Φωτοσύνθεση

Η φωτοσύνθεση είναι βιοχημική διαδικασία, κεφαλαιώδους σημασίας για τους φυτικούς οργανισμούς, κατά την οποία τα πράσινα φυτά και ορισμένοι άλλοι οργανισμοί μετασχηματίζουν τη φωτεινή ενέργεια σε χημική. Κατά τη φωτοσύνθεση, στα φυτά η φωτεινή ενέργεια δεσμεύεται και χρησιμοποιείται για τη μετατροπή διοξειδίου του άνθρακα (CO2) και του νερού σε οξυγόνο και ενεργειακά πλούσιες οργανικές ενώσεις, κυρίως υδατάνθρακες.

Τα φύλλα των φυτών παίζουν σημαντικό ρόλο στη φωτοσύνθεση

Γενικά

Η φωτοσύνθεση είναι σημαντικότατη διεργασία, μέσω της οποίας οι φωτοσυνθετικοί οργανισμοί, χρησιμοποιώντας φωτεινή ενέργεια, διοξείδιο του άνθρακα και νερό, παράγουν τα απαραίτητα για τη θρέψη τους συστατικά. Με αυτόν τον τρόπο απελευθερώνουν οξυγόνο δεσμεύοντας το διοξείδιο του άνθρακα. Τα χλωροφυλλούχα φυτά έχουν την ικανότητα να μετατρέπουν το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό σε οργανικές ουσίες, όπως γλυκόζη, απαραίτητες για την ανάπτυξη και τη συντήρησή τους. Η φωτοσυνθετική αυτή διεργασία γίνεται με την ενέργεια του ηλιακού φωτός. Η χημική αντίδραση της φωτοσύνθεσης, λεγόμενη και αντίδραση φωτοσύνθεσης είναι:

${\ce {6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2}}$ $\qquad \Delta G=+686\ {\text{kcal/mol}}$

Όπου $\Delta G$ η ελεύθερη ενέργεια Γκιμπς. Το θετικό της πρόσημο δείχνει ότι η αντίδραση δε συμβαίνει αυθόρμητα αλλά με προσθήκη ενέργειας.

Στην πραγματικότητα όμως η φωτοσύνθεση γίνεται σε στάδια και με μια σειρά πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων, που συνοψίζονται στο πιο πάνω σχήμα. Οι αντιδράσεις αυτές γίνονται στους χλωροπλάστες.

Ιστορία

Οι πρώτες παρατηρήσεις του φαινομένου της φωτοσύνθεσης έγιναν από τον Τζόζεφ Πρίστλυ, το 1771. Αυτός πρώτος παρατήρησε ότι τα πράσινα φυτά καθάριζαν τον αέρα που είχε μολυνθεί από την αναπνοή των ζώων. Τις παρατηρήσεις του Πρίστλεϊ συνέχισε ο Ολλανδός γιατρός Ινκενχάους. Ο Νικολά ντε Σωσύρ (Nicolas Théodore de Saussure) απέδειξε, το 1804, ότι το βάρος του οξυγόνου, που έχει αποβληθεί μαζί με το βάρος του φυτού μετά τη φωτοσύνθεση, είναι μεγαλύτερο από το βάρος του διοξειδίου του άνθρακα που απορροφήθηκε. Κατά τον 20ό αιώνα το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης μελετήθηκε από κάθε πλευρά (βιοχημική, χημική, φυσιολογική κ.λ.π.). Το 1941 για πρώτη φορά έγιναν πειράματα με ραδιενεργά ισότοπα και διερευνήθηκε η πολύπλοκη σειρά που ακολουθούν οι διάφορες αντιδράσεις.

Μηχανισμός φωτοσύνθεσης

Σήμερα εν γένει γίνεται δεκτό ότι ο μηχανισμός της φωτοσύνθεσης είναι ο ακόλουθος:

Το νερό διαλύει και μεταφέρει το διοξείδιο του άνθρακα μέχρι τα κύτταρα και τους χλωροπλάστες των φύλλων. Εκεί, με την ενέργεια του φωτός (hν) που απορροφά η φωτοδεσμευτική ουσία (συνήθως η χλωροφύλλη, αλλά υπάρχουν και άλλες φωτοδεσμευτικές ουσίες, όπως η ξανθοφύλλη, η φυκοερυθρίνη, η φυκοκυανίνη κτλ., οι οποίες δεν έχουν πράσινο χρώμα) διασπάται το νερό (φωτόλυση) στα στοιχεία του:

Η₂Ο + hν →[Η] + 1/2 Ο₂. Το οξυγόνο απελευθερώνεται στο περιβάλλον ως παραπροϊόν (biproduct), ενώ το ατομικό υδρογόνο δεσμεύεται από διάφορα ένζυμα (NADP).

Με τη βοήθεια αυτών των ενζύμων το υδρογόνο οδηγείται στις αντιδράσεις με το διοξείδιο του άνθρακα (κύκλος του Calvin):

CΟ₂+[Η2] → (CΗ₂ΟH)_χ.
Στο δεύτερο αυτό στάδιο αντιδράσεων δεν απαιτείται ηλιακή ενέργεια, γι' αυτό οι αντιδράσεις αυτές ονομάζονται "σκοτεινές"(light independent). Η βασική ουσία που παράγεται είναι η γλυκόζη (C6H12O6). Για τη δημιουργία ενός μορίου γλυκόζης, απαιτούνται 6 μόρια διοξειδίου του άνθρακα. Η γλυκόζη, προκειμένου να αποθηκευτεί, μετατρέπεται στο πολυμερές της, το άμυλο. Αυτό μεταφέρεται σε άλλες θέσεις του φυτού κατά τη νύχτα, όταν σταματά το φαινόμενο της φωτοσύνθεσης.

Εκτός από τα ανώτερα πράσινα φυτά, υπάρχουν και κατώτεροι οργανισμοί που είναι ικανοί να φωτοσυνθέτουν, όπως ορισμένα πρώτιστα, π.χ. η Ευγλήνη η πρασίνη (Euglena viridis) και σχεδόν όλα τα φύκη.

Επίσης υπάρχουν και ορισμένα βακτήρια, όπως σιδηροβακτήρια, θειοβακτήρια κ.λπ., που χωρίς χλωροφύλλη (αλλά με άλλες φωτοδεσμευτικές ουσίες, όπως η βακτηριοχλωροφύλλη), είναι ικανά να δεσμεύουν το διοξείδιο του άνθρακα της ατμόσφαιρας και να συνθέτουν οργανικές ουσίες. Οι λειτουργίες τους ονομάζονται χημειοσύνθεση και φωτοχημειοσύνθεση.

Επιπλέον ανάγνωση

• Χαλκιάς, Φαίδων Β.: «Τεχνητή φωτοσύνθεση: Ο πράσινος δρόμος προς την ηλιακή ενέργεια», Περισκόπιο της Επιστήμης, τεύχος 212 (Δεκέμβριος 1997), σσ. 68-74
• Καψάλης· Μπουρμπουχάκης· Περάκη· Σαλαμαστράκης (2012). Βιολογία Γενικής Παιδείας Γ΄Λυκείου. ΔΙΟΦΑΝΤΟΣ.