فتوسنتز فرآیندی است که توسط گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها برای تبدیل نور خورشید به انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از نظر شیمیایی، این فرآیند دی‌اکسید کربن (CO2) و آب را به غذا (قند) و اکسیژن تبدیل می‌کند.
این واکنش شیمیایی اغلب متکی به رنگدانه‌ای به نام کلروفیل است که به گیاهان رنگ سبز می‌دهد. فتوسنتز همچنین دلیلی است که نشان می‌دهد سیاره ما در جوّی غنی از اکسیژن پوشیده شده است.
انواع فرآیندهای فتوسنتزی
به گزارش ایتنا و به نقل از لایوساینس، دو نوع فتوسنتز وجود دارد: اکسیژن‌دار و بی‌اکسیژن. اما هر دوی اینها از اصول بسیار مشابهی پیروی می‌کنند، هرچند که اولی رایج‌تر است و در گیاهان، جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها دیده می‌شود.
در طول فتوسنتز اکسیژنی، انرژی نور، الکترون‌های آب (H2O) را که توسط ریشه‌های گیاه گرفته شده به دی‌اکسید کربن منتقل می‌کند تا کربوهیدرات تولید کند. در این انتقال، دی‌اکسید کربن الکترون دریافت می‌کند یا اصطلاحاً «احیا می‌شود»، و آب یا الکترون را از دست می‌دهد یا «اکسید می‌شود». همراه با کربوهیدرات‌ها، اکسیژن هم تولید می‌گردد.
این فرآیند، در زمین تعادلی ایجاد می‌کند که به سبب آن، دی‌اکسید کربن تولیدشده توسط ارگانیسم‌های تنفسی هنگام مصرف اکسیژن در حین تنفس گیاهان، جلبک‌ها و باکتری‌ها دوباره به اکسیژن تبدیل می‌شود.
به گفته دانشمندان، در عین حال فتوسنتز بی‌اکسیژن، از اهداکنندگان الکترونی استفاده می‌کند که آب نیستند و این فرآیند اکسیژن تولید نمی‌کند. این فرآیند معمولاً در باکتری‌هایی مانند باکتری‌های گوگرد سبز و باکتری‌های بنفش فوتوتروف رخ می‌دهد.
معادلهٔ فتوسنتز
اگرچه هر دو نوع فتوسنتز پیچیده و چند مرحله‌ای هستند، اما فرآیند کلی را می‌توان به‌طور منظم و در قالب یک واکنش شیمیایی خلاصه کرد. معادله فتوسنتز اکسیژن به این شکل است:
6CO2 + 12H2O + انرژی نور → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
در معادله، شش مولکول دی‌اکسید کربن با استفاده از انرژی نور، با ۱۲ مولکول آب ترکیب می‌شوند. نتیجه نهایی، تشکیل یک مولکول کربوهیدرات منفرد (C6H12O6 یا گلوکز) به همراه شش مولکول اکسیژن و آب است.
به‌طور مشابه، واکنش‌های مختلف فتوسنتز بی‌اکسیژن را می‌توان به‌عنوان یک فرمول تعمیم‌یافته نشان داد:
CO2 + 2H2A + انرژی نور → [CH2O] + 2A + H2O
حرف A در معادلهٔ بالا یک متغیر است و H2A نشانگرِ دهندهٔ بالقوهٔ الکترون است. به‌عنوان مثال، A می‌تواند نشانگر گوگرد در سولفید هیدروژن (H2S)، دهندهٔ الکترون باشد.
تبادل دی‌اکسید کربن و اکسیژن چگونه انجام می‌شود؟
گیاهان دی‌اکسید کربن را از هوای اطراف جذب می‌کنند و آب و اکسیژن را از طریق منافذ میکروسکوپی روی برگ‌های خود به نام روزنه آزاد می‌کنند.
هنگامی که روزنه‌ها باز می‌شوند، دی‌اکسید کربن را به خود راه می‌دهند. اما وقتی که روزنه‌ها باز هستند، اکسیژن آزاد می‌کنند و اجازه می‌دهند بخار آب خارج شود. روزنه‌ها برای جلوگیری از اتلاف آب بسته می‌شوند، اما این بدان معناست که گیاه دیگر نمی‌تواند دی‌اکسید کربن برای فتوسنتز به دست آورد.
این مبادله بین افزایش دی‌اکسید کربن و از دست دادن آب برای گیاهانی که در محیط‌های گرم و خشک رشد می‌کنند، یک مشکل خاص به شمار می‌رود.
گیاهان چگونه نور خورشید را برای فتوسنتز جذب می‌کنند؟
گیاهان حاوی رنگدانه‌های خاصی هستند که انرژی نور مورد نیاز برای فتوسنتز را جذب می‌کنند.
به گفته دانشمندان، کلروفیل رنگدانه اولیه‌ای است که برای فتوسنتز استفاده می‌شود و به گیاهان رنگ سبز می‌دهد. کلروفیل نور قرمز و آبی را جذب و نور سبز را منعکس می‌کند. کلروفیل یک مولکول بزرگ است و برای ساختن آن به منابع زیادی نیاز است.
به این ترتیب، در اواخر عمر برگ تجزیه می‌شود و بیشتر نیتروژن رنگدانه (یکی از عناصر سازنده کلروفیل) دوباره به گیاه جذب می‌شود. هنگامی که برگ‌ها کلروفیل خود را در پاییز از دست می‌دهند، سایر رنگدانه‌های برگ همچون کاروتنوئیدها و آنتوسیانین‌ها شروع به کار می‌کنند.
با اینکه کاروتنوئیدها در درجه اول نور آبی را جذب و زرد را منعکس می‌کنند، اما آنتوسیانین‌ها نور سبز آبی را جذب و نور قرمز را منعکس می‌کنند.
مولکول‌های رنگدانه با پروتئین‌ها مرتبط هستند که به آنها اجازه می‌دهد به سمت نور و به سمت یکدیگر حرکت کنند. طبق مقاله‌ای از ویم ورمااس (استاد دانشگاه ایالتی آریزونا)، مجموعه بزرگی متشکل از ۱۰۰ تا ۵ هزار مولکول رنگدانه، یک «آنتن» تشکیل می‌دهند. این ساختارها به‌طور مؤثر انرژی نور خورشید را به شکل فوتون می‌گیرند.
اما وضعیت برای باکتری‌ها کمی متفاوت است. با اینکه سیانوباکتری‌ها حاوی کلروفیل هستند، اما باکتری‌های دیگر مثل باکتری‌های بنفش و باکتری‌های گوگرد سبز، حاوی باکتری کلروفیل برای جذب نور برای فتوسنتز بی‌اکسیژن هستند.
فتوسنتز در کجای گیاه انجام می‌شود؟
فتوسنتز در کلروپلاست‌ها اتفاق می‌افتد؛ یعنی نوعی پلاستید (یک اندامک غشاءدار) که حاوی کلروفیل است و عمدتاً در برگ‌های گیاه یافت می‌شود.
کلروپلاست‌ها شبیه میتوکندری‌ها، نیروگاه‌های انرژی سلول‌ها هستند؛ زیرا ژنوم یا مجموعه‌ای از ژن‌های خاص خود را دارند که در داخل دی‌ان‌ای دایره‌ای قرار دارند. این ژن‌ها پروتئین‌هایی را رمزگذاری می‌کنند که برای اندامک و فتوسنتز ضروری هستند.
بر اساس تارنمای اصطلاحات زیست‌شناسی Biology Online، درون کلروپلاست‌ها ساختارهای صفحه‌ای‌شکل به نام تیلاکوئید وجود دارد که مسئول برداشت فوتون‌های نور برای فتوسنتز هستند.
تیلاکوئیدها در ستون‌هایی به نام «گرانا» روی هم قرار می‌گیرند. در بین گرانا، استروما قرار دارد؛ یعنی مایعی حاوی آنزیم‌ها، مولکول‌ها و یون‌ها، جایی که تشکیل قند انجام می‌شود.
در نهایت، انرژی نور باید به یک مجتمع رنگدانه-پروتئین منتقل شود که بتواند آن را به انرژی شیمیایی، به شکل الکترون تبدیل کند. در گیاهان، انرژی نور به رنگدانه‌های کلروفیل منتقل می‌شود.
تبدیل به انرژی شیمیایی زمانی انجام می‌شود که یک رنگدانه کلروفیل یک الکترون را دفع کند، که سپس می‌تواند به سمت گیرنده مناسب حرکت کند.
رنگدانه‌ها و پروتئین‌هایی که انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند و فرآیند انتقال الکترون را آغاز می‌کنند به‌عنوان مراکز واکنش شناخته می‌شوند.
واکنش‌های وابسته به نور
هنگامی که یک فوتون نور به مرکز واکنش برخورد می‌کند، یک مولکول رنگدانه مانند کلروفیل، یک الکترون آزاد می‌کند.
الکترون آزادشده از طریق مجموعه‌ای از کمپلکس‌های پروتئینی متصل به هم که به‌عنوان زنجیره انتقال الکترون شناخته می‌شود، فرار می‌کند.
همچنان‌که از طریق زنجیره حرکت می‌کند، برای تولید ATP (آدنوزین تری‌فسفات، منبع انرژی شیمیایی برای سلول‌ها) و NADPH انرژی تولید می‌کند - که هر دو در مرحله بعدی فتوسنتز در چرخه کالوین مورد نیاز هستند.
«حفره الکترونی« در رنگدانه کلروفیل اصلی با گرفتن الکترون از آب پر می‌شود. این تقسیم مولکول‌های آب باعث آزاد شدن اکسیژن در جوّ می‌شود.
واکنش‌های مستقل از نور: چرخه کالوین
چرخه کالوین فرآیندی سه مرحله‌ای است که برای گیاه قند تولید می‌کند و به افتخار ملوین کالوین (دانشمند برنده جایزه نوبل که چندین دهه پیش آن را کشف کرد)، نامگذاری شده است. چرخه کالوین برای تولید کربوهیدرات از ATP و NADPH تولیدشده در کلروفیل استفاده می‌کند.
در مرحله اول این چرخه که تثبیت کربن نام دارد، آنزیمی به نام RuBP کربوکسیلاز/اکسیژناز، که به‌عنوان روبیزو نیز شناخته می‌شود، به ترکیب دی‌اکسید کربن در یک مولکول آلی به نام اسید 3-فسفوگلیسریک (3-PGA) کمک می‌کند. در این فرآیند، یک گروه فسفات روی شش مولکول ATP را می‌شکند تا آنها را به ADP تبدیل کند و در این فرآیند انرژی آزاد شود.
در مرحله دوم، 3-PGA احیا می‌شود، به این معنی که از شش مولکول NADPH الکترون می‌گیرد و دو مولکول گلیسرآلدئید 3-فسفات (G3P) تولید می‌کند.
یکی از این مولکول‌های G3P از چرخه کالوین خارج می‌شود تا در گیاه کارهای دیگری انجام دهد. مولکول‌های باقیمانده G3P وارد مرحله سوم می‌شوند که بازسازی روبیسکو است. در بین این مراحل، گیاه گلوکز یا قند تولید می‌کند.
به گفته تارنمای آموزشی خان آکادمی (Khan Academy)، برای تولید شش مولکول G3P به سه مولکول دی‌اکسید کربن نیاز است و برای ساختن یک مولکول کربوهیدرات به شش دور چرخه کالوین نیاز است.
انواع فتوسنتز
سه نوع اصلی از مسیرهای فتوسنتزی وجود دارد: C3، C4، و CAM. همه این مسیرها با استفاده از چرخه کالوین از دی‌اکسید کربن قند تولید می‌کنند، اما هر مسیر کمی با دیگری متفاوت است.
فتوسنتز C3
بیشتر گیاهان از فتوسنتز C3 استفاده می‌کنند. گیاهان C3 شامل غلات (گندم و برنج)، پنبه، سیب زمینی و سویا هستند. این فرآیند به خاطر ترکیب سه‌کربنی 3-PGA که در چرخه کالوین استفاده می‌کند، C3 نامگذاری شده است.
فتوسنتز C4
گیاهانی مانند ذرت و نیشکر از فتوسنتز C4 استفاده می‌کنند. به گزارش بیولوژی‌آنلاین، این فرآیند از یک ترکیب میانی چهارکربنی (به نام اگزالواستات) استفاده می‌کند که به مالات تبدیل می‌شود.
سپس مالات به داخل غلاف بسته منتقل می‌شود و در آنجا تجزیه می‌شود و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند که سپس توسط روبیسکو تثبیت می‌شود و در چرخه کالوین به قند تبدیل می‌گردد (درست مانند فتوسنتز C3).
گفته می‌شود گیاهان C4 با محیط‌های گرم و خشک سازگاری بهتری دارند و می‌توانند حتی زمانی که روزنه‌هایشان بسته است (زیرا محلول ذخیره‌سازی هوشمندانه‌ای دارند) کربن را تثبیت کنند.
فتوسنتز CAM
به گفته خان آکادمی، متابولیسم اسید کراسولاسین (CAM) در گیاهان سازگار با محیط‌های بسیار گرم و خشک مانند کاکتوس‌ها و آناناس یافت می‌شود.
هنگامی که روزنه‌ها برای جذب دی‌اکسید کربن باز می‌شوند، خطر از دست دادن آب در محیط خارجی نمایان می‌شود.
به همین دلیل گیاهان در محیط‌های بسیار خشک و گرم سازگار شده‌اند. یکی از این سازگاری‌ها CAM است که به موجب آن گیاهان در شب (یعنی زمانی که دما پایین‌تر است و از دست دادن آب خطر کمتری دارد) روزنه‌ها را باز می‌کنند.
بنابر آنچه که آکادمی خان بیان می‌کند، دی‌اکسید کربن از طریق روزنه وارد گیاهان می‌شود و به شکل اگزالواستات تثبیت می‌گردد و به مالات یا اسید آلی دیگر تبدیل می‌شود (مانند مسیر C4).
سپس دی‌اکسید کربن برای واکنش‌های وابسته به نور در روز در دسترس قرار می‌گیرد و روزنه‌ها بسته می‌شوند و خطر از دست دادن آب کاهش می‌یابد.