اکسیژن آزادشده: گاز تولیدشده در فرایند فتوسنتز

اکسیژن آزادشده: گاز تولیدشده در فرایند فتوسنتز

آغاز یک ماجرای شیمیایی: از نور خورشید تا شکستن آب

فرایند فتوسنتز، که بیشتر در برگ گیاهان و بخش‌های سبز رنگ آن‌ها رخ می‌دهد، یک کارخانه‌ی کوچک و فوق‌العاده پیچیده است . همه چیز با جذب نور خورشید توسط رنگدانه‌ای به نام کلروفیل (سبزینه) آغاز می‌شود. این رنگدانه در اندامک‌های ریزی به نام کلروپلاست قرار دارد. اما نور به تنهایی کافی نیست. گیاه برای شروع کار به دو ماده‌ی اولیه نیاز دارد: آب (H₂O) که توسط ریشه از خاک جذب می‌شود و دی‌اکسید کربن (CO₂) که از طریق روزنه‌های ریز برگ (استوماتا) از هوا گرفته می‌شود.

در اینجاست که اتفاق مهمی رخ می‌دهد. انرژی نور خورشید آنقدر زیاد است که می‌تواند مولکول آب را بشکافد. این مرحله که فتولیز آب نام دارد، نقطه‌ی شروع آزادسازی اکسیژن است. در این واکنش، مولکول آب به اجزای تشکیل‌دهنده‌اش تجزیه می‌شود: الکترون‌ها، پروتون‌ها (یون‌های هیدروژن) و گاز اکسیژن . الکترون‌ها برای ادامه‌ی زنجیره‌ی تولید انرژی مورد استفاده قرار می‌گیرند و اکسیژن به عنوان یک محصول فرعی و زائد برای گیاه، از روزنه‌ها به بیرون تراوش می‌کند.

به عبارت ساده‌تر، گیاه با مصرف 6 مولکول دی‌اکسید کربن و 6 مولکول آب و استفاده از انرژی نورانی خورشید، یک مولکول قند (گلوکز) می‌سازد که غذای خودش است و 6 مولکول اکسیژن را به عنوان محصول جانبی به هوا پس می‌دهد . این اکسیژن همان گاز حیاتی‌ست که همه‌ی ما برای تنفس به آن نیاز داریم.

نقش اکسیژن آزادشده در چرخه‌های حیات

اکسیژن تولید شده توسط گیاهان و سایر موجودات فتوسنتزکننده مانند جلبک‌ها و سیانوباکتری‌ها، تنها یک محصول جانبی ساده نیست، بلکه موتور محرک چرخه‌های حیات روی زمین است . این گاز بلافاصله وارد چرخه‌ی اکسیژن می‌شود. موجودات زنده اعم از انسان، حیوانات و حتی خود گیاهان در هنگام شب، از این اکسیژن برای فرایند تنفس سلولی استفاده می‌کنند . در تنفس سلولی، اکسیژن به کمک تجزیه‌ی گلوکز می‌آید و انرژی لازم برای فعالیت‌های سلولی را آزاد می‌کند.

جالب است بدانید که منبع اصلی اکسیژن جو زمین، جنگل‌های آمازون یا سیبری نیستند، بلکه اقیانوس‌ها هستند! فیتوپلانکتون‌ها، موجودات میکروسکوپی شناور در سطح اقیانوس‌ها، با انجام فتوسنتز، حدود 50% تا 80% از اکسیژن هوای کره‌ی زمین را تولید می‌کنند . این اکسیژن نه تنها برای تنفس ما ضروری است، بلکه در لایه‌های بالایی جو، با تبدیل شدن به ازن (O₃)، سپری در برابر اشعه‌های مضر فرابنفش خورشید ایجاد می‌کند.

برای درک بهتر این چرخه، می‌توانید به تعامل بین دو فرایند فتوسنتز و تنفس در جدول زیر توجه کنید:

مثال ساده‌ای از زندگی روزمره: وقتی در یک محیط بسته و پر از گیاه، مانند گلخانه، شب می‌خوابید، ممکن است صبح با سردرد بیدار شوید. دلیلش این است که در غیاب نور، فتوسنتز متوقف می‌شود اما تنفس گیاهان همچنان ادامه دارد و آن‌ها اکسیژن محیط را مصرف کرده و دی‌اکسید کربن تولید می‌کنند . این نکته نشان می‌دهد که گیاهان همیشه در حال تولید اکسیژن نیستند و تعادل میان این دو فرایند بسیار دقیق و حیاتی است.

مثال عینی: آزمایش تاریخی و اندازه‌گیری اکسیژن

شاید برای شما جالب باشد که بدانید دانشمندان چگونه به وجود این گاز پی بردند. حدود سال 1771، جوزف پریستلی، دانشمند انگلیسی، آزمایش معروفی انجام داد. او یک موش را در یک ظرف دربسته قرار داد و متوجه شد که پس از مدتی موش خفه می‌شود. اما وقتی یک گیاه زنده را همراه با موش در ظرف گذاشت، موش زنده ماند . پریستلی نتیجه گرفت که گیاه ماده‌ای به هوا اضافه می‌کند که برای تنفس ضروری است. آن ماده چیزی نبود جز اکسیژن. امروزه ما می‌توانیم میزان اکسیژن تولید شده را با دستگاه‌های دقیقی به نام اکسی‌متر یا با اندازه‌گیری میزان جذب دی‌اکسید کربن در یک محفظه بسته، محاسبه کنیم .

این آزمایش ساده، پایه‌گذار درک ما از ارتباط حیاتی بین گیاهان، اکسیژن و موجودات زنده بود.

چالش‌های مفهومی

پاورقی

¹ کلروفیل (Chlorophyll): رنگدانه‌ای سبز رنگ در گیاهان و جلبک‌ها که وظیفه‌ی جذب انرژی نور خورشید برای شروع فرایند فتوسنتز را بر عهده دارد.

² کلروپلاست (Chloroplast): اندامک درون سلول گیاهی که محل اصلی انجام فتوسنتز است و حاوی مولکول‌های کلروفیل می‌باشد .

³ فوتولیز آب (Photolysis of Water): فرایند شکستن مولکول آب به اکسیژن، پروتون و الکترون با استفاده از انرژی نور .

⁴ فیتوپلانکتون (Phytoplankton): موجودات میکروسکوپی و فتوسنتزکننده شناور در آب‌های سطحی اقیانوس‌ها که بخش عمده‌ای از اکسیژن زمین را تولید می‌کنند .

⁵ تنفس سلولی (Cellular Respiration): فرایندی که در آن سلول‌های زنده با مصرف اکسیژن، گلوکز را تجزیه کرده و انرژی لازم برای حیات خود را به دست می‌آورند .