प्रकाश संश्लेषण क्या है? समीकरण, सूत्र, प्रकार, विशेषताएं

दोस्तों, प्रकाश संश्लेषण के बारे में हम सभी ने कभी ना कभी सुना ही होगा, यह बहुत ही महत्वपूर्ण और आवश्यक प्रक्रिया है।  इससे सम्बंधित कई सारे प्रश्न आपके सामने आते हैं जैसे कि प्रकाश संश्लेषण क्या है ? प्रकाश संश्लेषण का समीकरण और सूत्र क्या होता है? आदि।

इन सभी प्रश्नों के उत्तर हम आपको इस आर्टिकल में विस्तृत रूप में देंगे , इसके साथ ही साथ आप प्रकश संश्लेषण की प्रक्रिया के चरण, इसकी विशेषताओं और इसके प्रकार के बारे में भी जानेंगे।  तो चलिए शुरुआत करते हैं कि-

प्रकाश संश्लेषण क्या है? Prakash sanshleshan kya hai

प्रकाश संश्लेषण एक जैविक प्रक्रिया है, इस प्रक्रिया में सूर्य के प्रकाश को कार्बनिक अणुओं में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। प्रकाश संश्लेषण सौर ऊर्जा और पृथ्वी पर जीवन के बीच का एक महत्वपूर्ण संबंध है।

पौधों को उपापचयी रूप से स्वपोषी के रूप में वर्गीकृत किया जाता है। इसका मतलब है कि उन्हें जीवित रहने के लिए भोजन ग्रहण करने की आवश्यकता नहीं है और वे प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से भोजन को स्वयं उत्पन्न करने में सक्षम होते हैं। सभी पौधे, शैवाल और यहां तक ​​कि कुछ बैक्टीरिया भी प्रकाश संश्लेषक जीव हैं।

प्रकाश संश्लेषण ग्रह पर उपस्थित सभी जीवित जीवों के लिए बहुत महत्वपूर्ण है, जो प्रारंभिक ऊर्जा और ऑक्सीजन के स्रोत के रूप में कार्य करता है। एक अनुमान के अनुसार, यदि प्रकाश संश्लेषण ने काम करना बंद कर दिया, तो  लगभग सभी जीव 25 वर्षों में लगभग विलुप्त हो जायेंगे।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया क्लोरोप्लास्ट नामक अंगों में होती है। क्लोरोप्लास्ट एक झिल्लीदार उप-कोशिका कक्ष होता है, जिनमें प्रोटीन और एंजाइमों की एक श्रृंखला होती है जो जटिल प्रतिक्रियाओं के विकास की अनुमति देते हैं।

इसके अलावा, क्लोरोप्लास्ट वह भौतिक स्थान है जहां क्लोरोफिल जमा होता है, जोकि प्रकाश संश्लेषण के लिए बहुत ही आवश्यक होता है।

प्रकाश संश्लेषण के दौरान कार्बन कई रूप बदलता है और वह कार्बन डाइऑक्साइड से शुरू होकर चीनी के अणु पर समाप्त होता है। और कार्बन के इस बदलाव को दो चरणों में विभाजित किया जाता है: प्रकाश चरण (Light phase) और अँधेरा/काला चरण (Dark phase)|

प्रकाश संश्लेषण के कुछ ऐतिहासिक तथ्य 

पहले यह माना जाता था कि पौधों को अपना भोजन मिट्टी में मौजूद ह्यूमस की बदौलत मिलता है। ह्यूमस (Humus) एक भूरा काला कार्बनिक पदार्थ है। ये विचार अरस्तू और कई अन्य प्राचीन दार्शनिकों से आए थे। उन्होंने माना कि जड़ें "मुंह" की तरह व्यवहार करती हैं, जो पौधे को खाना खिलाती हैं।

17वीं और 19वीं शताब्दी के बीच दर्जनों शोधकर्ताओं की कड़ी मेहनत ने इस धरना को बदल दिया, और उन्होंने प्रकाश संश्लेषण के उपस्थित होने का खुलासा किया।

