز رشد می‌کنند. پس نقش این فرایند در تامین انرژی نیز بسیار مهم است.

عوامل موثر بر فتوسنتز

فرایند فتوسنتز در گیاهان تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد. هریک از عوامل موثر بر فتوسنتز روی توان و سرعت واکنش‌های آن اثر می‌گذارند. در ادامه، نگاهی به مجموعه‌ای از عوامل مهم در این فرایند خواهیم داشت.

شدت نور

هرچقدر شدت نور بیشتر باشد، انرژی لازم برای واکنش‌های نوری فتوسنتز افزایش پیدا می‌کند. همچنین سرعت انجام فرایند هم بیشتر می‌شود. این افزایش تا نقطه‌ای ادامه دارد که به نقطه اشباع نور برسد. بعد از این نقطه، افزایش شدت نور تاثیر چندانی بر سرعت فتوسنتز نخواهد داشت.

نور بسیار زیاد (نور شدید خورشید یا نور ماورای بنفش) می‌تواند باعث آسیب به کلروپلاست‌ها و کاهش کارایی فتوسنتز شود.

غلظت دی‌اکسید کربن

افزایش دی‌اکسید کربن تا یک اندازه مشخص، سرعت فتوسنتز را بالا می‌برد، چون یکی از مواد اولیه اصلی برای انجام فرایند فتوسنتز است. بعد از رسیدن به نقطه اشباع، افزایش دی‌اکسید کربن دیگر اثرگذار نخواهد بود و حتی می‌تواند محدودکننده شود.

دما

فعالیت آنزیم‌هایی مانند روبیسکو که در ساخت مواد غذایی در گیاهان نقش دارند، وابسته به دما است. گیاهان مختلف بازه‌های دمایی بهینه متفاوتی برای انجام فتوسنتز دارند (مثلا بسیاری از گیاهان C3 فقط می‌توانند در دمای ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتی‌گراد فتوسنتز انجام دهند.

به نکات زیر نیز حتما دقت کنید:

• دمای پایین فعالیت آنزیم‌ها را کاهش می‌دهد و فرایند فتوسنتز را کند می‌کند.
• دمای بالا باعث تخریب آنزیم‌ها، بسته‌شدن روزنه‌ها و کاهش ورود دی‌اکسید کربن به گیاه می‌شود.

آب

آب به‌عنوان ماده اولیه واکنش‌های نوری، نقش مهمی در باز نگه‌داشتن روزنه‌های گیاه دارد. در شرایط کمبود آب، گیاه برای جلوگیری از تبخیر و هدررفت رطوبت، روزنه‌های خود را می‌بندد؛ این واکنش اگرچه تنش آبی را کاهش می‌دهد، اما با محدود کردن ورود دی‌اکسید کربن، منجر به کاهش سرعت فتوسنتز و افت سلامت و رشد کلی گیاه می‌شود.

کیفیت نور و طول موج

در فرایند فتوسنتز، نور با طول موج‌های مختلف توسط گیاهان جذب می‌شود. اما نورهای آبی (حدود ۴۵۰ نانومتر) و قرمز (حدود ۶۸۰ نانومتر) بیشترین تاثیر را روی فرایند فتوسنتز دارند. یادتان باشد که نور سبز کمتر جذب می‌شود و چون گیاهان سبز هستند، بیشتر بازتاب پیدا می‌کند. همچنین اگر کیفیت نور تغییر کند، سرعت و کارایی ساخت قند در گیاهان هم تغییر می‌کند و ثابت نمی‌ماند.

میزان کلروفیل و سلامت برگ

برای ساخت کلروفیل و فعالیت آنزیم‌ها در گیاهان به عناصر غذایی مختلفی نیاز است:

• نیتروژن
• منیزیم
• منگنز
• آهن

اگر این عناصر به اندازه کافی وجود نداشته باشند، تولید کلروفیل کاهش پیدا می‌کند. این موضوع منجر به کاهش جذب نور و سرعت فتوسنتز می‌شود. علاوه‌بر این‌ موارد، بیماری‌ها و آفات و حتی آسیب‌های فیزیکی به برگ‌ها نیز می‌توانند عملکرد فتوسنتز را با مشکل رو‌به‌رو کنند.

