కిరణజన్య సంయోగక్రియ
కిరణజన్య సంయోగక్రియ లేదా ప్రకాశ సంశ్లేషణ (Photosynthesis) అనేది ఆకుపచ్చ మొక్కలు, శైవలాలు, కొన్ని బ్యాక్టీరియాలు కాంతి శక్తిని రసాయనిక శక్తిగా మార్చి, కార్బన్ డై ఆక్సైడ్, నీటి నుండి కార్బోహైడ్రేట్లను తయారు చేసే జీవరసాయనిక ప్రక్రియ. ఈ ప్రక్రియలో ఆక్సిజన్ ఉప-ఉత్పత్తిగా విడుదల అవుతుంది. ఇది భూమిపై ఆహారశృంఖలకు, వాతావరణంలోని ఆక్సిజన్‌కు ప్రధాన ఆధారం.<ref name="britannica">Template:Cite web</ref>
| కిరణజన్య సంయోగక్రియ | |
|---|---|
| ప్రక్రియ వివరాలు | |
| ఇతర పేర్లు | ప్రకాశ సంశ్లేషణ, కార్బన్ సమీకరణ |
| జరిగే స్థలం | హరితరేణువులలోని థైలకాయిడ్ పొరలు, స్ట్రోమా |
| ముడి పదార్థాలు | కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ (CO2), నీరు (H2O), కాంతి శక్తి |
| ఉత్పత్తులు | గ్లూకోజ్ (C6H12O6), ఆక్సిజన్ (O2) |
| ప్రధాన వర్ణద్రవ్యం | క్లోరోఫిల్ a, క్లోరోఫిల్ b |
| ప్రధాన దశలు | కాంతి చర్య; కాల్విన్–బెన్సన్ చక్రం |
| శక్తి మార్పిడి | కాంతి శక్తి → రసాయనిక శక్తి |
| సరళీకృత సమీకరణం | <math>6CO_2 + 6H_2O \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6O_2</math> |
| జీవులు | ఆకుపచ్చ మొక్కలు, శైవలాలు, సయనోబ్యాక్టీరియా |
| ప్రాముఖ్యత | ఆహార ఉత్పత్తి, ఆక్సిజన్ విడుదల, కార్బన్ చక్రం |
అక్షరాలా, “కిరణజన్య సంయోగక్రియ” అంటే “కాంతి సహాయంతో సంశ్లేషణ” అని అర్థం. దీన్ని కార్బన్ సమీకరణ (carbon assimilation) అని కూడా అంటారు, ఎందుకంటే వాతావరణంలోని అకర్బన కార్బన్ డై ఆక్సైడ్‌ను కర్బన సమ్మేళనాలుగా మార్చడం జరుగుతుంది.<ref name="britannica" />
మొత్తం సమీకరణం
ఆకుపచ్చ మొక్కలలో కిరణజన్య సంయోగక్రియ యొక్క సరళీకృత సమీకరణం:
- <math>6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{కాంతి, క్లోరోఫిల్}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2</math>
నీటి కాంతి విశ్లేషణను ప్రత్యేకంగా చూపే విస్తృత రూపం:
- <math>6CO_2 + 12H_2O \xrightarrow{\text{కాంతి, క్లోరోఫిల్}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 + 6H_2O</math>
ఇక్కడ కార్బన్ డై ఆక్సైడ్, నీరు ముడి పదార్థాలు; గ్లూకోజ్, ఆక్సిజన్ ఉత్పత్తులు. కాంతి శక్తి కార్బోహైడ్రేట్లలో రసాయనిక శక్తిగా నిల్వ అవుతుంది.<ref name="britannica-formula">Template:Cite web</ref>
| అంశం | వివరం |
|---|---|
| ముడి పదార్థాలు | కార్బన్ డై ఆక్సైడ్ (CO2), నీరు (H2O) |
| ఉత్పత్తులు | గ్లూకోజ్ (C6H12O6), ఆక్సిజన్ (O2) |
| శక్తి మూలం | సూర్యకాంతి |
| ప్రధాన వర్ణద్రవ్యం | క్లోరోఫిల్ |
| జరిగే స్థలం | హరితరేణువులు (chloroplasts) |
| ప్రధాన దశలు | కాంతి చర్య, కాల్విన్ చక్రం (కాంతి-స్వతంత్ర చర్య) |
చారిత్రక నేపథ్యం
