فتوسنتز چیست؟ چه عواملی بر میزان فتوسنتز تاثیر می گذارند؟

فتوسنتز از مهم ترین فرایندهای زیستی کره زمین است که بدون آن، حیات به شکل امروزی وجود نداشت. گیاهان، جلبک ها و برخی باکتری ها از طریق فتوسنتز انرژی نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می کنند و آن را در قالب قند ذخیره می سازند. این فرایند را فتوسنتز می گویند.
در این مطلب به طور کامل بررسی می کنیم که فتوسنتز چیست؟ چگونه انجام می شود و چه عواملی آن را تحت تأثیر قرار می دهند؟

فتوسنتز (Photosynthesis) چیست؟

فتوسنتز فرآیندی حیاتی است که توسط گیاهان، جلبک ها و برخی باکتری ها انجام می شود. در این فرایند گیاهان سبز نور خورشید را جذب کرده و به کمک آب و دی اکسید کربن، قند (گلوکز) و اکسیژن تولید می کنند. قند تولید شده (گلوکز و فروکتوز) به ریشه، ساقه، برگ، دانه و گل ها فرستاده می شود و اجزای گیاه و درخت، از این قند تغذیه می کنند. مولکول های این قندها با یکدیگر ترکیب شده و کربوهیدارت های پیچیده تری (همچون نشاسته و سلولز) را ایجاد می کنند. سلولز ماده ای ساختاری است که در دیواره های سلولی گیاهان وجود دارد.

فتوسنتز در اندامک هایی به نام کلروپلاست انجام می شود که حاوی ماده ای سبزرنگ به نام کلروفیل هستند. کلروفیل همان ماده ای است که نور خورشید را جذب کرده و باعث ساخت غذا توسط گیاه می شود. پس تمام قسمت های سبزرنگ گیاه، توان انجام فتوسنتز را دارند. در اندام هایی که کلروفیل وجود ندارد، فتوسنتز انجام نمی شود. از بین تمام بخش های گیاه، برگ ها بیشترین تعداد کلروپلاست را در خود جای داده اند؛ به همین دلیل مهم ترین و اصلی ترین محل انجام فتوسنتز در گیاهان، برگ ها هستند.

چرا فتوسنتز برای ادامه حیات ضروری است؟

Photosynthesis از سه جهت اهمیت فوق العاده دارد:

• تولید اکسیژن: در طول فتوسنتز، گیاهان دی اکسید کربن را جذب کرده و اکسیژن تولید می کنند. این اکسیژن برای تنفس انسان و سایر موجودات زنده ضروری است.
• تولید غذا: تمام جانوران، انسان ها و موجودات زنده به طور غیرمستقیم انرژی غذایی خود را از فتوسنتز دریافت می کنند.
• کاهش CO₂ و جلوگیری از گرم شدن زمین: فتوسنتز باعث جذب دی اکسیدکربن و کنترل دمای زمین می شود.

عوامل مؤثر بر فتوسنتز کدامند؟

برای انجام فتوسنتز گیاه به این عوامل نیاز دارد:

