Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
כמעט כל האורגניזמים החיים על פני כדור הארץ תלויים בפוטוסינתזה, שהיא התהליך הממיר את אנרגיית אור השמש לסוכר פשוט שנקרא גלוקוז. מולקולה זו יכולה לשמש כמקור אנרגיה לטווח קצר או לבניית פחמימות מורכבות יותר כמו עמילנים לאחסון אנרגיה לטווח ארוך. אוטוטרופים הם אורגניזמים הלוכדים אנרגיית אור באמצעות פוטוסינתזה. ידוע גם בשם יצרנים ראשוניים, הם מספקים את האנרגיה הדרושה לאורגניזמים שאוכלים אותם, אשר ידועים כצרכנים.
אורגניזמים שיכולים לבצע פוטוסינתזה הם מגוונים למדי, כולל ציאנובקטריה, כמה פרוטיסטים כגון אצות, כמו גם צמחים. בתאים איקריוטים, הפוטוסינתזה מתרחשת באברון הנקרא כלורופלסט, אשר נראים ירוקים בשל התוכן הגבוה של הפיגמנט כלורופיל. פיגמנטים הם מולקולות הבולעות אור באורכי גל מסוימים. האור שאינו נבלע על ידי פיגמנט מוחזר כאור נראה שניתן לראות כצבע הפיגמנט. צמחים מייצרים פיגמנטים מרובים בעלי פונקציות שונות הבולעים אור מהשמש באורכי גל שונים. לדוגמה, כלורופיל בולע אור באורכי גל אדומים וכחולים בעוד שהוא מחזיר אורכי גל המתאימים לירוק. פיגמנטים אחרים כגון קרוטנואידים, אנתוציאנינים ובטאלינים בדרך כלל מחזירים אור באורכי גל באנרגיה נמוכה בין 600 ל-800 ננומטר, ולכן נראים צהובים עד אדומים. באזורים ממוזגים, הירידה בכלורופיל בסתיו חושפת את הפיגמנטים האלה כאשר עלים משנים את צבעם לאדומים, צהובים וכתומים.
כלורופיל הוא הפיגמנט העיקרי בכלורופלסטים המשמש לפוטוסינתזה, בעוד פיגמנטים אחרים מסייעים בתיעול אנרגיית האור לכלורופילים או מגנים על התא מפני נזקי אור. פוטוסינתזה מורכבת משני מסלולים, הידועים כתגובות תלויות אור ובלתי תלויות באור ומתרחשות במקומות שונים בתוך כלורופלסטים. אברונים אלה מכילים שלושה קרומים: קרום חיצוני, קרום פנימי, והקרום התילקואיד הפנימי ביותר, היוצר קפלים ארוכים בצורת דיסק בתוך הכלורופלסט. החלל המלא בנוזל בין הקרומים הפנימיים והתילאקואידים נקרא סטרומה. התגובות התלויות באור מתחילות כאשר האנרגיה באור השמש מעוררת את האלקטרונים של פיגמנטי הכלורופיל המוטבעים בתוך הממברנה התילאקואידית. אלקטרונים עתירי אנרגיה אלה מועברים לאחר מכן ממולקולה נושאת אלקטרונים אחת לאחרת בתוך הממברנה התילקואידית, הידועה בשם הכולל שרשרת הובלת האלקטרונים. כל העברה בשרשרת הובלת האלקטרונים לוקחת את האלקטרון למצב אנרגיה נמוך יותר, ובכך משחררת אנרגיה. חלק מהאנרגיה הזו רתומה לסנתז מולקולות קטנות ועשירות באנרגיה כגון אדנוזין טריפוספט (ATP) וניקוטין-אמיד אדנין די-נוקלאוטיד פוספט (NADPH). האלקטרון האבוד של הכלורופיל מוחלף באמצעות הידרוליזה (שמשמעותה פיצול מים), כאשר אטומי מימן וחמצן מופרדים. אטומי מימן הנוצרים על ידי הידרוליזה תורמים את האלקטרונים שלהם לכלורופיל ואילו מולקולות החמצן משתחררות לאטמוספירה. זרם אלקטרונים דרך הידרוליזה מאפשר לפיגמנטים של כלורופיל לספוג ברציפות את אנרגיית האור על ידי הלהיב אלקטרונים חדשים שוב ושוב ולהעביר אותם לאורך שרשרת הובלת האלקטרונים.
