فتوسنتز

فتوسنتز، فرآیندی زیست‌شیمی است که در آن، انرژی نورانی خورشید توسط گیاهان و برخی از باکتریها به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در مواد غذایی آن‌ها تبدیل می‌شود. کمابیش همهٔ ارگانیسم‌های روی زمین به آن وابسته‌اند. در عمل فتوسنتز، اندام‌هایی مانند برگ که دارای سبزینه هستند، کربن دی‌اکسید، آب و نور را جذب‌کرده و به کلروپلاست می‌رسانند. طی واکنش‌هایی که درون کلروپلاست انجام می‌گیرد، این مواد به اکسیژن و کربوهیدراتها تبدیل می‌شوند. تمامی اکسیژن کنونی موجود بر روی زمین، فرآوردهٔ فتوسنتز است. برخی از کربوهیدرات‌های مهم تولیدشده مانند گلوکز، می‌توانند به سایر مواد آلی، لیپیدها،نشاسته، سلولز و پروتئین تبدیل‌شوند که برای تبدیل‌شدن به پروتئین، نیاز به نیتروژن دارند. ژان باپتیست ون هلمونت، یکی از نخستین آزمایش‌های مربوط به فتوسنتز را انجام‌داد.

تمامی بخش‌های سبزرنگ گیاه، قادر به انجام عمل فتوسنتز هستند. مادهٔ سبز موجود در گیاهان که سبزینه یا کلروفیل نام‌دارد، آغازکنندهٔ واکنش‌های فتوسنتز است. فتوسنتز در اندام‌هایی که فاقد سبزینه هستند، انجام نمی‌گیرد. کلروپلاستها که در سلول‌های سبزینه‌دار گیاهان وجود دارند، محل استقرار مولکولهای سبزینه می‌باشند. سلول‌های برگ، بیشترین مقدار کلروپلاست را دارند و به‌همین دلیل، اندام اصلی فتوسنتز در گیاهان به‌شمار می‌آیند.
قدمت نخستین فتوسنتز به حدود ۳٫۵ میلیارد سال پیش باز می‌گردد که در آن واکنش، از هیدروژن و سولفید هیدروژن الکترونی به‌جای آب استفاده شده‌است. حدود یک میلیارد سال پیش، آغازیان با سیانوباکتری‌ها هم‌زیستی کردند که حاصل آن، به‌وجودآمدن کلروپلاست در گیاهان امروزی است.
نیاکان آب‌هایی که به‌عنوان منبع الکترونها در فرآیند فتوسنتز استفاده می‌شوند، سیانوباکتری‌های منقرض‌شده هستند. داده‌های زمین‌شناسی نشان می‌دهد که تاریخ این رویداد به دورهٔ نخست زمین‌شناسی، میان ۲٫۴۵ تا ۲٫۳۲ میلیارد سال پیش و حتی بسیار بیشتر از آن باز می‌گردد.
پژوهشگران دانشگاه تل‌آویو در سال ۲۰۱۰ کشف‌کردند که زنبور سرخ آسیایی، با استفاده از رنگدانهای به‌نام زانتوپترین، نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. این شواهد علمی نشان‌داد که حیوانات نیز در فتوسنتز درگیراند.

نمایی از واکنش فتوسنتز
حدود ۳ میلیارد سال پیش، تنها ۰٫۰۴% هواکرهٔ زمین را اکسیژن پوشانده‌بود. هواکرهٔ آن زمان بیشتر از نیتروژن، بخار آب و کربن دی‌اکسید تشکیل شده‌بود. موجودات زنده‌ای که در آن عصر می‌زیستند، فقط باکتری‌های بی‌هوازی بودند. باکتری‌هایی که بدون نیاز به اکسیژن، مواد آلی را به الکل یا اسید تبدیل می‌کنند و از این راه، انرژی به‌دست می‌آورند. چنین باکتری‌هایی که در هوا می‌زیستند، هم‌اکنون نیز روی زمین فراوان‌اند. حدود ۲٫۵ میلیارد سال پیش، موجودات زنده‌ای که قادر به‌انجام عمل فتوسنتز بودند، روی زمین پدیدار شدند و شروع به آزادسازی اکسیژن از آب کردند. تقریباً همهٔ اکسیژن هواکرهٔ کنونی، محصول فتوسنتز است.
گفته می‌شود که نخستین فتوسنتز در حدود ۳٫۵ سال پیش رخ‌داده و در آن واکنش، از هیدروژن و سولفید هیدروژن الکترونی به‌جای آب استفاده شده‌است. سنگوارههای یافت‌شده نمایان‌گر این هستند که فتوسنتز قدمتی ۳٫۴ میلیارد ساله دارد. حدود ۲٫۴ میلیارد سال پیش، سیانوباکتری‌ها با آزادسازی اکسیژن، ظاهر زمین را به‌طور دائم تغییردادند. حدود یک میلیارد سال پیش، آغازیان با سیانوباکتری‌ها هم‌زیستی کردند که حاصل آن، به‌وجودآمدن کلروپلاست در گیاهان امروزی است.