• نور: نور خورشید انرژی لازم برای انجام واکنش های شیمیایی را فراهم می کند. این عنصر از طریق برگ و سطح گیاه جذب می شود. هرچقدر شدت نور کمتر باشد، فتوسنتز کمتر اتفاق می افتد. بالا بودن شدت نور سرعت فتوسنتز را افزایش می دهد.
• دما: گیاهان در بازه دمایی خاص بهترین عملکرد را دارند. دمای بسیار زیاد یا کم باعث کاهش فتوسنتز می شود.
• آب: کمبود آب باعث بسته شدن روزنه ها و کاهش جذب CO₂ می شود. آب از طریق ریشه ها جذب شده و به برگ ها منتقل می شود.
• CO₂: افزایش CO₂ تا حدی خاص سرعت فتوسنتز را بالا می برد. دی اکسید کربن از طریق روزنه های هوایی موجود در برگ ها جذب می شود.
• کاهش استرس محیطی: آلودگی هوا، تغییرات شدید دما، خشکسالی، گرد و غبار زیاد و… به سلامت گیاهان آسیب می زنند. هرچقدر شرایط استرس زا برای گیاه کمتر ایجاد شود و محیطی پایدار برای رشد برقرار باشد، فتوسنتز بهتری اتفاق می افتد.
• استفاده از کودهای مناسب: گیاهان برای اینکه فتوسنتز خوبی داشته باشند، به عناصر ماکرو و میکرو نیازمندند. این عناصر به گیاه کمک می کنند تا مواد غذایی مورد نیاز برای رشد را بهتر جذب کند.
• رطوبت نسبی مطلوب: رطوبت مناسب، باعث تعادل آب در گیاه شده و کارکرد روزنه ها را تنظیم می کند. در رطوبت بسیار کم، گیاه به سرعت آب از دست می دهد و برای جلوگیری از خشکی، روزنه ها را می بندد. این وضعیت مستقیماً فتوسنتز را کاهش می دهد. از طرف دیگر، رطوبت بیش از حد اکسیژن رسانی به ریشه ها را محدود کرده و رشد بیماری های قارچی را افزایش می دهد.
• کاهش استرس: عوامل تنش زا (مثل آفات و بیماری ها، شوری خاک، خشکسالی و سرما) تاثیر مستقیمی بر قدرت فتوسنتز دارند. هر نوع استرس، بخشی از انرژی گیاه را به جای تولید مواد غذایی، صرف مقاومت و بقا می کند. در صورتی که عوامل استرس زا کنترل شوند، گیاه می تواند انرژی خود را صرف رشد، سبزینه سازی و افزایش بازده فتوسنتز نماید.

فرآیند فتوسنتز چگونه انجام می شود؟

فتوسنتز فرآیندی است که در سلول های گیاهی، مخصوصا کلروپلاست ها رخ می دهد. گیاهان سبز از نور خورشید استفاده می کنند تا گلوکز (قند) تولید کنند. فتوسنتز در دو مرحله اصلی انجام می شود:

مرحله اول: واکنش های وابسته به نور

این مرحله وابسته به نور است. این واکنش ها در غشاهای تیلاکوئیدی کلروپلاست ها رخ می دهند. در این مرحله، انرژی نور خورشید توسط رنگدانه هایی به نام کلروفیل (رنگدانه سبز موجود در گیاهان) جذب می شود. از طرفی آب (H₂O) که از طریق ریشه جذب شده بود، توسط آوندهای چوبی به برگ منتقل می شود. کلروفیل نور خورشید را جذب می کند تا مولکول های آب را به هیدروژن و اکسیژن بشکند. انرژی نور باعث تولید ATP و NADPH می شود که هر دو مولکول های انرژی زا هستند. در این فرایند اکسیژن به عنوان محصول جانبی آزاد می شود.

مرحله دوم: واکنش های مستقل از نور (واکنش های تاریکی یا چرخه کالوین)

این مرحله نیازی به نور مستقیم ندارد. واکنش ها در استروما (ماده زمینه ای) کلروپلاست رخ می دهند. در این مرحله، انرژی ذخیره شده در ATP و NADPH برای تبدیل دی اکسید کربن (CO₂) به قند (گلوکز) استفاده می شود. این چرخه به نام ملوین کالوین، دانشمندی که آن را کشف کرد، نامگذاری شده است. همچنین اکسیژن به وجود آمده از طریق برگ ها به هوا آزاد می شود.
در واکنش های تاریکی CO₂ وارد کلروپلاست شده و به کمک ATP و NADPH به گلوکز تبدیل می شود. گلوکز صرف انرژی گیاه می شود و بقیه قندها در ریشه، برگ و میوه ذخیره می شوند.

