فرایند فتوسنتز چگونه انجام می گردد؟ - وبلاگ پیوست

به گزارش وبلاگ پیوست، فتوسنتز یکی از پیچیده ترین و در عین حال حیاتی ترین فرایندهای زیستی است که در آن گیاهان، جلبک ها، و بعضی باکتری ها از انرژی نور خورشید، دی اکسید کربن و آب برای فراوری گلوکز (یک قند ساده که به عنوان منبع اصلی انرژی برای گیاهان و سایر موجودات زنده عمل می نماید) و اکسیژن استفاده می نمایند. این فرآیند در واقع اساس بسیاری از چرخه های زیستی کره زمین است و بدون آن، حیات به طور کلی غیرممکن می شد. در این مقاله، علاوه بر شرح چگونگی انجام فتوسنتز، به تاریخچه کشف آن، اهمیت آن برای محیط زیست و زندگی انسان ها و حتی کوشش ها برای شبیه سازی آن در شرایط مصنوعی خواهیم پرداخت.

تاریخچه کشف فتوسنتز

کشف فتوسنتز به عنوان یک فرآیند شیمیایی در طبیعت، مسیر طولانی و جالبی داشته است. در قرن هفدهم میلادی، دانشمندان در کوشش بودند تا بفهمند گیاهان چگونه قادر به جذب نور هستند و از این نور چه بهره ای می برند. یکی از اولین آزمایش های مهم در این زمینه به وسیله جوزف پریستلی (Joseph Priestley) انجام شد. او در سال 1771 کشف کرد که گیاهان می توانند هوای آلوده را تمیز نموده و اکسیژن آزاد نمایند. در این آزمایش، او یک شمع را در داخل یک محفظه بسته روشن کرد و سپس یک گیاه را در داخل همان محفظه قرار داد. نتایج نشان داد که گیاه قادر است اکسیژن فراوری کند و به شمع یاری کند که مدت بیشتری بسوزد.

در سال 1779، دانشمند هلندی یان انسلک (Jan Ingenhousz) این فرضیه را تکمیل کرد و نشان داد که فتوسنتز تنها در حضور نور خورشید اتفاق می افتد. او آزمایش هایی را انجام داد و متوجه شد که گیاهان اکسیژن فراوری می نمایند، اما تنها زمانی که در معرض نور قرار دارند و نه در تاریکی. این کشف به طور گسترده ای بر درک اولیه از فتوسنتز تأثیر گذاشت.

در قرن نوزدهم، کشف و شرح دقیق تر فرآیند فتوسنتز به وسیله دانشمندانی مانند توماس انگلتون و سیلاس برتون انجام شد که به طور کامل نشان دادند که این فرآیند از دو مرحله اصلی تشکیل شده است: مرحله نوری و مرحله تاریک.

در اوایل قرن بیستم، کالوی (Calvin) و کلایتن (Clayton) گام های مهمی برداشتند و چرخه کالوین را که در آن دی اکسید کربن به گلوکز تبدیل می گردد، کشف کردند. این فرآیند از آن موقع به عنوان بخش مهمی از فتوسنتز شناخته می گردد و نقش آن در فراوری مواد شیمیایی لازم برای زندگی گیاهان تأسیس شد.

چگونگی انجام فرایند فتوسنتز

فرایند فتوسنتز در واقع از دو مرحله اصلی تشکیل شده است: مرحله نوری (Light Reaction) و مرحله تاریک (Dark Reaction). این مراحل به طور هماهنگ و در بخش های مختلف سلول های گیاهی به نام کلروپلاست انجام می شوند.

1. مرحله نوری (Light Reaction)

مرحله نوری در نواحی غشای داخلی کلروپلاست به نام تیلاکوئیدها انجام می گردد. این مرحله احتیاج به نور خورشید دارد و در آن انرژی نور به وسیله مولکول های رنگدانه ای به نام کلروفیل جذب می گردد. این انرژی باعث می گردد که الکترون های موجود در مولکول های کلروفیل تحریک شده و به سطوح بالاتری از انرژی منتقل شوند. این الکترون ها سپس در زنجیره انتقال الکترون حرکت می نمایند و در نتیجه انرژی لازم برای فراوری مولکول های ATP (آدنوزین تری فسفات) و NADPH (نیکوتینامید آدنین دی نوکلئوتید فسفات) فراوری می گردد.