प्रकाश संश्लेषक प्रक्रिया का अवलोकन लगभग 200 साल पहले शुरू हुआ था, जब जोसेफ प्रीस्टले (Joseph Priestley) ने निष्कर्ष निकाला कि प्रकाश संश्लेषण कोशिकीय श्वसन के विपरीत था। इस शोधकर्ता ने पाया कि वातावरण में मौजूद सभी ऑक्सीजन, प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से पौधों द्वारा निर्मित होती हैं।

इसके बाद, वैज्ञानिकों ने माना कि प्रकाश संश्लेषण कि प्रक्रिया में पानी, कार्बन डाइऑक्साइड और सूर्य के प्रकाश का होना आवश्यक है।

19वीं सदी की शुरुआत में, क्लोरोफिल अणु को पहली बार खोजा गया और यह समझा गया कि प्रकाश संश्लेषण रासायनिक ऊर्जा के भंडारण को कैसे करता है।

प्रकाश संश्लेषण का समीकरण क्या है? Prakash Sanshleshan ka Samikaran

क्या आपके सामने कभी ऐसा प्रश्न आया है prakash sanshleshan se aap kya samajhte hain iske samikaran likhiye, प्रकाश संश्लेषण की परिभाषा हमने आपको ऊपर बताई है और अब हम आपको प्रकाश संश्लेषण के समीकरण और सूत्र के बारे में बताएँगे-

प्रकाश संश्लेषण का रासायनिक समीकरण

रासायनिक रूप से, प्रकाश संश्लेषण एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया है जहां कुछ प्रजातियां ऑक्सीकृत होती हैं और अन्य प्रजातियों को जिनके पास इलेक्ट्रान कि कमी होती है उन्हें अपने इलेक्ट्रॉन देती हैं।

प्रकाश संश्लेषण की सामान्य प्रक्रिया को निम्नलिखित समीकरण के रूप में लिखा जा सकता है:-

H ₂ O + light + CO ₂  → CH ₂ O + O ₂

जहां CH 2 O ग्लूकोज अणु का छठा हिस्सा होता है और यह शर्करा (Sugar) नामक कार्बनिक यौगिकों को दर्शाता है। इसका उपयोग पौधे बाद में सुक्रोज या स्टार्च के रूप में करते हैं।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश और अँधेरा चरण का समीकरण

प्रकाश संश्लेषण के प्रत्येक चरण के लिए ऊपर के समीकरण को दो और समीकरणों में विभाजित किया जा सकता है: प्रकाश चरण और अँधेरा चरण।

प्रकाश चरण (Light phase) का समीकरण-

2H ₂ O + light → O₂ + 4H ⁺ + 4e ^-

काले चरण (Dark phase) का समीकरण-

 CO ₂ + 4H ⁺ + 4e⁻ → CH ₂ O + H ₂ O.

प्रकाश संश्लेषण कहाँ होता है?

अधिकांश पौधों में प्रकाश संश्लेषण पत्तियों में होता है। इन ऊतकों में छोटी गोलाकार संरचनाएं मिलती हैं, जिन्हें रंध्र कहा जाता है, जो गैसों के प्रवेश और निकास को नियंत्रित करती हैं।

हरे रंग का ऊतक बनाने वाली कोशिकाओं के अंदर क्लोरोप्लास्ट होते हैं। इन डिब्बों को दो बाहरी झिल्लियों और एक जलीय चरण द्वारा संरचित किया जाता है, जिसे रंध्र (Stomata) कहा जाता है जहां एक तीसरी झिल्ली प्रणाली भी स्थित होती है: थायलाकोइड (Thylakoid)।

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया के चरण 

प्रकाश चरण (Light phase)

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया क्लोरोफिल द्वारा सूर्य के प्रकाश को ग्रहण करने के साथ ही प्राम्भ हो जाती है। प्रकाश के ग्रहण के परिणामस्वरूप इलेक्ट्रॉनों में उत्तेजना होती है जिससे उच्च ऊर्जा उत्पन्न हो जाती है, और इस प्रकार सूर्य की ऊर्जा को  रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित की जाती है।

थायलाकोइड झिल्ली में, सैकड़ों प्रकाश संश्लेषक वर्णक फोटोसेंटर (Photo Centers) में व्यवस्थित होते हैं, जो एंटीना के रूप में कार्य करते हैं। ये प्रकाश को अवशोषित करते हैं और ऊर्जा को क्लोरोफिल अणु में स्थानांतरित करते हैं, जिसे "प्रतिक्रिया केंद्र" कहा जाता है।

प्रतिक्रिया केंद्र, एक साइटोक्रोम से बंधे ट्रांसमेम्ब्रेन प्रोटीन (Transmembrane proteins) से बना होता है। यह इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में अन्य अणुओं को इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है। यह घटना ATP और NADPH के संश्लेषण के साथ जुडी हुई होती है।

प्रकाश संश्लेषण में शामिल प्रोटीन

प्रोटीन विभिन्न परिसरों में व्यवस्थित होते हैं। उनमें से दो फोटोसिस्टम (प्रकाशतंत्र)- फोटोसिस्टम I और फोटोसिस्टम II होते हैं, जो प्रकाश को अवशोषित करने और इसे प्रतिक्रिया केंद्र में स्थानांतरित करने के लिए जिम्मेदार हैं। तीसरे समूह में साइटोक्रोम BF कॉम्प्लेक्स होता है।

प्रोटॉन ग्रेडिएंट द्वारा उत्पादित ऊर्जा का उपयोग चौथे कॉम्प्लेक्स, ATP सिंथेज़ (ATP synthase) द्वारा किया जाता है, जो ATP संश्लेषण के साथ प्रोटॉन के प्रवाह को जोड़ता है। ध्यान दें कि ऊर्जा न केवल ATP में परिवर्तित होती है, बल्कि NADPH में भी परिवर्तित होती है।

फोटोसिस्टम (प्रकाशतंत्र)

फोटोसिस्टम में एक क्लोरोफिल अणु होता है जिसका अवशोषण शिखर (Absorption peak) 700 नैनोमीटर होता है, यही वजह है कि इसे P₇₀₀ कहा जाता है। इसी तरह, फोटोसिस्टम II का अवशोषण शिखर (Absorption peak) 680 है, इसे संक्षिप्त रूप में P₆₈₀ कहा जाता है।

फोटोसिस्टम I का कार्य NADPH का उत्पादन करना है और फोटोसिस्टम II का कार्य ATP का संश्लेषण करना है। फोटोसिस्टम II द्वारा उपयोग की जाने वाली ऊर्जा पानी के अणु के टूटने, प्रोटॉन को मुक्त करने और थायलाकोइड झिल्ली में एक नई ढाल बनाने से आती है।

फोटोसिस्टम II से, इलेक्ट्रॉन प्लास्टोसायनिन और फोटोसिस्टम I में जाते हैं, जो NADP⁺ को NADPH में परिवर्तित करने के लिए उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉनों का उपयोग करता है। इलेक्ट्रॉन अंततः फेरोडॉक्सिन तक पहुंचते हैं और NADPH उत्पन्न करते हैं।

चक्रीय इलेक्ट्रॉन प्रवाह (Cyclic electron flow)

यह एक वैकल्पिक मार्ग है जहां एटीपी संश्लेषण उपापचय प्रक्रियाओं को ऊर्जा की आपूर्ति करने में एनएडीपीएच संश्लेषण शामिल नहीं है। इसलिए ATP या NADPH उत्पन्न करने का निर्णय पादप कोशिका की जरूरतों पर निर्भर करता है।

इस घटना में फोटोसिस्टम I द्वारा एटीपी का संश्लेषण शामिल है। इलेक्ट्रॉनों को NADP⁺ में स्थानांतरित नहीं किया जाता है , लेकिन साइटोक्रोम BF कॉम्प्लेक्स में, एक इलेक्ट्रॉन ढाल का निर्माण होता है।

प्लास्टोसायनिन, इलेक्ट्रॉनों को फोटोसिस्टम I में लौटाता है और परिवहन चक्र को पूरा करता है तथा प्रोटॉन को साइटोक्रोम बीएफ कॉम्प्लेक्स में पंप करता है ।

अन्य वर्णक

प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में क्लोरोफिल एकमात्र वर्णक नहीं है जो पौधों में होता है, इसमें  "गौण वर्णक" (Accessory pigment ) भी होते हैं, जिसमें कैरोटीनॉयड भी शामिल हैं। 

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण में, कोशिका के लिए संभावित रूप से हानिकारक तत्वों का उत्पादन होता है, जैसे "सिंगलेट ऑक्सीजन" (singlet oxygen)। कैरोटेनॉयड्स, यौगिक निर्माण को रोकने या ऊतकों को नुकसान पहुंचाने से रोकने के लिए जिम्मेदार होते हैं।

ये वर्णक वे हैं, जो हम शरद ऋतु (सामान्यतः भारत में 15 सितम्बर से 15 दिसम्बर तक) में देखते हैं| जब पत्तियां अपना हरा रंग खो देती हैं और पीले या नारंगी रंग की हो जाती हैं, क्योंकि इस समय पौधे नाइट्रोजन प्राप्त करने के लिए क्लोरोफिल को तोड़ते हैं।

अंधेरा चरण (Dark phase)

इस प्रारंभिक प्रक्रिया का उद्देश्य NADPH और ATP के उत्पादन के लिए सूर्य की ऊर्जा का उपयोग करना है। इन तत्वों का प्रयोग डार्क फेज में किया जाता है।

इस चरण में शामिल जैव रासायनिक चरणों का वर्णन करने से पहले, यह स्पष्ट करना आवश्यक है कि इसका नाम भले ही "अंधेरा चरण" है, पर यह चरण पूर्ण रूप से अंधकार में नहीं होता है। 

इस चरण की श्रृंखला को हम कार्बन प्रतिक्रियाओं के रूप में संदर्भित कर सकते हैं।

केल्विन चक्र

इस चरण में, केल्विन चक्र या C₃ मार्ग होता है, एक जैव रासायनिक मार्ग जिसे 1940 में अमेरिकी शोधकर्ता मेल्विन केल्विन द्वारा वर्णित किया गया था। केल्विन चक्र की खोज को 1961 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था।

सामान्य तौर पर, चक्र के तीन मूलभूत चरणों का वर्णन किया गया है।

यह चक्र कार्बन डाइऑक्साइड के समावेश या "स्थिरीकरण" के साथ शुरू होता है। यह इलेक्ट्रॉनों को जोड़कर कार्बन को कार्बोहाइड्रेट में परिवर्तित करता है, और NADPH को परिवर्तित करने वाली ऊर्जा के रूप में उपयोग करता है।

प्रत्येक मोड़ में, चक्र को कार्बन डाइऑक्साइड अणु को शामिल करने की आवश्यकता होती है, जो रिबुलोज बिस्फोस्फेट (Ribulose bisphosphate) के साथ प्रतिक्रिया करता है, जिससे दो C₃ यौगिक उत्पन्न होते हैं जो आगे चलकर रिबुलोज अणु में परिवर्तित हो जाते हैं।

चक्र के तीन मोड़ों के परिणामस्वरूप ग्लिसराल्हाइड फॉस्फेट का एक अणु बनता है। इसलिए, ग्लूकोज जैसी छह-कार्बन चीनी उत्पन्न करने के लिए, छह चक्र आवश्यक हैं।

प्रकाश संश्लेषक जीव

प्रकाश संश्लेषक जीव लगभग 3.2 से 3.5 अरब साल पहले आधुनिक साइनोबैक्टीरिया के समान संरचित स्ट्रोमेटोलाइट्स के रूप में प्रकट हुए थे।

तार्किक रूप से, एक प्रकाश संश्लेषक जीव को जीवाश्म रिकॉर्ड में इस तरह से पहचाना नहीं जा सकता है। हालाँकि, इसके आकारिकी या भूवैज्ञानिक संदर्भ को ध्यान में रखते हुए केवल इस बात का अनुमान ही लगाया जा सकता है।

बैक्टीरिया के संबंध में, सूर्य के प्रकाश को लेने और इसे शर्करा में बदलने की क्षमता विभिन्न फ़ाइला में व्यापक रूप से वितरित प्रतीत होती है, हालांकि एक स्पष्ट विकास पैटर्न प्रतीत नहीं होता है।

सबसे आदिम प्रकाश संश्लेषक कोशिकाएँ जीवाणुओं में पाई जाती हैं। उनके पास वर्णक बैक्टीरियोक्लोरोफिल है, न कि सिर्फ क्लोरोफिल।

प्रकाश संश्लेषक जीवाणु समूहों में साइनोबैक्टीरिया, प्रोटोबैक्टीरिया, हरे सल्फर बैक्टीरिया, फर्मिक्यूट्स, फिलामेंटस एनोक्सिक फोटोट्रोफ और एसिडोबैक्टीरिया शामिल हैं।

पौधों के लिए, वे सभी प्रकाश संश्लेषण करने की क्षमता रखते हैं। वास्तव में, यह इस समूह की सबसे विशिष्ट विशेषता है।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकार

ऑक्सीजनिक ​​और एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषण | Oxygenic and anoxygenic photosynthesis

प्रकाश संश्लेषण को विभिन्न तरीकों से वर्गीकृत किया जा सकता है। पहला वर्गीकरण इस बात को ध्यान में रख कर किया गया है कि क्या जीव कार्बन डाइऑक्साइड को परिवर्तित करने के लिए पानी का उपयोग करता है। इस प्रकार, हमारे पास ऑक्सीजन युक्त प्रकाश संश्लेषक जीव हैं, जिनमें पौधे, शैवाल और साइनोबैक्टीरिया शामिल हैं।

इसके विपरीत, जब  जीव पानी का उपयोग नहीं करता है, तो उन्हें एनोक्सीजेनिक प्रकाश संश्लेषक जीव कहा जाता है। इस समूह में हरे और बैंगनी रंग के बैक्टीरिया शामिल हैं, उदाहरण के लिए जेनेरा क्लोरोबियम और क्रोमैटियम, जो कार्बन डाइऑक्साइड को परिवर्तित करने के लिए सल्फर या हाइड्रोजन गैस का उपयोग करते हैं।

ये बैक्टीरिया ऑक्सीजन की उपस्थिति में प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करने में सक्षम नहीं हैं, उन्हें इसके लिए अवायवीय वातावरण (Anaerobic environment) की आवश्यकता होती है। इसलिए, प्रकाश संश्लेषण ऑक्सीजन को उत्पन्न नहीं कर पाते हैं, इसलिए इसका नाम "एनोक्सीजेनिक" है।

उपापचय के प्रकार C4 और CAM

प्रकाश संश्लेषण को पौधों के शारीरिक अनुकूलन के आधार पर भी वर्गीकृत किया जा सकता है।

उच्च विकिरण की स्थितियों के तहत, रूबिस्को एंजाइम O₂ और CO₂ के बीच अंतर नहीं कर पाता है। यह घटना प्रकाश संश्लेषण की दक्षता को कम कर देती है और इसे प्रकाश श्वसन कहा जाता है।

इन कारणों से, ये विशेष प्रकाश संश्लेषक उपापचय वाले पौधे होते हैं।

C₄ उपापचय

C₄ उपापचय का उद्देश्य कार्बन डाइऑक्साइड को केंद्रित करना है। रूबिस्को के कार्य करने से पहले, C4 पौधे PEPC द्वारा पहले कार्बोक्सिलेशन से गुजरते हैं।

ध्यान दें कि दो कार्बोक्सिलेशन के बीच एक स्थानिक अलगाव है। C4 पौधों को "क्रांज़" या क्राउन एनाटॉमी द्वारा प्रतिष्ठित किया जाता है, जो मेसोफिल कोशिकाओं द्वारा निर्मित होते हैं और प्रकाश संश्लेषक होते हैं।