సూర్యకాంతికి, ఆకులకు మధ్య ఉన్న సంబంధాన్ని మొట్టమొదట స్టీఫెన్ హేల్స్ 1727లో వివరించారు. తరువాత సాక్స్ 1887లో కిరణజన్య సంయోగక్రియ ఫలితంగా ఆకుల్లో పిండిపదార్థం ఏర్పడుతుందని నిర్ధారించారు.<ref name="source-pdf">అందించిన మూల పత్రం: Photosysn.pdf.</ref>
కిరణజన్య సంయోగక్రియ రెండు పరస్పర ఆధారిత దశలుగా విభజించబడుతుంది: కాంతి ద్వారా నడిచే కాంతి చర్యలు, మరియు కార్బన్ స్థిరీకరణ జరిపే కాల్విన్–బెన్సన్ చక్రం. కాంతి చర్యలలో ATP, NADPH ఏర్పడతాయి; ఇవే కార్బన్ డై ఆక్సైడ్‌ను చక్కెరలుగా మార్చే తదుపరి చర్యలకు శక్తిని, క్షయకరణ సామర్థ్యాన్ని అందిస్తాయి.<ref name="britannica-plant">Template:Cite web</ref>
హరితరేణువు నిర్మాణం
ఉన్నత మొక్కలలో కిరణజన్య సంయోగక్రియ ప్రధానంగా ఆకుల మీసోఫిల్ కణాలలోని హరితరేణువులలో జరుగుతుంది. ఇవి సాధారణంగా డిస్క్ ఆకారంలో ఉండి, రెండు పొరల కవచం కలిగి ఉంటాయి. హరితరేణువు లోపల ద్రవ మాత్రిక అయిన స్ట్రోమా, పొరల పొందులు అయిన గ్రానా ఉంటాయి.<ref name="source-pdf" />
- థైలకాయిడ్‌లు: గ్రానాలో ఒకదానిపై ఒకటి అమర్చబడిన డిస్క్ ఆకారపు పొరలు; క్లోరోఫిల్ ఇక్కడే ఉంటుంది.<ref name="libretexts">Template:Cite web</ref>
- స్ట్రోమా: కాల్విన్ చక్రం జరిగే ద్రవ భాగం.<ref name="britannica-plant" />
- గ్రానా: కాంతి చర్యలు జరిగే థైలకాయిడ్ పొందులు.<ref name="britannica-plant" />
- స్ట్రోమా లామెల్లే: వివిధ గ్రానాలను పరస్పరం కలిపే పొరలు.<ref name="source-pdf" />
వర్ణద్రవ్యాలు
కిరణజన్య సంయోగక్రియలో కాంతిని గ్రహించే వర్ణద్రవ్యాలు ప్రధానంగా మూడు రకాలు: క్లోరోఫిల్స్, కెరోటినాయిడ్స్, ఫైకోబిలిన్స్. వీటిలో క్లోరోఫిల్ a అనేది ఆక్సిజన్ విడుదల చేసే కిరణజన్య సంయోగక్రియలో కేంద్రీయ పాత్ర వహిస్తుంది.<ref name="source-pdf" />
| వర్ణద్రవ్యం | రంగు | ప్రధాన పాత్ర |
|---|---|---|
| క్లోరోఫిల్ a | ఆకుపచ్చ | ప్రధాన కాంతి-గ్రహణ వర్ణద్రవ్యం; ప్రతిచర్య కేంద్రాలలో ఉంటుంది |
| క్లోరోఫిల్ b | ఆకుపచ్చ | అనుబంధ వర్ణద్రవ్యం; కాంతి గ్రహణ పరిధిని విస్తరిస్తుంది |
| కెరోటినాయిడ్స్ | పసుపు, నారింజ | కాంతి శక్తిని క్లోరోఫిల్‌కు బదిలీ చేయడం; అధిక కాంతి నుండి రక్షణ |
| ఫైకోబిలిన్స్ | ఎరుపు, నీలం | శైవలాలు, సయనోబ్యాక్టీరియాలలో కాంతి గ్రహణం |
క్లోరోఫిల్ a యొక్క సూత్రం <math>C_{55}H_{72}O_5N_4Mg</math>; క్లోరోఫిల్ b యొక్క సూత్రం <math>C_{55}H_{70}O_6N_4Mg</math>. క్లోరోఫిల్ a ప్రధానంగా నీలం–ఊదా, ఎరుపు తరంగదైర్ఘ్యాలను బాగా గ్రహిస్తుంది.<ref name="source-pdf" />
కాంతి గ్రహణం
కిరణజన్య సంయోగక్రియకు ప్రధాన శక్తి మూలం సూర్యకాంతి. వర్ణద్రవ్యాలు సుమారు 400 nm నుండి 700 nm వరకు ఉండే దృశ్యమాన వర్ణపట భాగాన్ని గ్రహిస్తాయి. క్లోరోఫిల్ a యొక్క ప్రధాన శోషణ శిఖరాలు సుమారు 410 nm, 660 nm వద్ద; క్లోరోఫిల్ b యొక్కవి సుమారు 452 nm, 642 nm వద్ద ఉంటాయి.<ref name="source-pdf" />