در این مرحله بعلاوه، مولکول های آب (H₂O) تجزیه می شوند و الکترون ها و پروتون ها آزاد می شوند. این واکنش به نام شکستن آب یا فوتولیز شناخته می گردد. این عمل به فراوری اکسیژن (O₂) منجر می گردد که به عنوان یک محصول جانبی از سلول های گیاهی آزاد شده و به جو وارد می گردد. در نهایت، ATP و NADPH فراوری شده در این مرحله به مرحله بعدی فتوسنتز منتقل می شوند.

2. مرحله تاریک (Dark Reaction) یا چرخه کالوین

مرحله تاریک یا چرخه کالوین در نواحی سیتوپلاسمی کلروپلاست که فاقد تیلاکوئید هستند، رخ می دهد. این مرحله احتیاج به نور ندارد، اما انرژی ATP و NADPH فراوری شده در مرحله نوری را برای تبدیل دی اکسید کربن (CO₂) به گلوکز مصرف می نماید.

در ابتدا، دی اکسید کربن از جو به داخل گیاه جذب می گردد. این دی اکسید کربن با یک مولکول پنج کربنی به نام روبولوز بی فسفات کربنات (RuBP) ترکیب می گردد. این ترکیب به سرعت به دو مولکول سه کربنی تبدیل می گردد که در یک سری واکنش های پیچیده شیمیایی تبدیل به گلوکز می گردد. این فرآیند به وسیله تعدادی واکنش شیمیایی به نام چرخه کالوین انجام می گیرد.

چرخه کالوین بعلاوه از آنزیم های مختلفی استفاده می نماید که به تسهیل تبدیل کربن به مواد شیمیایی ذخیره ای مانند گلوکز یاری می نمایند. در نهایت، این گلوکز برای ذخیره انرژی در گیاه و بعلاوه برای استفاده سایر موجودات زنده (به وسیله مصرف گیاهان) به کار می رود.

اهمیت فتوسنتز

فتوسنتز نه تنها برای فراوری غذا و انرژی در گیاهان لازم است، بلکه برای حیات تمام موجودات زنده به شدت حیاتی است. این فرآیند اکسیژن فراوری می نماید که به عنوان یکی از مهم ترین منابع زندگی برای موجودات زنده (مانند انسان ها و حیوانات) به کار می رود. به علاوه، فتوسنتز به گیاهان این امکان را می دهد که از انرژی نور خورشید برای فراوری مواد غذایی خود استفاده نمایند.

یکی از مهم ترین فواید فتوسنتز در دنیای امروز، تأثیر آن در کاهش گازهای گلخانه ای است. گیاهان در فرآیند فتوسنتز دی اکسید کربن را از جو جذب نموده و آن را به گلوکز تبدیل می نمایند. این عمل باعث می گردد که غلظت دی اکسید کربن در جو کاهش یابد، که می تواند به کاهش تغییرات اقلیمی و گرم شدن کره زمین یاری کند.

علاوه بر این، فتوسنتز به عنوان منبع اصلی انرژی برای زیست بوم ها عمل می نماید. بدون فتوسنتز، هیچ گونه انرژی برای گیاهان، حیوانات و سایر موجودات زنده برای رشد، تکامل و بقا وجود نخواهد داشت.

آیا شبیه سازی فتوسنتز ممکن است؟

شبیه سازی فتوسنتز در آزمایشگاه ها و به وسیله محققان در حال اجرا است. در این راستا، محققان در پی ایجاد سیستم هایی هستند که بتوانند نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل نمایند، مشابه فرآیند فتوسنتز در طبیعت. یکی از روش های مورد توجه در این زمینه، فتوسنتز مصنوعی است که در آن از مواد شیمیایی و نانومواد برای تقلید از فرآیند طبیعی فتوسنتز استفاده می گردد.

فتوسنتز مصنوعی می تواند به عنوان یک روش نوین برای فراوری انرژی تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. محققان امیدوارند با استفاده از این فناوری بتوانند به طور مؤثری انرژی خورشیدی را به انرژی شیمیایی تبدیل نموده و آن را ذخیره نمایند، بدون احتیاج به استفاده از سوخت های فسیلی. این فناوری می تواند به کاهش وابستگی به منابع انرژی غیرقابل تجدید یاری کند و در نهایت به کاهش اثرات منفی تغییرات اقلیمی منجر گردد.

با این حال، شبیه سازی کامل فتوسنتز هنوز در مرحله تحقیقاتی است و نمی توان آن را به طور کامل جایگزین سیستم های طبیعی کرد، اما پیشرفت های قابل توجهی در این زمینه وجود دارد.