प्रकाश संश्लेषण क्या है?

प्रकाश संश्लेषण, पौधों, शैवाल और कुछ बैक्टीरिया द्वारा सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा प्राप्त करने और इसे रासायनिक ऊर्जा में बदलने की प्रक्रिया है। यहां, हम प्रकाश संश्लेषण के सामान्य सिद्धांतों का वर्णन करते हैं और इस बात पर प्रकाश डालते हैं कि कैसे वैज्ञानिक स्वच्छ ईंधन और अक्षय ऊर्जा के स्रोतों को विकसित करने में मदद करने के लिए इस प्राकृतिक प्रक्रिया का अध्ययन कर रहे हैं।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकार

प्रकाश संश्लेषक प्रक्रियाएं दो प्रकार की होती हैं: ऑक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण और एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण। एनोक्सीजेनिक और ऑक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण के सामान्य सिद्धांत बहुत समान हैं, लेकिन ऑक्सीजनयुक्त प्रकाश संश्लेषण सबसे आम है और पौधों, शैवाल और साइनोबैक्टीरिया में देखा जाता है।

ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण के दौरान, प्रकाश ऊर्जा पानी (एच) से इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करती है₂O) कार्बन डाइऑक्साइड (CO)₂), कार्बोहाइड्रेट का उत्पादन करने के लिए। इस स्थानांतरण में, सी.ओ.₂ इलेक्ट्रॉनों को "कम," या प्राप्त करता है, और पानी "ऑक्सीकरण" हो जाता है, और इलेक्ट्रॉनों को खो देता है। अंततः, कार्बोहाइड्रेट के साथ ऑक्सीजन का उत्पादन होता है।

प्राणवायु प्रकाश संश्लेषण सभी श्वसन जीवों द्वारा निर्मित कार्बन डाइऑक्साइड में ले कर श्वसन के प्रति असंतुलन के रूप में कार्य करता है और वातावरण को ऑक्सीजन प्रदान करता है।

दूसरी ओर, एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण पानी के अलावा इलेक्ट्रॉन दाताओं का उपयोग करता है। यह प्रक्रिया आम तौर पर बैंगनी बैक्टीरिया और हरे सल्फर बैक्टीरिया जैसे बैक्टीरिया में होती है, जो मुख्य रूप से विभिन्न जलीय निवासों में पाए जाते हैं।

"एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण ऑक्सीजन का उत्पादन नहीं करता है - इसलिए नाम," विस्कॉन्सिन-मैडिसन विश्वविद्यालय में वनस्पति विज्ञान के प्रोफेसर डेविड बॉम ने कहा। "जो उत्पन्न होता है, वह इलेक्ट्रॉन दाता पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए, कई बैक्टीरिया खराब सल्फर युक्त गैस हाइड्रोजन सल्फाइड का उपयोग करते हैं, एक ठोस सल्फर को बायप्रोडक्ट के रूप में उत्पादित करते हैं।"

यद्यपि दोनों प्रकार के प्रकाश संश्लेषण जटिल, मल्टीस्टेप मामलों हैं, लेकिन समग्र प्रक्रिया को रासायनिक समीकरण के रूप में बड़े पैमाने पर संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है।

ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण इस प्रकार लिखा जाता है:

6CO₂ + 12 एच₂ओ + लाइट एनर्जी → सी₆एच₁₂हे₆ + 6 ओ₂ + 6 एच₂हे

यहाँ, कार्बन डाइऑक्साइड के छह अणु (CO)₂) पानी के 12 अणुओं के साथ गठबंधन (एच₂ओ) प्रकाश ऊर्जा का उपयोग करना। अंतिम परिणाम एकल कार्बोहाइड्रेट अणु (सी) का गठन है₆एच₁₂हे₆, या ग्लूकोज) सांस के प्रत्येक ऑक्सीजन और पानी के छह अणुओं के साथ।

इसी तरह, विभिन्न एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण प्रतिक्रियाओं को एकल सामान्यीकृत सूत्र के रूप में दर्शाया जा सकता है:

सीओ₂ + 2 एच₂ए + लाइट एनर्जी → + 2 ए + एच₂हे

समीकरण में अक्षर A एक चर और H है₂A संभावित इलेक्ट्रॉन दाता का प्रतिनिधित्व करता है। उदाहरण के लिए, A इलेक्ट्रॉन दाता हाइड्रोजन सल्फाइड (H) में सल्फर का प्रतिनिधित्व कर सकता है₂एस), गोविंदजी और जॉन व्हिटमर्श, ने उरबाना-शैंपेन विश्वविद्यालय के इलिनोइस विश्वविद्यालय में प्लांट जीवविज्ञानी, "कॉन्सेप्ट इन फोटोबोलॉजी: फोटोसिंथेसिस एंड फोटोमोर्फोजेनेसिस" (Narosa पब्लिशर्स और क्लूवर अकादमिक, 1999) पुस्तक में बताया।

