فتوسنتز از شگفت‌انگیزترین فرایندهای زیستی در جهان است که پایه و اساس زندگی روی کره زمین را تشکیل می‌دهد. این فرایند که در گیاهان، جلبک‌ها و برخی باکتری‌ها رخ می‌دهد، به آنها اجازه می‌دهد انرژی خورشید را به مواد غذایی تبدیل و اکسیژن آزاد کنند؛ گازی که برای تنفس تمام موجودات زنده ضروری است. در این مقاله از دیجیاتو، فتوسنتز و چگونگی عملکرد آن را بررسی می‌کنیم.
فتوسنتز چیست؟
فتوسنتز (Photosynthesis) فرایندی زیست‌شیمیایی است که طی آن، گیاهان سبز و برخی موجودات فتوسنتزکننده انرژی نورانی را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند. در فتوسنتز، انرژی نور جذب و با استفاده از آب، دی‌اکسیدکربن و مواد معدنی، محصولات اکسیژن و ترکیبات آلی، مانند گلوکز، تولید می‌شود.
بیشتر موجودات زنده به سلول‌های فتوسنتزکننده وابسته‌اند تا مولکول‌های آلی پیچیده‌ای را که برای منبع انرژی نیاز دارند، تولید کنند. این سلول‌ها بسیار متنوع‌اند و شامل سلول‌های موجود در گیاهان سبز، فیتوپلانکتون‌ها و سیانوباکتری‌ها می‌شوند.
گیاهان سبز بخش بزرگی از اکسیژن هوا را تولید می‌کنند اما فیتوپلانکتون‌ها و سیانوباکتری‌های اقیانوس‌های جهان بین یک‌سوم تا نیمی از اکسیژن اتمسفر زمین را تأمین می‌کنند.
فتوسنتز برای حفظ حیات روی زمین بسیار مهم است. اگر فتوسنتز متوقف شود، به‌زودی مقدار کمی غذا یا مواد آلی دیگر روی زمین باقی می‌ماند! بیشتر موجودات از بین می‌روند و درنهایت، جو زمین تقریباً خالی از اکسیژن گازی خواهد شد.
سوخت‌های فسیلی، مانند زغال‌سنگ، نفت و گاز که نیاز صنعت به انرژی را تأمین می‌کنند، نتیجه فتوسنتز در گیاهانی است که میلیون‌ها سال پیش زیسته‌اند. در گذشته، گیاهان سبز و موجودات کوچکی که از گیاهان تغذیه می‌کردند، از بین رفته و بقایای آنها از طریق رسوب‌گذاری و دیگر فرایندهای زمین‌شناسی در پوسته زمین دفن می‌شد.
این بقایا که از اکسیداسیون حفظ می‌شدند، به‌آرامی به سوخت‌های فسیلی تبدیل شدند. این سوخت‌ها نه‌فقط بخش زیادی از انرژی مصرفی کارخانه‌ها، خانه‌ها و حمل‌ونقل را فراهم می‌کنند، بلکه به‌عنوان ماده خام برای تولید پلاستیک و سایر محصولات مصنوعی به کار می‌روند.
متأسفانه، تمدن مدرن طی چند قرن، ذخایر اضافی فتوسنتزی را که طی میلیون‌ها سال جمع شده است، مصرف می‌کند؛ در نتیجه، دی‌اکسیدکربنی که طی فتوسنتز از هوا حذف شده بود، اکنون با سرعتی بی‌سابقه به جو زمین بازمی‌گردد!
افزایش غلظت دی‌اکسیدکربن در جو زمین در سریع‌ترین حالت خود در تاریخ زمین است و پیش‌بینی می‌شود این پدیده تأثیرات عمده‌ای بر اقلیم زمین گذاشته باشد.
فتوسنتز به زبان ساده
فتوسنتز نوعی فرایند «اکسایش-کاهش» است که در همه بخش‌های سبز گیاهان، مانند برگ‌ها، ساقه‌ها و… انجام می‌شود. در گیاهان، انرژی نور برای اکسیداسیون آب (H₂O) استفاده شده و گاز اکسیژن (O₂)، یون‌های هیدروژن (⁺H) و الکترون‌ها آزاد می‌شوند.