התגובות הבלתי תלויות באור מתרחשות בסטרומה. תהליך זה משתמש באנרגיית האור באופן עקיף על ידי ניצול האנרגיה ממולקולות ATP ו-NADPH הנוצרות על ידי התגובות התלויות באור. במהלך מסלול זה, פחמן דו-חמצני (CO2) משמש לבניית סוכר תלת-פחמני, אשר לאחר מכן יכול להפוך לגלוקוז או לביומולקולות אחרות. תהליך זה ידוע גם בשם קיבוע פחמן או קיבוע פחמן, מאחר שהפחמן מבודד מהאטמוספרה ומקובע לביומולקולות.
קיבוע פחמן במהלך פוטוסינתזה הוא שלב חשוב במחזור הפחמן, שבוCO2 זורם ממאגר אחד לאחר בקצב קבוע יחסית. שינויים בקצב זרימתCO2 יכולים לשנות את האיזון שלו בין מאגרים. חשוב מכך, מכיוון ש-CO2 הוא גז חממה, עלייה בריכוז האטמוספרי שלו תורמת לעליית הטמפרטורות. רוב ה-CO2 הזה נפלט משריפת דלקי מאובנים, ובכך מחזיר את הפחמן הדו-חמצני שנלכד בפוטוסינתזה לפני מאות מיליוני שנים לאטמוספרה בקצב חסר תקדים. לכן, יערות ואצות אוקיינוס חיוניים יותר ויותר בקירור כדור הארץ על ידי הפחתת רמותCO2 מוגברות1. זוהי אחת מהסיבות הרבות לכך שבירוא יערות הוא דאגה רצינית באקלים משתנה.
בדומה לאופן שבו צמחים משתמשים בפוטוסינתזה כדי ללכוד אנרגיית אור לתוך ביומולקולות, חוקרים חוקרים פוטוסינתזה מלאכותית כדי ליצור דלקים ביולוגיים ניטרליים מבחינת פחמן כחלופה לדלקי מאובנים. בדומה לפאנלים סולאריים, שיטות פוטוסינתזה מלאכותיות מקבלות אנרגיה מהשמש, ואוגרות אותה כאנרגיה כימית, שאת חלקה ניתן לאחסן לפרקי זמן ארוכים, במקום להמיר אותה ישירות לחשמל2. מדענים הצליחו גם לייצר סוכרים פשוטים וחומצה לקטית באמצעות חיידקים פוטוסינתטיים3. לגישה זו יש יישומים נרחבים בייצור ביומולקולות, דלקים ביולוגיים ואפילו פלסטיק מתכלה עם פליטות מזיקות מעטות או ללא פליטות מזיקות. בנוסף, ניתן להשתמש בגישה זו כדי להסיר עודףCO2 מהאטמוספירה. רעיון דומה מיושם גם בתחום הרפואי, שם משתמשים בחיידקים פוטוסינתטיים לייצור חומרים ותרופות פעילים פיזיולוגית, שחלקם יושמו לאבחון וטיפול בסרטן4. מחקר עתידי עשוי להגביר את היעילות של ייצור מולקולות בנות קיימא וניטרליות פחמן, תוך תיקון ההשפעות של רמות CO2 אטמוספריות מוגברות.
