![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_6ixLCt6ulT0XuUPgvhf.jpg)
יערות נחשבים ל"ריאות הירוקות של כדור הארץ "שלא לשווא. מהי פוטוסינתזה וכיצד מתרחש תהליך זה, נשקול בפירוט.
מהי פוטוסינתזה?
פוטוסינתזה - תהליך ביוכימי שבמהלכו נוצרים אורגניים באמצעות פיגמנטים צמחיים מיוחדים ואנרגיית אור מחומרים אורגניים (פחמן דו חמצני, מים). זהו אחד התהליכים החשובים ביותר שבגללם הופיעו רוב האורגניזמים וממשיכים להתקיים על פני כדור הארץ.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_uOv4HpOwd55imt1Be2E.jpg)
עובדה מעניינת: צמחים יבשתיים, כמו גם אצות ירוקות, מסוגלים לפוטוסינתזה. במקרה זה, אצות (פיטופלנקטון) מייצרות 80% חמצן.
חשיבותה של הפוטוסינתזה לחיים על כדור הארץ
ללא פוטוסינתזה, במקום אורגניזמים חיים רבים, רק חיידקים היו קיימים בכוכב הלכת שלנו. האנרגיה המתקבלת כתוצאה מתהליך כימי זה היא שאפשרה לחיידקים להתפתח.
כל תהליכים טבעיים זקוקים לאנרגיה. היא באה מהשמש. אולם אור השמש קורם עור וגידים לאחר שהופך על ידי צמחים.
צמחים משתמשים רק בחלק מהאנרגיה, ואת השאר הם צוברים בעצמם. הם אוכלים אוכלי עשב, שהם מזון לטורפים. במהלך השרשרת כל קישור מקבל את החומרים האנרגטיים החשובים הדרושים.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_k9XrgGsZljrp.jpg)
חמצן המיוצר במהלך התגובה הכרחי לכל היצורים לנשום. הנשימה היא ההפך מהפוטוסינתזה. במקרה זה, חומר אורגני מתחמצן, נהרס. האנרגיה המתקבלת משמשת אורגניזמים לביצוע משימות חיוניות שונות.
במהלך קיומו של הפלנטה, כאשר היו מעט צמחים, החמצן היה כמעט חסר. צורות חיים פרימיטיביות קיבלו מינימום אנרגיה בדרכים אחרות. זה היה מעט מדי להתפתחות. לכן, נשימה בגלל חמצן פתחה הזדמנויות רבות יותר.
פונקציה נוספת של פוטוסינתזה היא הגנה על אורגניזמים מחשיפה לאור אולטרה סגול. זוהי שכבת אוזון שנמצאת בסטרטוספרה בגובה של כ 20-25 ק"מ. הוא נוצר בגלל חמצן, ההופך לאוזון תחת פעולת אור השמש. ללא הגנה זו, החיים על כדור הארץ היו מוגבלים רק לאורגניזמים מתחת למים.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_OmovxgXB250z.jpg)
אורגניזמים משחררים פחמן דו חמצני במהלך הנשימה. זהו מרכיב חיוני בפוטוסינתזה. אחרת, פחמן דו חמצני פשוט יצטבר באטמוספירה העליונה, מה שמשפר מאוד את אפקט החממה.
זו בעיה סביבתית חמורה, שעיקרה העלאת הטמפרטורה של האטמוספרה עם השלכות שליליות. אלה כוללים שינויי אקלים (התחממות כדור הארץ), קרחונים נמסים, עליית מפלס הים וכו '.
פונקציות פוטוסינתזה:
- התפתחות חמצן;
- היווצרות אנרגיה;
- היווצרות חומרים מזינים;
- יצירת שכבת האוזון.