الکترون‌ها و یون‌های هیدروژن آزادشده نقش کلیدی در ادامه فرایند دارند؛ بیشتر آنها به دی‌اکسیدکربن (CO₂) منتقل شده و به محصولات آلی کاهش می‌یابند. برخی الکترون‌ها و یون‌های هیدروژن نیز برای احیای نیترات و سولفات به گروه‌های آمینو و سولفیدریل در اسیدهای آمینه که بلوک‌های سازنده پروتئین‌ها هستند، استفاده می‌شوند.
در سلول‌های سبز گیاهان، کربوهیدرات‌ها، به‌ویژه نشاسته و ساکاروز، محصولات آلی مستقیم فتوسنتز هستند. واکنش کلی فتوسنتز که در آن کربوهیدرات‌ها با فرمول عمومی (CH₂O) تشکیل می‌شوند، با معادله زیر نشان داده می‌شود:
باید توجه داشت که این معادله صرفاً خلاصه‌ای کلی است؛ در حقیقت فرایند واقعی فتوسنتز شامل واکنش‌های متعددی است که به‌وسیله آنزیم‌ها (کاتالیزگرهای آلی) تسریع می‌شوند. این واکنش‌ها در 2 مرحله رخ می‌دهند: 1) مرحله نور یا واکنش‌های نوری و 2) مرحله تاریک.
مرحله نور یا واکنش‌های نوری
در این مرحله، انرژی نور خورشید را رنگدانه‌هایی مانند کلروفیل که درون کلروپلاست‌های سلول‌های گیاهی قرار دارند، جذب می‌کنند. هنگامی که ذرات نور به مولکول‌های رنگدانه می‌رسند، الکترون‌ها انرژی دریافت کرده و به زنجیره انتقال الکترون در غشای تیلاکوئیدی منتقل می‌شوند.
الکترون‌های برانگیخته‌شده مولکول را در حالت ناپایدار قرار می‌دهند و برای بازگشت به حالت پایدار، الکترون باید انرژی اضافه خود را آزاد کند. در هر مرحله از زنجیره انتقال، الکترون‌ها به وضعیت انرژی پایین‌تری می‌روند و انرژی آنها برای تولید ATP و NADPH (مولکول‌های حامل انرژی) ذخیره می‌شود. این مولکول‌ها در نقش «باتری‌های انرژی» برای مرحله بعدی عمل می‌کنند.
در این میان، هر مولکول کلروفیل الکترون ازدست‌رفته خود را با الکترونی از آب جایگزین می‌کند؛ این فرایند اساساً مولکول‌های آب را شکسته و اکسیژن تولید می‌کند.
مرحله تاریک و چرخه کالوین
پس از واکنش‌های نوری، واکنش‌های غیرنوری یا «تاریک» در بخشی از کلروپلاست به نام استروما رخ می‌دهند. در این فرایند که «تثبیت کربن» نیز نامیده می‌شود، با استفاده از انرژی به‌دست‌آمده از مولکول‌های ATP و NADPH، دی‌اکسیدکربن از هوا گرفته شده و طی واکنش‌های شیمیایی در چرخه کالوین، قند سه‌کربنی به نام «گلیسرآلدئید-3-فسفات» (G3P) تولید می‌شود. سپس سلول‌ها از G3P برای ساخت انواع مختلفی از قندها (مانند گلوکز) و مولکول‌های آلی دیگر استفاده می‌کنند.
چرخه کالوین
این چرخه مجموعه‌ای از واکنش‌های اکسایش و کاهش است که کربن موجود در دی‌اکسیدکربن را به ترکیبات آلی تبدیل می‌کند. این چرخه به مولکول‌های ATP و NADPH وابسته است که در مرحله نوری تولید شده‌اند. چرخه کالوین در 3 مرحله انجام می‌شود:
1- مرحله تثبیت کربن
در این مرحله، دی‌اکسیدکربن از هوا جذب شده و با یک مولکول پنج‌کربنه به نام ریبولوز-1،5-بیس‌فسفات (RuBP) ترکیب می‌شود. این واکنش با آنزیمی به نام روبیسکو (RuBisCO) کاتالیز می‌شود. نتیجه این واکنش یک مولکول شش‌کربنه ناپایدار است که بلافاصله به 2 مولکول سه‌کربنه به نام 3-فسفوگلیسرات (3PGA) شکسته می‌شود.