آلودگی هوا و شرایط محیطی

نشستن گردوغبار و ذرات آلاینده بر سطح برگ، با مسدود کردن روزنه‌ها مانع از تبادل بهینه گازها می‌شود. علاوه بر این، آلودگی‌ها از طریق محدود کردن نفوذ نور به بافت‌های داخلی و گاهی با تخریب مستقیم ساختار سلولی، فتوسنتز را به‌شدت کاهش می‌دهند. باد شدید یا خاک نامساعد هم شرایط محیطی نامناسبی‌اند که به‌طور غیرمستقیم باعث کاهش ساخت قند در گیاهان می‌شوند.

انواع فتوسنتز در گیاهان

گیاهان براساس شرایط محیطی خود، سه نوع روش اصلی برای تولید غذا دارند. هرکدام از این روش‌ها به گیاهان کمک می‌کند تا انرژی خورشید را بهینه‌تر مصرف کنند و با شرایط محیط سازگارتر شوند. در ادامه این سه روش را به‌طور جداگانه بررسی می‌کنیم.

گیاهان C3

رایج‌ترین نوع فتوسنتز میان گیاهان C3 است.در فرایند فتوسنتزِ این گیاهان، ابتدا یک ماده سه‌کربنه تولید می‌شود. این نوع فتوسنتز برای گیاهانی که در شرایط آب‌وهوایی معمولی و معتدل رشد می‌کنند، بهترین عملکرد را دارد. منظور از شرایط معمولی دمای متعادل و رطوبت مناسب است. بیشتر گیاهان مانند جو، گندم یا برنج این نوع فتوسنتز را انجام می‌دهند.

گیاهان C4

این نوع فتوسنتز برای شرایطی است که نورخورشید شدید و دمای هوا بالا است. در چنین شرایطی، آنزیم روبیسکو تمایل بیشتری به واکنش با اکسیژن پیدا می‌کند و فتوتنفس افزایش می‌یابد. گیاهان C4 با یک مکانیسم ویژه ابتدا CO₂ را در سلول‌های مزوفیل به یک ترکیب چهارکربنه تبدیل می‌کنند و سپس آن را به سلول‌های اطراف آوند منتقل می‌کنند تا غلظت CO₂​ در محل روبیسکو بالا بماند و فتوتنفس به حداقل برسد. ذرت، نیشکر و سورگوم از گیاهان C4 هستند.

گیاهان CAM

روش فتوسنتز CAM مناسب مناطق خشک است. گیاهانی مانند کاکتوس و آگاو برای جلوگیری از اتلاف آب، روزنه‌هایشان را در روز می‌بندند و در شب باز می‌کنند. در این حالت، CO₂ در طول شب جذب و ذخیره می‌شود و در طول روز برای انجام فتوسنتز استفاده می‌شود. این سازوکار در واقع نوعی تکامل برای کاهش فتوتنفس و حفظ آب به‌طور همزمان است.

تفاوت انواع فتوسنتز

اگرچه هدف نهایی در تمامی روش‌های فتوسنتز تولید گلوکز از انرژی نورانی است، اما سازوکار انجام این فرایند و زمان جذب دی‌اکسید کربن، متناسب با زیستگاه گیاه متفاوت است. به‌طور کلی تفاوت انواع فتوسنتز عبارت است از:

• C3: مناسب برای شرایط اقلیمی متعادل و معمولی.
• C4: بهینه برای محیط‌های با دما و شدت نور بالا.
• CAM: سازگار با شرایط بیابانی، خشکی و کم‌آبی شدید.

نقش کلروفیل و سایر رنگدانه‌ها در فتوسنتز

رنگدانه‌ها مولکول‌هایی هستند که توانایی جذب طول موج مشخصی از نور خورشید را دارند. در واقع، نقش آن‌ها در گیاهان مانند آنتن‌های گیرنده است و انرژی خورشید را برای شروع فرایند فتوسنتز جذب می‌کنند.

کلروفیل‌ اصلی‌ترین رنگدانه فتوسنتز در گیاهان است و دو نوع اصلی دارد:

• کلروفیل a (رنگدانه اصلی): وظیفه کلروفیل a تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی در مرکز واکنش نوری است.
• کلروفیل b (رنگدانه کمکی): این رنگدانه طول‌موج‌هایی را که کلروفیل a نمی‌تواند جذب کند، دریافت کرده و انرژی آن‌ها را به کلروفیل a منتقل می‌کند.

