כיצד פועלת פוטוסינתזה?

תהליך הפוטוסינתזה, בו צמחים ועצים הופכים את האור מהשמש לתזונתיים אנרגיה, עשויה להיראות בתחילה כקסם, אך באופן ישיר ועקיף, תהליך זה מקיים את כולו עוֹלָם. כאשר צמחים ירוקים מושיטים יד אל האור, העלים שלהם לוכדים את אנרגיית השמש באמצעות כימיקלים סופגים אור או פיגמנטים מיוחדים כדי לייצר מזון מפחמן דו חמצני וממים הנשלפים מהאטמוספרה. תהליך זה משחרר חמצן כתוצר לוואי בחזרה לאטמוספירה, רכיב באוויר הנדרש לכל אורגניזמי הנשימה.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

משוואה פשוטה לפוטוסינתזה היא פחמן דו חמצני + מים + אנרגיית אור = גלוקוז + חמצן. כאשר ישויות בממלכת הצומחים צורכות פחמן דו חמצני במהלך הפוטוסינתזה, הם משחררים חמצן לאטמוספירה כדי שאנשים יוכלו לנשום; עצים וצמחים ירוקים (ביבשה ובים) אחראים בעיקר לחמצן בתוך השטח אווירה, ובלעדיהם, בעלי חיים ובני אדם, כמו גם צורות חיים אחרות, עשויים שלא להתקיים כפי שהם לעשות היום.

דברים ירוקים וגדלים נחוצים לכל החיים על פני כדור הארץ, לא רק כמזון עבור אוכלי עשב וכלים, אלא גם עבור חמצן לנשימה. תהליך הפוטוסינתזה הוא הדרך העיקרית בה חמצן נכנס לאטמוספרה. זהו האמצעי הביולוגי היחיד על פני כדור הארץ הלוכד את אנרגיית האור של השמש, ומשנה אותה לסוכרים ופחמימות המספקים חומרים מזינים לצמחים תוך שחרור חמצן.

חשוב על זה: צמחים ועצים יכולים בעצם למשוך אנרגיה שמתחילה באזורים החיצוניים של החלל צורה של אור שמש, הפכו אותה למזון, ובתוך כך, שחררו את האוויר הדרוש שאורגניזמים זקוקים לו לְשַׂגְשֵׂג. אפשר לומר שלכל הצמחים והעצים המייצרים חמצן יש קשר סימביוטי עם כל האורגניזמים הנושמים חמצן. בני אדם ובעלי חיים מספקים פחמן דו חמצני לצמחים, והם מספקים חמצן בתמורה. ביולוגים מכנים זאת מערכת יחסים סימביוטית הדדית משום שכל הצדדים בקשר מרוויחים.

במערכת הסיווג לינאית, הסיווג והדירוג של כל היצורים החיים, הצמחים, אצות וסוג חיידקים הנקראים ציאנובקטריה הם הישויות החיים היחידות שמייצרות מזון מהן אוֹר שֶׁמֶשׁ. הטענה לכריתת יערות ולסילוק צמחים למען הפיתוח נראית מניעה אם לא נותרו בני אדם לחיות בהתפתחויות הללו משום שלא נותרו צמחים ועצים לייצור חמצן.

צמחים ועצים הם אוטוטרופים, אורגניזמים חיים שמייצרים את מזונם בעצמם. מכיוון שהם עושים זאת באמצעות אנרגיית האור מהשמש, ביולוגים מכנים אותם פוטו אוטוטרופים. רוב הצמחים והעצים על פני כדור הארץ הם פוטוטוטרופים.

המרת אור השמש למזון מתרחשת ברמה התאית בתוך עלי הצמחים באברון המצוי בתאי הצמח, מבנה הנקרא כלורופלסט. בעוד העלים מורכבים מכמה שכבות, פוטוסינתזה מתרחשת במזופיל, השכבה האמצעית. פתחי מיקרו קטנים על החלק התחתון של העלים המכונים סטומטה שולטים בזרימת הפחמן הדו-חמצני והחמצן אל הצמח וממנו, ושולטים בחילופי הגזים של הצמח ובמאזן המים של הצמח.

סטומטה קיימת על קרקעית העלים, הפונה מהשמש, כדי למזער את אובדן המים. תאי שמירה קטנים המקיפים את הסטומטה שולטים בפתיחה ובסגירה של פתחים דמויי פה אלה על ידי נפיחות או כיווץ בתגובה לכמות המים באטמוספירה. כאשר סגירת הסטומטה, פוטוסינתזה אינה יכולה להתרחש מכיוון שהצמח אינו יכול לקחת פחמן דו חמצני. זה גורם לרמות הפחמן הדו חמצני בצמח לרדת. כששעות האור הופכות חמות ויבשות מדי, הסטרומה נסגרת כדי לחסוך בלחות.