2- مرحله کاهش
در این مرحله، مولکول‌های 3-PGA با استفاده از انرژی و الکترون‌هایی که ATP و NADPH تأمین کرده، به مولکول‌های سه‌کربنه پرانرژی به نام گلیسرآلدهید-3-فسفات (G3P) تبدیل می‌شوند. این مولکول‌های پیش‌ساز تولید گلوکز و دیگر ترکیبات آلی هستند.
3- مرحله بازتولید مولکول‌های اولیه
در این مرحله، بخش عمده‌ای از G3P تولیدشده دوباره به RuBP بازسازی می‌شود تا چرخه بتواند تکرار شود. این بازسازی نیازمند انرژی است که از ATP تأمین می‌شود. مقدار کمی از G3P نیز برای سنتز گلوکز و سایر مواد آلی ذخیره می‌شود.
محصولات واکنش فتوسنتز
مهم‌ترین محصول آلی مستقیم فتوسنتز در اکثر گیاهان سبز کربوهیدرات‌ها هستند. تشکیل کربوهیدرات ساده مانند گلوکز با معادله شیمیایی زیر نشان داده می‌شود:
(آب + اکسیژن + گلوکز → نور + آب + دی‌اکسیدکربن)
در گیاهان، گلوکز آزاد کمی تولید می‌شود و واحدهای گلوکز به یکدیگر متصل می‌شوند و نشاسته را تشکیل می‌دهند یا با فروکتوز، نوع دیگر قند، ترکیب می‌شوند و ساکارز را می‌سازند.
در فتوسنتز، نه‌فقط کربوهیدرات‌ها، بلکه اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها، لیپیدها (چربی‌ها)، رنگدانهها و دیگر ترکیبات آلی موجود در بافت‌های سبز نیز سنتز می‌شوند. مواد معدنی، عناصری مانند نیتروژن، فسفر و گوگرد را برای تشکیل این ترکیبات تأمین می‌کنند.
کدام سلول‌ها و اندامک‌ها در فتوسنتز نقش دارند؟
سلول‌های فتوسنتزکننده حاوی رنگدانههای خاصی هستند که انرژی نور را جذب می‌کنند. هر رنگدانه به طول‌موج خاصی از نور مرئی واکنش نشان می‌دهد. کلروفیل، رنگدانه اصلی در فتوسنتز، نور سبز را منعکس کرده و نور قرمز و آبی را جذب می‌کند.
فتوسنتز گیاهان در کلروپلاست‌ها که حاوی کلروفیل هستند، انجام می‌شود. کلروپلاست‌ها با غشایی دولایه احاطه شده‌اند و غشای داخلی دیگری به نام «غشای تیلاکوئیدی» دارند که به‌صورت چین‌های طولانی درون اندامک قرار گرفته است.
رنگدانه سبز کلروفیل در غشای تیلاکوئیدی قرار دارد و فضای بین غشای تیلاکوئیدی و غشای کلروپلاست «استروما» (Stroma) نامیده می‌شود. استروما با مایع غنی از آنزیم‌ها پر شده و واکنش‌های نوری فتوسنتز را پشتیبانی می‌کند.
اگرچه گیاهان عمدتاً نور را از کلروفیل‌ها جذب می‌کنند، رنگدانههای دیگری نیز وجود دارند که به نور واکنش نشان می‌دهند و می‌توانند فوتون‌ها با طیف گسترده‌ای از طول‌موج‌ها را جذب کنند؛ ازجمله رنگدانههای قرمز، قهوه‌ای و آبی. این رنگدانهها می‌توانند به انتقال انرژی نور به کلروفیل کمک کرده یا از سلول برابر آسیب نوری محافظت کنند.
اگرچه تمام سلول‌های بخش سبز‌رنگ گیاه کلروپلاست دارند، بیشتر انرژی نور در برگ‌ها جذب می‌شود. سلول‌های داخل بافت برگ، «مزوفیل»، حاوی 450 هزار تا 800 هزار کلروپلاست برای هر میلی‌مترمربع برگ است.
چه عواملی در فتوسنتز تأثیر دارند؟
سرعت فتوسنتز معمولاً براساس میزان تولید اکسیژن در هر واحد جرم یا سطح بافت‌های سبز گیاه یا در هر واحد وزن کلروفیل اندازه‌گیری می‌شود. مهم‌ترین عوامل محیطی که بر سرعت فتوسنتز در گیاهان خشکی تأثیر می‌گذارند عبارت‌اند از:
میزان نور
دما
دی‌اکسیدکربن
تأمین آب
در دسترس بودن مواد معدنی
شدت نور و دما
همان‌طور که اشاره شد، فتوسنتز شامل 2 مرحله است: مرحله فوتوشیمیایی یا جمع‌آوری نور و مرحله آنزیمی یا جذب کربن که شامل واکنش‌های شیمیایی می‌شود. این مراحل را می‌توان با بررسی سرعت فتوسنتز در شرایط مختلف شدت نور و دما از یکدیگر تفکیک کرد.