הגדרה ונוסחה של פוטוסינתזה
המונח "פוטוסינתזה" בא משילוב של שתי מילים: צילום וסינתזה. הם מתורגמים מיוונית קדומה ומשמעותם היא "אור" ו"חיבור ", בהתאמה. כך, אנרגיית האור מומרת לאנרגיה של קשרים של חומרים אורגניים.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_bh66emxv2DqvOIDvpoYJ5.jpg)
תוכנית:
פחמן דו חמצני + מים + אור = פחמימה + חמצן.
הנוסחה המדעית לפוטוסינתזה:
6CO2 + 6 ח2O → ג6נ12על אודות6 + 6O2.
פוטוסינתזה מתרחשת כך שמגע ישיר של מים ו CO2 בלתי נראה.
חשיבות הפוטוסינתזה לצמחים
צמחים דורשים חומר אורגני, אנרגיה לצמיחה והתפתחות. בזכות הפוטוסינתזה הם מספקים לעצמם רכיבים אלה. יצירת חומרים אורגניים היא המטרה העיקרית של פוטוסינתזה לצמחים, ושחרור החמצן נחשב כתגובה לוואי.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_RZptuGhlQMPhC4V008P6.jpg)
עובדה מעניינת: צמחים הם יחודיים מכיוון שהם אינם זקוקים לאורגניזמים אחרים כדי להשיג אנרגיה.לכן הם מהווים קבוצה נפרדת - אוטוטרופים (שתורגמו מהשפה היוונית העתיקה "אני אוכל את עצמי").
כיצד מתרחשת פוטוסינתזה?
הפוטוסינתזה מתרחשת ישירות בחלקים הירוקים של צמחים - כלורופלסטים. הם חלק מתאי הצמח. כלורופלסטים מכילים חומר - כלורופיל. זהו הפיגמנט הפוטוסינתטי העיקרי, בזכותו התגובה כולה מתרחשת. בנוסף, הכלורופיל קובע את הצבע הירוק של הצמחייה.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ge8lfDlQqulkYiAG2h8n.jpg)
פיגמנט זה מאופיין ביכולת לקלוט אור. ובתאי הצמח, משיקה "מעבדה" ביוכימית אמיתית, בה מים ו CO2 הופכים לחמצן, לפחמימות.
מים נכנסים דרך מערכת השורשים של הצמח, וגז חודר ישירות לעלים. האור משמש כמקור אנרגיה. כאשר חלקיק אור פועל על מולקולת כלורופיל, הפעלתו מתרחשת. במולקולת המים H2חמצן O (O) נותר ללא דרישה. כך הוא הופך לתוצר לוואי לצמחים, אך חשוב לנו כל כך, למוצר תגובה.
שלבי פוטוסינתזה
הפוטוסינתזה מחולקת לשני שלבים: אור וחושך. הם מתרחשים במקביל, אך בחלקים שונים של הכלורופלסט. שמו של כל שלב מדבר בעד עצמו. השלב האור או תלוי האור מתרחש רק בהשתתפות חלקיקי האור. בשלב החשוך או הלא הפכפך, אור אינו נדרש.
לפני שבוחנים כל שלב ביתר פירוט, כדאי להבין את מבנה הכלורופלסט, מכיוון שהוא קובע את מהות השלבים ומקומם. כלורופלסט הוא מגוון פלסטידים ונמצא בתוך התא בנפרד משאר מרכיביו. יש לו צורה של זרע.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_eVvo0uL80KXGz.jpg)
מרכיבי כלורופלסט המעורבים בפוטוסינתזה:
- 2 קרומים;
- סטרומה (נוזל פנימי);
- תילאואידים;
- לומן (פערים בתילקואידים).
שלב קל של פוטוסינתזה
זה זורם על תילאואידים, ליתר דיוק, הממברנות שלהם. כאשר האור פוגע בהם, אלקטרונים טעונים שלילית משתחררים ומצטברים. לפיכך, פיגמנטים פוטוסינתטיים מאבדים את כל האלקטרונים, ואחריהם תורם של מולקולות מים להתפורר:
ח2O → H + + OH-
במקרה זה, לפרוטוני המימן הנוצרים יש מטען חיובי והם מצטברים על הקרום התילקואיד הפנימי. כתוצאה מכך, פרוטונים עם מטען פלוס ואלקטרונים עם מטען מינוס מופרדים רק על ידי קרום.