כאורגנה או מבנה ברמה התאית בעלות הצמח, לכלורופלסטים יש קרום חיצוני ופנימי המקיף אותם. בתוך הממברנות הללו נמצאים מבנים בצורת מגש הנקראים תילאקואידים. קרום התילקואיד הוא המקום בו הצמח והעצים מאחסנים כלורופיל, הפיגמנט הירוק האחראי לקליטת אנרגיית האור מהשמש. זה המקום בו מתרחשות התגובות הראשוניות תלויות האור בהן חלבונים רבים מהווים את שרשרת התחבורה כדי לשאת אנרגיה הנמשכת מהשמש למקום בו היא צריכה לעבור בתוך הצמח.

תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך דו-שלבי, רב-שלבי. השלב הראשון של הפוטוסינתזה מתחיל עם תגובות אור, הידוע גם בשם תהליך תלוי קל ודורש אנרגיית אור מהשמש. השלב השני, ה תגובה אפלה הבמה, המכונה גם מחזור קלווין, הוא התהליך שבו הצמח מייצר סוכר בעזרת NADPH ו- ATP משלב התגובה הקלה.

ה תגובת אור שלב הפוטוסינתזה כולל את השלבים הבאים:

• איסוף פחמן דו חמצני ומים מהאטמוספירה דרך הצמח או עלי העץ.
• פיגמנטים ירוקים סופגים אור בצמחים או עצים ממירים את אור השמש לאנרגיה כימית המאוחסנת.
• מופעלים על ידי אור, אנזימים צמחיים מעבירים את האנרגיה במקום הצורך לפני שהם משחררים אותה כדי להתחיל מחדש.
  

כל זה מתרחש ברמה התאית בתוך התילקואידים של הצמח, שקיות שטוחות בודדות, מסודרות בגראנה או בערימות בתוך כלורופלסטים של צמח או תאי עץ.

ה מחזור קלווין, נקרא על שם הביוכימאי של ברקלי מלווין קלווין (1911-1997), חתן פרס נובל לכימיה לשנת 1961 על גילוי שלב התגובה האפלה, הוא התהליך שבו הצמח מייצר סוכר בעזרת NADPH ו- ATP מתגובת האור שלב. במהלך מחזור קלווין מתרחשים השלבים הבאים:

• קיבוע פחמן בו צמחים מחברים את הפחמן לכימיקלים צמחיים (RuBP) לצורך פוטוסינתזה.
• שלב הפחתה לפיו כימיקלים צמחיים ואנרגיה מגיבים ליצירת סוכרים מן הצומח.
• היווצרות פחמימות כחומר מזין צמחי.
• שלב התחדשות שבו סוכר ואנרגיה משתפים פעולה ויוצרים מולקולת RuBP, המאפשרת להתחיל מחדש את המחזור.

בתוך הממברנה התילקואידית משובצות שתי מערכות לוכדות אור: מערכת פוטו I ו- Photosystem II מורכב ממספר חלבונים דמויי אנטנה, שם עלי הצמח הופכים את אנרגיית האור לכימית אֵנֶרְגִיָה. מערכת פוטוסיסטם I מספקת אספקת נושאות אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה ואילו השנייה מספקת את המולקולות המופעלות לאן שהן צריכות להגיע.

כלורופיל הוא הפיגמנט הסופג אור, בתוך עלים של צמחים ועצים, שמתחיל בתהליך הפוטוסינתזה. כפיגמנט אורגני בתוך התילאקואיד הכלורופלסט, הכלורופיל סופג רק אנרגיה בתוך רצועה צרה של הספקטרום האלקטרומגנטי המיוצר על ידי השמש בטווח אורך הגל שבין 700 ננומטר (ננומטר) ל -400 ננומטר. נקרא להקת הקרינה הפעילה פוטוסינתטית, ירוק יושב באמצע ספקטרום האור הגלוי המפריד בין אנרגיה נמוכה יותר, אך אדומות גל ארוכות יותר, צהובים ותפוזים מהאנרגיה הגבוהה, אורך גל קצר יותר, בלוז, אינדיגואים ו סיגליות.

כפי ש כלורופילים סופגים פוטון יחיד או מוּבהָק חבילה של אנרגיית אור, זה גורם למולקולות האלה להתרגש. ברגע שמולקולת הצמח מתרגשת, שאר השלבים בתהליך כוללים הכנסת אותה מולקולה נרגשת למערכת הובלת האנרגיה באמצעות האנרגיה. נשא הנקרא nicotinamide adenine dinucleotide phosphate או NADPH, למסירה לשלב השני של הפוטוסינתזה, לשלב התגובה האפלה או לקלווין מחזור.

לאחר הכניסה ל שרשרת העברת אלקטרונים, התהליך מחלץ יוני מימן מהמים שנלקחו ומעביר אותם לחלק הפנימי של התילאקואיד, שם מצטברים יוני מימן אלה. היונים עוברות על פני קרום חצי נקבובי מהצד הסטרומאלי לומן התילקואידי, ומאבדות קצת של האנרגיה בתהליך, כאשר הם עוברים דרך החלבונים הקיימים בין שתי מערכות הצילום. יוני המימן מתאספים בלומן התילקואידי שם הם ממתינים לאנרגיה מחדש לפני שהם משתתפים בתהליך ההופך את אדנוזין לטרוספט או ATP, מטבע האנרגיה של התא.