در دماهای معتدل و شدت نور کم تا متوسط (نسبت به محدوده طبیعی گونه گیاهی)، سرعت فتوسنتز با افزایش شدت نور افزایش یافته و نسبتاً مستقل از دماست اما با افزایش شدت نور به مقادیر بالاتر، سرعت فتوسنتز اشباع می‌شود. در شدت نور بالا، برخی واکنش‌های شیمیایی مرحله تاریک به عامل محدودکننده تبدیل می‌شوند.
با افزایش دما، فتوسنتز نیز شتاب می‌گیرد اما این روند تا حد معینی ادامه دارد. وقتی دما از حدود ۵۰ درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، فتوسنتز متوقف می‌شود. این توقف به‌دلیل تخریب پروتئین‌ها و آنزیم‌های حیاتی در این فرایند رخ می‌دهد. علاوه‌براین، اگر دمای محیط از حد مطلوب برای رشد گیاه فراتر رود، واکنش‌های نوری فتوسنتز نیز تحت‌تأثیر قرار گرفته و به‌درستی انجام نمی‌شوند.
در بسیاری از گیاهان خشکی، فرایندی به نام «تنفس نوری» رخ می‌دهد که تأثیر آن با افزایش دما بیشتر می‌شود. به‌طور خاص، تنفس نوری با فتوسنتز رقابت کرده و از افزایش بیشتر سرعت فتوسنتز جلوگیری می‌کند، به‌ویژه زمانی که تأمین آب محدود باشد.
دی‌اکسیدکربن
افزایش غلظت دی‌اکسیدکربن می‌تواند سرعت فتوسنتز را تا حدی بالا ببرد اما این اثر محدود است. در مرحله تاریک فتوسنتز، واکنش‌های شیمیایی که دی‌اکسیدکربن را به ترکیبات آلی تبدیل می‌کنند، جزو مراحلی هستند که سرعت کل فرایند را محدود می‌کنند یعنی حتی با افزایش دی‌اکسیدکربن، اگر این واکنش‌ها آهسته انجام شوند، کل سرعت فتوسنتز نمی‌تواند افزایش قابل‌توجهی داشته باشد.
افزایش سرعت فتوسنتز با افزایش غلظت دی‌اکسیدکربن تا جایی ادامه می‌یابد که سایر عوامل محدودکننده مانند ظرفیت آنزیم‌ها یا مراحل شیمیایی چرخه کالوین به سقف خود برسند. در این مرحله، غلظت بیشتر دی‌اکسیدکربن تأثیری بر افزایش فتوسنتز نخواهد داشت.
از اواسط قرن 19، سطح دی‌اکسیدکربن در جو به‌دلیل سوزاندن گسترده سوخت‌های فسیلی، تولید سیمان و تغییرات کاربری زمین در اثر جنگل‌زدایی افزایش یافته است. غلظت دی‌اکسیدکربن در جو از حدود 0.028 درصد در سال 1860 به 0.032 درصد در سال 1958 و 0.041 درصد در سال 2020 رسید. این افزایش غلظت مستقیم فتوسنتز گیاهان را تا حدی افزایش می‌دهد اما میزان این افزایش به گونه و شرایط فیزیولوژیکی گیاه بستگی دارد.
دانشمندان معتقدند افزایش سطح دی‌اکسیدکربن در جو بر آب‌وهوا تأثیر می‌گذارد و دمای جهانی را افزایش داده و الگوهای بارش را تغییر می‌دهد. این تغییرات نیز بر سرعت فتوسنتز تأثیرگذارند.
آب
برای گیاهان خشکی، دسترسی به آب می‌تواند عاملی محدودکننده در فتوسنتز و رشد گیاه باشد. علاوه‌بر نیاز به مقدار کمی آب در واکنش فتوسنتزی، مقادیر زیادی آب از طریق روزنه‌های برگ تبخیر می‌شود. روزنه‌ها منافذ کوچکی در اپیدرم برگ هستند که ورود دی‌اکسیدکربن را ممکن می‌کند اما ناگزیر باعث خروج بخار آب نیز می‌شوند.