 

معادله شیمیایی فتوسنتز به‌شکل زیر است:

۶CO۲ + ۶H۲O + Light → C۶H۱۲O۶ + ۶O۲
اکسیژن + گلوکز → نور + آب + کربن دی‌اکسید

تعرق:
تعرق فرآیندی است که در طی آن گیاه آب از دست می دهد. عمدتاً این کار از طریق دهانة برگها صورت می گیرد. تعرق فرآیندی ضروری است که حدود ۹۰% از آب وارد شده به گیاه از طریق ریشه ها را مورد استفاده قرار می دهد.۱۰% باقیماندة آب در واکنشهای شیمیایی و در بافتهای مختلف گیاه به مصرف می رسد. فرآیند تعرق برای حمل مواد معدنی ازخاک به گیاه، خنک نمودن گیاه در فرآیند تبخیر و نیز برای جابجایی قند و مواد شیمیایی گیاه کاملاً ضروری است. مقدار آب ازدست رفتة گیاه به چندین فاکتور محیطی از جمله دما، رطوبت، وزش باد یا جابجایی هوا وابسته است. با افزایش دما و یا جابجایی هوا، رطوبت نسبی کاهش یافته و این باعث می شود که سلولهای نگهبان در برگها، دریچه های استومتا را باز کنند؛ به این ترتیب نرخ تعرق افزایش می یابد.