חלבוני האנטנה במערכת הפוטו 1 סופגים פוטון אחר, ומעבירים אותו למרכז התגובה PS1 הנקרא P700. מרכז מחומצן, P700 שולח אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה לניקוטין-אמיד אדנין דינוקלאוטיד פוספט או NADP + ומפחית אותו ליצירת NADPH ו- ATP. זה המקום בו תא הצמח ממיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית.

הכלורופלסט מתאם את שני שלבי הפוטוסינתזה בכדי להשתמש באנרגיית האור ליצירת סוכר. התילאקואידים שבתוך הכלורופלסט מייצגים את אתרי תגובות האור, ואילו מחזור קלווין מתרחש בסטרומה.

נשימה תאית, קשורה לתהליך הפוטוסינתזה, מתרחשת בתוך תא הצומח כשהיא לוקחת אנרגיית אור, משנה אותה לאנרגיה כימית ומשחררת חמצן לאטמוספרה. הנשימה מתרחשת בתוך תא הצמח קורה כאשר הסוכרים המופקים במהלך התהליך הפוטוסינתטי משלב עם חמצן כדי ליצור אנרגיה לתא, ויוצר פחמן דו חמצני ומים כתוצרי לוואי של נשימה. משוואה פשוטה לנשימה מנוגדת לזו של פוטוסינתזה: גלוקוז + חמצן = אנרגיה + פחמן דו חמצני + אנרגיית אור.

נשימה תאית מתרחשת בכל התאים החיים של הצמח, לא רק בעלים, אלא גם בשורשי הצמח או העץ. מכיוון שנשימה סלולרית אינה זקוקה לאנרגיית אור כדי להתרחש, היא יכולה להתרחש ביום או בלילה. אך השקיית יתר של צמחים בקרקעות עם ניקוז לקוי גורמת לבעיה בנשימה התאית, כפי שמוצף צמחים לא יכולים לקחת מספיק חמצן דרך שורשיהם ולהפוך גלוקוזה כדי לשמור על חילוף החומרים של התא תהליכים. אם הצמח מקבל יותר מדי מים לזמן רב מדי, ניתן לשלול משורשיו חמצן, מה שבעצם יכול לעצור את הנשימה התאית ולהרוג את הצמח.

פרופסור מרס מאוניברסיטת קליפורניה אליוט קמפבל וצוות החוקרים שלו ציינו במאמר באפריל 2017 "טבע", כתב עת בינלאומי למדע, שתהליך הפוטוסינתזה גדל באופן דרמטי במהלך העשרים מֵאָה. צוות המחקר גילה תיעוד עולמי של התהליך הפוטוסינתטי המשתרע על מאתיים שנה.

זה הביא אותם למסקנה כי סך כל פוטוסינתזת הצמחים על פני כדור הארץ גדל ב -30 אחוזים במהלך השנים שהם חקרו. המחקר אמנם לא זיהה באופן ספציפי את הסיבה לעלייה בתהליך הפוטוסינתזה בעולם, אך הצוות מודלים ממוחשבים מציעים מספר תהליכים, בשילוב, העלולים לגרום לגידול כה גדול במפעל העולמי צְמִיחָה.

המודלים הראו כי הגורמים העיקריים להגברת הפוטוסינתזה כוללים פליטת פחמן דו חמצני מוגברת באטמוספירה (בעיקר בגלל בני אדם פעילויות), עונות גידול ארוכות יותר בגלל התחממות כדור הארץ עקב פליטות אלה וזיהום חנקן מוגבר שנגרם על ידי חקלאות המונית ודלקים מאובנים שְׂרֵפָה. לפעילות אנושית שהובילה לתוצאות אלה השפעות חיוביות ושליליות על כדור הארץ.

פרופסור קמפבל ציין שאמנם פליטת פחמן דו חמצני מוגברת מגרה את תפוקת היבול, אך גם מגרה את צמיחתם של עשבים לא רצויים ומינים פולשניים. הוא ציין כי פליטת פחמן דו חמצני מוגברת גורמת ישירות לשינויי אקלים המובילים לשיטפונות נוספים לאורך החוף אזורים, תנאי מזג אוויר קיצוניים וגידול בהחמצת האוקיאנוס, שלכולם השפעות מורכבות ברחבי העולם.

בעוד שהפוטוסינתזה אכן עלתה במהלך המאה ה -20, היא גם גרמה לצמחים לאגור יותר פחמן במערכות אקולוגיות ברחבי העולם, וכתוצאה מכך הם הפכו למקורות פחמן במקום כיורי פחמן. גם עם הגידול בפוטוסינתזה, הגידול אינו יכול לפצות על בעירת דלקים מאובנים, כ יותר פליטת פחמן דו חמצני משריפת דלקים מאובנים נוטה להכריע את יכולתו של הצמח לספוג CO2.

החוקרים ניתחו נתוני שלג באנטארקטיקה שנאספו על ידי המינהל הלאומי לאוקיאנוסים ואטמוספירה כדי לפתח את ממצאיהם. על ידי חקר הגז המאוחסן בדגימות הקרח, החוקרים בחנו את האטמוספירות העולמיות בעבר.