روزنه‌ها براساس نیاز فیزیولوژیکی برگ بازوبسته می‌شوند. در اقلیم‌های گرم و خشک، روزنه‌ها ممکن است برای حفظ آب بسته شوند اما این بسته شدن ورود دی‌اکسیدکربن درنتیجه سرعت فتوسنتز را محدود می‌کند. کاهش تعرق باعث کمتر خنک‌شدن برگ‌ها و افزایش دمای آنها می‌شود.
کاهش غلظت دی‌اکسیدکربن داخل برگ و افزایش دمای برگ‌ها فرایند تنفس نوری را که هدررفت انرژی محسوب می‌شود، افزایش می‌دهد. اگر سطح دی‌اکسیدکربن در جو افزایش یابد، دی‌اکسیدکربن بیشتری می‌تواند از طریق روزنه‌های کوچک‌تر وارد شود؛ بنابراین فتوسنتز بیشتری با تأمین آب موجود صورت می‌گیرد.
مواد معدنی
چندین ماده معدنی برای رشد سالم گیاه و حداکثر سرعت فتوسنتز ضروری هستند. نیتروژن، سولفات، فسفات، آهن، منیزیم، کلسیم و پتاسیم در مقادیر زیاد برای سنتز اسیدهای آمینه، پروتئین‌ها، کوآنزیم‌ها، دی‌اکسی‌ریبونوکلئیک اسید (DNA)، ریبونوکلئیک اسید (RNA)، کلروفیل و سایر رنگدانهها و دیگر ترکیبات ضروری گیاه موردنیازند.
علاوه‌براین مقدار کمی از عناصری مانند منگنز، مس و کلرید در فتوسنتز نیاز است. برخی عناصر دیگر نیز برای عملکردهای غیرفتوسنتزی گیاه ضروری هستند.
مقدار واقعی انرژی خورشیدی که گیاهان ذخیره می‌کنند، بسیار کمتر از حداکثر بازده فتوسنتز است؛ برای مثال، اگر محصول کشاورزی بتواند فقط یک درصد از کل انرژی خورشیدی دریافت‌شده در منطقه را طی یک سال ذخیره کند، (به‌صورت زیست‌توده یا وزن خشک گیاه)، این مقدار بسیار قابل‌توجه است.
البته برخی گیاهان مانند نیشکر بازدهی بیشتری دارند و در مواردی بازده آنها تا ۳.۵ درصد هم گزارش شده است.
آیا تمام نور خورشیدی که به گیاه می‌رسد، در فتوسنتز مصرف می‌شود؟
خیر. چندین دلیل برای اختلاف بازده حداکثری پیش‌بینی‌شده فتوسنتز و انرژی واقعی ذخیره‌شده در گیاه وجود دارد:
بیش از نیمی از نور تابشی خورشید شامل طول‌موج‌هایی است که برای جذب گیاهان بیش از حد بلند هستند. بخشی از نور باقی‌مانده نیز یا بازتاب می‌شود یا از دست می‌رود؛ بنابراین، حتی در ایده‌آل‌ترین شرایط، گیاهان می‌توانند فقط حدود ۳۴ درصد نور تابشی خورشید را جذب کنند.
گیاهان برای فرایندهای فیزیولوژیکی مختلف در بافت‌های غیرفتوسنتزی مانند ریشه‌ها و ساقه‌ها به انرژی نیاز دارند. علاوه‌براین، تنفس سلولی که در تمام بخش‌های گیاه رخ می‌دهد، بخشی از انرژی ذخیره‌شده را مصرف می‌کند.
هنگام تابش شدید خورشید، سرعت فتوسنتز گاهی از نیاز گیاه فراتر می‌رود و قندها و نشاسته اضافی تولید می‌شود. در چنین شرایطی، گیاه با استفاده از مکانیسم‌های تنظیمی، سرعت فتوسنتز را کاهش می‌دهد و باعث می‌شود بخشی از نور خورشیدی جذب‌شده بدون استفاده باقی بماند.
فصل رشد در بسیاری از گیاهان فقط چند ماه از سال به طول می‌انجامد؛ به همین دلیل نوری که در سایر فصول به گیاه می‌رسد، قابل‌استفاده نیست و هدر می‌رود.