برای اکثر محصولات گلخانه ای، میزان خالص فتوسنتز به واسطة بالا بردن میزان دی اکسید کربن از ppm 340 تا ppm1000 افزایش می یابد. آزمایش های صورت گرفته بر روی بیشتر گیاهان نشان داده است که با افزایش میزان دی اکسید کربن تا ppm1000 فتوسنتز به اندازة ۵۰% افزایش خواهد یافت. البته برای بعضی از گیاهان اضافه کردن دی اکسید کربن تا ppm 1000 در نورکم، از لحاظ اقتصادی، توصیه نمی شود. برای بعضی دیگر از گیاهان مانند گل لاله ، هیچ پاسخی نسبت به اضافه کردن دی اکسید کربن مشاهده نشده است. دی اکسیدکربن در خلال باز شدن دهانه ای، توسط فرآیند پخش به گیاه وارد می شود. استومتاها سلولهای اختصاصی هستند که به طور عمده در قسمت زیرین برگها و در لایة بیرونی قرار گرفته اند. باز و بسته شدن این سلولها اجازه می دهد که معاوضة گازها صورت گیرد. تغلیظ ۲CO دراطراف برگها، بالا گیری دی اکسید کربن در گیاهان را قویاً تحت تأثیر قرار می دهد. تغلیظ بیشتر ۲CO، منجر به بالا گیری بیشتر ۲CO در گیاهان می شود. سطح نور، دمای برگها و دمای هوای محیط، رطوبت نسبی، تنش آبی، غنی سازی دی اکسید کربن و میزان اکسیژن موجود در هوا و برگها از جمله فاکتورهای محیطی هستند که باز و بسته شدن استومتا را کنترل می نمایند.
غلظت دی اکسید کربن موجود در هوای محیط چیزی در حدود ppm340 (از لحاظ حجمی) می باشد. همة گیاهان در این شرایط به خوبی رشد می نمایند؛ اما بواسطة بالا رفتن غلظت ۲CO تا۱۰۰۰ ppm، نرخ فتوسنتز نیز افزایش خواهد یافت؛ که در نهایت منجر به افزایش مواد قندی و کربو هیدراتهای قابل دسترس برای رشد گیاهان می شود. هر گونه گیاه سبز در حال رشد در یک گلخانه کاملاً بسته (که اصلاً تهویه نمی شود و یا اینکه تهویة کمی دارد) غلظت دی اکسید کربن را در طول روز به کمتر از ppm200 کاهش می دهد. کاهش در نرخ فتوسنتز، هنگامی که غلظت ۲CO از ppm 340 به ppm 200 می رسد، برابر است با افزایش آن هنگامی که غلظت ۲CO از ppm 340 به ppm 1300 می رسد. با یک حساب سرانگشتی در می یابیم که افت سطح دی اکسید کربن به پایینتر از سطح محیط تأثیرات بسیار بیشتری نسبت به افزایش آن به بالاتر از سطح محیط خواهد داشت.
در گلخانه های جدید و به بخصوص در سازه های دو جداره که نفوذ هوای بیرون کاهش یافته است؛ غلظت دی اکسید کربن در زمانهای بخصوصی از سال به راحتی می تواند به پایینتر از ppm 340 افت نماید. این موضوع تأثیرات منفی قابل توجهی برروی رشد گیاهان خواهد داشت. تهویة مناسب در طول روز می تواند میزان دی اکسید کربن را تا نزدیکی سطح محیطی آن بالا ببرد؛ اما میزان آن هرگز به سطح محیطی ppm340 باز نخواهد گشت. تأمین دی اکسید کربن تنها روش غلبه بر این اختلاف سطح و افزایش غلظت ۲CO به بالاتر از ppm 340 است؛ که برای اکثر محصولات گلخانه ای پر منفعت می باشد. میزان غنی سازی دی اکسید کربن به نوع محصول، شدت نور، دما، تهویه، مرحلة رشد گیاه و ملاحظات اقتصادی بستگی دارد. نقطة اشباع دی اکسید کربن در غلظتی حدود ۱۰۰۰ تا ppm 1300 حاصل می شود. غلظت کمتری (۸۰۰ تا ppm1000) برای محصولاتی مانند گوجه فرنگی، خیار، فلفل و کاهو توصیه می شود. افزایش غلظت دی اکسید کربن دورة رشد گیاه را کوتاه می نماید (۵ تا۱۰ درصد)، کیفیت و بازده محصول را بهبود می بخشد و همچنین اندازه و ضخامت برگها را افزایش می دهد.
منابع دی اکسید کربن: دی اکسید کربن را می توان از سوزاندن سوختهای پایة کربن مانند گاز طبیعی، پروپان، نفت سفید و یا اینکه مستقیماً از تانکهای مخصوص نگهداری دی اکسید کربن خالص تهیه نمود. البته هر یک از منابع فوق الذکر دارای مزایا و معایب بالقوه ای می باشند. وقتی که گاز طبیعی، پروپان یا نفت سفید سوزانده می شود، تنها دی اکسید کربن تولید نمی شود؛ بلکه همراه با آن حرارت نیز تولید می شود، که به طور طبیعی موجب گرم شدن سیستم می شود. باید توجه داشت که احتراق ناقص یا سرایت مواد سوختی به داخل گلخانه، می تواند منجر به از بین رفتن گیاهان شود. اکثر منابع گاز طبیعی و پروپان دارای مقدار کمی (به اندازة کافی پایین) آلودگی می باشند. باید توجه داشت، در سوختی که برای تأمین دی اکسید کربن مورد استفاده قرار می گیرد، مقدار سولفور بیشتر از ۰٫۰۲% (از لحاظ وزنی) نباشد. احتراق سوختها همچنین منجر به تولید رطوبت می شود. برای گاز طبیعی به ازای هر متر مکعب گاز سوخته شده، kg 1.4 بخار آّب تولید می شود. در مورد پروپان، مقدار رطوبت تولید شده به ازاء هر کیلوگرم دی اکسید کربن، کمی پایین تر از گاز طبیعی است.
گاز طبیعی، پروپان و سوختهای مایع در ژنراتورهای مخصوص دی اکسیدکربن سوزانده می شوند. اندازة دستگاهها (Btu تولید شده) و اندازة جریان هوای افقی در گلخانه، تعداد و موقعیت این دستگاهها را تعیین می نماید. مهمترین مشخصة این مشعلها این است که؛ سوخت باید به طور کامل سوزانده شود. بعضی از کارخانجات مشعلهایی ساخته اند که می تواند هم گازطبیعی و هم پروپان را مورد استفاده قرار دهد. به علاوه این واحدهای تولید ۲CO دارای خروجی قابل تنظیم هستند. اشکال بالقوه این سیستم این است که حرارت و بخار آب تولید شده ممکن است موجب تأثیر موضعی بر دما و شیوع بیماریها در گلخانه شود.

