מהי פוטוסינתזה?

פוטוסינתזה היא התהליך שמשמש צמחים, אצות וחיידקים מסוימים בכדי לרתום אנרגיה מאור השמש ולהפוך אותה לאנרגיה כימית. כאן, אנו מתארים את העקרונות הכלליים של הפוטוסינתזה ומדגישים כיצד מדענים חוקרים תהליך טבעי זה כדי לסייע בפיתוח דלקים נקיים ומקורות לאנרגיה מתחדשת.

סוגי פוטוסינתזה

ישנם שני סוגים של תהליכים פוטוסינתטיים: פוטוסינתזה חמצן ופוטוסינתזה אנוקסגנית. העקרונות הכלליים של פוטוסינתזה חמצן וחמצן דומים מאוד, אך פוטוסינתזה חמצן היא הנפוצה ביותר ונראית בצמחים, אצות וצינובקטריה.

במהלך פוטוסינתזה חמצן, אנרגיית האור מעבירה אלקטרונים מהמים (H₂O) לפחמן דו חמצני (CO₂), לייצור פחמימות. בהעברה זו, ה- CO₂ "מופחת", או מקבל אלקטרונים, והמים נעשים "מחומצנים", או מאבדים אלקטרונים. בסופו של דבר, מיוצר חמצן יחד עם פחמימות.

פוטוסינתזה חמצן מתפקדת כמאזן נגד לנשימה על ידי נטילת הפחמן הדו-חמצני המיוצר על ידי כל האורגניזמים הנושמים ומכניסה מחדש חמצן לאטמוספירה.

מצד שני, פוטוסינתזה אנוקסוגנית משתמשת בתורמי אלקטרונים שאינם מים. התהליך מתרחש בדרך כלל בחיידקים כמו חיידקים סגולים וחיידקי גופרית ירוקה, שנמצאים בעיקר בסביבות גידול מימיות שונות.

דייוויד באום, פרופסור לבוטניקה באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, אומר "פוטוסינתזה אנוקסוגנית אינה מייצרת חמצן - ומכאן השם". "מה שמופק תלוי בתורם האלקטרוני. לדוגמא, חיידקים רבים משתמשים בגז המימן-גופרי המריח ביצים רע ומייצר גופרית מוצקה כתוצר לוואי."

אף ששני סוגי הפוטוסינתזה הם מורכבים, עניינים רב-שלבים, ניתן לסכם בצורה מהירה את התהליך הכללי כמשוואה כימית.

פוטוסינתזה חמצן נכתבת באופן הבא:

6CO₂ + 12 ח₂O + אנרגיית אור → ג₆ח₁₂O₆ + 6O₂ + 6 ח₂O

כאן, שש מולקולות של פחמן דו חמצני (CO₂) משולבים עם 12 מולקולות מים (H₂O) שימוש באנרגיית אור. התוצאה הסופית היא היווצרות מולקולת פחמימות יחידה (C₆ח₁₂O₆, או גלוקוז) יחד עם שש מולקולות כל אחת של חמצן ומים נושמים.

באופן דומה, ניתן לייצג את התגובות הפוטוסינתזה האנוגזניות השונות כנוסחה כללית אחת:

שיתוף₂ + 2 ח₂A + אנרגיית אור → + 2A + H₂O

האות A במשוואה היא משתנה ו- H₂A מייצג את תורם האלקטרונים הפוטנציאלי. לדוגמה, A עשוי לייצג גופרית בתורם האלקטרוני מימן גופרתי (H₂ס), הסבירו גובינדז'י וג'ון ויטמרש, ביולוגים מהצומח באוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין, בספר "מושגים בפוטוביולוגיה: פוטוסינתזה ופוטומורפוגנזה" (הוצאת נארוסה ואוניברסיטת קלוור, 1999).

המנגנון הפוטוסינתטי

להלן רכיבים סלולריים החיוניים לפוטוסינתזה.

פיגמנטים

פיגמנטים הם מולקולות המקנות צבע לצמחים, אצות וחיידקים, אך הם גם אחראים ללכידה יעילה של אור השמש. פיגמנטים בצבעים שונים סופגים אורכי גל שונים של אור. להלן שלוש הקבוצות העיקריות.