تاریخچه
مطالعه فتوسنتز سال 1771 با مشاهده‌های «جوزف پریستلی»، دانشمند و کشیش انگلیسی، آغاز شد. در آزمایشی معروف، او شمعی را در ظرف بسته‌ای قرار داد و آن را روشن کرد. این شمع قبل از اینکه تمام شود، خاموش شد، زیرا هوای داخل شیشه به‌ظاهر تمام شده بود و دیگر نمی‌توانست احتراق را پشتیبانی کند.
پریستلی سپس شاخه‌ای از گیاه نعنا را در ظرف قرار داد و آزمایش را تکرار کرد. او مشاهده کرد که بعد از چند روز، شمع هنوز خاموش نشده است. پریستلی نتیجه گرفت که گیاه ماده‌ای (که بعدها به‌عنوان اکسیژن شناخته شد) تولید کرده که هوای محصور در شیشه به کمک آن می‌تواند از احتراق پشتیبانی کند.
سال 1779، پزشک هلندی «جان اینگن هوس»، آزمایش پریستلی را تکرار کرد و نشان داد گیاه باید در معرض نور قرار گیرد تا ماده قابل‌احتراق (اکسیژن) دوباره تولید شود. او همچنین نشان داد این فرایند نیازمند وجود بافت‌های سبز گیاه است.
سال 1782، مشخص شد گاز حمایت‌کننده احتراق، اکسیژن، به بهای گاز دیگری که سال قبل به‌عنوان دی‌اکسیدکربن شناسایی شده بود، تولید می‌شود.
آزمایش‌های تبادل گاز سال 1804 نشان داد افزایش وزن گیاهی که در گلدانی با دقت وزن‌شده رشد کرده است، ناشی از جذب کربن از دی‌اکسیدکربن از هوا و جذب آب از طریق ریشه‌های گیاه است و اکسیژن به‌عنوان محصول جانبی به جو بازمی‌گردد.
درنهایت سال 1845، مفهوم انرژی شیمیایی توسعه یافت و کشف شد که انرژی نور خورشید به‌صورت انرژی شیمیایی در محصولات فتوسنتزی ذخیره می‌شود.
تکامل فرایند فتوسنتز
زندگی و کیفیت جو امروزی به فتوسنتز وابسته است اما احتمالاً گیاهان سبز مدت‌ها پس از ظهور اولین سلول‌های زنده تکامل یافتند. زمانی که زمین جوان بود، طوفان‌های الکتریکی و تابش خورشیدی احتمالاً انرژی لازم را برای سنتز مولکول‌های پیچیده از مواد ساده‌تری مانند آب، آمونیاک و متان فراهم می‌کردند. اولین سلول‌های زنده احتمالاً از این مولکول‌های پیچیده به وجود آمدند.
برای مثال، اتصال تصادفی اسید آمینه گلیسین و اسید چرب استات ممکن است مولکول‌های آلی پیچیده‌ای به نام پورفیرین‌ها را تشکیل داده باشد. این مولکول‌ها نیز ممکن است به مولکول‌های رنگی مانند کلروفیل گیاهان سبز، باکتریوکلروفیل باکتری‌های فتوسنتزی، رنگدانه قرمز خون (هِمین) و سیتوکروم‌ها (گروهی از مولکول‌های رنگدانه‌ای ضروری در فتوسنتز و تنفس سلولی) تکامل یافته باشند.
سلول‌های رنگی اولیه باید مکانیسم‌هایی برای استفاده از انرژی نوری جذب‌شده توسط رنگدانههای خود توسعه می‌دادند. ابتدا، انرژی برای شروع واکنش‌های مفید به کار گرفته شد. با ادامه تکامل این فرایند، بخشی از انرژی نوری جذب‌شده احتمالاً به‌صورت انرژی شیمیایی ذخیره شد تا برای حفظ حیات استفاده شود.
به گفته دانشمندان، حدود 2 تا 3 میلیارد سال پیش، جاندارانی که می‌توانستند فتوسنتز انجام دهند، روی زمین ظاهر شدند و شروع به آزادسازی اکسیژن از آب کردند. اولین سلول‌های اکسیژن‌زا احتمالاً در جلبک‌های سبزآبی (سیانوباکتری‌ها) شکل گرفته بود. این موجودات میکروسکوپی به‌طور قابل‌توجهی محتوای اکسیژن جو را افزایش دادند و امکان توسعه موجودات هوازی (اکسیژن‌خواه) را فراهم کردند.