Photosynthesis در کدام قسمت گیاه انجام می شود؟

کلروپلاست ها اندامک های کوچکی هستند که در سلول های گیاهی و جلبک ها یافت می شوند. این اندامک ها حاوی کلروفیل بوده و محل اصلی انجام فتوسنتز هستند. کلروپلاست ها دارای ساختار پیچیده ای هستند که به آن ها اجازه می دهد تا فرآیند فتوسنتز را به طور مؤثر انجام دهند.

همانطور که توضیح دادیم، فتوسنتز را می توان به دو بخش تقسیم کرد:

• بخش “فتو”: این واکنش ها به وسیله نور تحریک می شوند.
• بخش “سنتز”: این بخش که همان فرایند تولید قند است در چرخه تاریکی انجام می شود.

هر دو بخش در کلروپلاست انجام می شوند.

کلروفیل رنگدانه ای سبز است که در کلروپلاست های گیاهان وجود دارد. این رنگدانه نقش کلیدی در جذب انرژی نور خورشید ایفا می کند. کلروفیل نورهای قرمز و آبی را به خوبی جذب می کند، اما نور سبز را بازتاب می کند. این رنگدانه مهم ترین عامل در فتوسنتز است.

تأثیر تغییرات اقلیمی بر فرایند فتوسنتز چیست؟

تغییرات اقلیمی با ایجاد اختلال در شرایط محیطیِ موردنیاز گیاهان، مستقیماً بر فتوسنتز اثر می گذارد. فتوسنتز فرایندی بسیار حساس است و هر عامل محیطی که دما، آب، نور یا کیفیت هوا را تغییر دهد، می تواند توان گیاه را برای تبدیل انرژی نور به مواد غذایی کاهش دهد. مهم ترین اثرات عبارت اند از:

• افزایش دما: یکی از اصلی ترین بخش های فتوسنتز، آنزیم روبیسکو (RuBisCO) است که وظیفه تثبیت دی اکسیدکربن را بر عهده دارد. افزایش غیرعادی دما کارایی روبیسکو را کاهش می دهد. در این حالت تمایل روبیسکو به مصرف اکسیژن افزایش می یابد (افزایش تنفس نوری). در نتیجه تولید قند کم شده و رشد گیاه محدود می شود.
• کاهش منابع آبی: خشکسالی یکی از مهم ترین پیامدهای تغییرات اقلیمی است و تأثیر مستقیمی بر برگ و روزنه های گیاه دارد. در شرایط کم آبی روزنه ها برای جلوگیری از تبخیر بسته می شوند. در این حالت ورود CO₂ به برگ کاهش پیدا می کند و چرخه کالوین به طور کامل انجام نمی شود. در نتیجه میزان تولید قند افت می کند.
• آلودگی هوا و تخریب کلروفیل: افزایش آلاینده ها مانند اوزون، دی اکسید نیتروژن و ذرات معلق می تواند ساختار و عملکرد برگ را تخریب کند. این آلاینده ها باعث آسیب به کلروپلاست، اکسید شدن کلروفیل و کاهش توان جذب نور می شوند. وقتی کلروفیل کاهش یابد، توان گیاه برای گرفتن انرژی نور افت می کند و فتوسنتز کند می شود.
• تغییر غلظت CO₂: اگرچه افزایش CO₂ در نگاه اول می تواند سرعت فتوسنتز را بیشتر کند، اما این اثر کوتاه مدت است. در بلندمدت و همراه با گرمای زیاد و خشکسالی، این افزایش نمی تواند آسیب عوامل دیگر را جبران کند. در واقع باید گفت افزایش CO₂ مفید است، اما افزایش دما و کاهش رطوبت همه چیز را خنثی می کند.

نتیجه این عوامل، تاثیر منفی بر رشد و عملکرد نهایی گیاه است. کاهش فتوسنتز باعث افت رشد کلی، کاهش عملکرد محصولات کشاورزی، کاهش تولید اکسیژن توسط گیاهان و افزایش حساسیت گیاه به بیماری ها و آفات می شود. این اثرات امنیت غذایی و پایداری اکوسیستم ها را تهدید می کند.

