ההיסטוריה של גילויה של תופעה מדהימה וחשובה כל כך כמו פוטוסינתזה נטועה עמוק בעבר. לפני יותר מארבע מאות שנים, בשנת 1600, המדען הבלגי יאן ואן - הלמונט הקים ניסוי פשוט. הוא הניח ענף ערבה בשקית שהכילה 80 ק"ג אדמה. המדען רשם את המשקל הראשוני של הערבה, ולאחר מכן במשך חמש שנים השקה את הצמח אך ורק במי גשמים. מה הייתה ההפתעה של יאן ואן - הלמונט כאשר שקל מחדש את הערבה. משקל הצמח עלה ב-65 ק"ג, ומסת כדור הארץ ירדה ב-50 גרם בלבד! מאיפה הצמח קיבל 64 ק"ג 950 גרם של חומרים מזינים עבור המדען נשארו בגדר תעלומה!
הניסוי המשמעותי הבא בדרך לגילוי הפוטוסינתזה היה שייך לכימאי האנגלי ג'וזף פריסטלי. המדען שם עכבר מתחת לכובע, ואחרי חמש שעות המכרסם מת. כשפריסטלי הניח גבעול נענע עם העכבר וכיסה גם את המכרסם בכיפה, העכבר נשאר בחיים. ניסוי זה הוביל את המדען לרעיון שיש תהליך מנוגד לנשימה. Jan Ingenhaus בשנת 1779 קבע את העובדה שרק החלקים הירוקים של הצמחים מסוגלים לשחרר חמצן. שלוש שנים מאוחר יותר, המדען השוויצרי ז'אן סנבייר הוכיח שפחמן דו חמצני, בהשפעת אור השמש, מתפרק באברונים הירוקים של צמחים. רק חמש שנים לאחר מכן, המדען הצרפתי ז'אק בוסינגו, שערך מחקר מעבדתי, גילה את העובדה שספיגת המים על ידי צמחים מתרחשת גם במהלך סינתזה של חומרים אורגניים. תגלית ציון דרך בשנת 1864 בוצעה על ידי הבוטנאי הגרמני יוליוס זאקס. הוא הצליח להוכיח שנפח הפחמן הדו חמצני הנצרך והחמצן המשוחרר מתרחש ביחס של 1:1.
פוטוסינתזה היא אחד התהליכים הביולוגיים החשובים ביותר
במונחים מדעיים, פוטוסינתזה (מיוונית עתיקה φῶς - אור ו-σύνθεσις - חיבור, קישור) היא תהליך שבו נוצרים חומרים אורגניים מפחמן דו חמצני ומים באור. התפקיד העיקרי בתהליך זה שייך למקטעים פוטוסינתטיים.
אם מדברים באופן פיגורטיבי, ניתן להשוות את עלה של צמח למעבדה, שחלונותיה פונים לצד שטוף השמש. זה בו כי היווצרות של חומרים אורגניים מתרחשת. תהליך זה הוא הבסיס לקיומם של כל החיים על פני כדור הארץ.
רבים ישאלו באופן סביר את השאלה: מה נושמים אנשים שגרים בעיר, איפה לא רק עצים, ואתה לא יכול למצוא גבים של דשא במהלך היום עם אש. התשובה פשוטה מאוד. העובדה היא שצמחי אדמה מהווים רק 20% מהחמצן שמשחרר צמחים. לאצות יש תפקיד מרכזי בייצור חמצן לאטמוספירה. הם מהווים 80% מהחמצן המיוצר. בשפת המספרים, גם צמחים וגם אצות משחררים 145 מיליארד טון (!) חמצן לאטמוספירה מדי שנה! לא פלא שהאוקיינוסים בעולם נקראים "ריאות כדור הארץ".
הנוסחה הכללית לפוטוסינתזה היא כדלקמן:
מים + פחמן דו חמצני + אור → פחמימות + חמצן
מדוע צמחים זקוקים לפוטוסינתזה?
כפי שהבנו, פוטוסינתזה היא תנאי הכרחי לקיומו של האדם על פני כדור הארץ. עם זאת, זו לא הסיבה היחידה לכך שאורגניזמים פוטוסינתטיים מייצרים חמצן לאטמוספירה באופן פעיל. העובדה היא שגם אצות וגם צמחים יוצרים מדי שנה יותר מ-100 מיליארד חומרים אורגניים (!), המהווים את הבסיס לפעילות חייהם. כשזוכרים את הניסוי של יאן ואן הלמונט, אנו מבינים שפוטוסינתזה היא הבסיס לתזונת הצמח. הוכח מדעית כי 95% מהיבול נקבע על ידי חומרים אורגניים שמתקבלים על ידי הצמח בתהליך הפוטוסינתזה, ו-5% - אותם דשנים מינרליים שהגנן מכניס לאדמה.