به عنوان یک پیشنهاد، می توان قسمتی از گاز دودکش بویلر گاز طبیعی، مربوط به سیستم حرارتی آب داغ، را به عنوان وسیله ای جهت تأمین دی اکسید کربن به داخل گلخانه هدایت نمود. البته این سیستم باید به چگالنده گاز دودکش، که برای تأمین این هدف طراحی شده است، مجهز باشد.
نکتة قابل توجه این است که همة بویلرها (بخصوص بویلرهای قدیمی) برای این کار طراحی نشده اند. بویلرهای گاز طبیعی باید احتراق تمیزی داشته باشند؛ اکسیدهای نیتروژن (NOx) و اتیلن تولید نکنند و یا حداقل، مقدار آنها در محصولات احتراق کم باشد.
در این سیستم، لوله های گاز در جایی که بویلر به لولة دودکش متصل شده است، بیرون کشیده می شوند. واحد های چگالنده برای کاهش دما و رطوبت گاز ورودی به گلخانه طراحی می شوند. یک سیستم کنترل مانیتوری، پیوسته محافظت ایمنی لولة گاز را برای کنترل سطح مونو اکسید کربن انجام می دهد. سطح مجاز مونو اکسیدکربن (CO) در لولة گاز چیزی بین ۶ تا ppm 10 است. یک هواکش ظرفیت پایین که دارای مکش کلی کمی است، حجم ثابتی از گاز را مکش می نماید. یک هواکش دیگر برای اختلاط گازهای دودکش با هوای گلخانه مورداستفاده قرار می گیرد؛ و در پایان این مخلوط به داخل گلخانه هدایت می شود. این سیستم شرایطی را فراهم می نماید که دی اکسید کربن از پایین به میان محصولات هدایت شده و قبل از خروج از منافذ و دریچه ها، در میان گیاهان به سمت بالا حرکت نماید. سیستم تحویل باید به گونه ای طراحی شده باشد که توزیع یکسانی را در سراسر گلخانه در بر داشته باشد.
می توان یک سیستم حرارتی آب داغ را برای افزایش بازده و نیز تأمین دی اکسید کربن در طول روز (هنگامی که نیازی به حرارت وجود ندارد) به یک تانکر عایق جهت ذخیرة آب داغ مجهز نمود. حرارت تولید شده در طول روز به وسیلة تانکر آب داغ ذخیره شده و در هنگام شب بر حسب نیاز مورد استفاده قرار می گیرد.
تأمین دی اکسید کربن با استفاده از گاز دودکش در تابستان، حرارت ذخیرة بسیار بیشتری از آنچه که به هنگام شب مورد نیاز است، حاصل می نماید. در طول ماههایی از تابستان، از آنجا که دمای محیط بیرون به هنگام شب اغلب بالاتر از ۲۲ درجة سانتیگراد می باشد، حرارت ذخیره شده مورد نیاز نیست؛ در این موقعیت باید کاربرد دی اکسید کربن را محدود نمود.

هم‌زیستی و منشأ کلروپلاست
کلروپلاست دیسههایی دارای سبزینه هستند که در سیتوپلاسم یاختههای گیاهی یافت می‌شود. این نگاره، کلروپلاست را در گیاه آویشن نشان می‌دهد.
بسیاری از آبزیان از جمله مرجانها، اسفنج‌ها و شقایق‌های دریایی با جلبکهایی که عمل فتوسنتز را انجام می‌دهند، رابطهٔ هم‌زیستی دارند.این هم‌زیستی احتمالاً به‌دلیل کالبدشناسی سادهٔ این جانداران می‌باشد. علاوه بر این، چندی از نرم‌تنان با کلروپلاست جلبک‌ها هم‌زیستی دارند و غذای آن را در بدن خود ذخیره می‌کنند. تغذیه از این جلبک‌ها، نیاز نرم‌تنان به چندین ماه مواد غذایی را برطرف می‌کند. برخی از ژنهای درون هستهٔ سلول‌های گیاهی در نرم‌تنان با تکثیر کلروپلاست، پروتئین لازم برای زنده‌ماندن جاندار را تأمین می‌کند.
اشکال هم‌زیستی ممکن‌است بتواند منشأ کلروپلاست را توضیح‌دهد. سلول‌های گیاهان که کلروپلاست دارند، شباهت زیادی به انواع سیانوباکتری‌ها دارند، از جمله از جهت دارای بودن کروموزومهای دایره‌ای شکل، ریبوزیمهای پروکاریوتی و برخی از پروتئینهای مشارکت‌کننده در عمل فتوسنتز. طبق نظریه درون همزیستی، اولین سلول‌های گیاهی حاصل به کار گرفته شدن باکتریهای مشارکت‌کننده در عمل فتوسنتز توسط سلول‌های اولیهٔ یوکاریوتی هستند. باتوجه به این نظریه، کلروپلاست‌ها باکتری‌هایی هستند که با زندگی درون سلول‌های گیاهی مانند سازگار هستند. دی‌ان‌ای کلروپلاست، جدا از دی‌ان‌ای هستهٔ سلول‌های گیاهی، شبیه دی‌ان‌ای سیانوباکتری‌ها است.

