איך צמחים מייצרים חמצן?

חמצן הוא תוצר לוואי המשתחרר כאשר צמחים עוסקים בפוטוסינתזה, התהליך בו הם משתמשים לייצור מזון בעצמם. האירועים הכימיים המתרחשים במהלך הפוטוסינתזה מורכבים. התוצאה היא שש שש מולקולות פחמן דו חמצני ושש מולקולות מים הופכות לשש מולקולות גלוקוז ושש מולקולות חמצן. משמעות המילה "פוטוסינתזה" היא "לעשות דברים באור".

ללא היחסים הכימיים הספציפיים של חמצן, חנקן, פחמן דו חמצני וגזי עקבות אחרים המרכיבים את צמחי האוויר ובעלי החיים על כדור הארץ, שום דבר לא היה חי כפי שאנו מכירים אותו. כתוצאה מפוטוסינתזה, בעלי חיים חיים במערכת יחסים סימביוטית עם כל חיי הצומח על פני כדור הארץ. צמחים מחייבים את גירוש בעלי החיים הפחמן הדו-חמצני ואילו בעלי החיים זקוקים לייצור צמחי החמצן.

האוויר חיוני כל כך לחיים בכדור הארץ, עד כי על ידי חקר התפתחות הפוטוסינתזה החמצונית, וודוורד פישר ושותפים יכולים לזהות אירועים מרכזיים בהיסטוריה של כוכב הלכת שלנו כמו מתי ציאנובקטריה וצמחים ראשונים קם. די מגניב נכון?

שורשי הצמח סופחים מים וכמה חומרים מזינים מהקרקע. מים עולים במעלה הצמח דרך הקסילם, שהוא רקמה מיוחדת בתוך הצמח. יש צורך במים כאמצעי להובלת חומרים מזינים חיוניים בכל הצמח, והם הופכים לחומר הפחתה לכימיה המתרחשת בתהליך הפוטוסינתזה. הצמח משתמש במים כדי לפרק את מולקולות הפחמן הדו-חמצני לפני שניתן להרכיבן מחדש לחומר הסוכר שהצמח משתמש בו כאנרגיה מאוחסנת.

פוטונים באור השמש מספקים את האנרגיה הדרושה להופעת פוטוסינתזה. הצמח לוכד את הפוטונים הללו באמצעות פיגמנטים סופגי אור, כמו כלורופיל וקרוטנואידים. פיגמנטים אלה אחראים גם לעלים הירוקים שעל הצמחים. כלורופיל וקרוטנואידים אינם קולטים ביעילות אור ירוק או צהוב מספקטרום הצבעים. כתוצאה מכך צבעים אלה משתקפים הרחק מהעלים וגורמים להם להיראות ירוקים בעינינו.

צמחים סופחים פחמן דו חמצני מהאוויר דרך פתחים זעירים, הנקראים סטומטה באפידרמיס הצמח או בשכבת הרקמה החיצונית. נקבוביות הסטומטה המיקרוסקופיות הללו נפתחות ונסגרות כאשר צרכי הצמח משתנים מספיגת פחמן דו חמצני לפליטת חמצן ומים. פחמן דו חמצני קיים באטמוספירה מנשיפה של בעלי חיים במהלך הנשימה, כמו גם מחומר אורגני מתפורר.

ברגע שכל המרכיבים הדרושים נמצאים במקום, הצמח קורע חלק מהמים שספג דרך השורשים ואת הפחמן הדו-חמצני שהוא לקח מהאטמוספרה. סדרת תגובות כימיות ואנרגיית השמש מפרקת את המולקולות. סדרה נוספת של תגובות כימיות, שמשתמשות שוב באנרגיית השמש, מרכיבות מחדש את האטומים שנוצרים למולקולות גלוקוז. הצמח מאחסן את רוב הסוכר הפשוט הזה לצמיחה וצורך מעט במהלך הפוטוסינתזה.

חמצן הוא תוצר לוואי של פוטוסינתזה. הצמח אינו זקוק למולקולות החמצן, ולכן הן נפלטות דרך הסטומטיות. חמצן שמוצא על ידי צמחים נכנס לאוויר כדי לשאוף אותו על ידי בעלי חיים וחיידקים אירוביים.

תאי בעלי חיים משתמשים בחמצן לתהליך הנקרא חמצון. חמצון חיוני לפירוק מולקולות מזון כדי לחלץ מולקולות גלוקוז. לאחר מכן הגוף משתמש בגלוקוז כמקור אנרגיה לתהליכים מטבוליים קריטיים המניעים את הגוף.

כדי לראות צמחים המייצרים חמצן בפעולה קוטפים עלה ירוק מצמח, מניחים אותו בכוס מים ומשאירים אותו בשמש למשך כמה שעות. כשתחזור תראה שבועות אוויר קטנות נוצרו על העלה ומסביב לכוס. יתכן שתזדקק לזכוכית מגדלת כדי להיראות טוב.