פוטוסינתזה

פוטוסינתזה (מיוונית: פוטו = אור, סינתזה = הרכבה) היא תהליך ביולוגי שבו אור ממיר לאנרגיה כימית.

רוב הכחוליות (ציאנובקטריה), האצות והצמחים אוגרים את אנרגיית האור כדי לייצר פחמימות ומולקולות אנרגיה, וכך מספקים מזון וחמצן ליצורים אחרים. יוצאים מן הכלל הם ארכאונים כימו-אוטוטרופיים, הניזונים מחמצון חומרים אנאורגניים במעיינות חמים.

בתהליך, פוטון (חלקיק אור) מפצל מולקולת מים ל־פרוטונים (יוני מימן) ואלקטרונים. היונים והאלקטרונים מזינים את שרשרת תגובות האור, שמייצרת ATP (מולקולת אנרגיה) ו‑NADPH (מולקולה נשאית אלקטרונים). התוצרים האלה משמשים לקיבוע פחמן לדו-סוכרים ולפחמימות.

תהליכים אלה מתרחשים בתילקואידים שבחיידקים ובכלורופלסטים בצמחים. כלורופלסט הוא אברון בתא שמכיל פיגמנטים כמו כלורופיל (הצבע הירוק שבקולט אור). כלורופיל A ו‑B בולעים אור בטווחים שונים; רק כלורופיל A מעביר ישירות אנרגיה לאנרגיה כימית.

קיימות גם צורות פוטוסינתזה שאינן מייצרות חמצן. בחיידקים מסוימים יש כלורופיל חיידקי, והם מפצלים חומרים כמו מימן גופרתי במקום מים. במין מסוים של ארכיאה יש רודופסין שמייצר ATP ישירות.

ניסויים חשובים נעשו על ידי ואן הלמונט (מאה ה‑16) והוכחות נוספות על ידי ג'וזף פריסטלי (סוף המאה ה‑18). רוברט היל הראה במאה ה‑20 שהחמצן המיוצר בפוטוסינתזה מקורו במים.

שלב האור מתחיל במערכת אור II ובמערכת אור I (שתי מערכות של קליטת אור). במערכת אור II מתבצעת פוטוליזה, פירוק מים לחמצן, פרוטונים ואלקטרונים. האלקטרונים עוברים לאורך שרשרת העברת אלקטרונים ויוצרים ATP ו‑NADPH.

אנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית במהירות וביעילות גבוהה. ATP ו‑NADPH שנוצרים בשלב זה משמשים לשלבים הבאים של קיבוע פחמן.

בשלב זה נקלט פחמן דו‑חמצני מהאוויר ונקשר למולקולת RUBP על ידי האנזים רוביסקו (אנזים שמקבע פחמן). שרשרת תגובות בשם מעגל קלווין מבצעת את קיבוע הפחמן ויוצרת גלוקוז וחידוש RUBP.

בצמחי יבשה יש שלושה מסלולים עיקריים: C3 (הנפוץ), C4 ו‑CAM. C4 מרוכז בחלקים שנעים בפנדלים כדי להפחית איבוד מים; CAM קולט פחמן בלילה ושומר אותו ליום, וזה עוזר לצמחים במדבר לשמור מים.

הגלוקוז עובר עיבוד לצורות שונות: עמילן לאגירה, שומנים, חומצות אמינו (שדורשות גם חנקן) וחומצות גרעין. חומרים אלה משמשים גם בעלי חיים שמאכילים בצמחים.

פוטוסינתזה מספקת את הבסיס לאנרגיה ולמזון בכדור הארץ ומייצרת את רוב החמצן באטמוספירה. אצות ימיות תורמות חלק גדול מהמוחלט של החמצן. דלדול יערות מפחית את יכולת כיבוי פחמן דו‑חמצני ומחמיר שינויי אקלים.

הופעת פוטוסינתזה לפני מיליארדי שנים העלתה את ריכוז החמצן באטמוספירה. אירוע זה, ה"אירוע החמצן הגדול", שינה את הרכב החיים ואפשר התפתחות יצורים אירוביים ומורכבים.

חוקרים מנסים ליצור מערכות מלאכותיות המדמות פוטוסינתזה כדי להפיק דלקים כמו מימן מהשמש והמִים. כדי לעשות זאת יש לדמות קולט אור (כרומופור), להעביר אלקטרונים, ולפתח זרזים לפירוק המים. בזרז הצמחי האחראי לחמצון המים יש קומפלקס מנגן‑סידן בשם OEC (Mn4O5Ca), שעובר סדרת שלבים של חמצון.

תחום הביולוגיה הקוונטית חוקר כיצד אנרגיית האור עוברת ביעילות בכלורופיל. נראה שאקסיטון (יחידת אנרגיה) מתפשט במהירות, ולעיתים מופיעים אפקטים קוונטיים שמסבירים יעילות גבוהה.

פוטוסינתזה פירושה שימוש באור כדי לייצר מזון.

צמחים, אצות וכחוליות לוכדים אור שמש. הם מורידים מים ופחמן דו‑חמצני. מהתהליך נוצר אוכל (סוכר) וחמצן.

התהליך קורה בכלורופלסטים. כלורופלסט הוא "בית קטן" בתא שמכיל כלורופיל. כלורופיל הוא הצבע הירוק שעוזר לקלוט אור.

מדענים כמ ואן הלמונט וג'וזף פריסטלי עשו ניסויים שהראו שצמחים משפרים את האוויר. רוברט היל הוכיח שהחמצן מגיע מהמים.

אור פוגע בכלורופיל. הוא מפצל מים. מהפיצול יוצא חמצן שנפלט לאוויר.

בשלב שלא זקוק לאור, הצמח משתמש באנרגיה שנוצרה לייצר סוכר מפחמן דו‑חמצני. האנזים רוביסקו עוזר לקיבוע הפחמן. רוביסקו הוא חומר שעוזר לבצע את התגובה.

אצל רוב הצמחים יש מסלול C3. צמחים במדבר משתמשים ב‑CAM, הם קולטים פחמן בלילה כדי לא לאבד מים.

פוטוסינתזה נותנת מזון לחיים ויוצרת חמצן לנשימה. אצות בים עוזרות הרבה בחמצן. מדענים מנסים גם לחקות את התהליך כדי להפיק דלקים מהשמש.