प्रकाश संश्लेषण

ज्या रासायनिक क्रियेद्वारे वनस्पती सूर्यप्रकाशाच्या सानिध्यात हवेतील कर्बद्विप्राणिद वायू (Carbon dioxide Gas) व पाणी यांचा वापर करून अन्न तयार करतात त्या क्रियेला प्रकाश संश्लेषण म्हणतात.

वनस्पतीची पाने हे वनस्पतींमधील प्रकाश संश्लेषणाचे प्राथमिक उदाहरण आहे.

प्रकाश संश्लेषण (photosynthesis): सूर्यप्रकाशापासून मिळणाऱ्या ऊर्जेच्या उपयोगाने कार्बन डाय-ऑक्साइड(CO₂) व पाणी (H₂O) यांसारख्या साध्या संयुगांपासून रासायनिक विक्रियेने ग्लुकोज (C₆H₁₂O₆), सुक्रोज (C₁₂H₂₂O₁₁), स्टार्च (C₆H₁₀O₅) इ. गुंतागुंतीच्या संयुगांची निर्मिती होते. ही प्रक्रिया बुरशी, भूछत्रे इ. क्लोरोफिलविरहित (हरितद्रव्यहीन) वनस्पती [उदा. कवक] सोडल्यास इतर सर्व वनस्पतींत आढळते; ह्या प्रक्रियेला ‘प्रकाश संश्लेषण’ म्हणतात. हा शोध लावण्याचे श्रेय डच वैद्य जे. इंगेनहाउस (१७७९) आणि स्विस शास्त्रज्ञ एन्. टी. द सोस्यूर (१८०४) यांना दिले जाते. तत्पूर्वी, जमिनीतील कुजलेल्या (ह्युमस) कार्बनी पदार्थापासून वनस्पतींचे पोषण होते, असे मानले जात असे.

प्रकाश संश्लेषणाची थोडक्यात रासायनिक अभिक्रिया: 6CO₂ + 6(H₂O) → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

थंड हवामानात प्रकाश संश्लेषण

उत्तरेकडे वेगळ्या प्रकारचे हवामान असते. अमेरिकेच्या उत्तर भागात हिंवाळ्याच्या दिवसात तपमान शून्य अंशाच्या खाली जाऊन सगळीकडे बर्फाचे साम्राज्य पसरते. दिवसाचा कालावधी अगदी लहान होतो आणि त्या वेळेतही सूर्यनारायण क्षितिजावरून जेमतेम हातभर वर येऊन पुन्हा खाली उतरतो. यामुळे कडक ऊन असे फारसे पडतच नाही. सगळे पाणी गोठून गेल्यामुळे झाडांची मुळे पाणी शोषून घेऊन त्याला फांद्यांपर्यंत पोचवू शकत नाहीत. त्यामुळे फोटोसिन्थेसिस ही क्रिया मंदावते.

या वृक्षांना वसंत ऋतूमध्ये पानाफुलांचा बहर येतो. येथील उन्हाळ्यातले मोठे दिवस, त्यात भरपूर सूर्यप्रकाश आणि पाण्याचा मुबलक पुरवठा असल्यामुळे त्यांचा सदुपयोग करून ही झाडे झपाट्याने वाढतात, तसेच अन्न तयार करण्याचा कारखाना जोरात चालवून त्याचा भरपूर साठा जमवून ठेवतात. कडक थंडीत आणि अंधारात फोटोसिन्थेसिस होत नसल्यामुळे पानांचा फारसा उपयोग नसतो, त्याशिवाय त्यांचे क्षेत्रफळ जास्त असल्यामुळे त्यातून जास्त बाष्पीभवन होते, त्यावर जास्त बर्फ सांचून त्याचा भार वृक्षाला सोसावा लागतो असे तोटेच असतात. हे टाळण्यासाठी हे वृक्ष आधीपासूनच तयारीला लागतात.

सप्टेंबर महिन्याच्या अखेरीस हे वृक्ष आपली वाढ थांबवतात आणि त्यांच्या पानांमधल्या क्लोरोफिलचे विघटन होणे सुरू होते, तसेच पानांमधले रस झाडाच्या आतल्या बाजूला शोषले जाऊ लागतात. ते फांद्या आणि खोडांमधून अखेर मुळांपर्यंत जाऊन पोचतात आणि सुरक्षितपणे साठवले जातात. झाडांना थंडीत न गोठण्यासाठी यांचा उपयोग होतो. पण यामुळे मरगळ येऊन ती पाने सुकायला लागतात आणि गळून पडतात. पाने नसल्यामुळे झाडांचे श्वसन जवळ जवळ बंद होते आणि मुळांकडून पाण्याचा पुरवठा थांबल्यामुळे रसांचे अभिसरण होऊ शकत नाही. त्यापूर्वीच ही झाडे झोपेच्या पलीकडल्या डॉर्मंट स्थितीत जातात. ही झाडे दोन तीन महिने ध्यानावस्थेत काढून स्प्रिंग येताच खडबडून जागी होतात.

