פוטוסינתזה - העמקה
התהליך שמזין את כל החיים על כדור הארץ - איך הוא באמת עובד?
מעבר ליסודות
המשוואה של הפוטוסינתזה
המשוואה המילולית:
פחמן דו-חמצני + מים ← (אנרגיית אור + כלורופיל) ← גלוקוז + חמצן
המשוואה הכימית:
6CO2 + 6H2O ← (אור + כלורופיל) ← C6H12O6 + 6O2
שימו לב: אור וכלורופיל הם תנאים לתהליך, לא מגיבים. הם לא 'נצרכים' בתגובה - האור מספק אנרגיה והכלורופיל קולט אותה ופועל שוב ושוב.
המגיבים (חומרי גלם)
- פחמן דו-חמצני (CO2) - נכנס דרך הפיוניות בעלים. ריכוזו באוויר: ~0.04%
- מים (H2O) - נספגים מהקרקע דרך השורשים ועולים בצינורות עץ עד לעלים
- אנרגיית אור - נקלטת ע"י כלורופיל בכלורופלסט. זהו תנאי, לא מגיב
התוצרים
- גלוקוז (C6H12O6) - סוכר פשוט, מקור אנרגיה וחומר בניין
- חמצן (O2) - משתחרר לאטמוספירה דרך הפיוניות. תוצר לוואי חיוני!
- הגלוקוז הופך לעמילן (אגירה), תאית (דפנות), חלבונים ושומנים
היכן מתרחשת הפוטוסינתזה?
מהעלה ועד המולקולה
הפוטוסינתזה מתרחשת בתוך אברון ספציפי בתא - הכלורופלסט.
הפוטוסינתזה מתרחשת בעיקר בעלים (ולעיתים בגבעול הירוק). בתוך תאי העלה, התהליך מתבצע בכלורופלסט - אברון מיוחד שמכיל את הפיגמנט הירוק כלורופיל.
כלורופיל קולט את אנרגיית האור (בעיקר אור אדום וכחול) ומשתמש בה להנעת התגובה הכימית. הוא מחזיר אור ירוק - ולכן צמחים נראים ירוקים!
מגנזיום (Mg) נמצא במרכז כל מולקולת כלורופיל. בלי Mg - אין כלורופיל - אין פוטוסינתזה.
כלורופיל = הפיגמנט שקולט אור. כלורופלסט = האברון שמכיל את הכלורופיל. עלה = האיבר שמכיל את הכלורופלסטים.
תנאים הכרחיים לפוטוסינתזה
מה נדרש כדי שפוטוסינתזה תתרחש?
אור
מקור האנרגיה. ללא אור - הפוטוסינתזה נעצרת לחלוטין. עוצמת האור משפיעה ישירות על הקצב.
כלורופיל
הפיגמנט שקולט אנרגיית אור. נמצא בכלורופלסטים. בלי כלורופיל - אין קליטת אור.
CO2 ומים
חומרי הגלם. מים מהקרקע דרך שורשים, CO2 מהאוויר דרך פיוניות. בלעדיהם - אין מגיבים.
שאלה לחשיבה
עלה ירוק מכוסה בשכבת שעווה עבה. האם הפוטוסינתזה תהיה יעילה? הסבירו.
שכבת שעווה עבה עשויה לחסום כניסת CO2 דרך הפיוניות, אך לא בהכרח חוסמת אור. הבעיה העיקרית: אם השעווה מכסה גם את הפיוניות, CO2 לא יכול להיכנס ותוצרי הגז (O2) לא יכולים לצאת - הפוטוסינתזה תיעצר. השעווה עצמה (קוטיקולה) היא שקופה ולא חוסמת אור, אבל היא חייבת לא לכסות את הפיוניות.
ארבעת הגורמים המשפיעים על הקצב
מה מאיץ ומה מאט את הפוטוסינתזה?
קצב הפוטוסינתזה אינו קבוע - הוא משתנה בהתאם לתנאים. ארבעה גורמים עיקריים קובעים את המהירות.
1. עוצמת אור:
ככל שהאור חזק יותר, הקצב עולה - עד נקודת רוויה שבה הקצב מגיע למקסימום. מעבר לנקודה זו, תוספת אור לא תעזור.
2. ריכוז CO2:
ריכוז גבוה יותר של CO2 מאיץ את התהליך (יותר מגיב = יותר תוצר). לכן בחממות חקלאיות מוסיפים CO2!
3. טמפרטורה:
אופטימלית בטווח 25-35 מעלות. בטמפרטורות גבוהות מדי (מעל 40-45) האנזימים עוברים דנטורציה - מאבדים את צורתם המרחבית ומפסיקים לפעול.
4. זמינות מים:
מחסור במים גורם לסגירת פיוניות (למניעת התייבשות). פיוניות סגורות = פחות CO2 נכנס = ירידה בקצב.
בכל רגע, הגורם שנמצא בריכוז הנמוך ביותר ביחס לצורך הוא ה'גורם המגביל' שקובע את הקצב.
מהו גורם מגביל?
המושג הכי חשוב בפרק
גורם מגביל הוא הגורם שבאותו רגע נמצא בחסר ולכן קובע את קצב התהליך.
דוגמה 1: יום מעונן - יש הרבה CO2 אבל מעט אור.