האם אי פעם תהיתם מדוע כל סתיו עלי עצים משתנים מירוק לגוונים של צהוב, כתום ואדום? מה נותן לעלים את הצבעים העזים שלהם מלכתחילה? התשובה טמונה באברוני הצמח הנקראים כלורופלסטים, המכילים פיגמנטים הסופגים אורכי גל מסוימים באור השמש ומחזירים אחרים. פיגמנט מסוים אחד, כלורופיל, הוא הנפוץ ביותר בקיץ. הוא סופג אורכי גל עתירי אנרגיה, סגול, כחול ואדום מאור השמש, ומחזיר אורכי גל ירוקים המעניקים לעלים את המראה הירוק שלהם. ישנם פיגמנטים אחרים בעלים, כגון קרוטנואידים, המחזירים אור אדום וצהוב. בסתיו העלים מפסיקים לחדש את הפיגמנטים שלהם. מאחר שכלורופיל מתכלה מהר יותר מהפיגמנטים האחרים, הצבעים של הקרוטנואידים הללו אינם מוסווים.
ניתן להדגים את נוכחותם של פיגמנטים שונים בעלה ירוק באמצעות נייר כרומטוגרפיה, פולימר הידרופילי המפריד מולקולות על סמך מסיסותן בממס מסוים. ראשית, תמצית העלים נטענת על הנייר. כאשר טובלים את הנייר בממס הידרופובי אורגני, הממס נע לאורך הנייר עקב פעולה נימית ולאורך הדרך הוא מפריד בין פיגמנטים שונים בתמצית העלים. הפיגמנטים ההידרופוביים ביותר נישאים במעלה הנייר. ואילו פיגמנטים הידרופיליים נקשרים לתאית, מה שמעכב את תנועתם. לאחר שכל הפיגמנטים ממוינים לפי ההידרופוביות שלהם, אנו יכולים לחשב את גורם השמירה או ערכי Rf. ערך ה- Rf הוא היחס בין המרחק שעבר פיגמנט למרחק שעבר הממס. לכל פיגמנט יש ערך Rf ייחודי ואנו יכולים לזהות פיגמנטים בקלות על ידי השוואת ערכים מחושבים לתקנים. פוטוסינתזה, התהליך שבו צמחים ממירים פחמן דו חמצני, מים ואנרגיית אור לאנרגיה כימית וחמצן, מתבצעת בעיקר בעלים של צמח, וכלורופיל ממלא תפקיד קריטי בתהליך זה. כלורופלסטים מכילים עשרות מולקולות כלורופיל, שכל אחת מהן מבצעת משימה ספציפית ומקיימת אינטראקציה בדרכים מורכבות. בסופו של דבר, אנרגיית האור גורמת למולקולות כלורופיל לוותר על אלקטרונים המשמשים בתהליכים מטבוליים אחרים. לכן, כלורופיל זקוק לאספקה רציפה של אלקטרונים כדי להחליף את אלה שהוא מאבד. אלקטרונים חלופיים אלה מגיעים מפיצול מולקולות מים לפרוטונים, אלקטרונים ומולקולות חמצן. בקצב גבוה של פוטוסינתזה, מים מתפצלים מהר יותר כדי לחדש אלקטרונים וחמצן נוצר במהירות.
תופעה זו עוזרת לנו להעריך את קצב הפוטוסינתזה במעבדה פשוט על ידי השעיית דיסקיות עלים בתמיסת ביקרבונט שבה ביקרבונט משמש כמקור עשיר לפחמן. בתחילת ניסוי דיסקת העלים הגזים נדחפים החוצה מדיסקות העלים על ידי הפעלת לחץ שלילי עם ואקום במזרק. דיסקיות העלים עם הגזים שנפלטו הופכות כבדות יותר ושוקעות לתחתית תמיסת הביקרבונט כאשר הן מועברות לכוס. כאשר מתרחשת פוטוסינתזה, מים בסביבה מפוצלים על מנת לחדש את אלקטרוני הכלורופיל. החמצן שנוצר הופך את הדיסקים לקלים יותר וגורם להם לצוף אל פני השטח לאורך זמן. לסביבות המאפשרות שיעורים גבוהים יותר של פוטוסינתזה יש דיסקים שצפים מהר יותר.
במעבדה זו תפרידו ותזהו תחילה פיגמנטים בעלי תרד באמצעות נייר כרומטוגרפיה. לאחר מכן תוכלו להעריך את קצב הפוטוסינתזה במים ובתמיסת ביקרבונט בעזרת ניסוי דיסק עלים.
