5.1: סקירה כללית של פוטוסינתזה

Last updated
Save as PDF

Page ID: 208918

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ מורכבים מתא אחד או יותר. כל תא פועל על האנרגיה הכימית המצויה בעיקר במולקולות פחמימות (מזון), ורוב המולקולות הללו מיוצרות בתהליך אחד: פוטוסינתזה. באמצעות פוטוסינתזה, אורגניזמים מסוימים ממירים אנרגיית שמש (אור שמש) לאנרגיה כימית, המשמשת לאחר מכן לבניית מולקולות פחמימות. האנרגיה המשמשת להחזקת מולקולות אלה יחד משתחררת כאשר אורגניזם מפרק מזון. לאחר מכן תאים משתמשים באנרגיה זו לביצוע עבודה, כגון נשימה תאית.

האנרגיה הרתומה מפוטוסינתזה נכנסת למערכות האקולוגיות של הפלנטה שלנו ברציפות ומועברת מאורגניזם אחד למשנהו. לכן, במישרין או בעקיפין, תהליך הפוטוסינתזה מספק את רוב האנרגיה הנדרשת על ידי יצורים חיים על פני כדור הארץ. פוטוסינתזה גורמת גם לשחרור חמצן לאטמוספירה. בקיצור, כדי לאכול ולנשום, בני האדם תלויים כמעט לחלוטין באורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה.

מושג בפעולה

לחץ על הקישור הבא למידע נוסף על פוטוסינתזה.

תלות סולארית וייצור מזון

אורגניזמים מסוימים יכולים לבצע פוטוסינתזה, בעוד שאחרים לא יכולים. אוטוטרוף הוא אורגניזם שיכול לייצר מזון משלו. השורשים היווניים של המילה אוטוטרוף פירושם "עצמי" (אוטומטי) "מזין" (טרוף). צמחים הם האוטוטרופים הידועים ביותר, אך קיימים אחרים, כולל סוגים מסוימים של חיידקים ואצות (איור). \(\PageIndex{1}\) אצות אוקיאניות תורמות כמויות אדירות של מזון וחמצן לרשתות המזון העולמיות. צמחים הם גם פוטואוטוטרופים, סוג של אוטוטרוף המשתמש באור שמש ופחמן מפחמן דו חמצני כדי לסנתז אנרגיה כימית בצורה של פחמימות. כל האורגניזמים המבצעים פוטוסינתזה דורשים אור שמש.

תמונה א מראה עלה שרך ירוק. תמונה ב 'מראה מזח הבולט לגוף גדול של מים דוממים; המים ליד המזח צבועים בירוק עם אצות גלויות. תמונה c היא מיקרוגרף של ציאנובקטריה. — **איור\(\PageIndex{1}\):** (א) צמחים, (ב) אצות ו- (ג) חיידקים מסוימים, הנקראים ציאנובקטריה, הם פוטואוטוטרופים שיכולים לבצע פוטוסינתזה. אצות יכולות לצמוח על פני שטחים עצומים במים, ולעתים מכסות לחלוטין את פני השטח. (אשראי א: סטיב הילברנד, שירות הדגים וחיות הבר בארה"ב; אשראי ב: "אאוטרופיקציה והיפוקסיה" /פליקר; אשראי ג: נאס"א; נתוני סרגל קנה מידה מאת מאט ראסל)

הטרוטרופים הם אורגניזמים שאינם מסוגלים לפוטוסינתזה ולכן חייבים להשיג אנרגיה ופחמן מהמזון על ידי צריכת אורגניזמים אחרים. השורשים היווניים של המילה הטרוטרוף פירושם "אחר" (הטרו) "מזין" (טרוף), כלומר המזון שלהם מגיע מאורגניזמים אחרים. גם אם אורגניזם המזון הוא חיה אחרת, מזון זה מתחקה אחר מקורותיו לאוטוטרופים ולתהליך הפוטוסינתזה. בני אדם הם הטרוטרופים, כמו כל בעלי החיים. הטרוטרופים תלויים באוטוטרופים, במישרין או בעקיפין. צבאים וזאבים הם הטרוטרופים. צבי משיג אנרגיה על ידי אכילת צמחים. זאב שאוכל צבי משיג אנרגיה שהגיעה במקור מהצמחים שנאכלו על ידי אותו צבי. האנרגיה בצמח הגיעה מפוטוסינתזה, ולכן היא האוטוטרוף היחיד בדוגמה זו (איור\(\PageIndex{2}\)). באמצעות הנמקה זו, כל המזון הנאכל על ידי בני אדם מקשר גם לאוטוטרופים המבצעים פוטוסינתזה.

תמונה זו מציגה צבאים רצים דרך דשא גבוה בקצה יער. — **איור\(\PageIndex{2}\):** האנרגיה המאוחסנת במולקולות פחמימות מפוטוסינתזה עוברת בשרשרת המזון. הטורף שאוכל את הצבאים האלה מקבל אנרגיה שמקורה בצמחייה הפוטוסינתטית שהצבי צרך. (קרדיט: סטיב ואנרייפר, שירות הדגים וחיות הבר בארה"ב)

ביולוגיה בפעולה: פוטוסינתזה במכולת

חנויות מכולת גדולות בארצות הברית מאורגנות במחלקות, כגון מוצרי חלב, בשרים, תוצרת, לחם, דגנים וכדומה. כל מעבר מכיל מאות, אם לא אלפי, מוצרים שונים ללקוחות לקנות ולצרוך (איור\(\PageIndex{3}\)).

תמונה זו מציגה אנשים שקונים במכולת — **איור\(\PageIndex{3}\):** פוטוסינתזה היא מקור המוצרים המרכיבים את המרכיבים העיקריים בתזונה האנושית. (קרדיט: Associação ברסיליירה דה סופרמרקדו)

למרות שיש מגוון גדול, כל פריט מקשר חזרה לפוטוסינתזה. בשרים ומוצרי חלב מקשרים לפוטוסינתזה מכיוון שבעלי החיים הוזנו ממזונות צמחיים. הלחמים, הדגנים והפסטות מגיעים בעיקר מדגנים, שהם זרעים של צמחים פוטוסינתטיים. מה עם קינוחים ומשקאות? כל המוצרים הללו מכילים סוכר - מולקולת הפחמימות הבסיסית המיוצרת ישירות מפוטוסינתזה. חיבור הפוטוסינתזה חל על כל ארוחה ועל כל מזון שאדם צורך.

מבנים עיקריים וסיכום הפוטוסינתזה

פוטוסינתזה דורשת אור שמש, פחמן דו חמצני ומים כמגיבים מתחילים (איור\(\PageIndex{4}\)). לאחר השלמת התהליך, הפוטוסינתזה משחררת חמצן ומייצרת מולקולות פחמימות, לרוב גלוקוז. מולקולות סוכר אלה מכילות את האנרגיה שיצורים חיים צריכים כדי לשרוד.

תמונה זו מציגה עץ. חיצים מצביעים על כך שהעץ משתמש בפחמן דו חמצני, מים ואור שמש כדי לייצר סוכרים ולשחרר חמצן. — **איור\(\PageIndex{4}\):** פוטוסינתזה משתמשת באנרגיה סולארית, פחמן דו חמצני ומים כדי לשחרר חמצן ולייצר מולקולות סוכר אוגרות אנרגיה.

ניתן לסכם את התגובות המורכבות של הפוטוסינתזה על ידי המשוואה הכימית המוצגת באיור\(\PageIndex{5}\).

משוואת הפוטוסינתזה מוצגת. על פי משוואה זו, שש מולקולות פחמן דו חמצני ושש מולקולות מים מייצרות מולקולת סוכר אחת ומולקולת חמצן אחת. מולקולת הסוכר עשויה מ-6 פחמנים, 12 מימנים ו-6 חמצן. אור השמש משמש כמקור אנרגיה. — **איור\(\PageIndex{5}\):** תהליך הפוטוסינתזה יכול להיות מיוצג על ידי משוואה, שבה פחמן דו חמצני ומים מייצרים סוכר וחמצן באמצעות אנרגיה מאור השמש.

למרות שהמשוואה נראית פשוטה, השלבים הרבים המתרחשים במהלך הפוטוסינתזה הם למעשה מורכבים למדי, כמו באופן שבו התגובה המסכמת את הנשימה התאית ייצגה תגובות בודדות רבות. לפני שלומדים את הפרטים כיצד פוטואוטוטרופים הופכים את אור השמש למזון, חשוב להכיר את המבנים הפיזיים המעורבים.

בצמחים הפוטוסינתזה מתרחשת בעיקר בעלים, המורכבים משכבות תאים רבות ובעלי צדדים עליונים ותחתונים מובחנים. תהליך הפוטוסינתזה מתרחש לא על שכבות פני השטח של העלה, אלא בשכבה אמצעית הנקראת מזופיל (איור\(\PageIndex{6}\)). חילופי הגזים של פחמן דו חמצני וחמצן מתרחשים דרך פתחים קטנים ומווסתים הנקראים סטומטה.

בכל האיקריוטים האוטוטרופיים, הפוטוסינתזה מתרחשת בתוך אברון הנקרא כלורופלסט. בצמחים קיימים תאים המכילים כלורופלסט במזופיל. לכלורופלסטים יש קרום כפול (פנימי וחיצוני). בתוך הכלורופלסט נמצא קרום שלישי היוצר מבנים מוערמים בצורת דיסק הנקראים תילקואידים. בקרום התילקואיד מוטמעות מולקולות של כלורופיל, פיגמנט (מולקולה הקולטת אור) דרכה מתחיל כל תהליך הפוטוסינתזה. הכלורופיל אחראי לצבע הירוק של הצמחים. הממברנה התילקואידית מקיפה חלל פנימי הנקרא מרחב התילקואיד. סוגים אחרים של פיגמנטים מעורבים גם בפוטוסינתזה, אך הכלורופיל הוא ללא ספק החשוב ביותר. כפי שמוצג באיור\(\PageIndex{6}\), ערימה של תילקואידים נקראת גרנום, והחלל המקיף את הגרנום נקרא סטרומה (לא להתבלבל עם סטומטה, הפתחים על העלים).

חיבור אמנות

בחלקו העליון של איור זה חתך עלה. בחתך הרוחב, המזופיל דחוק בין אפידרמיס עליון לאפידרמיס תחתון. למזופיל יש חלק עליון עם תאים מלבניים מיושרים בשורה, וחלק תחתון עם תאים בצורת אליפסה. פתח הנקרא סטומטה קיים באפידרמיס התחתון. החלק האמצעי של איור זה מציג תא צמחי עם ואקום מרכזי בולט, גרעין, ריבוזומים, מיטוכונדריה וכלורופלסטים. החלק התחתון של איור זה מציג את הכלורופלסט, שבתוכו יש ערימות דמויי פנקייק של ממברנות. — **איור\(\PageIndex{6}\):** לא כל תאי העלה מבצעים פוטוסינתזה. לתאים בתוך השכבה האמצעית של העלה יש כלורופלסטים, המכילים את המנגנון הפוטוסינתטי. (אשראי "עלה": שינוי של עבודה על ידי קורי זנקר)

ביום חם ויבש, צמחים סוגרים את הסטומטה שלהם כדי לחסוך במים. איזו השפעה תהיה לכך על הפוטוסינתזה?

שני חלקי הפוטוסינתזה

הפוטוסינתזה מתרחשת בשני שלבים: התגובות התלויות באור ומחזור קלווין. בתגובות תלויות האור, המתרחשות בקרום התילקואיד, הכלורופיל סופג אנרגיה מאור השמש ואז ממיר אותה לאנרגיה כימית בעזרת מים. התגובות התלויות באור משחררות חמצן מהידרוליזה של מים כתוצר לוואי. במחזור קלווין, המתרחש בסטרומה, האנרגיה הכימית הנגזרת מהתגובות התלויות באור מניעה הן את לכידת הפחמן במולקולות פחמן דו חמצני והן את ההרכבה שלאחר מכן של מולקולות סוכר. שתי התגובות משתמשות במולקולות נשא כדי להעביר את האנרגיה מאחת לשנייה. ניתן לחשוב על הנשאים שמעבירים אנרגיה מהתגובות התלויות באור לתגובות מחזור קלווין כ"מלאים "מכיוון שהם מביאים אנרגיה. לאחר שחרור האנרגיה, נשאי האנרגיה ה"ריקים "חוזרים לתגובות תלויות האור כדי להשיג יותר אנרגיה.

סיכום

תהליך הפוטוסינתזה שינה את החיים על פני כדור הארץ. על ידי רתימת אנרגיה מהשמש, הפוטוסינתזה אפשרה ליצורים חיים לגשת לכמויות אדירות של אנרגיה. בגלל הפוטוסינתזה, יצורים חיים קיבלו גישה לאנרגיה מספקת, מה שמאפשר להם לפתח מבנים חדשים ולהשיג את המגוון הביולוגי הניכר כיום.

רק אורגניזמים מסוימים, הנקראים אוטוטרופים, יכולים לבצע פוטוסינתזה; הם דורשים נוכחות של כלורופיל, פיגמנט מיוחד שיכול לספוג אור ולהמיר אנרגיית אור לאנרגיה כימית. פוטוסינתזה משתמשת בפחמן דו חמצני ובמים כדי להרכיב מולקולות פחמימות (בדרך כלל גלוקוז) ומשחררת חמצן לאוויר. לאוטוטרופים אוקריוטיים, כמו צמחים ואצות, יש אברונים הנקראים כלורופלסטים בהם מתרחשת פוטוסינתזה.

חיבורי אמנות

איור\(\PageIndex{6}\): ביום חם ויבש, צמחים סוגרים את הסטומטה שלהם כדי לחסוך במים. איזו השפעה תהיה לכך על הפוטוסינתזה?

תשובה: רמות הפחמן הדו חמצני (מגיב) יירדו, ורמות החמצן (מוצר) יעלו. כתוצאה מכך, קצב הפוטוסינתזה יאט.

רשימת מילים

אוטוטרוף: אורגניזם המסוגל לייצר מזון משלו

כלורופיל: הפיגמנט הירוק הלוכד את אנרגיית האור המניעה את תגובות הפוטוסינתזה

כלורופלסט: האברון שבו מתרחשת הפוטוסינתזה

גראנום: ערימה של תילקואידים הממוקמת בתוך כלורופלסט

הטרוטרוף: אורגניזם שצורך אורגניזמים אחרים למאכל

תגובה תלויה באור: השלב הראשון של הפוטוסינתזה שבו האור הנראה נספג ליצירת שתי מולקולות נושאות אנרגיה (ATP ו- NADPH)

מזופיל: שכבת התאים האמצעית בעלה

פוטואוטוטרוף: אורגניזם המסוגל לסנתז מולקולות מזון משלו (אגירת אנרגיה), תוך שימוש באנרגיית האור

פיגמנט: מולקולה המסוגלת לספוג אנרגיית אור

סטומה: הפתח המסדיר את חילופי הגזים ואת ויסות המים בין העלים לסביבה; רבים: stomata

סטרומה: החלל המלא בנוזלים המקיף את הגרנה בתוך כלורופלסט שבו מתרחשות תגובות מחזור קלווין של פוטוסינתזה

תילקואיד: מבנה קרומי בצורת דיסק בתוך כלורופלסט שבו התגובות תלויות האור של הפוטוסינתזה מתרחשות באמצעות כלורופיל המוטמע בממברנות

תורמים וייחוסים

Template:ContribOpenStaxConcepts