תושבי הקיץ המודרניים מתמקדים בתזונת הקרקע של צמחים, ושוכחים מתזונת האוויר שלה. לא ידוע איזה סוג של קציר גננים יכולים לקבל אם היו קשובים לתהליך הפוטוסינתזה.
עם זאת, לא צמחים ולא אצות יכלו לייצר חמצן ופחמימות בצורה כל כך פעילה אם לא היה להם פיגמנט ירוק מדהים - כלורופיל.
סוד הפיגמנט הירוק
ההבדל העיקרי בין תאי צמחים לתאים של אורגניזמים חיים אחרים הוא נוכחות של כלורופיל. אגב, מי שאשם בכך שעלים של צמחים נצבעים בירוק בדיוק. לתרכובת האורגנית המורכבת הזו יש תכונה אחת מדהימה: היא יכולה לספוג אור שמש! הודות לכלורופיל, תהליך הפוטוסינתזה מתאפשר.
שני שלבים של פוטוסינתזה
במילים פשוטות, פוטוסינתזה היא תהליך שבו מים ופחמן דו חמצני הנספגים על ידי צמח באור בעזרת כלורופיל יוצרים סוכר וחמצן. כך, חומרים אנאורגניים הופכים באורח פלא לאורגניים. הסוכר שנוצר הוא מקור האנרגיה של הצמחים.
לפוטוסינתזה שני שלבים: אור וחושך.
שלב קל של פוטוסינתזה
מתרחש על ממברנות thylakoid.
Thylakoid הם מבנים התחום על ידי קרום. הם ממוקמים בסטרומה של הכלורופלסט.
סדר האירועים של שלב האור של הפוטוסינתזה:
- האור פוגע במולקולת הכלורופיל, שנספגת לאחר מכן בפיגמנט הירוק ומביאה אותו למצב נרגש. האלקטרון הכלול במולקולה מגיע לרמה גבוהה יותר, משתתף בתהליך הסינתזה.
- יש פיצול של מים, שבמהלכו הופכים פרוטונים בהשפעת אלקטרונים לאטומי מימן. לאחר מכן, הם מוציאים על סינתזה של פחמימות.
- בשלב הסופי של שלב האור, ATP (אדנוזין טריפוספט) מסונתז. זהו חומר אורגני הממלא את התפקיד של מצבר אנרגיה אוניברסלי במערכות ביולוגיות.
שלב אפל של פוטוסינתזה
האתר של השלב הכהה הוא הסטרומה של הכלורופלסטים. בשלב החשוך משתחרר חמצן ומסונתז גלוקוז. רבים יחשבו ששלב זה קיבל שם כזה מכיוון שהתהליכים המתרחשים בשלב זה מתבצעים אך ורק בלילה. למעשה, זה לא לגמרי נכון. סינתזת גלוקוז מתרחשת מסביב לשעון. העובדה היא שבשלב זה אנרגיית האור אינה נצרכת יותר, מה שאומר שפשוט אין בה צורך.
חשיבות הפוטוסינתזה לצמחים
כבר זיהינו את העובדה שצמחים זקוקים לפוטוסינתזה לא פחות מאיתנו. קל מאוד לדבר על קנה המידה של הפוטוסינתזה בשפת המספרים. מדענים חישבו שרק צמחי אדמה אוגרים אנרגיה סולארית כמו ש-100 מגה-ערים יכולים לנצל תוך 100 שנים!
נשימה של צמחים היא תהליך מנוגד לפוטוסינתזה. משמעות הנשימה הצמחית היא לשחרר אנרגיה בתהליך הפוטוסינתזה ולכוון אותה לצרכי הצמחים. במילים פשוטות, הקציר הוא ההבדל בין פוטוסינתזה לנשימה. ככל שיש יותר פוטוסינתזה והנשימה נמוכה יותר, הקציר גדול יותר ולהיפך!
פוטוסינתזה היא התהליך המדהים שמאפשר חיים על פני כדור הארץ!