חמצן מיוצר כתוצר לוואי:
4OH → O2 + 2 ח2O
ברגע מסוים, שלבי האלקטרונים והפרוטונים של מימן הופכים רבים מדי. ואז האנזים ATP synthase נכנס לעבודה. תפקידו להעביר פרוטונים מימן מהקרום התילקואיד למדיום הנוזל של כלורופלסט - הסטרומה.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_o9b6e1elhs9ulqtikfOHJo2V.jpg)
בשלב זה, מימן עומד לרשותו של נשא אחר - NADP (קיצור לניקוטינודין נוקליאוטיד פוספט). זהו גם סוג של אנזים שמאיץ תגובות חמצוניות בתאים. במקרה זה, תפקידו להעביר פרוטונים מימן בתגובה של פחמימות.
בשלב זה מתרחש תהליך הפוטופוספוליציה, שבמהלכו נוצרת כמות עצומה של אנרגיה. המקור שלה הוא ATP - חומצה אדנוזין טריפוספורית.
בקצרה:
- הלהיט של קוואנט האור על הכלורופיל.
- בחירת האלקטרונים.
- התפתחות החמצן.
- היווצרות אוקסידאז NADPH.
- ייצור אנרגיה של ATP.
עובדה מעניינת: יש צמח relict בשם Velvichia הגדל בחוף אפריקה של האוקיאנוס האטלנטי. זהו הנציג היחיד מסוגו עם מינימום עלים המסוגלים לפוטוסינתזה. עם זאת, גיל הוולביץ 'מגיע לכ -2000 שנה.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_h2Onh5a1VIpAvyuxUy5.jpg)
השלב האפל של הפוטוסינתזה
השלב העצמאי האור מתרחש ישירות בסטרומה. זה מייצג סדרה של תגובות אנזימטיות. פחמן דו חמצני שנספג בשלב האור מומס במים, ובשלב זה הוא מופחת לגלוקוז. מיוצרים גם חומרים אורגניים מורכבים.
התגובות של השלב האפל מחולקות לשלושה סוגים עיקריים ותלויים בסוג הצמחים (ליתר דיוק, חילוף החומרים שלהם), בתאים שבהם מתרחשת הפוטוסינתזה:
- עם3-צמחים;
- עם4-צמחים;
- צמחי CAM.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_SU600g23awvV.jpg)
ק ג3- הצמחים כוללים את מרבית הגידולים החקלאיים הגדלים באקלים ממוזג. במהלך פוטוסינתזה, הפחמן הדו-חמצני הופך לחומצה זרחתית.
מינים סובטרופיים וטרופיים, בעיקר עשבים שוטים, שייכים לצמחי C4. הם מאופיינים בהפיכת דו תחמוצת הפחמן לאוקסלואצטט. צמחי CAM הם קטגוריה של צמחים חסרי לחות. הם נבדלים זה מזה בסוג מיוחד של פוטוסינתזה - CAM.
עם3-סינתזה
הנפוץ ביותר הוא C3פוטוסינתזה, המכונה גם מחזור קלווין - לכבוד המדען האמריקני מלווין קלווין, שתרם תרומה אדירה לחקר התגובות הללו וקיבל את פרס נובל על כך.