• כלורופיליות: פיגמנטים בצבעים ירוקים אלה מסוגלים ללכוד אור כחול ואדום. לכלורופיליות יש שלוש תת-סוגים, המכונות כלורופיל a, כלורופיל b וכלורופיל c. לדברי יוג'ין רבינוביץ 'וגובינדז'י בספרם "פוטוסינתזה" (Wiley, 1969), כלורופיל א נמצא בכל הצמחים המאוכלסים את הצילום. יש גם וריאנט חיידקי בשם "בקטריכלורופיל", הסופג אור אינפרא אדום. פיגמנט זה נראה בעיקר בחיידקים סגולים וירוקים, המבצעים פוטוסינתזה אנוקסגנית.
• קרוטנואידים: פיגמנטים אדומים, כתומים או צהובים אלה סופגים אור ירוק-כחלחל. דוגמאות לקרוטנואידים הן קסנטופיל (צהוב) וקרוטן (כתום) שממנו הגזר מקבל את צבעם.
• הפיקובילינים: פיגמנטים אדומים או כחולים אלו סופגים אורכי גל של אור שאינם נספגים היטב על ידי כלורופילים וקרוטנואידים. הם נראים בציאנובקטריה ובאצות אדומות.

פלסטידים

אורגניזמים אוקריוטים פוטוסינתטיים מכילים אברונים הנקראים פלסטידים בציטופלזמה שלהם. הפלסטידים הכפולים-קרומיים בצמחים ובאצות מכונים פלסטידים ראשוניים, ואילו הזן המרובה-ממברנות שנמצאים בפלנקטון נקראים פלסטידים משניים, על פי מאמר בכתב העת Nature Education מאת צ'ונג שין צ'אן ודבשיש בהטטרייה, חוקרים מאוניברסיטת רוטגרס. בניו ג'רזי.

פלסטידים בדרך כלל מכילים פיגמנטים או יכולים לאגור חומרים מזינים. לאוקופלסטים חסרי צבע ונטולי פיגמנט אוגרים שומנים ועמילן, ואילו כרומופלסטים מכילים קרוטנואידים וכלורופלסטים מכילים כלורופיל, כפי שהוסבר בספרו של ג'ופרי קופר, "התא: גישה מולקולרית" (חברי סינייר, 2000).

פוטוסינתזה מתרחשת בכלורופלסטים; באופן ספציפי באזורי גרנה וסטרומה. הגרנה היא החלק הפנימי ביותר של האיבר. אוסף ממברנות בצורת דיסק, מוערמים בעמודים כמו צלחות. הדיסקים האישיים נקראים thylakoids. כאן העברת האלקטרונים מתרחשת. השטחים הריקים בין עמודי גרנה מהווים את הסטרומה.

כלורופלסטים דומים למיטוכונדריה, מרכזי האנרגיה של תאים, בכך שיש להם גנום משלהם, או אוסף גנים, הכלולים בתוך DNA מעגלי. גנים אלה מקודדים חלבונים החיוניים לאורגנל ולפוטוסינתזה. בדומה למיטוכונדריה, גם על פי החשד, כלורופלסטים מקורם בתאי חיידקים פרימיטיביים בתהליך של אנדוסימביוזה.

באום אמר ל- Live Science: "פלסטידים מקורם בחיידקים פוטוסינתטיים משובשים שנרכשו על ידי תא אאוקריוטי חד-תאי לפני יותר ממיליארד שנה." באום הסביר כי הניתוח של גנים של כלורופלסט מראה כי הוא היה בעבר חבר בקבוצת הציאנובקטריה, "הקבוצה היחידה של חיידקים שיכולה להשיג פוטוסינתזה חמצן."

במאמרם משנת 2010, צ'ן ובטאת'ריה מציינים כי לא ניתן להסביר היטב את היווצרותם של פלסטידים משניים על ידי אנדוסימביוזה של ציאנובקטריה, וכי מקורותיה של סוג זה של פלסטידים הם עדיין נושא לוויכוח.

אנטנות

מולקולות פיגמנט קשורות לחלבונים, המאפשרות להם את הגמישות לנוע לעבר האור וכיוון זה לזה. אוסף גדול של 100 עד 5,000 מולקולות פיגמנט מהווה "אנטנות", על פי מאמר של ווים ורמאס, פרופסור מאוניברסיטת מדינת אריזונה. מבנים אלה לוכדים ביעילות אנרגיית אור מהשמש, בצורה של פוטונים.

בסופו של דבר, יש להעביר אנרגיית אור למתחם חלבון פיגמנט שיכול להמיר אותו לאנרגיה כימית, בצורה של אלקטרונים. בצמחים, למשל, אנרגיה קלה מועברת לפיגמנטים של כלורופיל. ההמרה לאנרגיה כימית מתבצעת כאשר פיגמנט כלורופיל מגרש אלקטרון, שיכול לעבור הלאה למקבל מתאים.

מרכזי תגובה

הפיגמנטים והחלבונים, הממירים אנרגיית אור לאנרגיה כימית ומתחילים בתהליך העברת אלקטרונים, ידועים כמרכזי תגובה.

