תוֹכֶן
- TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
- פוטוסינתזה: הכרחית לכל החיים
- הפוטוסינתזה מתרחשת בעלים
- אנרגיה מהשמש: שלבי פוטוסינתזה
- כלורופיל, ספיגת אור ויצירת אנרגיה
- פוטוסינתזה ונשימה סלולרית
- התחממות כדור הארץ ותגובת פוטוסינתזה
תהליך הפוטוסינתזה, בו צמחים ועצים הופכים אור מהשמש לאנרגיה תזונתית, אולי נראה בתחילה כקסם, אך באופן ישיר ועקיף, תהליך זה מקיים את העולם כולו. כאשר צמחים ירוקים מושכים את האור, העלים שלהם לוכדים את אנרגיית השמשות באמצעות כימיקלים סופגים אור או פיגמנטים מיוחדים להכנת מזון מפחמן דו חמצני ומים שנשאבים מהאטמוספירה. תהליך זה משחרר חמצן כתוצר לוואי חזרה לאטמוספרה, מרכיב באוויר הנדרש לכל אורגניזמים הנשימה.
TL; DR (יותר מדי זמן; לא קרא)
משוואה פשוטה לפוטוסינתזה היא פחמן דו חמצני + מים + אנרגיית אור = גלוקוז + חמצן. כאשר ישויות בממלכת הצמחים צורכות פחמן דו חמצני במהלך פוטוסינתזה, הן משחררות חמצן לאטמוספירה כדי שאנשים יוכלו לנשום; עצים וצמחים ירוקים (ביבשה ובים) אחראים בעיקר לחמצן באטמוספירה, ובלעדיהם, בעלי חיים ובני אדם, כמו גם צורות חיים אחרות, עשויים שלא להתקיים כפי שהם מתקיימים כיום.
פוטוסינתזה: הכרחית לכל החיים
דברים ירוקים וגדלים הם הכרחיים לכל החיים על פני כדור הארץ, לא רק כמזון לעשבי עשב ושומרי כל, אלא כדי לנשום חמצן. תהליך הפוטוסינתזה הוא הדרך העיקרית בה חמצן נכנס לאטמוספרה. זהו האמצעי הביולוגי היחיד בכוכב הלוכד את אנרגיות האור של השמשות, ומשנה אותו לסוכרים ופחמימות המספק חומרים מזינים לצמחים תוך שחרור חמצן.
חשבו על זה: צמחים ועצים יכולים בעצם למשוך אנרגיה המתחילה בשטחים החיצוניים של החלל, בצורה של אור שמש, להפוך אותה למזון, ובתוך כך לשחרר את האוויר הדרוש להם אורגניזמים צריכים לשגשג. אפשר לומר שלכל הצמחים והעצים המייצרים חמצן יש קשר סימביוטי עם כל האורגניזמים נושמי החמצן. בני אדם ובעלי חיים מספקים פחמן דו חמצני לצמחים, והם מספקים חמצן בתמורה. ביולוגים מכנים זאת מערכת יחסים סימביוטית הדדית מכיוון שכל הצדדים במערכת היחסים נהנים מכך.
במערכת הסיווג לינאית, הסיווג והדירוג של כל היצורים החיים, הצמחים, האצות וסוג חיידקים הנקראים ציאנובקטריה הם הישויות היחידות המייצרות מזון מאור השמש. הטענה לכריתת יערות והוצאת צמחים לצורך התפתחות נראית כמניעה אם לא נותרו אנשים לחיות בפיתוחים אלה מכיוון שלא נותרו צמחים ועצים ליצירת חמצן.
הפוטוסינתזה מתרחשת בעלים
צמחים ועצים הם אוטוטרופים, אורגניזמים חיים המייצרים מזון משלהם. מכיוון שהם עושים זאת באמצעות אנרגיית האור מהשמש, הביולוגים מכנים אותם אוטוטרוטים פוטו. מרבית הצמחים והעצים בכוכב הלכת הם פוטו-אוטוטרופים.
המרת אור שמש למזון מתרחשת ברמה התאית בתוך עלי הצמחים באורגנל המצוי בתאי צמחים, מבנה הנקרא כלורופלסט. בעוד שעלים מורכבים מכמה שכבות, פוטוסינתזה מתרחשת במזופיל, השכבה האמצעית. פתחי מיקרו קטנים בחלק התחתון של העלים הנקראים סטומטות שולטים על זרימת הפחמן הדו-חמצני והחמצן אל הצמח וממנו, ובקרת חילופי הגז של הצמחים ומאזן המים של הצמחים.
עגבניות קיימות בתחתית העלים, הפונות הרחק מהשמש, כדי למזער את אובדן המים. תאי שמירה קטנים המקיפים את העגבניות שולטים בפתיחה ובסגירה של פתחים דמויי פה אלה על ידי נפיחות או התכווצות כתגובה לכמות המים באטמוספירה. כאשר העגבניות נסגרות, פוטוסינתזה לא יכולה להתרחש מכיוון שהצמח אינו יכול להכניס פחמן דו חמצני. זה גורם לרמות הפחמן הדו-חמצני בצמח לרדת. כששעות אור היום מתחממות ויבשות מדי, הסטרומה נסגרת כדי לשמור על לחות.
כאורגנל או כמבנה ברמה התאית בעלים של הצמח, לכלורופלסטים יש קרום חיצוני ופנימי העוטף אותם. בתוך הממברנות הללו ישנם מבנים בצורת פלטה הנקראים תילאוקואידים. הממברנה התילאואידית היא המקום בו הצמח והעצים אוגרים כלורופיל, הפיגמנט הירוק האחראי לספיגת אנרגיית האור מהשמש. כאן מתרחשות התגובות הראשוניות התלויות באור בהן מספר חלבונים מהווים את שרשרת ההובלה כדי לשאת אנרגיה שנמשכת מהשמש למקום אליו היא צריכה להיכנס בתוך הצמח.
אנרגיה מהשמש: שלבי פוטוסינתזה
תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך דו-שלבי ורב-שלבי. השלב הראשון של הפוטוסינתזה מתחיל ב- תגובות אורהידוע גם בשם תהליך תלוי קל ודורש אנרגיית אור מהשמש. השלב השני, תגובה אפלה שלב, המכונה גם מחזור קלווין, הוא התהליך שבו הצמח מייצר סוכר בעזרת NADPH ו- ATP משלב התגובה הקלילה.
ה תגובת אור שלב הפוטוסינתזה כולל את הצעדים הבאים:
כל זה מתרחש ברמה הסלולרית בתוך הצמחים התילקואידים, שקים שטוחים פרטניים, מסודרים בגרנה או ערימות בתוך הכלורופלסטים של הצמח או בתאי העץ.
ה מחזור קלווין, על שמו של הביוכימאי של ברקלי, מלווין קלווין (1911-1997), זוכה פרס נובל לכימיה ב -1961 על גילוי שלב התגובה האפלה, הוא התהליך שבו הצמח מייצר סוכר בעזרת NADPH ו- ATP משלב התגובה הקלה. במהלך מחזור קלווין, הצעדים הבאים מתקיימים:
כלורופיל, ספיגת אור ויצירת אנרגיה
מוטבעות בתוך הממברנה התילקואידית שתי מערכות לכידת אור: מערכת הפסיכוס I ומערכת הפוטוסיסטית השנייה מורכבות מחלבונים דמויי אנטנה, ושם העלים של הצמחים משנים אנרגיית אור לאנרגיה כימית. Photosystem I מספק אספקה של נשאי אלקטרונים בעלי אנרגיה נמוכה ואילו האחרים מספקים את המולקולות המאושרות לאן שהן צריכות להגיע.
הכלורופיל הוא הפיגמנט סופג האור, בתוך עלי הצמחים והעצים, שמתחיל בתהליך הפוטוסינתזה. כפיגמנט אורגני בתוך התירוקואיד כלורופלסט, הכלורופיל קולט אנרגיה רק בתוך פס צר של הספקטרום האלקטרומגנטי שמייצרת השמש בטווח אורך הגל של 700 ננומטר (ננומטר) עד 400 ננומטר. ירוק, המכונה רצועת הקרינה הפעילה פוטוסינתטית, יושב באמצע ספקטרום האור הנראה ומפריד בין האנרגיה הנמוכה, אך אדומים, צהובים ותפוזים ארוכים יותר מהאנרגיה הגבוהה, אורך הגל הקצר יותר, בלוז, אינדיגו וסיגליות.
כפי ש כלורופיליות סופגות פוטון יחיד או מובחן חבילה של אנרגיית אור, היא גורמת למולקולות אלה להתלהב. ברגע שמולקולת הצמח מתרגשת, שאר השלבים בתהליך כוללים הכניסה של אותה מולקולה נרגשת למערכת הובלת האנרגיה דרך נושא האנרגיה הנקרא ניקוטין-אדנין דינוקלוטיד פוספט או NADPH, למסירה לשלב השני של הפוטוסינתזה, שלב התגובה האפל או מחזור קלווין.
לאחר הכניסה ל שרשרת העברת אלקטרוניםהתהליך מחלץ יוני מימן מהמים שנלקחים ומעביר אותם אל החלק הפנימי של התילקואיד, שם יונים מימן אלה בונים. היונים עוברים על פני קרום חצי נקבובי מהצד הסטרומלי עד לומן התילקואיד, מאבדים חלק מהאנרגיה בתהליך, כשהם עוברים דרך החלבונים הקיימים בין שתי מערכות הפוטו. יוני המימן נאספים בתוך לומן התילקואיד שם הם ממתינים להפעלה מחודשת לפני שהם משתתפים בתהליך ההופך את אדנוזין טריפוספט או ATP, למטבע האנרגיה של התא.
חלבוני האנטנה במערכת הפוטו 1 סופגים פוטון נוסף, ומעבירים אותו למרכז התגובה PS1 הנקרא P700. מרכז מחומצן, P700 מוציא אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה לניקוטין-amide adenine dinucleotide phosphate או NADP + ומפחית אותו ליצירת NADPH ו- ATP. זה המקום בו תא הצמח ממיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית.