ఒక ఆక్సిజన్ అణువు విడుదలకు అవసరమైన ఫోటాన్ల సంఖ్యను క్వాంటం అవసరత అంటారు. సాధారణంగా ఇది 8–10 ఫోటాన్లుగా అంచనా వేయబడుతుంది.<ref name="source-pdf" />
కార్యవిధానం
కాంతి చర్య
కాంతి చర్య థైలకాయిడ్ పొరలలో జరుగుతుంది. ఇందులో క్లోరోఫిల్ కాంతిని గ్రహించి, నీటి అణువులను విభజించి, ATP మరియు NADPH ఉత్పత్తి చేస్తుంది; ఆక్సిజన్ విడుదల అవుతుంది.<ref name="britannica-summary">Template:Cite web</ref>
ఫోటోసిస్టమ్ II (PSII): దీని ప్రతిచర్య కేంద్రం P680. ఇది కాంతిని గ్రహించి ఎలక్ట్రాన్లను ఉత్తేజితం చేస్తుంది; నీటి కాంతి విశ్లేషణ ద్వారా ఆక్సిజన్ విడుదల అవుతుంది.<ref name="britannica-summary" />
ఫోటోసిస్టమ్ I (PSI): దీని ప్రతిచర్య కేంద్రం P700. ఇది ఎలక్ట్రాన్లను మరింత ఉత్తేజితం చేసి, NADP+ ను NADPH గా క్షయకరణం చేయడంలో సహాయపడుతుంది.<ref name="britannica-summary" />
నీటి కాంతి విశ్లేషణ:
- <math>2H_2O \rightarrow 4H^+ + 4e^- + O_2</math>
ఈ చర్యలో విడుదలైన ఎలక్ట్రాన్లు PSIIలో ఏర్పడిన లోటును భర్తీ చేస్తాయి; విడుదలైన ఆక్సిజన్ వాతావరణంలోకి చేరుతుంది.<ref name="britannica-summary" />
ఫోటోఫాస్ఫోరైలేషన్
- అచక్రీయ ఫోటోఫాస్ఫోరైలేషన్: PSII, PSI రెండూ పాల్గొంటాయి. ఎలక్ట్రాన్లు నీటి నుండి NADP+ వరకు ప్రయాణిస్తాయి; ATP, NADPH, ఆక్సిజన్ ఏర్పడతాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్ ప్రవాహాన్ని Z-స్కీమ్ అంటారు.<ref name="britannica-summary" />
- చక్రీయ ఫోటోఫాస్ఫోరైలేషన్: ప్రధానంగా PSI మాత్రమే పాల్గొంటుంది. ఎలక్ట్రాన్లు తిరిగి P700కు చేరతాయి; ATP ఉత్పత్తి అవుతుంది కానీ NADPH లేదా ఆక్సిజన్ ఉత్పత్తి అవ్వదు.<ref name="source-pdf" />
కాంతి-స్వతంత్ర చర్య
కాల్విన్–బెన్సన్ చక్రం అని పిలువబడే ఈ దశ స్ట్రోమాలో జరుగుతుంది. ఇది నేరుగా కాంతిని అవసరం పెట్టకపోయినా, కాంతి చర్యలో ఏర్పడిన ATP, NADPHపై ఆధారపడుతుంది.<ref name="britannica-plant" />
ఈ చక్రంలో ముఖ్య దశలు:
- కార్బన్ స్థిరీకరణ: CO2, ఐదు-కార్బన్ చక్కెర అయిన RuBPతో కలిసి మూడు-కార్బన్ సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తుంది.
- క్షయకరణం: ATP, NADPH సహాయంతో ఈ సమ్మేళనాలు చక్కెర ఫాస్ఫేట్లుగా మారతాయి.
- RuBP పునరుత్పత్తి: CO2 స్వీకరించే RuBP తిరిగి ఏర్పడుతుంది, దీనివల్ల చక్రం కొనసాగుతుంది.<ref name="britannica-c3">Template:Cite web</ref>
ప్రాముఖ్యత
కిరణజన్య సంయోగక్రియ ద్వారా మొక్కలు తమ ఆహారాన్ని తయారు చేసుకుంటాయి; అందువల్ల ఇవి స్వయంపోషకాలుగా పిలువబడతాయి. ఇతర జీవులు నేరుగా లేదా పరోక్షంగా ఈ కార్బోహైడ్రేట్లపై ఆధారపడతాయి. అలాగే ఈ ప్రక్రియ వాతావరణంలో ఆక్సిజన్‌ను అందించి, కార్బన్ చక్రంలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది.<ref name="britannica" />