प्रकाश संश्लेषण किस प्रकार की अभिक्रिया है?

सामूहिक रूप से प्रकाश संश्लेषण के रूप में जानी जाने वाली रासायनिक प्रतिक्रियाओं की श्रृंखला के बिना, आप यहां नहीं होंगे और न ही किसी और को आप जानते होंगे। यह आपके लिए एक अजीब दावा हो सकता है यदि आपको पता चलता है कि प्रकाश संश्लेषण पौधों और कुछ सूक्ष्म जीवों के लिए विशिष्ट है, और यह कि आपके शरीर या किसी भी जानवर की एक भी कोशिका में प्रतिक्रियाओं के इस सुरुचिपूर्ण वर्गीकरण को करने के लिए उपकरण नहीं है। क्या देता है?

सीधे शब्दों में कहें, पौधे का जीवन और पशु जीवन लगभग पूरी तरह से सहजीवी हैं, जिसका अर्थ है कि जिस तरह से पौधे अपनी चयापचय आवश्यकताओं को पूरा करते हैं, वह जानवरों के लिए सर्वोच्च लाभ है और इसके विपरीत। सरल शब्दों में, जानवर ऑक्सीजन गैस (O .) लेते हैं₂गैर-गैसीय कार्बन स्रोतों से ऊर्जा प्राप्त करना और कार्बन डाइऑक्साइड गैस (CO .) का उत्सर्जन करना₂) और पानी (H₂O) इस प्रक्रिया में, जबकि पौधे CO. का उपयोग करते हैं₂ और वह₂O खाना बनाना और छोड़ना O₂ पर्यावरण को। इसके अलावा, दुनिया की लगभग 87 प्रतिशत ऊर्जा वर्तमान में जीवाश्म ईंधन के जलने से प्राप्त होती है, जो अंततः प्रकाश संश्लेषण के उत्पाद भी हैं।

कभी-कभी यह कहा जाता है कि "पौधों के लिए प्रकाश संश्लेषण जानवरों के लिए श्वसन है," लेकिन यह एक त्रुटिपूर्ण सादृश्य है क्योंकि पौधे दोनों का उपयोग करते हैं, जबकि जानवर केवल श्वसन का उपयोग करते हैं। प्रकाश संश्लेषण के बारे में सोचें जिस तरह से पौधे कार्बन का उपभोग और पाचन करते हैं, गति के बजाय प्रकाश पर निर्भर होते हैं और कार्बन को एक ऐसे रूप में रखने के लिए खाने का कार्य करते हैं जिसे छोटी सेलुलर मशीनें उपयोग में ला सकती हैं।

प्रकाश संश्लेषण, जीवित चीजों के एक महत्वपूर्ण अंश द्वारा सीधे उपयोग नहीं किए जाने के बावजूद, हो सकता है जीवन के चल रहे अस्तित्व को सुनिश्चित करने के लिए जिम्मेदार एक रासायनिक प्रक्रिया के रूप में उचित रूप से देखा गया पृथ्वी ही। प्रकाश संश्लेषक कोशिकाएं CO. लेती हैं₂ और वह₂हे पर्यावरण से जीव द्वारा एकत्रित और ग्लूकोज के संश्लेषण को शक्ति देने के लिए सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा का उपयोग करें (सी₆एच₁₂हे₆), O. जारी कर रहा है₂ अपशिष्ट उत्पाद के रूप में। इस ग्लूकोज को फिर पौधे में विभिन्न कोशिकाओं द्वारा संसाधित किया जाता है उसी तरह ग्लूकोज का उपयोग पशु द्वारा किया जाता है कोशिकाएं: यह एडेनोसाइन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) के रूप में ऊर्जा मुक्त करने के लिए श्वसन से गुजरती है और रिलीज होती है सीओ₂ अपशिष्ट उत्पाद के रूप में। (फाइटोप्लांकटन और साइनोबैक्टीरिया भी प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करते हैं, लेकिन इस चर्चा के प्रयोजनों के लिए, प्रकाश संश्लेषक कोशिकाओं वाले जीवों को सामान्य रूप से "पौधे" कहा जाता है।)