צמחים נקראים C3 בשל העובדה כי במהלך התגובות של השלב החשוך נוצרות מולקולות 3-פחמן של חומצה 3-פוספוגליצרית - 3-PGA. אנזימים שונים מעורבים ישירות.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_Qk05t1VSjLsE4TsFEYfrh2w.jpg)
על מנת שתיווצר מולקולת גלוקוז שלמה חייבים לעבור 6 מחזורי תגובות של שלב עצמאי האור. הפחמימה היא התוצר העיקרי של הפוטוסינתזה במחזור קלווין, אך בנוסף לו מיוצרים חומצות שומן ואמיניות, כמו גם גליקוליפידים. ג3 פוטוסינתזה של הצמח מתרחשת אך ורק בתאי מזופיל.
החיסרון העיקרי של ג3פוטוסינתזה
צמחים בקבוצה C3מאופיינים בחיסרון אחד משמעותי. אם אין מספיק לחות בסביבה, יכולת הפוטוסינתזה מופחתת משמעותית. זה נובע מהנשמת הצילום.
העובדה היא שעם ריכוז נמוך של פחמן דו חמצני בכלורופלסטים (פחות מ 50: 1 000 000), חמצן קבוע במקום קיבוע פחמן. אנזימים מיוחדים מאטים משמעותית ומבזבזים אנרגיה סולארית.
במקביל, צמיחתו וההתפתחות של הצמח מאטה, מכיוון שהוא חסר חומר אורגני. כמו כן, אין שחרור חמצן לאטמוספירה.
עובדה מעניינת: שבלול הים אליזה כלורוטיקה הוא חיה ייחודית המצלמת את הצילום כמו צמחים. הוא ניזון מאצות, שהכלורופלסטים שלהן חודרים לתאי מערכת העיכול ומתמוססים שם במשך חודשים. הפחמימות המיוצרות משמשות את הקליפה כמזון.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_r68tJtEehupPx6ti7DiObe.jpg)
פוטוסינתזה C4
שלא כמו ג3-סינתזה, כאן התגובות של קיבוע פחמן דו חמצני מתבצעות בתאי צמח שונים. סוגים אלה של צמחים מסוגלים להתמודד עם בעיית הנשמה, והם עושים זאת במחזור דו-שלבי.
מצד אחד נשמרת רמה גבוהה של פחמן דו חמצני, ומצד שני נשלטת רמת חמצן נמוכה בכלורופלסטים. טקטיקה זו מאפשרת לצמחי C4 להימנע מנשימות צילום והקשיים הנלווים לה. נציגי צמחים מקבוצה זו הם קנה סוכר, תירס, דוחן וכו '.
בהשוואה לצמחים ג3 הם מסוגלים לבצע תהליכי פוטוסינתזה בצורה הרבה יותר אינטנסיבית בתנאי טמפרטורה גבוהה וחוסר לחות. בשלב הראשון קבוע דו תחמוצת הפחמן בתאי המזופיל, שם נוצרת חומצה 4-פחמית. ואז החומצה עוברת לקליפה ומתפרקת שם לתרכובת 3-פחמנית ופחמן דו-חמצני.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_qOV4EeoTfawFT6iB9XDKc.jpg)
בשלב השני, הפחמן הדו-חמצני המתקבל מתחיל לעבוד במחזור קלווין, בו מיוצרים גליצראלדהיד-3-פוספט ופחמימות, הנחוצים למטבוליזם האנרגיה.
בשל הפוטוסינתזה הדו-שלבית בצמחי C4, נוצרת כמות מספקת של פחמן דו-חמצני למחזור קלווין. לכן אנזימים פועלים במלוא עוצמתם ואינם מבזבזים אנרגיה לשווא.
אך למערכת זו חסרונות. בפרט נצרכת כמות גדולה יותר של אנרגיה ATP - היא הכרחית להפיכת חומצות 4-פחמן לחומצות 3-פחמן ובכיוון ההפוך. אז ג3פוטוסינתזה היא תמיד פרודוקטיבית יותר מ- C4 עם הכמות הנכונה של מים ואור.
מה משפיע על שיעור הפוטוסינתזה?
פוטוסינתזה יכולה להתרחש במהירויות שונות. תהליך זה תלוי בתנאי הסביבה:
- מים;
- אורך גל האור;
- פחמן דו חמצני;
- טמפרטורה.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_ZW73s84oz5.jpg)
מים הם גורם בסיסי, ולכן כאשר הם חסרים, התגובות מאטות. לפוטוסינתזה, הטובים ביותר הם גלי הספקטרום האדום והכחול-סגול. עדיפה גם דרגה גבוהה של תאורה, אך רק לערך מסוים - כשמגיעים אליו, הקשר בין התאורה וקצב התגובה נעלם.
ריכוז גבוה של פחמן דו חמצני מספק תהליכים פוטוסינתטיים מהירים ולהיפך. טמפרטורות מסוימות חשובות לאנזימים המזרזים את התגובות. התנאים האידיאליים עבורם הם בערך 25-30 ℃.
נשימה בצילום
כל היצורים החיים זקוקים לנשימה, וצמחים אינם יוצאים מן הכלל. עם זאת, תהליך זה אצלם מתרחש מעט שונה מאשר אצל בני אדם ובעלי חיים, וזו הסיבה שהוא מכונה הנשמה פוטורית.
בדרך כלל, נשימה - תהליך פיזי שבמהלכו אורגניזם חי וסביבתו מחליפים גזים. כמו כל היצורים החיים, צמחים זקוקים לחמצן כדי לנשום. אבל הם צורכים את זה הרבה פחות ממה שהם מייצרים.
במהלך פוטוסינתזה, המתרחשת רק באור שמש, צמחים יוצרים לעצמם מזון. במהלך נשימות הצילום, המתבצעת מסביב לשעון, חומרים מזינים אלו נספגים על ידם על מנת לתמוך בחילוף החומרים שבתאים.
עובדה מעניינת: במהלך יום שמש, חלקת יער של 1 דונם צורכת 120-280 ק"ג של פחמן דו חמצני ופולטת בין 180 ל -200 ק"ג חמצן.
חמצן (כמו פחמן דו חמצני) חודר לתאי צמחים דרך פתחים מיוחדים - stomata. הם ממוקמים בתחתית העלים. כ -1000 עגבניות יכולות להיות ממוקמות על גיליון אחד.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_i88dfhKbye6D.jpg)
החלפת גז של צמחים בהתאם לתאורה
תהליך חילופי הגז בתאורה שונה מוצג כדלקמן:
- אור בהיר. נעשה שימוש בפחמן דו חמצני במהלך פוטוסינתזה. צמחים מייצרים יותר חמצן ממה שהם צורכים. העודפים שלה נכנסים לאווירה. פחמן דו חמצני נצרך מהר יותר משוחרר על ידי הנשימה. פחמימות שאינן בשימוש מאוחסנות על ידי הצמח לשימוש עתידי.
- תאורה חלשה. חילופי גז עם הסביבה אינם מתרחשים, מכיוון שהצמח צורך את כל החמצן שהוא מייצר.
- חוסר אור. רק תהליכי נשימה מתרחשים. פחמן דו חמצני משתחרר ונצרך חמצן.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_wgWu7iRgxx8aTq80Eu.jpg)
כימוסינתזה
יש אורגניזמים חיים המסוגלים ליצור גם חד-פחמימות ממים ופחמן דו-חמצני, בעוד שהם אינם זקוקים לאור שמש. אלה כוללים חיידקים, ותהליך המרת האנרגיה נקרא כימוסינתזה.
כימוסינתזה זהו תהליך שבמהלכו הוא מסונתז את הגלוקוז, אך משתמשים בכימיקלים במקום באנרגיה סולארית. הוא זורם באזורים עם טמפרטורה גבוהה מספיק, המתאימים להפעלת אנזימים, ובהיעדר אור. אלה עשויים להיות אזורים ליד מעיינות הידרותרמיים, נזילות מתאן בעומק הים וכו '.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_1kf7567z9O0gbkQ.jpg)
ההיסטוריה של גילוי הפוטוסינתזה
ההיסטוריה של הגילוי וחקר הפוטוסינתזה היא משנת 1600, אז החליט ג'אן בפטיסט ואן הלמונט להבין את השאלה הדחופה באותה תקופה: ממה אוכלים צמחים ומאיפה הם מקבלים חומרים שימושיים?