سیانوباکتری‌ها و تحول فتوسنتز
توانایی استفاده از آب به‌عنوان منبع الکترونها در فرآیند فتوسنتز ریشهٔ تاریخی مشترکی با سیانوباکتری‌های منقرض‌شده دارد. داده‌های زمین‌شناسی نشان می‌دهد که تاریخ این رویداد به دورهٔ نخست زمین‌شناسی، میان ۲٫۴۵ تا ۲٫۳۲ میلیارد سال پیش و حتی بسیار بیشتر از آن باز می‌گردد. شواهد موجود از مطالعات سنگ‌های رسوبی نشان می‌دهد که زندگی در ۳٫۵ سال پیش روی زمین وجود داشته‌است. اما در آن عصر، فتوسنتز تکامل پیدا نکرده بوده‌است و اکسیژن زیادی زمین را نپوشانده بود. با این حال، داده‌های سنگواره‌شناسی نشان می‌دهد که حدود دو میلیارد سال پیش، انواع سیانوباکتری‌ها، در عصر پروتروزوئیک (حدود ۲٫۵ میلیارد تا ۵۴۳ میلیون سال پیش) و مزوزوئیک (حدود ۲۵۱ تا ۶۵ میلیون سال پیش) می‌زیستند. اعتقاد بر این است که سیانوباکتری‌ها هم‌اکنون باقی‌مانده‌اند و اهمیت بسیاری برای اکوسیستمهای دریایی دارند.
پژوهشگران دانشگاه تل‌آویو در سال ۲۰۱۰ کشف‌کردند که زنبور سرخ آسیایی، با استفاده از رنگدانهای به‌نام زانتوپترین، نور خورشید را به برق تبدیل می‌کند. این شواهد علمی نشان‌داد که حیوانات نیز در فتوسنتز درگیراند.

ساختار کلروپلاست:

• غشای خارجی
• فضای میان غشایی
• غشای داخلی
•  استروما (مایع آبی)
• مجرای ثایلاکوید
•  غشاء و فرآیندهای غشایی ثایلاکوید
• گرانوم (تودهٔ ثایلاکوید)
• ثایلاکوید (لایه)
•  نشاسته
• ریبوزوم
• دی‌ان‌ای پلاسما
• گلبول پلاسما

 

همهٔ بخش‌های سبز گیاهان، مانند برگها، ساقهها و کاسبرگها، فتوسنتز انجام می‌دهند. بخش‌هایی از گیاه مانند ریشه که نور به آن‌ها نمی‌تابد، سبزینه ندارند و فتوسنتز انجام نمی‌دهند. مادهٔ سبز موجود در گیاهان که سبزینه یا کلروفیل نام‌دارد، آغازکنندهٔ واکنش‌های فتوسنتزی است. بخش‌هایی از گیاه که سبزینه ندارند، فتوسنتز انجام نمی‌دهند.

برای اثبات‌پذیری کامل این مقاله به منابع بیشتری نیاز است یا منابع ارائه‌شده به‌درستی ارجاع داده نشده‌اند.
لطفاً با توجه به شیوهٔ ویکی‌پدیا برای ارجاع به منابع با ارایهٔ منابع معتبر این مقاله را بهبود بخشید.
مطالب بی‌منبع در آینده مردود و حذف خواهندشد.
محل انجام فتوسنتز در گیاهان، کلروپلاست نام‌دارد و در آن، مولکول‌های سبزینه وجود دارند. مولکول‌های سبزینه که سبزرنگ هستند، نور خورشید را جذب می‌کنند و به‌این ترتیب، واکنش‌های فتوسنتزی آغاز می‌شود. سلولهای برگ‌ها، بیشترین تعداد کلروپلاست‌ها را دارند. مولکول‌های سبزینه، بیشتر نور آبی و قرمز را جذب‌کرده و نور سبز را منعکس می‌کنند؛ به همین دلیل، سبزینه سبزرنگ دیده می‌شود.

گلبرگهای رنگین، سبز نیستند و سبزینه ندارند. مواد رنگین موجود در گلبرگ‌ها، توجه حشرات را به خود جلب‌کرده و حشرات، گرده‌افشانی می‌کنند. حتی برخی از گیاهان که برگ‌های قرمز دارند نیز از انجام فتوسنتز در برگ‌ها عاجزند. برخی از گیاهان، برگ‌های ابلق دارند؛ یعنی بخشی از برگ، سفید و بخشی دیگر سبز است. در بخش‌های سفید برگ نیز سبزینه وجود ندارد؛ بنابراین، در این بخش‌ها فتوسنتز انجام نمی‌گیرد. رشد گیاهان دارای برگ‌های ابلق، آهسته‌تب ای گیاهان دیگر است؛ چون میزان فتوسنتز در برگ‌های آن‌ها کم‌تر است.
سلول‌های روپوست بالایی و پایینی در بسیاری از گیاهان، کلروپلاست ندارند (البته در برخی گیاهان، این سلول‌ها دارای کلروپلاست هستند؛ سلول‌های نگهبان روزنه نیز در همهٔ گیاهان، کلروپلاست دارند). میان‌برگها نیز از بخش‌های کلروپلاست‌دار گیاه‌اند. تعداد کلروپلاست‌های میان‌برگها زیاد است و این سلول‌ها، بیشترین میزان فتوسنتز را انجام می‌دهند.برگ‌ها ویژگی‌هایی دارند که توانایی آن‌ها را برای انجام فتوسنتز به حداکثر می‌رساند:

• کلروپلاست‌های فراوان دارند.
• فقط چند لایهٔ ضخیم دارند؛ بنابراین، نور می‌تواند به لایه‌های زیرین برسد.
• سطحی وسیع دارند که به جذب نور کمک می‌کند.