האור הוא הגורם המגביל. תוספת CO2 לא תשפר את הקצב, אבל תוספת אור כן.
דוגמה 2: יום שמשי וחם, קרקע יבשה - הפיוניות נסגרות.
המים הם הגורם המגביל (כי בלי מים ← פיוניות סגורות ← אין כניסת CO2).
דוגמה 3: יום שמשי, קרקע לחה, אבל ריכוז CO2 נמוך.
ה-CO2 הוא הגורם המגביל.
איך לזהות גורם מגביל בגרף?
כשנתונים לכם גרף של קצב פוטוסינתזה - זה הכלל:
- עלייה בגרף: הגורם על ציר X הוא המגביל. כשמעלים אותו - הקצב עולה
- התיישרות (פלטו): הגורם על ציר X כבר לא מגביל. גורם אחר הפך למגביל
- ירידה: קורה בטמפרטורה גבוהה (דנטורציה) או סגירת פיוניות
- שני גרפים באותו שרטוט? הגורם שמשתנה ביניהם הוא הגורם שקובע את ההבדל
שאלה לחשיבה
בחממה חקלאית מפיחים CO2 נוסף ומדליקים תאורה מלאכותית. הסבירו מדוע.
בחממה רוצים להגביר את קצב הפוטוסינתזה כדי שהצמחים יגדלו מהר יותר וייצרו יותר פירות/ירקות. הוספת CO2 מגבירה את ריכוז חומר הגלם, ותאורה נוספת מספקת יותר אנרגיה. על ידי הגברת שני הגורמים, מבטיחים שאף אחד מהם לא יהיה גורם מגביל. כך מגיעים לקצב פוטוסינתזה מרבי.
שאלה לחשיבה
הגרף מראה שקצב הפוטוסינתזה עולה עם עוצמת האור, אבל מנקודה מסוימת הוא מתיישר. הסבירו.
בהתחלה, האור הוא הגורם המגביל - ככל שיש יותר אור, הקצב עולה. בנקודת הרוויה, האור כבר לא חסר - הגורם המגביל עובר להיות גורם אחר (CO2 או טמפרטורה או כמות אנזימים). לכן, תוספת אור לא מגבירה יותר את הקצב. כדי להמשיך ולהעלות את הקצב, צריך להגביר את הגורם החדש שמגביל.
מה קורה עם הגלוקוז שנוצר?
אנרגיה - נשימה תאית
הגלוקוז מפורק בנשימה תאית במיטוכונדריה, ומשחרר אנרגיה (ATP) לכל תהליכי החיים: גדילה, חלוקה, הובלה, קליטת מינרלים.
אגירה - עמילן
גלוקוז מחובר לשרשראות ארוכות של עמילן - צורת אגירה. בזמן הצורך (לילה, חורף), העמילן מתפרק חזרה לגלוקוז.
בנייה - ביומסה
גלוקוז הופך לתאית (דפנות תא), חלבונים (עם חנקן מהקרקע), שומנים וDNA - כל חומרי הבניין של הצמח.
חשיבות הפוטוסינתזה לעולם
שני תפקידים גלובליים
ייצור חמצן
כ-21% מהאטמוספירה הם חמצן, וכמעט כולו מפוטוסינתזה.
ללא פוטוסינתזה: אין אטמוספירה עשירה בחמצן, אין נשימה אירובית, אין בעלי חיים כפי שאנחנו מכירים.
דוגמה: חצי מהחמצן מגיע מאצות ופיטופלנקטון בים!
ייצור חומר אורגני + ויסות אקלים
הגלוקוז הוא הבסיס לכל שרשרת המזון.
קליטת CO2 מפחיתה ריכוז גזי חממה.
כריתת יערות פוגעת בשתי הדרכים: פחות קליטת CO2 + שחרור פחמן.
דוגמה: יערות הגשם קולטים ~2 מיליארד טון CO2 בשנה
יערות הגשם נקראים 'הריאות של כדור הארץ' כי הם קולטים כמויות עצומות של CO2 ומשחררים O2. כריתת יערות מגבירה את אפקט החממה בשתי דרכים:
- פחות עצים = פחות קליטת CO2 מהאטמוספירה
- שריפת העצים משחררת את הפחמן שנאגר בהם בחזרה לאוויר כ-CO2
מנגד, נטיעת יערות ושמירה על שטחים ירוקים הם כלים חשובים במאבק בשינוי אקלים. כל עץ קולט CO2 ואוגר פחמן בגזעו, ענפיו ושורשיו - לפעמים למאות שנים.
בפרק הקשר הכימי למדנו שביצירת קשר כימי משתחררת אנרגיה, ובניתוק קשר כימי מושקעת אנרגיה.
בפוטוסינתזה, הצמח מנתק קשרים ב-CO2 וב-H2O ויוצר קשרים חדשים בגלוקוז. סך האנרגיה שנדרשת לניתוק הקשרים הישנים גדולה מהאנרגיה שמשתחררת ביצירת הקשרים החדשים - לכן התהליך כולו קולט אנרגיה מהאור.
בנשימה תאית קורה ההפך: ניתוק קשרים בגלוקוז + יצירת קשרים ב-CO2 וב-H2O = שחרור אנרגיה נטו.