באותה תקופה האמינו כי האדמה היא מקור לאלמנטים יקרי ערך. המדען הציב זרד ערבה במיכל עם אדמה, אך בעבר מדד את משקלם. במשך 5 שנים הוא דאג לעץ, להשקות אותו, ולאחר מכן שוב ביצע נהלי מדידה.
התברר שמשקל האדמה פחת ב 56 גרם, אך העץ כבד פי 30. תגלית זו הפריכה את התפיסה כי צמחים ניזונים מאדמה והולידה תיאוריה חדשה - תזונת מים.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_HfWfuWci6MGiKmIA4udB5Gl6.jpg)
בעתיד, מדענים רבים ניסו להפריך זאת.לדוגמה, לומונוסוב האמין כי רכיבים מבניים חלקיים נכנסים לצמחים דרך עלים. הוא הונחה על ידי צמחים הגדלים בהצלחה באזורים צחיחים. עם זאת, לא ניתן היה להוכיח גרסה זו.
הדבר הקרוב ביותר למצב הדברים האמיתי היה ג'וזף פריסטלי, מדען כימי וכומר במשרה חלקית. פעם אחת גילה עכבר מת בתוך צנצנת הפוכה, ואירוע זה אילץ אותו לערוך סדרת ניסויים עם מכרסמים, נרות ומכלים בשנות ה- 1770.
פריסטלי גילה שהנר תמיד כבה במהירות אם מכסים אותו בצנצנת מלמעלה. כמו כן, אורגניזם חי אינו יכול לשרוד. המדען הגיע למסקנה שישנם כוחות מסוימים שהופכים אוויר מתאים לחיים, וניסה לחבר תופעה זו לצמחים.
הוא המשיך לקבוע ניסויים, אך הפעם הוא ניסה להניח סיר עם נענע גדלה מתחת לכלי זכוכית. להפתעתה הגדולה המשיך המפעל להתפתח באופן פעיל. ואז הכניס פריסטלי צמח ועכבר מתחת לצנצנת אחת, ורק חיה מתחת לשנייה. התוצאה ברורה - מתחת לטנק הראשון המכרסם נותר ללא פגע.
![](http://nationalgreenhighway.org/img/kipm-2020/1414/image_5yst8JXqa4O.jpg)
ההישג של הכימאי הפך למוטיבציה של מדענים אחרים ברחבי העולם לחזור על הניסוי. אבל התפיסה הייתה שהכומר ערך ניסויים בשעות היום. וגם, למשל, הרוקח קארל שיל - בלילה, כשהיה זמן פנוי. כתוצאה מכך האשים המדען את פריסטלי בהונאה, מכיוון שנבדקי הניסוי שלו לא יכלו לעמוד בניסוי עם הצמח.
עימות מדעי אמיתי התפתח בין כימאים, שהביא יתרונות משמעותיים ואיפשרו לגלות תגלית נוספת - שצמחים צריכים להחזיר אוויר, הם זקוקים לאור שמש.
כמובן שאז איש לא כינה תופעה זו פוטוסינתזה, ועדיין היו הרבה שאלות. עם זאת, בשנת 1782 הצליח הבוטנאי ז'אן סנבייר להוכיח כי בנוכחות אור השמש, צמחים מסוגלים לפרק פחמן דו חמצני ברמה התאית. ובשנת 1864, סוף סוף, הופיעו עדויות ניסיוניות לכך שצמחים סופגים פחמן דו חמצני ומפרישים חמצן. זה הכשרון של המדען מגרמניה - יוליוס סאקס.