شناخت محیط رشد فتوسنتز
در فرآیند فتوسنتز اندامک(Organell) کلروپلاست که کلروفیل است، انرژی نورانی را گرفته و با کمک آن، ملکول آب را می شکند و تولید انرژی شیمیایی می کند، همین کار انرژی است که در تثبیت گاز انیدرید کربنیک و ساخته شدن قندهای ساده به کار می رود. چنانچه از تعریف پیدا است نور در این عمل، نقش اصلی را به عهده دارد، ولی قسمت اعظم نوری که به گیاه می تابد در عمل فتوسنتز به کار گرفته نمی شود و تنها حدود یک درصد آن صرف این کار می گردد و بقیه مقداری بازتاب و مقداری هم صرف گرم نمودن برگ می شود که به فرآیند فتوسنتز سرعت می بخشد. عمل فتوسنتز تا حدود ۱۲۰۰ فوت کندل رابطه مستقیمی با شدت نور دارد ولی از آنجا که بویژه در گیاهانی که شاخساره متراکم دارند تنها معدودی از برگ ها در معرض تابش مستقیم آفتاب هستند و بقیه برگها در سایه سایر برگها واقع می شوند، بنابراین نور باید با شدتی بسیار بیش از مقدار لازم به برگها بتابد تا تمام برگها بتوانند از مقدار لازم نور برخوردار شوند. گیاهان مختلف برای عمل فتوسنتز به شدت نورهای گوناگونی نیاز دارند و بر طبق این نیاز گیاهان را می توان به چهار دسته زیر تقسیم کرد :

۱- گیاهان سایه دوست(Shade plants) (مثل سرخس و فیکوس).
۲- گیاهان آفتاب دوست (plants Sun)(مثل داودی و گل سرخ).
۳- گیاهان سایه – آفتاب دوست (Partial shade plants)(مثل بگونیا، سیکلامن، حسن یوسف).
۴- گیاهان غیر حساس (Light intensity intensitive)(مثل ماگنولیا).

چرخهٔ کلوین
گیاهان با استفاده از سبزینه در روند فتوسنتز، انرژی نورانی خورشید را در مولکولهای کربوهیدراتها از جمله گلوکز ذخیره می‌کنند. در این روش، کربن دی‌اکسید به شکل غیرمنظم با هوا، آب و خاک ترکیب می‌شود. این چرخه را چرخه کلوین می‌نامند که تنها چرخه‌ای است که C۳ در آن دخالت دارد. چرخهٔ کلوین، یک چرخهٔ زیست‌شیمی است که در شامل فرایندهای اکسایش و کاهش است و تنها در کلروپلاست موجوداتی که عمل فتوسنتز را انجام می‌دهند رخ می‌دهد. این چرخه توسط ملوین کالوین، جیمز باسهام و اندرو بنسون در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پیشنهاد شد.
روند
عمل فتوسنتز به‌کل در چهار مرحلهٔ زیر انجام می‌گیرد:
مرحله توضیحات مقیاس زمانی
۱ انتقال انرژی به سبزینه فمتوثانیه به پیکوثانیه
۲ انتقال الکترون در واکنش‌های فتوشیمیایی پیکوثانیه به نانوثانیه
۳ زنجیرهٔ الکترونی میکروثانیه به میلی‌ثانیه
۴ تولید محصولات میلی‌ثانیه به ثانیه

بهره‌وری و فرآورده‌ها:

زندگی انسان‌ها و حیوانات به‌شکل مستقیم و غیرمستقیم به زندگی گیاهان وابسته‌است. کارایی گیاهان در تبدیل انرژی نور به انرژی شیمیایی معولاً بین ۳ تا ۶ درصد است.البته کارایی فتوسنتز گیاهان مختلف متفاوت‌بوده و با تنظیم عواملی نظیر شدت نور، دما، میزان کربن دی‌اکسید هوا و آب می‌توان این درصد را از ۰٫۱% تا ۸% تغییر داد.