کوددهی چه تاثیری در بهبود فتوسنتز گیاهان دارد؟

فتوسنتز فرایندی وابسته به سلامت برگ ها، مقدار کلروفیل و دسترسی گیاه به عناصر غذایی است. اگر مواد غذایی لازم در دسترس نباشند، حتی با وجود نور کافی، گیاه نمی تواند به خوبی Photosynthesis کند. کوددهی مناسب دقیقاً در همین نقطه نقش حیاتی پیدا می کند. عناصر غذایی که در بهبود فتوسنتز نقش دارند عبارتند از:

نیتروژن: مهم ترین عنصر برای ساخت کلروفیل

نیتروژن جزء اصلی کلروفیل است. کمبود نیتروژن باعث کاهش تولید کلروفیل در برگ ها شده و در نتیجه برگ ها کم کم زرد و کم جان می شوند. کاهش تولید کلروفیل همچنین باعث کاهش قدرت جذب نور می شود. در نتیجه فتوسنتز افت می کند. انواع کودهای نیتروژنه مثل اوره، سولفات آمونیوم و نیترات آمونیوم به طور مستقیم توان فتوسنتزی را افزایش می دهند.

• منیزیم: در قلب هر مولکول کلروفیل یک اتم منیزیم قرار دارد. کودهای منیزیمی باعث افزایش تولید کلروفیل، بهبود جذب نور، سبزینگی و فعالیت بیشتر برگ می شوند.
• آهن: آهن برای ساخت کلروفیل و فعالیت آنزیم های فتوسنتزی ضروری است. کمبود آهن باعث زرد شدن برگ های جوان شده و فتوسنتز را به شدت کاهش می دهد.
• فسفر: فتوسنتز بدون انرژی (ATP و NADPH) انجام نمی شود و فسفر عنصر کلیدی تولید ATP است. فسفر باعث افزایش انرژی سازی برگ ها، رشد بهتر ریشه برای جذب آب و CO₂ و تقویت کل فرایند فتوسنتز می شود.
• پتاسیم: روزنه های برگ مسیر ورود CO₂ هستند و فتوسنتز بدون CO₂ ممکن نیست. پتاسیم کمک می کند روزنه ها تنظیم شوند، آب در برگ بهتر مدیریت شود و CO₂ راحت تر وارد برگ شود. گیاهان کم پتاسیم معمولاً رشد کند و Photosynthesis کمی دارند.
• گوگرد: گوگرد در برخی واکنش های سنتز کلروفیل نقش دارد. کمبود این عنصر باعث زردی یکنواخت برگ ها و کاهش قدرت فتوسنتز می شود. کود سولفات آمونیوم یکی از بهترین منابع گوگرد برای افزایش فتوسنتز است.
• ریز مغذی ها: این عناصر کوچک اما حیاتی باعث فعال شدن آنزیم هایی می شوند که چرخه فتوسنتز را اجرا می کند. بدون آن ها سرعت واکنش های فتوسنتزی کم می شود و برگ ها ضعیف و کم رنگ می شوند.

نتیجه اینکه کوددهی اصولی = برگ های سالم تر + کلروفیل بیشتر + جذب نور بهتر

دقت داشته باشید که مصرف بی رویه و بی دلیل کودها ضرر زیادی برای خاک و گیاهان دارد. مصرف کود حتما باید طبق کمبود و نیاز خاک و گیاه صورت بگیرد. برای این منظور قبل از شروع فصل رشد، خاک را نمونه برداری و آزمایش کنید. به این ترتیب می فهمید که چه کودهایی و تا چه حد نیازند.

وقتی مواد غذایی کافی در دسترس باشد:

• برگ ها سبزتر می شوند.
• کلروپلاست ها فعال تر عمل می کنند.
• سیستم روزنه ها بهتر کار می کند.
• سرعت چرخه تولید انرژی افزایش می یابد.
• در نتیجه این عوامل گیاه سریع تر رشد می کند، عملکرد بالاتری دارد و نسبت به تنش ها مقاوم تر می شود.