प्रकाश संश्लेषक उपकरण

प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक सेलुलर घटक निम्नलिखित हैं।

पिग्मेंट्स

वर्णक वे अणु होते हैं जो पौधों, शैवाल और जीवाणुओं पर रंग डालते हैं, लेकिन वे सूर्य के प्रकाश को प्रभावी ढंग से फँसाने के लिए भी जिम्मेदार होते हैं। विभिन्न रंगों के वर्णक प्रकाश की विभिन्न तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं। नीचे तीन मुख्य समूह दिए गए हैं।

• क्लोरोफिल: ये हरे रंग के रंगद्रव्य नीले और लाल प्रकाश को फँसाने में सक्षम हैं। क्लोरोफिल के तीन उपप्रकार हैं, डब किए गए क्लोरोफिल ए, क्लोरोफिल बी और क्लोरोफिल सी। यूजीन राबिनोविच और गोविंदजी के अनुसार उनकी पुस्तक "प्रकाश संश्लेषण" (विले, 1969) में, क्लोरोफिल सभी प्रकाश संश्लेषण पौधों में पाया जाता है। एक बैक्टीरियल वैरिएंट है जिसे उपयुक्त रूप से बैक्टीरियोक्लोरोफिल नाम दिया गया है, जो अवरक्त प्रकाश को अवशोषित करता है। यह वर्णक मुख्य रूप से बैंगनी और हरे रंग के जीवाणुओं में देखा जाता है, जो एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण करते हैं।
• कैरोटेनॉयड्स: ये लाल, नारंगी या पीले रंग के रंगद्रव्य नीले-हरे प्रकाश को अवशोषित करते हैं। कैरोटीनॉयड के उदाहरण xanthophyll (पीले) और कैरोटीन (नारंगी) हैं जिनसे गाजर अपना रंग प्राप्त करते हैं।
• फाइकोबिलिन: ये लाल या नीले रंग के पिगमेंट प्रकाश की तरंग दैर्ध्य को अवशोषित करते हैं जो क्लोरोफिल और कैरोटीनॉयड द्वारा अवशोषित नहीं होते हैं। उन्हें साइनोबैक्टीरिया और लाल शैवाल में देखा जाता है।

प्लास्टिड

प्रकाश संश्लेषक यूकेरियोटिक जीवों में उनके कोशिका द्रव्य में प्लास्टिड्स नामक जीव होते हैं। पौधों और शैवाल में डबल-झिल्ली वाले प्लास्टिड्स को प्राथमिक प्लास्टिड्स के रूप में संदर्भित किया जाता है, जबकि प्लैंकटन में पाए जाने वाले बहु-झिल्ली वाले विविधता को द्वितीयक प्लास्टिड्स कहा जाता है, एक लेख के अनुसार चेचर शिन चान और देबाशीष भट्टाचार्य, रटगर्स विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं द्वारा प्रकृति शिक्षा। न्यू जर्सी में।

प्लास्टिड में आम तौर पर रंजक होते हैं या पोषक तत्वों को संग्रहीत कर सकते हैं। बेरंग और नॉनपिग्मेंटेड ल्यूकोप्लास्ट्स वसा और स्टार्च को स्टोर करते हैं, जबकि क्रोमोप्लास्ट में कैरोटीनॉयड और क्लोरोप्लास्ट होते हैं, जिसमें क्लोरोफिल होते हैं, जैसा कि ज्योफ्री कूपर की पुस्तक, "द सेल: ए मॉलिक्यूलर एप्रोच" (सिनाउर एसोसिएट्स, 2000) में बताया गया है।

प्रकाश संश्लेषण क्लोरोप्लास्ट में होता है; विशेष रूप से, ग्रेना और स्ट्रोमा क्षेत्रों में। ग्रैन ऑर्गेनेल का अंतरतम हिस्सा है; डिस्क के आकार का झिल्ली का एक संग्रह, प्लेटों की तरह स्तंभों में खड़ी। व्यक्तिगत डिस्क को थायलाकोइड्स कहा जाता है। यह यहां है कि इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है। ग्रेनाइट के स्तंभों के बीच की खाली जगह स्ट्रोमा का निर्माण करती है।