گیاهان سبز با توانایی استفاده از انرژی نور برای تبدیل دی‌اکسیدکربن و آب به کربوهیدرات و اکسیژن نقطه اوج این فرایند تکاملی هستند.
فتوسنتز در دیگر موجودات
فتوسنتز در دیگر موجودات؛ سمت راست: حلزون دریایی «الیسیا کلروتیکا»، سمت چپ: «شته نخود»
علاوه‌بر گیاهان، برخی موجودات نیز قادر به فتوسنتز هستند؛ برای مثال، حلزون دریایی «الیسیا کلروتیکا» (Elysia Chlorotica) توان محدودی برای تولید کلروفیل دارد. این حلزون ژن‌ها و کلروپلاست‌ها را از طریق جلبکی که به‌جای غذا مصرف می‌کند، به دست می‌آورد. همچنین «شته نخود» (Acyrthosiphon pisum) نیز می‌تواند از نور برای تولیدATP استفاده کند.
اخیراً نیز محققان ژاپنی با موفقیت سلول‌های حیوانی فتوسنتزکننده ایجاد کرده‌اند. محققان کلروپلاست را از جلبک‌های قرمز استخراج و به سلول‌های همستر تزریق کردند. آنها مشاهده کردند کلروپلاست در سلول‌های جدید حداقل 2 روز فتوسنتز انجام داده است.
جمع‌بندی
فتوسنتز فرایندی زیست‌شیمیایی است که در گیاهان سبز، فیتوپلانکتون‌ها و سیانوباکتری‌ها رخ می‌دهد و انرژی نور را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کند. این فرایند، اکسیژن و ترکیبات آلی ضروری برای حیات روی زمین را تولید می‌کند.
فتوسنتز در گیاهان در اندام‌هایی به نام کلروپلاست انجام می‌شود. سلول‌های کلروپلاست حاوی کلروفیل و سایر رنگدانههای حساس به نور هستند که انرژی خورشیدی را جذب می‌کنند. در حضور دی‌اکسیدکربن، این سلول‌ها می‌توانند انرژی نور را به مولکول‌های آلی غنی از انرژی مانند گلوکز تبدیل کنند.
علاوه‌بر گیاهان، فیتوپلانکتون‌ها و سیانوباکتری‌ها و نیز برخی موجودات تکامل‌یافته مانند نوعی حلزون دریایی نیز قادر به فتوسنتز هستند.
سؤالات متداول
فتوسیستم چیست؟
فتوسیستم مجموعه‌ای از پروتئین‌ها و رنگدانهها (مانند کلروفیل) در غشای تیلاکوئید کلروپلاست است که در فرایند فتوسنتز نقش کلیدی دارد. این ساختار با جذب انرژی نور خورشید و انتقال آن به الکترون‌ها، واکنش‌های نوری فتوسنتز را آغاز می‌کند. 2 نوع فتوسیستم وجود دارد: فتوسیستم I و فتوسیستم II که هرکدام در مراحل مختلف فتوسنتز شرکت دارند.
چه کسی فتوسنتز گیاهان را کشف کرد؟
سال 1779، پزشک هلندی «جان اینگن هوس»، نشان داد هنگامی که گیاه در معرض نور قرار می‌گیرد، اکسیژن تولید می‌شود. او همچنین نشان داد این فرایند نیازمند وجود بافت‌های سبز گیاه است.
چه حیواناتی می‌توانند فتوسنتز انجام دهند؟
علاوه‌بر گیاهان، برخی موجودات مانند حلزون دریایی «الیسیا کلروتیکا» و «شته نخود» نیز قادر به فتوسنتز هستند.
هرچه سطح دی‌اکسیدکربن اتمسفر بیشتر شود، فتوسنتز گیاه هم بیشتر می‌شود؟
افزایش غلظت دی‌اکسید کربن در جو می‌تواند به افزایش نرخ فتوسنتز در گیاهان منجر شود اما این تأثیر تا حد معینی ادامه دارد و به عوامل دیگر مثل نور، دما، آب و… وابسته است. پس از رسیدن به نقطه اشباع، افزایش بیشتر دی‌اکسیدکربن تأثیر قابل‌توجهی بر فتوسنتز ندارد.