اکسیژن و گلوکز فرآورده‌های فتوسنتز هستند؛ اما گلوکز می‌تواند به سایر مواد آلی از جمله نشاسته و سلولز تبدیل‌شود.بخشی از مولکول‌های گلوکز توسط خود گیاه مصرف می‌شوند اما گلوکزهای اضافی در کلروپلاست به هم متصل شده و به نشاسته تبدیل می‌گردند.مولکول‌های گلوکز در گیاهان می‌توانند پس از تغییراتی به لیپید تبدیل شوند. پروتئینها نیز از تغییر مولکول‌های گلوکز به‌وجود می‌آیند، اما گلوکز برای تبدیل‌شدن به پروتئین، نیاز به نیتروژن دارد.
گلوکز در کلروپلاست ذخیره نمی‌شود، چون مولکول بسیار کوچکی است و به‌راحتی در آب حل می‌شود؛ بنابراین، می‌تواند با سایر مواد محلول در آب ترکیب شود. در مقابل، نشاسته مولکولی بسیار بزرگ است (شامل صدها یا هزاران مولکول گلوکز) و در آب حل نمی‌شود؛ بنابراین، برای ذخیره‌شدن مناسب است. نشاسته فقط در بخش‌های سبزرنگ گیاه مانند برگ که کلروپلاست دارند، ذخیره نمی‌شود. مولکول‌های کربوهیدراتها می‌توانند از راه آوندهای آبکش به‌سمت ریشه بروند و در آن‌جا به نشاسته تبدیل‌شوند. بنابراین، در ریشه نیز با این که کلروپلاست وجود ندارد، نشاسته ذخیره می‌شود. در میوهها و دانهها نیز نشاسته می‌تواند ذخیره‌گردد.

شدت گاز کربن دی‌اکسید در فتوسنتز
شدت فتوسنتز به میزان کربن دی‌اکسید هوا، دما و شدت نور بستگی‌دارد. این نتیجه‌گیری حاصل پژوهش‌های دونفر با نام‌های بلکمن و اسمیت بوده‌است.
یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر در میزان و شدت فتوسنتز، مقدار گاز کربن دی‌اکسید است.به‌طور معمول، کربن دی‌اکسید ۰٫۰۳٪ از هواکره زمین را می‌پوشاند. (هوا، شامل حدود ۲۱٪ اکسیژن و ۷۸٪ نیتروژن است.) هرچه میزان کربن دی‌اکسید هوا افزایش‌یابد، شدت فتوسنتز نیز افزایش می‌یابد.اما این افزایش محدودیت نیز دارد؛ اگر درصد کربن دی‌اکسید هوا بیش از ۰٫۱۴ شود، دیگر در شدت فتوسنتز تأثیری ندارد و سرعت آن را افزایش نمی‌دهد.
برای انجام عمل فتوسنتز، آنزیمهای متعددی فعالیت می‌کنند که سرعت آن را تا حد زیادی افزایش می‌دهند. کاهش دما تا ۱۵ درجهٔ سلسیوس، سبب می‌شود سرعت واکنش‌های آنزیمی درون سلول‌ها کاهش‌یابد و در نتیجه، فتوسنتز آهسته‌تر صورت‌گیرد.در دماهای بالاتر از ۳۵ درجهٔ سلسیوس نیز سرعت فتوسنتز کاهش می‌یابد، زیرا آنزیم‌ها در این دما، ساختار سه‌بعدی خود را از دست‌داده و آسیب می‌بینند. در دمای ۳۵ درجهٔ سلسیوس، شدت فتوسنتز به حداکثر می‌رسد.
وجود انرژی نورانی خورشید برای انجام عمل فتوسنتز، امری ضروری است و بدون وجود نور، فتوسنتز انجام نمی‌گیرد. طی عمل فتوسنتز، انرژی نورانی خورشید به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در گیاهان تبدیل می‌شود. نور آبی و قرمز، بهترین نور برای انجام فتوسنتز می‌باشد. از سوی دیگر، گیاهانی که در آب‌های عمیق رشد می‌کنند، نور سبز را جذب می‌کنند. گیاهان به‌طور متوسط، روزانه ۱۲–۱۰ ساعت نور دریافت می‌کنند؛ درختان دیگری با جذب نور بیشتر نیز دیده شده‌است؛ به‌عنوان مثال، برخی از درختان سیب هجده روز مداوم نور دریافت می‌کنند. علاوه بر این، هرچه شدت نور افزایش‌یابد، سرعت فتوسنتز نیز افزایش می‌یابد. اما این‌جا نیز مانند کربن دی‌اکسید هوا محدودیت وجود دارد؛ یعنی با افزایش شدت نور، سرانجام به‌جایی می‌رسیم که دیگر سرعت فتوسنتز افزایش نمی‌یابد.
آب یکی از مواد اولیه برای انجام واکنش فتوسنتز است و بدون وجود آن، فتوسنتز هرگز صورت نمی‌گیرد. آب با نفوذ به‌درون ریشه گیاه، وارد برگها می‌شود یا بخار آب، از راه روزنه درون برگ‌ها نفوذ می‌کند.

تنفس :
کربوهیدرات های ساخته شده در طول فرآیند فتوسنتز، تنها وقتی برای گیاه با ارزش هستند؛ که به انرژی تبدیل شده باشند. این انرژی در فرآیند ساخت بافتهای جدید مورد استفاده قرار می گیرد. فرآیند شیمیایی که طی آن قند و نشاستة تولید شده در فرآیند فتوسنتز، به انرژی تبدیل می شود؛ تنفس نامیده می شود. این فرآیند مشابه سوزاندن چوب یا زغال سنگ برای تولید حرارت یا انرژی می باشد.
اگر اکسیژن محدود شود یا در دسترس گیاه قرار نگیرد، تنفس یا متابولیسم ناهوازی رخ خواهد داد. تولیدات حاصل از این واکنش، اتیل الکل یا اسید لاتیک و دی اکسید کربن می باشد. این فرآیند به عنوان فرآیند تخمیر یا اثر پاستور شناخته می شود*. این فرآیند در صنایع لبنیات کاربرد فراوان دارد. هم اکنون باید واضح باشد که تنفس عکس فرآیند فتوسنتز می باشد. بر خلاف فتوسنتز، فرآیند تنفس در طول شب نیز به خوبی روز صورت می گیرد. تنفس در کلیة اشکال زندگی و در همة سلولها صورت می گیرد. آزاد شدن دی اکسید کربن اندوخته شده و گرفتن اکسیژن همواره در سطح سلول اتفاق می افتد.

عوامل مؤثر

شدت گاز کربن دی‌اکسید در فتوسنتز

شدت فتوسنتز به میزان کربن دی‌اکسید هوا، دما و شدت نور بستگی‌دارد. این نتیجه‌گیری حاصل پژوهش‌های دونفر با نام‌های بلکمن و اسمیت بوده‌است.

یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر در میزان و شدت فتوسنتز، مقدار گاز کربن دی‌اکسید است. به‌طور معمول، کربن دی‌اکسید ۰٫۰۳٪ از هواکره زمین را می‌پوشاند. (هوا، شامل حدود ۲۱٪ اکسیژن و ۷۸٪ نیتروژن است.) هرچه میزان کربن دی‌اکسید هوا افزایش‌یابد، شدت فتوسنتز نیز افزایش می‌یابد. اما این افزایش محدودیت نیز دارد؛ اگر درصد کربن دی‌اکسید هوا بیش از ۰٫۱۴ شود، دیگر در شدت فتوسنتز تأثیری ندارد و سرعت آن را افزایش نمی‌دهد.

برای انجام عمل فتوسنتز، آنزیمهای متعددی فعالیت می‌کنند که سرعت آن را تا حد زیادی افزایش می‌دهند. کاهش دما تا ۱۵ درجهٔ سلسیوس، سبب می‌شود سرعت واکنش‌های آنزیمی درون سلول‌ها کاهش‌یابد و در نتیجه، فتوسنتز آهسته‌تر صورت‌گیرد. در دماهای بالاتر از ۳۵ درجهٔ سلسیوس نیز سرعت فتوسنتز کاهش می‌یابد، زیرا آنزیم‌ها در این دما، ساختار سه‌بعدی خود را از دست‌داده و آسیب می‌بینند. در دمای ۳۵ درجهٔ سلسیوس، شدت فتوسنتز به حداکثر می‌رسد.

وجود انرژی نورانی خورشید برای انجام عمل فتوسنتز، امری ضروری است و بدون وجود نور، فتوسنتز انجام نمی‌گیرد. طی عمل فتوسنتز، انرژی نورانی خورشید به انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در گیاهان تبدیل می‌شود. نور آبی و قرمز، بهترین نور برای انجام فتوسنتز می‌باشد. از سوی دیگر، گیاهانی که در آب‌های عمیق رشد می‌کنند، نور سبز را جذب می‌کنند. گیاهان به‌طور متوسط، روزانه ۱۲–۱۰ ساعت نور دریافت می‌کنند؛ درختان دیگری با جذب نور بیشتر نیز دیده شده‌است؛ به‌عنوان مثال، برخی از درختان سیب هجده روز مداوم نور دریافت می‌کنند. علاوه بر این، هرچه شدت نور افزایش‌یابد، سرعت فتوسنتز نیز افزایش می‌یابد. اما این‌جا نیز مانند کربن دی‌اکسید هوا محدودیت وجود دارد؛ یعنی با افزایش شدت نور، سرانجام به‌جایی می‌رسیم که دیگر سرعت فتوسنتز افزایش نمی‌یابد.

آب یکی از مواد اولیه برای انجام واکنش فتوسنتز است و بدون وجود آن، فتوسنتز هرگز صورت نمی‌گیرد. آب با نفوذ به‌درون ریشه گیاه، وارد برگها می‌شود یا بخار آب، از راه روزنه درون برگ‌ها نفوذ می‌کند.

 

انیمیشن تنفس سلولی