ग्लूकोज बनाने के लिए प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करने वाले जीवों को ऑटोट्रॉफ़ कहा जाता है, जो ग्रीक से "स्व-भोजन" में शिथिल रूप से अनुवादित होता है। यानी पौधे भोजन के लिए सीधे दूसरे जीवों पर निर्भर नहीं होते हैं। दूसरी ओर, पशु हेटरोट्रॉफ़ ("अन्य भोजन") हैं क्योंकि उन्हें जीवित रहने और जीवित रहने के लिए अन्य जीवित स्रोतों से कार्बन का सेवन करना पड़ता है।

प्रकाश संश्लेषण को रेडॉक्स प्रतिक्रिया माना जाता है। रेडॉक्स "कमी-ऑक्सीकरण" के लिए छोटा है, जो बताता है कि विभिन्न जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं में परमाणु स्तर पर क्या होता है। प्रकाश संश्लेषण नामक प्रतिक्रियाओं की श्रृंखला के लिए पूर्ण, संतुलित सूत्र - जिसके घटकों का शीघ्र ही पता लगाया जाएगा - है:

6₂ओ + लाइट + 6CO₂ → सी₆एच₁₂हे₆ + 6O₂

आप स्वयं सत्यापित कर सकते हैं कि तीर के प्रत्येक पक्ष पर प्रत्येक प्रकार के परमाणु की संख्या समान है: छह कार्बन परमाणु, 12 हाइड्रोजन परमाणु और 18 ऑक्सीजन परमाणु।

अपचयन एक परमाणु या अणु से इलेक्ट्रॉनों का निष्कासन है, जबकि ऑक्सीकरण इलेक्ट्रॉनों की प्राप्ति है। इसके अनुरूप, ऐसे यौगिक जो अन्य यौगिकों को आसानी से इलेक्ट्रॉन देते हैं, उन्हें ऑक्सीकरण एजेंट कहा जाता है, जबकि जो इलेक्ट्रॉनों को प्राप्त करने की प्रवृत्ति रखते हैं उन्हें कम करने वाले एजेंट कहा जाता है। रेडॉक्स प्रतिक्रियाओं में आमतौर पर यौगिक को कम करने के लिए हाइड्रोजन को शामिल किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषण में पहला कदम "प्रकाश होने दो" के रूप में अभिव्यक्त किया जा सकता है। सूर्य का प्रकाश पौधों की सतह से टकराता है, जिससे पूरी प्रक्रिया गतिमान हो जाती है। आपको पहले से ही संदेह हो सकता है कि कई पौधे जिस तरह से दिखते हैं, वे क्यों दिखते हैं: पत्तियों के रूप में सतह क्षेत्र का एक बड़ा सौदा और शाखाएँ जो उनका समर्थन करती हैं जो अनावश्यक प्रतीत होती हैं (यद्यपि आकर्षक) यदि आप नहीं जानते कि ये जीव संरचित क्यों हैं इस तरह। पौधे का "लक्ष्य" जितना हो सके सूरज की रोशनी में खुद को उजागर करना है - सबसे छोटा, सबसे छोटा किसी भी पारिस्थितिकी तंत्र में पौधे जानवरों के कूड़े के झुंड की तरह होते हैं, जिसमें वे दोनों पर्याप्त प्राप्त करने के लिए संघर्ष करते हैं ऊर्जा। पत्तियां, आश्चर्य की बात नहीं, प्रकाश संश्लेषक कोशिकाओं में अत्यधिक घनी होती हैं।

ये कोशिकाएँ क्लोरोप्लास्ट नामक जीवों से समृद्ध होती हैं, जहाँ प्रकाश संश्लेषण का कार्य होता है, ठीक वैसे ही जैसे माइटोकॉन्ड्रिया वे अंग हैं जिनमें श्वसन होता है। वास्तव में, क्लोरोप्लास्ट और माइटोकॉन्ड्रिया संरचनात्मक रूप से काफी समान हैं, एक तथ्य यह है कि, जीव विज्ञान की दुनिया में व्यावहारिक रूप से सब कुछ की तरह, कर सकते हैं विकास के चमत्कारों का पता लगाया जा सकता है।) क्लोरोप्लास्ट में विशेष वर्णक होते हैं जो प्रतिबिंबित करने के बजाय प्रकाश ऊर्जा को बेहतर तरीके से अवशोषित करते हैं। यह। जो अवशोषित होने के बजाय परावर्तित होता है वह तरंग दैर्ध्य की एक श्रेणी में होता है जिसे मानव आंख और मस्तिष्क द्वारा एक विशेष रंग के रूप में व्याख्या किया जाता है (संकेत: यह "जी" से शुरू होता है)। इस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाने वाले मुख्य वर्णक को क्लोरोफिल के रूप में जाना जाता है।

क्लोरोप्लास्ट एक डबल प्लाज्मा झिल्ली से घिरे होते हैं, जैसा कि सभी जीवित कोशिकाओं के साथ-साथ उनमें शामिल जीवों के मामले में होता है। पौधों में, हालांकि, एक तीसरी झिल्ली प्लाज्मा बाइलेयर के अंदर मौजूद होती है, जिसे थायलाकोइड झिल्ली कहा जाता है। इस झिल्ली को बहुत व्यापक रूप से मोड़ा जाता है ताकि असमान संरचनाएं एक दूसरे के ऊपर खड़ी हो जाएं, न कि सांस टकसालों के पैकेज के विपरीत। इन थायलाकोइड संरचनाओं में क्लोरोफिल होता है। आंतरिक क्लोरोप्लास्ट झिल्ली और थायलाकोइड झिल्ली के बीच की जगह को स्ट्रोमा कहा जाता है।

प्रकाश संश्लेषण को प्रकाश-निर्भर और प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाओं के एक सेट में विभाजित किया जाता है, जिसे आमतौर पर प्रकाश और अंधेरे प्रतिक्रियाएं कहा जाता है और बाद में विस्तार से वर्णित किया जाता है। जैसा कि आपने निष्कर्ष निकाला होगा, प्रकाश प्रतिक्रियाएं पहले होती हैं।

जब सूर्य का प्रकाश थायलाकोइड्स के अंदर क्लोरोफिल और अन्य वर्णकों से टकराता है, तो यह अनिवार्य रूप से ढीला हो जाता है क्लोरोफिल में परमाणुओं से इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन और उन्हें एक उच्च ऊर्जा स्तर तक बढ़ा देता है, जिससे वे मुक्त हो जाते हैं पलायन। इलेक्ट्रॉनों को इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला प्रतिक्रियाओं में बदल दिया जाता है जो थायलाकोइड झिल्ली पर ही प्रकट होते हैं। यहां, एनएडीपी जैसे इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता इनमें से कुछ इलेक्ट्रॉन प्राप्त करते हैं, जिनका उपयोग एटीपी के संश्लेषण को चलाने के लिए भी किया जाता है। एटीपी अनिवार्य रूप से कोशिकाओं के लिए है जो अमेरिकी वित्तीय प्रणाली के लिए डॉलर हैं: यह "ऊर्जा मुद्रा" है जिसका उपयोग लगभग सभी चयापचय प्रक्रियाओं को अंततः किया जाता है।

जबकि ऐसा हो रहा है, सूर्य-स्नान करने वाले क्लोरोफिल अणुओं ने अचानक खुद को इलेक्ट्रॉनों की कमी पाया है। यह वह जगह है जहां पानी मैदान में प्रवेश करता है और हाइड्रोजन के रूप में प्रतिस्थापन इलेक्ट्रॉनों का योगदान देता है, जिससे क्लोरोफिल कम हो जाता है। इसके हाइड्रोजन के गायब होने के साथ, जो कभी पानी था वह अब आणविक ऑक्सीजन है - O₂. यह ऑक्सीजन कोशिका के बाहर और पौधे के बाहर पूरी तरह से फैल जाती है, और इसमें से कुछ ठीक इसी सेकंड में आपके अपने फेफड़ों में अपना रास्ता खोजने में कामयाब हो जाती है।