התהליך הפוטוסינתטי

התגובות של פוטוסינתזה מהצומח מחולקות לאלה הדורשות נוכחות של אור שמש וכאלו שלא. שני סוגי התגובות מתרחשות בכלורופלסטים: תגובות תלויות אור בתילקואיד ותגובות בלתי תלויות אור בסטרומה.

תגובות תלויות אור (נקראים גם תגובות אור): כאשר פוטון של אור פוגע במרכז התגובה, מולקולת פיגמנט כמו כלורופיל משחררת אלקטרון.

"הטריק לבצע עבודות שימושיות, הוא למנוע מאותו אלקטרון למצוא את דרכו חזרה לביתו המקורי," אמר באום ל- Live Science. "לא ניתן להימנע מכך בקלות, מכיוון שבכלורופיל יש כעת 'חור אלקטרונים' הנוטה למשוך אלקטרונים סמוכים."

האלקטרון המשוחרר מצליח להימלט על ידי נסיעה דרך שרשרת תובלה אלקטרונית, המייצרת את האנרגיה הדרושה לייצור ATP (אדנוזין טריפוספט, מקור לאנרגיה כימית לתאים) ו- NADPH. "חור האלקטרונים" בפיגמנט הכלורופיל המקורי מתמלא על ידי הוצאת אלקטרון מהמים. כתוצאה מכך, חמצן משוחרר לאטמוספירה.

תגובות עצמאיות קלות (נקראים גם תגובות אפלים ומכונים מחזור קלווין): תגובות אור מייצרות ATP ו- NADPH, שהם מקורות האנרגיה העשירים המניעים תגובות חשוכות. שלושה שלבי תגובה כימיים מהווים את מחזור קלווין: קיבוע פחמן, הפחתה והתחדשות. בתגובות אלה משתמשים במים וזרזים. אטומי הפחמן מפחמן דו חמצני "קבועים", כאשר הם בנויים למולקולות אורגניות שיוצרות בסופו של דבר סוכרים עם שלוש פחמן. לאחר מכן משתמשים בסוכרים אלה לייצור גלוקוז או ממוחזרים כדי להתחיל שוב את מחזור קלווין.

פוטוסינתזה בעתיד

אורגניזמים פוטוסינתטיים הם אמצעי אפשרי לייצר דלקים בוערים נקיים כמו מימן או אפילו מתאן. לאחרונה, קבוצת מחקר מאוניברסיטת טורקו בפינלנד, טפלה על יכולתם של אצות ירוקות לייצר מימן. אצות ירוקות יכולות לייצר מימן למשך מספר שניות אם הן נחשפות לראשונה לתנאים אפלים, אנאירוביים (נטולי חמצן) ואז נחשפו לאור. הצוות תכנן דרך להאריך את ייצור המימן של האצות הירוקות עד שלושה ימים, כפי שדווח ב מחקר 2018 שפורסם בכתב העת Energy & Environmental Science.

מדענים עשו גם התקדמות בתחום הפוטוסינתזה המלאכותית. לדוגמה, קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, פיתחה מערכת מלאכותית ללכידת פחמן דו חמצני באמצעות ננו-חוטים, או חוטים בקוטר של מיליארדי מרים. החוטים ניזונים למערכת של חיידקים המפחיתים דו תחמוצת הפחמן לדלקים או פולימרים באמצעות אנרגיה מאור השמש. הצוות פרסם את העיצוב שלו בשנת 2015 בכתב העת Nano Letters.

בשנת 2016, חברי אותה קבוצה פרסמו מחקר בכתב העת Science המתאר מערכת פוטוסינתטית מלאכותית אחרת בה שימשו חיידקים מהונדסים במיוחד ליצירת דלקים נוזליים באמצעות אור שמש, מים ופחמן דו חמצני. באופן כללי, צמחים מסוגלים לרתום רק אחוז אחד מאנרגיית השמש ומשתמשים בה כדי לייצר תרכובות אורגניות במהלך פוטוסינתזה. לעומת זאת, המערכת המלאכותית של החוקרים הצליחה לרתום 10 אחוזים מהאנרגיה הסולארית לייצור תרכובות אורגניות.

מחקר ממשיך של תהליכים טבעיים, כגון פוטוסינתזה, מסייע למדענים בפיתוח דרכים חדשות לשימוש במקורות שונים של אנרגיה מתחדשת. רואים כאור שמש, צמחים וחיידקים כולם נמצאים בכל מקום, והקפדה על כוחה של הפוטוסינתזה היא צעד הגיוני ליצירת דלקים בוערים ונטרול פחמן.

משאבים נוספים: