درسنامه آموزشی زیست شناسی (3) کلاس دوازدهم علوم تجربی
فصل ششم- گفتار 1: فتوسنتز: تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی
دانستیم انرژی مورد نیاز ما برای انجام فعالیتهای حیاتی، از مواد مغذی مانند گلوکز تأمین میشود. اکنون پرسش این است که منشأ انرژی ذخیره شده در ترکیباتی مانند گلوکز چیست؟ چه فرایند یا فرایندهایی در دنیای حیات وجود دارد که با ساختن ماده آلی، انرژی را در آنها ذخیره میکند؟ چه جاندارانی میتوانند این فرایندها را انجام دهند و این جانداران چه ویژگیهایی دارند؟
میدانید گیاهان در فرایند فتوسنتز $C{{O}_{2}}$ را با استفاده از انرژی نور خورشید به ماده آلی تبدیل و اکسیژن نیز تولید میکنند (واکنش 1). بر این اساس میتوان میزان فتوسنتز را با تعیین میزان کربندیاکسید مصرف شده و یا اکسیژن تولید شده، اندازه گرفت.
برای اینکه جانداری بتواند فتوسنتز انجام دهد، چه ویژگیهایی باید داشته باشد؟ یکی از این ویژگیها داشتن مولکولهای رنگیزهای است که بتوانند انرژی نور خورشید را جذب کنند. همچنین، باید سامانهای برای تبدیل این انرژی به انرژی شیمیایی وجود داشته باشد. انواعی از جانداران وجود دارند که فتوسنتز میکنند. در ادامه به بررسی این فرایند در گیاهان میپردازیم.
برگ ساختار تخصص یافته برای فتوسنتز
برگ که مناسبترین ساختار برای فتوسنتز در اکثر گیاهان است تعداد فراوانی سبزدیسه دارد. همانطور که میدانید، فتوسنتز در سبزدیسهها انجام میشود.
برگ گیاهان دو لپه دارای پهنک و دمبرگ است. پهنک شامل روپوست، میانبرگ و دستههای آوندی (رگبرگ) است. روپوست رویی و زیرین به ترتیب در سطح رویی و زیرین پهنک برگ قرار دارند.
میانبرگ شامل یاختههای پارانشیمی است.در شکل 1- الف میانبرگ از یاختههای پارانشیمی نردهای و اسفنجی تشکیل شده است. همانطور که در این شکل میبینید، یاختههای نردهای بعد از روپوست رویی قراردارند و به هم فشردهاند، در حالی که یاختههای اسفنجی به سمت روپوست زیرین قراردارند. میانبرگ در بعضی گیاهان از یاختههای اسفنجی تشکیل شده است (شکل 1- ب).
الف) نمونهای گیاه دولپه |
ب) نمونهای گیاه تک لپه |
سبزدیسه: سبزدیسه همانند راکیزه دارای غشای بیرونی و غشای درونی است که از هم فاصله دارند. فضای درون سبزدیسه با سامانهای غشایی به نام تیلاکوئید به دو بخش فضای درون تیلاکوئید و بستره تقسیم شده است. تیلاکوئیدها ساختارهای غشایی و کیسه مانند و به هم متصل هستند (شکل 2). بستره دارای دنا، رنا و رِناتَن است. بنابراین، سبزدیسه مانند راکیزه میتواند بعضی پروتئینهای مورد نیاز خود را بسازد. سبزدیسه نیز میتواند بهطور مستقل تقسیم شود.
الف) ترسیمی |
ب) تصویر گرفته شده با میکروسکوپ الکترونی |
فعّالیت 1 (صفحهٔ 79 کتاب درسی)
گفتوگو کنید
سبزینه همانطور که از نامش پیداست، به رنگ سبز دیده میشود. با توجه به آنچه در سال گذشته درباره بینایی آموختید، توضیح دهید این رنگیزه چرا به رنگ سبز دیده میشود؟
زیرا این رنگیزه نور سبز را جذب نمیکند بلکه آن را منعکس میکند، نور منعکس شده توسط چشمهای ما دریافت میشود و در نتیجه ما آن را به رنگ سبز میبینیم.
رنگیزههای فتوسنتزی در غشای تیلاکوئید قرار دارند. افزون بر سبزینه که بیشترین رنگیزه در سبزدیسههاست، کاروتنوئیدها نیز در غشای تیلاکوئید وجود دارند. وجود رنگیزههای متفاوت، کارایی گیاه را در استفاده از طول موجهای متفاوت نور افزایش میدهد.
در گیاهان سبزینههای $a$ و $b$ وجود دارند. بیشترین جذب هر دو نوع سبزینه در محدودههای 400 تا 500 نانومتر (بنفش - آبی) و 600 تا 700 نانومتر (نانجی - قرمز) است. گرچه حداکثر جذب آنها در هر یک از این محدودهها با هم فرق میکند. کاروتنوئیدها به رنگهای زرد، نارنجی و قرمز دیده میشوند و بیشترین جذب آنها در بخش آبی و سبز نور مرئی است (شکل 3).
فتوسیستم: سامانه تبدیل انرژی
رنگیزههای فتوسنتزی همراه با انواعی پروتئین در سامانههایی به نام فتوسیستم 1 و 2 قرار دارند. هر فتوسیستم شامل آنتنهای گیرنده نور و یک مرکز واکنش است. هر آنتن که از رنگیزههای متفاوت (کلروفیلها و کاروتنوئیدها) و انواعی پروتئین ساخته شده است، انرژی نور را میگیرد و به مرکز واکنش منتقل میکند. مرکز واکنش، شامل مولکولهای کلروفیل $a$ است که در بستری پروتئینی قرار دارند.
حداکثر جذب سبزینه $a$ در مرکز واکنش فتوسیستم 1، در طول موج 700 نانومتر و حداکثر جذب آن در فتوسیستم 2، در طول موج 680 نانومتر است. بر همین اساس، به سبزینه $a$ در فتوسیستم 1، $P700$ و در فتوسیستم 2، $P680$ میگویند.
فتوسیستمها در غشای تیلاکوئید قرار دارند و با مولکولهایی به نام ناقل الکترون به هم مرتبط میشوند. این مولکولها میتوانند الکترون بگیرند یا اینکه الکترون از دست بدهند (کاهش و اکسایش).
فعّالیت 2 (صفحهٔ 80 کتاب درسی)
ارائه دلیل
نمودار زیر میزان فتوسنتز یک گیاه را نشان میدهد. این نمودار را با نمودار شکل 3 مقایسه کنید و نتایجی را که از آن بهدست میآورید، بنویسید.
مقایسه این دو نمودار نشان میدهد که میزان فتوسنتز در جاهایی از نمودار بیشتر است که در آنها جذب انواع رنگیزههای فتوسنتزی بالا است. در نتیجه میزان ${{O}_{2}}$ تولید شده نیز بالا است و در جاهایی از نمودار که جذب نور توسط رنگیزهها به حداقل میرسد فتوسنتز هم در کمترین سطح ممکن انجام میشود.
بخش مرئی نور، بخش کوچکی از طیف الکترومغناطیس است. طیف الکترومغناطیس را در کتاب فیزیک 3 مطالعه میکنید.
فعّالیت 3 (صفحهٔ 81 کتاب درسی)
گفتوگو کنید
آیا همۀ طول موجهای نور مرئی به یک اندازه در فتوسنتز نقش دارند؟ میتوان با استفاده از اسپیروژیر (جلبک سبز رشتهای)، نوعی باکتری هوازی، چشمه نور و منشور - برای تجزیهنور - آزمایشی را برای پاسخ به این پرسش انجام داد.
اسپیروژیر سبزدیسههای نواری و دراز دارد (شکل الف). اگر همهٔ طول موجهای نور به یک اندازه در فتوسنتز مؤثر باشند، انتظار داریم که تراکم اکسیژن در اطراف جلبک رشتهای یکسان باشد.
در آزمایشی که برای بررسی این فرض انجام شد، جلبک را روی سطحی ثابت کردند و درون لولۀ آزمایشی شامل آب و باکتریهای هوازی قرار دادند. لوله آزمایش در برابر نوری قرار گرفت که از منشور عبور کرده و به طیفهای متفاوت تجزیه شده بود. بعد از گذشت مدتی، مشاهده شد که باکتریها در بعضی قسمتها تجمع یافتهاند (شکل ب).
الف) چه توضیحی برای این مشاهده دارید؟ با چه آزمایشی میتوانید درستی این توضیح را بررسی کنید؟
تجمع باکتریها در طول موجهای نزدیک 500 نانومتر و 700 نانومتر است که به ترتیب طول موجهای رنگهای آبی و نارنجی، قرمز نور مرئی هستند.
همانطور که در ترسیمی از نتیجهٔ آزمایش مشخص است، باکتریهای هوازی در طول موجهایی از نور مرئی تجمع یافتهاند که در آنها حداکثر جذب کلروفیل و در نتیجه حداکثر فتوسنتز و تولید اکسیژن صورت میگیرد. با استفاده از دستگاههای فتوسنتزمتر میتوان میزان فتوسنتز در طول موجهای مختلف نور مرئی جذب شده توسط کلروفیل کلروپلاست اسپیروژیر را محاسبه کرد که بر طبق آن میزان فتوسنتز در طول موجهایی که تجمع باکتریهای هوازی در آنها حداکثر بوده است بسیار بیشتر از موجهای دیگر نور مرئی است.
ب) آیا از این آزمایش میتوان نتیجه گرفت که سبزینه، رنگیزه اصلی در فتوسنتز است؟ پاسخ خود را توضیح دهید.
بله، زیرا باکتریهای هوازی در محل طیف رنگهای جذب شده کلروفیل تجمع پیدا کرده است، بنابراین نتیجه میگیریم کلروفیل رنگیزه اصلی فتوسنتز است.
|
|
مولکول سبزینه از دو بخش سر و دم تشکیل شده است. تفاوت سبزینههای $a$ و $b$ به اختلاف اندکی در بخش سر مربوط میشود. جالب است که ساختار بخش سر شبیه مولکول هموگلوبین است. با این تفاوت که به جای منیزیم، آهن دارد.