इन कोशिकाओं में, पहला कार्बोक्सिलेशन PEPC द्वारा होता है, जो उत्पाद ऑक्सालोसेटेट के रूप में देता है, जो परिवर्तित  होकर मैलेट हो जाता है। यह कोशिका में फैल जाता है, जहां एक डीकार्बोक्सिलेशन प्रक्रिया होती है, जिससे CO₂ उत्पन्न होती है। रूबिस्को द्वारा निर्देशित दूसरे कार्बोक्सिलेशन में कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग किया जाता है।

CAM प्रकाश संश्लेषण

CAM प्रकाश संश्लेषण का एसिड उपापचय पौधों का एक अनुकूलन है जो बेहद शुष्क जलवायु में रहते हैं और यह अनानास, ऑर्किड, जैसे पौधों के लिए महत्वपूर्ण हैं।

CAM संयंत्रों में कार्बन डाइऑक्साइड का अवशोषण रात में होता है, क्योंकि रंध्रों के खुलने के कारण पानी की हानि दिन की तुलना में कम होती है।

CO₂ PEP के साथ जुड़ती है, PEPC द्वारा उत्प्रेरित प्रतिक्रिया, मैलिक एसिड बनाती है। इस उत्पाद को रिक्तिका में संग्रहीत किया जाता है जो सुबह के घंटों में अपनी सामग्री छोड़ते हैं, फिर इसे डीकार्बोक्सिलेटेड किया जाता है और CO₂ केल्विन चक्र में शामिल होने का प्रबंधन करता है।

प्रकाश संश्लेषण में शामिल कारक

प्रकाश संश्लेषण की दक्षता में हस्तक्षेप करने वाले पर्यावरणीय कारक  हैं: CO₂ की वर्तमान मात्रा और प्रकाश, तापमान, प्रकाश संश्लेषक उत्पादों का संचय, ऑक्सीजन की मात्रा और पानी की उपलब्धता।

इसमें पौधे के विशिष्ट कारक भी एक मौलिक भूमिका निभाते हैं, जैसे कि उम्र और विकास की स्थिति।

पर्यावरण में CO₂ की मात्रा कम है, इसलिए प्रकाश संश्लेषण में किसी भी बदलाव के कई परिणाम होते हैं। इसके अलावा, पौधे मौजूद कार्बन डाइऑक्साइड का केवल 70 से 80% तक ही प्रकाश संश्लेषण का उपयोग करने में सक्षम हैं।

इसी तरह, प्रकाश की तीव्रता महत्वपूर्ण है। कम तीव्रता वाले वातावरण में, श्वसन प्रक्रिया प्रकाश संश्लेषण से आगे निकल जाएगी। इस कारण से, प्रकाश संश्लेषण उन घंटों में अधिक सक्रिय होता है जहां सौर तीव्रता अधिक होती है, जैसे कि सुबह के पहले कुछ घंटे।

प्रकाश संश्लेषण की विशेषताएं

• पृथ्वी पर सभी जीवों के लिए प्रकाश संश्लेषण एक महत्वपूर्ण प्रक्रिया है। क्योंकि यह सौर ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में बदलने की सुविधा प्रदान करता है, इसलिए यह सभी जीवों के जीवन में मदद करता है| 

• दूसरे शब्दों में, प्रकाश संश्लेषण उस ऑक्सीजन का उत्पादन करता है जिससे हम सांस लेते हैं|

• लगभग सभी जीव प्रकाश संश्लेषण से प्राप्त कार्बनिक यौगिकों को अपने ऊर्जा स्रोत के रूप में उपयोग करते हैं।

• प्रकाश संश्लेषण बहुत बड़ी संख्या में कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बनिक यौगिकों में परिवर्तित करने में सक्षम है। यह लगभग 200 बिलियन टन (लगभग 200 अरब टन) कार्बन डाई ऑक्साइड को परिवर्तित करता है। 

• प्रकाश संश्लेषण लगभग 140 अरब टन ऑक्सीजन का उत्पादन करता है।

• प्रकाश संश्लेषण हमें लगभग 87% उस ऊर्जा का प्रदान करता है, जो हम दैनिक जीवन में उपयोग करते है। अधिकतर इसका उपयोग जीवाश्म प्रकाश संश्लेषक ईंधन के रूप में किया जाता है।