הכלורופלסט מתאם את שני שלבי הפוטוסינתזה לשימוש באנרגיית אור לייצור סוכר. התילקואידים שבתוך הכלורופלסט מייצגים את אתרי תגובות האור, בעוד מחזור קלווין מתרחש בסטרומה.
פוטוסינתזה ונשימה סלולרית
הנשימה סלולרית, הקשורה לתהליך הפוטוסינתזה, מתרחשת בתא הצמח שכן היא תופסת אנרגיית אור, משנה אותה לאנרגיה כימית ומשחררת חמצן לאטמוספירה. הנשימה מתרחשת בתא הצמח מתרחשת כאשר הסוכרים המיוצרים בתהליך הפוטוסינתטי משתלבים עם חמצן ליצירת אנרגיה לתא ויוצרים פחמן דו חמצני ומים כתוצרי לוואי של הנשימה. משוואה פשוטה לנשימה היא הפוכה מזו של פוטוסינתזה: גלוקוז + חמצן = אנרגיה + פחמן דו חמצני + אנרגיית אור.
נשימה תאית מתרחשת בכל הצמחים החיים בתאים, לא רק בעלים, אלא גם בשורשי הצמח או העץ. מכיוון שנשימה סלולרית אינה זקוקה לאנרגיית אור בכדי להתרחש, היא יכולה להתרחש ביום או בלילה. אולם שתיית יתר של צמחים בקרקעות עם ניקוז לקוי גורמת לבעיה בנשימה סלולרית, מכיוון שצמחים מוצפים אינם יכולים ליטול מספיק חמצן דרך שורשיהם ולהפוך גלוקוז בכדי לשמור על התהליכים המטבוליים של התאים. אם הצמח מקבל יותר מדי מים במשך זמן רב מדי, ניתן לשלול את שורשיו מחמצן, מה שבעצם יכול לעצור את הנשימה התאית ולהרוג את הצמח.
התחממות כדור הארץ ותגובת פוטוסינתזה
אוניברסיטת קליפורניה מרסד פרופסור אליוט קמפבל וצוות החוקרים שלו ציינו במאמר באפריל 2017 בכתב העת "טבע", כתב עת בינלאומי למדע, כי תהליך הפוטוסינתזה התגבר באופן דרמטי במהלך המאה העשרים. צוות המחקר גילה תיעוד עולמי של התהליך הפוטוסינתטי המתקיים במאתיים שנה.
זה הוביל אותם למסקנה כי סך כל הפוטוסינתזה הצמחית על פני כדור הארץ צמח בכ -30 אחוז במהלך השנים בהן חקרו. בעוד שהמחקר לא זיהה באופן ספציפי את הגורם לקיומה של התרחשות בתהליך הפוטוסינתזה באופן גלובלי, מודלי המחשבים של הצוותים מציעים כמה תהליכים, בשילוב, שיכולים לגרום לעלייה כה גדולה בצמיחת הצמחים העולמית.
המודלים הראו כי הגורמים המובילים לעלייה בפוטוסינתזה כוללים עלייה בפליטת הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה (בעיקר כתוצאה מפעילות אנושית), עונות גידול ארוכות יותר בגלל התחממות כדור הארץ כתוצאה מפליטות אלה וזיהום חנקן מוגבר הנגרם כתוצאה מחקלאות המונית ושריפת דלק מאובנים. לפעילויות אנושיות שהובילו לתוצאות אלה השפעות חיוביות ושליליות הן על כדור הארץ.
פרופסור קמפבל ציין כי בעוד שפליטת פחמן דו חמצני מוגברת מעוררת את תפוקת היבול, היא גם מעוררת צמיחת עשבים לא רצויים ומינים פולשים. הוא ציין כי עלייה בפליטות פחמן דו חמצני גורמת ישירות לשינויי אקלים המובילים לשיטפונות נוספים באזורי החוף, לתנאי מזג אוויר קיצוניים ולעלייה בהחמצת האוקיאנוס, אשר לכולם יש השפעות מרחיבות ברחבי העולם.
בעוד שהפוטוסינתזה גברה במהלך המאה העשרים, היא גם גרמה לצמחים לאגור יותר פחמן במערכות אקולוגיות ברחבי העולם, וכתוצאה מכך הם הפכו למקורות פחמן במקום כיורי פחמן. אפילו עם העלייה בפוטוסינתזה, הגידול אינו יכול לפצות על הבעירה בדלקים מאובנים, מכיוון שיותר פליטות פחמן דו חמצני מבערה של דלק מאובנים נוטים להציף את יכולת הצמחים לספוג CO2.
החוקרים ניתחו את נתוני השלג האנטארקטיים שנאספו על ידי המינהל הלאומי לאוקיאנוס והאטמוספרי כדי לפתח את ממצאיו. על ידי חקר הגז שנאגר בדגימות הקרח, החוקרים בחנו את האווירה העולמית של העבר.