क्लोरोप्लास्ट माइटोकॉन्ड्रिया, कोशिकाओं के ऊर्जा केंद्रों के समान हैं, जिसमें उनका अपना जीनोम या जीन का संग्रह होता है, जो गोलाकार डीएनए में समाहित होता है। ये जीन ऑर्गेनेल और प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक प्रोटीनों को कूटबद्ध करते हैं। माइटोकॉन्ड्रिया की तरह, क्लोरोप्लास्ट को भी एंडोसिम्बायोसिस की प्रक्रिया के माध्यम से आदिम बैक्टीरिया कोशिकाओं से उत्पन्न माना जाता है।

बॉम ने लाइव साइंस को बताया, "प्लास्टिड्स एक लंबे समय से एक साल पहले एकल कोशिका वाले यूकेरियोटिक सेल द्वारा अधिग्रहित प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया से उत्पन्न हुए थे," बॉम ने लाइव साइंस को बताया। बॉम ने बताया कि क्लोरोप्लास्ट जीन के विश्लेषण से पता चलता है कि यह एक बार समूह साइनोबैक्टीरिया का सदस्य था, "बैक्टीरिया का एक समूह जो ऑक्सीजन प्रकाश संश्लेषण को पूरा कर सकता है।"

अपने २०१० के लेख में, चान और भट्टाचार्य ने कहा कि द्वितीयक प्लास्टिड्स के निर्माण को सियानोबैक्टीरिया के एंडोसिम्बियोसिस द्वारा अच्छी तरह से नहीं समझाया जा सकता है, और यह कि प्लास्टिड के इस वर्ग की उत्पत्ति अभी भी बहस का विषय है।

एंटीना

वर्णक अणु प्रोटीन के साथ जुड़े होते हैं, जो उन्हें लचीलेपन को प्रकाश की ओर और एक दूसरे की ओर ले जाने की अनुमति देते हैं। एरिज़ोना स्टेट यूनिवर्सिटी के प्रोफेसर, विम वर्मा के एक लेख के अनुसार, 100 से 5,000 वर्णक अणुओं का एक बड़ा संग्रह "एंटीना" है। ये संरचनाएं फोटॉन के रूप में सूर्य से प्रकाश ऊर्जा को प्रभावी ढंग से पकड़ती हैं।

अंततः, प्रकाश ऊर्जा को एक वर्णक-प्रोटीन कॉम्प्लेक्स में स्थानांतरित किया जाना चाहिए जो इसे रासायनिक ऊर्जा में इलेक्ट्रॉनों के रूप में परिवर्तित कर सकता है। पौधों में, उदाहरण के लिए, प्रकाश ऊर्जा को क्लोरोफिल पिगमेंट में स्थानांतरित किया जाता है। रासायनिक ऊर्जा में रूपांतरण तब पूरा होता है जब एक क्लोरोफिल वर्णक एक इलेक्ट्रॉन को निष्कासित कर देता है, जो तब एक उचित प्राप्तकर्ता को स्थानांतरित कर सकता है।

प्रतिक्रिया केंद्र

वर्णक और प्रोटीन, जो प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं और इलेक्ट्रॉन हस्तांतरण की प्रक्रिया शुरू करते हैं, प्रतिक्रिया केंद्र के रूप में जाना जाता है।

प्रकाश संश्लेषण प्रक्रिया

पौधे प्रकाश संश्लेषण की प्रतिक्रियाओं को उन लोगों में विभाजित किया जाता है जिन्हें सूर्य के प्रकाश की उपस्थिति की आवश्यकता होती है और जो नहीं करते हैं। दोनों प्रकार की प्रतिक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट में होती हैं: थायलाकोइड में प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाएं और स्ट्रोमा में हल्की-स्वतंत्र प्रतिक्रियाएं।

प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाएँ (जिसे प्रकाश प्रतिक्रियाएं भी कहा जाता है): जब प्रकाश का एक फोटान प्रतिक्रिया केंद्र से टकराता है, तो वर्णक अणु जैसे क्लोरोफिल एक इलेक्ट्रॉन को छोड़ता है।

बॉम ने लाइव साइंस को बताया, "उपयोगी काम करने की चाल, उस इलेक्ट्रॉन को उसके मूल घर में वापस जाने से रोकने के लिए है।" "यह आसानी से टाला नहीं जाता है, क्योंकि क्लोरोफिल में अब एक 'इलेक्ट्रॉन छेद' होता है, जो पास के इलेक्ट्रॉनों पर खींचता है।"

जारी इलेक्ट्रॉन एक इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के माध्यम से यात्रा करने से बच जाता है, जो एटीपी (एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट, कोशिकाओं के लिए रासायनिक ऊर्जा का एक स्रोत) और एनएडीपीएच का उत्पादन करने के लिए आवश्यक ऊर्जा उत्पन्न करता है। मूल क्लोरोफिल वर्णक में "इलेक्ट्रॉन छेद" पानी से एक इलेक्ट्रॉन लेने से भर जाता है। नतीजतन, ऑक्सीजन वायुमंडल में छोड़ा जाता है।