प्रकाश संश्लेषण को एक अंतर्जात प्रतिक्रिया कहा जाता है क्योंकि इसे आगे बढ़ने के लिए ऊर्जा के इनपुट की आवश्यकता होती है। सूर्य ग्रह पर सभी ऊर्जा का अंतिम स्रोत है (एक तथ्य शायद किसी स्तर पर विभिन्न द्वारा समझा जाता है पुरातनता की संस्कृतियां जो सूर्य को अपने आप में एक देवता मानती थीं) और पौधे इसे रोकने वाले पहले व्यक्ति हैं उत्पादक उपयोग। इस ऊर्जा के बिना, कार्बन डाइऑक्साइड, एक छोटा, सरल अणु, ग्लूकोज में परिवर्तित होने का कोई रास्ता नहीं होगा, जो कि काफी बड़ा और अधिक जटिल अणु है। कल्पना कीजिए कि आप बिना किसी ऊर्जा खर्च किए सीढ़ियों की उड़ान भर रहे हैं, और आप पौधों के सामने आने वाली समस्या को देख सकते हैं।

अंकगणितीय शब्दों में, अंतर्जात प्रतिक्रियाएं वे होती हैं जिनमें उत्पादों में अभिकारकों की तुलना में उच्च ऊर्जा स्तर होता है। इन प्रतिक्रियाओं के विपरीत, ऊर्जावान रूप से बोलते हुए, एक्सर्जोनिक कहा जाता है, जिसमें उत्पादों में प्रतिक्रियाओं की तुलना में कम ऊर्जा होती है और प्रतिक्रिया के दौरान ऊर्जा मुक्त होती है। (यह अक्सर गर्मी के रूप में होता है - फिर से, क्या आप गर्म हो जाते हैं या व्यायाम से आप ठंडे हो जाते हैं?) यह प्रतिक्रिया की मुक्त ऊर्जा ΔG° के रूप में व्यक्त किया जाता है, जो प्रकाश संश्लेषण के लिए +479 kJ है। मोल^-1 या 479 जूल ऊर्जा प्रति मोल। सकारात्मक संकेत एक एंडोथर्मिक प्रतिक्रिया को इंगित करता है, जबकि एक नकारात्मक संकेत एक एक्ज़ोथिर्मिक प्रक्रिया को इंगित करता है।

प्रकाश अभिक्रियाओं में जल सूर्य के प्रकाश से अलग हो जाता है, जबकि अंधेरे अभिक्रियाओं में प्रोटॉन (H .)⁺) और इलेक्ट्रॉन (ई .)⁻) प्रकाश प्रतिक्रियाओं में मुक्त CO. से ग्लूकोज और अन्य कार्बोहाइड्रेट को इकट्ठा करने के लिए उपयोग किया जाता है₂.

प्रकाश अभिक्रियाएँ सूत्र द्वारा दी गई हैं:

2 एच₂ओ + प्रकाश → ओ₂ + 4H⁺ + 4e⁻(ΔG° = +317 kJ ⋅ mol⁻¹)

और डार्क रिएक्शन इसके द्वारा दिए गए हैं:

सीओ₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → सीएच₂ओ + एच₂हे (ΔG° = +162 kJ ⋅ mol⁻¹)

कुल मिलाकर, यह ऊपर बताए गए पूर्ण समीकरण को प्राप्त करता है:

एच₂ओ + लाइट + सीओ₂ → सीएच₂ओ + ओ₂(ΔG° = +479 kJ ⋅ mol⁻¹)

आप देख सकते हैं कि प्रतिक्रियाओं के दोनों सेट एंडर्जोनिक हैं, प्रकाश प्रतिक्रियाएं अधिक दृढ़ता से होती हैं।

जीवित प्रणालियों में ऊर्जा युग्मन का अर्थ है अन्य प्रक्रियाओं को चलाने के लिए एक प्रक्रिया से उपलब्ध ऊर्जा का उपयोग करना जो अन्यथा नहीं होती। समाज स्वयं इस तरह से काम करता है: व्यवसायों को अक्सर बाहर निकलने के लिए बड़ी रकम उधार लेनी पड़ती है जमीन, लेकिन अंततः इनमें से कुछ व्यवसाय अत्यधिक लाभदायक हो जाते हैं और अन्य स्टार्ट-अप के लिए धन उपलब्ध करा सकते हैं कंपनियां।

प्रकाश संश्लेषण ऊर्जा युग्मन का एक अच्छा उदाहरण प्रस्तुत करता है, क्योंकि सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा को क्लोरोप्लास्ट में प्रतिक्रियाओं के साथ जोड़ा जाता है ताकि प्रतिक्रियाएं सामने आ सकें। संयंत्र अंततः ग्लूकोज और अन्य कार्बन यौगिकों को संश्लेषित करके वैश्विक कार्बन चक्र को पुरस्कृत करता है, जिसे तुरंत या भविष्य में अन्य प्रतिक्रियाओं के साथ जोड़ा जा सकता है। उदाहरण के लिए, गेहूं के पौधे स्टार्च का उत्पादन करते हैं, जिसका उपयोग दुनिया भर में मनुष्यों और अन्य जानवरों के लिए भोजन के मुख्य स्रोत के रूप में किया जाता है। लेकिन पौधों द्वारा बनाए गए सभी ग्लूकोज को संग्रहित नहीं किया जाता है; इसका कुछ भाग पादप कोशिकाओं के विभिन्न भागों में जाता है, जहाँ ग्लाइकोलाइसिस में मुक्त होने वाली ऊर्जा अंततः पादप माइटोकॉन्ड्रिया में प्रतिक्रियाओं के साथ जुड़ जाती है जिसके परिणामस्वरूप एटीपी का निर्माण होता है। जबकि पौधे खाद्य श्रृंखला के निचले भाग का प्रतिनिधित्व करते हैं और व्यापक रूप से निष्क्रिय ऊर्जा और ऑक्सीजन के रूप में देखे जाते हैं दाताओं, उनकी खुद की चयापचय संबंधी ज़रूरतें होती हैं, उन्हें बड़ा होना पड़ता है और दूसरों की तरह ही पुनरुत्पादन करना पड़ता है जीव।

एक तरफ, छात्रों को अक्सर रासायनिक प्रतिक्रियाओं को संतुलित करने के लिए सीखने में परेशानी होती है यदि इन्हें संतुलित रूप में प्रदान नहीं किया जाता है। नतीजतन, उनके छेड़छाड़ में, संतुलित परिणाम प्राप्त करने के लिए छात्रों को प्रतिक्रिया में अणुओं में सबस्क्रिप्ट के मूल्यों को बदलने के लिए लुभाया जा सकता है। यह भ्रम यह जानने से उत्पन्न हो सकता है कि प्रतिक्रियाओं को संतुलित करने के लिए अणुओं के सामने संख्याओं को बदलने की अनुमति है। किसी भी अणु के सबस्क्रिप्ट को बदलने से वह अणु पूरी तरह से एक अलग अणु में बदल जाता है। उदाहरण के लिए, O. को बदलना₂ ओ करने के लिए₃ द्रव्यमान के संदर्भ में केवल 50 प्रतिशत अधिक ऑक्सीजन नहीं जोड़ता है; यह ऑक्सीजन गैस को ओजोन में बदल देता है, जो दूर से इसी तरह से अध्ययन के तहत प्रतिक्रिया में भाग नहीं लेगा।