رنگدانه‌های کمکی (کاروتنوئیدها) هم در کلروپلاست وجود دارند که دو وظیفه مهم بر عهده آن‌ها است:

• طول‌موج‌های نوری را جذب می‌کنند که کلروفیل نمی‌تواند جذب کند و آن را به سیستم فتوسنتزی می‌رسانند.
• این رنگدانه‌ها مانند سد دفاعی برای گیاه عمل می‌کنند؛ آن‌ها با جذب انرژی مازاد نور و دفع آن به صورت گرما، از آسیب به ساختار کلروفیل و بافت‌های گیاه جلوگیری می‌کنند.

فتوتنفس چیست و چرا مهم است؟

فتوتنفس فرآیندی است که در آن، آنزیم روبیسکو به‌جای اتصال به CO₂​، با اکسیژن واکنش می‌دهد. اگرچه روبیسکو به‌طور معمول CO₂​ را در چرخه کالوین تثبیت می‌کند، اما گاهی اکسیژن را به‌اشتباه به‌عنوان پیش‌ماده (سوبسترا) انتخاب می‌کند. حاصل این واکنش، ترکیبی به نام فسفوگلیکولات است که برای گیاه به‌طور مستقیم قابل استفاده نیست؛ بنابراین، گیاه مجبور است با صرف انرژی این ترکیب را بازیافت کند.

در نتیجه این موضوع اتفاق‌های زیر رخ می‌دهند:

• ترکیبات ناکارآمد برای گیاه تولید می‌شوند.
• گیاه برای تبدیل این ترکیبات به مواد قابل استفاده، انرژی مصرف می‌کند.

نتیجه کلی تمام این موارد آن است که کارایی فتوسنتز کاهش می‌یابد.

تاریخچه کشف فتوسنتز

دانشمندان زیادی در طی قرن‌های مختلف، شناخت ما را از فرایند فتوسنتز کامل کرده‌اند. از جمله دانشمندانی که در این زمینه نقش داشته‌اند، باید به موارد زیر اشاره کنیم:

• ون‌هلمونت: از نخستین دانشمندانی که دریافت افزایش جرم گیاه، صرفا حاصل استفاده از خاک نیست و آب نیز نقش کلیدی در رشد آن دارد.
• پریستلی: پریستلی با بررسی این موضوع که گیاهان به تصفیه هوا کمک می‌کنند؛ در درک نقش گیاهان برای تولید اکسیژن به ما کمک بسیاری کرده است.
• اینگنهاوس: او کشف کرد که تولید اکسیژن توسط گیاهان تنها در حضور نور خورشید رخ می‌دهد. یافته‌های او ثابت کرد که فرآیند فتوسنتز به وجود نور و بخش‌های سبزرنگ گیاه (حاوی کلروفیل) وابسته است.
• یولیوس ساکس: او در قرن نوزدهم متوجه شد، گیاهان مواد آلی مانند نشاسته تولید می‌کنند و این فرایند در کلروپلاست سلول‌های گیاهی رخ می‌دهد.

در آخر

فتوسنتز یک واکنش شیمیایی ساده، اما ستون حیات بر روی کره زمین است. در این مقاله آموختیم که چگونه گیاهان با استفاده از سیستم‌های پیچیده‌ای نظیر کلروپلاست‌ها و رنگدانه‌های کمکی، انرژی خورشید را به پیوندهای شیمیایی در گلوکز تبدیل می‌کنند. تفاوت در مسیرهای فتوسنتزی (C3، C4 و CAM) نشان‌دهنده‌ی تکامل شگفت‌انگیز گیاهان برای بقا در اقلیم‌های گوناگون و مقابله با چالش‌هایی نظیر «فتوتنفس» است. در نهایت، هر دم و بازدم ما و جریانی که در زنجیره‌های غذایی وجود دارد، حاصل فعالیت گیاهان این کارخانه‌های سبز کوچک است. درک این فرآیند، اهمیت حفاظت از پوشش گیاهی را برای آینده سیاره زمین بیش از پیش روشن می‌سازد.