हल्की-फुल्की प्रतिक्रियाएँ (जिसे डार्क रिएक्शन भी कहा जाता है और केल्विन चक्र के रूप में जाना जाता है): लाइट प्रतिक्रियाएं एटीपी और एनएडीपीएच का उत्पादन करती हैं, जो अंधेरे प्रतिक्रिया को चलाने वाले समृद्ध ऊर्जा स्रोत हैं। तीन रासायनिक प्रतिक्रिया कदम कैल्विन चक्र बनाते हैं: कार्बन निर्धारण, कमी और उत्थान। ये प्रतिक्रियाएं पानी और उत्प्रेरक का उपयोग करती हैं। कार्बन डाइऑक्साइड से कार्बन परमाणु "निश्चित" होते हैं, जब वे कार्बनिक अणुओं में निर्मित होते हैं जो अंततः तीन-कार्बन शर्करा बनाते हैं। फिर इन शर्करा का उपयोग ग्लूकोज बनाने के लिए किया जाता है या फिर केल्विन चक्र को फिर से शुरू करने के लिए पुनर्नवीनीकरण किया जाता है।

भविष्य में प्रकाश संश्लेषण

प्रकाश संश्लेषक जीव हाइड्रोजन या यहां तक ​​कि मीथेन जैसे स्वच्छ जलने वाले ईंधन उत्पन्न करने के लिए एक संभावित साधन हैं। हाल ही में, फिनलैंड में तुर्कु विश्वविद्यालय में एक शोध समूह ने हाइड्रोजन का उत्पादन करने के लिए हरी शैवाल की क्षमता में दोहन किया। ग्रीन शैवाल कुछ सेकंड के लिए हाइड्रोजन का उत्पादन कर सकते हैं यदि वे पहले अंधेरे, अवायवीय (ऑक्सीजन रहित) स्थितियों के संपर्क में आते हैं और फिर प्रकाश के संपर्क में होते हैं। टीम ने हरे शैवाल के हाइड्रोजन उत्पादन को तीन दिनों तक बढ़ाने का एक तरीका तैयार किया, जैसा कि उनकी रिपोर्ट में बताया गया है जर्नल एनर्जी एंड एनवायर्नमेंटल साइंस में प्रकाशित 2018 अध्ययन।

वैज्ञानिकों ने कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के क्षेत्र में भी प्रगति की है। उदाहरण के लिए, कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, बर्कले के शोधकर्ताओं के एक समूह ने नैनोवायर, या तारों का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड को पकड़ने के लिए एक कृत्रिम प्रणाली विकसित की है जो व्यास में कुछ मीटर की दूरी पर है। ये तार रोगाणुओं की एक प्रणाली में फ़ीड करते हैं जो सूरज की रोशनी से ऊर्जा का उपयोग करके ईंधन या पॉलिमर में कार्बन डाइऑक्साइड को कम करते हैं। टीम ने 2015 में नैनो लेटर्स पत्रिका में इसका डिज़ाइन प्रकाशित किया।

2016 में, इसी समूह के सदस्यों ने जर्नल साइंस में एक अध्ययन प्रकाशित किया जिसमें एक और कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण प्रणाली का वर्णन किया गया था जिसमें विशेष रूप से इंजीनियर बैक्टीरिया का उपयोग सूरज की रोशनी, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके तरल ईंधन बनाने के लिए किया गया था। सामान्य तौर पर, पौधे केवल एक प्रतिशत सौर ऊर्जा का उपयोग करने में सक्षम होते हैं और प्रकाश संश्लेषण के दौरान कार्बनिक यौगिकों का उत्पादन करने के लिए इसका उपयोग करते हैं। इसके विपरीत, शोधकर्ताओं का कृत्रिम तंत्र कार्बनिक यौगिकों का उत्पादन करने के लिए 10 प्रतिशत सौर ऊर्जा का दोहन करने में सक्षम था।

नवीकरणीय ऊर्जा के विभिन्न स्रोतों का उपयोग करने के लिए नए तरीके विकसित करने में वैज्ञानिकों ने प्रकाश संश्लेषण जैसे प्राकृतिक प्रक्रियाओं का निरंतर अनुसंधान किया। सूर्य के प्रकाश के रूप में देखते हुए, पौधे और बैक्टीरिया सभी सर्वव्यापी हैं, प्रकाश संश्लेषण की शक्ति में दोहन स्वच्छ जलने और कार्बन-तटस्थ ईंधन बनाने के लिए एक तार्किक कदम है।

अतिरिक्त संसाधन:

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