पानांमध्ये हिरव्या रंगाच्या क्लोरोफिलखेरीज कॅरोटिनाइड्स, क्झॅंथोफिल, ॲंथोसायनिन यासारखी पिवळ्या आणि तांबड्या रंगांची रसायनेसुद्धा असतात. एरवी क्लोरोफिलचे प्रमाण जास्त असल्यामुळे हे इतर रंग झाकले जातात. जेंव्हा क्लोरोफिल नष्ट होते तेंव्हा इतर द्रव्यांचे रंग दिसायला लागतात. कांही झाडे फॉलच्या काळात लाल रंगाचे ॲंथोसायनिन तयारही करतात. या द्रव्यांमुळे निर्माण होणारे रंग एकमेकात मिसळून त्यांच्या प्रमाणानुसार रंगांच्या वेगवेगळ्या असंख्य छटा तयार होतात. मात्र ही झाडे कोणालाही आकर्षित करण्यासाठी हे रंग धारण करत नाहीत. थंडीपासून स्वतःचा बचाव करण्यासाठी त्यांची जी धडपड चाललेली असते त्यात ते बायप्रॉडक्ट्स तयार होतात.

घटक, त्यांचे स्रोत आणि कार्ये

प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रियेत चार मुख्य घटक असतात, पाणी, कार्बन डायऑक्साइड, हलका आणि पानांचा हिरवा. या कृतीसाठी या चौघांची उपस्थिती आवश्यक आहे. यापैकी, पाणी आणि कार्बन डायऑक्साइड यांना प्रकाशसंश्लेषणाचा कच्चा माल म्हणले जाते कारण कार्बोहायड्रेट्स, प्रकाशसंश्लेषणाची मुख्य उत्पादने, त्यांच्या घटकांद्वारेच तयार होतात. हे घटक वनस्पती आजूबाजूच्या वातावरणातून घेतात.

कार्बन डायऑक्साइड हा प्रकाश संश्लेषणाचा मुख्य घटक आणि कच्चा माल आहे. श्वसन, ज्वलन, किण्वन, विघटन इत्यादी प्रक्रियांद्वारे कार्बन डायऑक्साइड वायू वातावरणात सोडला जातो. हवेतील त्याचे प्रमाण ०.०३% ते ०.०४% आहे. स्थलीय वनस्पती ते थेट हवेतून घेतात. या वनस्पतींच्या पानांना रंध्र नावाची छोटी छिद्रे असतात. कार्बन डाय ऑक्साईड या रंध्रांद्वारे झाडाच्या पानांमध्ये प्रवेश करतो. बुडलेल्या वनस्पती त्यांच्या शरीराच्या पृष्ठभागावरून पाण्यात विरघळलेला कार्बन डायऑक्साइड घेतात. पाण्यातील कार्बन डाय ऑक्साईडचे स्रोत जलचर प्राणी आहेत, ज्यांच्या श्वासोच्छवासात हा वायू तयार होतो. पाण्याच्या आतील खडकांमध्ये असलेल्या कार्बोनेट आणि बायकार्बोनेट्सच्या विरघळण्याने देखील कार्बन डायऑक्साइड तयार होतो, जे जलीय वनस्पती प्रकाशसंश्लेषणात घेतात. ग्लुकोज (C6H12O6) नावाचे कार्बोहायड्रेट प्रकाशसंश्लेषणात तयार होते. यामध्ये, कार्बन (C) आणि ऑक्सिजन (C) घटकांचे अणू केवळ कार्बन डायऑक्साइड (CO2) पासून प्राप्त होतात.

क्लोरोफिल क्लोरोफिल हे प्रथिनेयुक्त जटिल रासायनिक संयुग आहे. हे प्रकाशसंश्लेषणाचे मुख्य रंगद्रव्य आहे. क्लोरोफिल ए आणि क्लोरोफिल बी असे दोन प्रकार आहेत. हे सर्व ऑटोट्रॉफिक हिरव्या वनस्पतींच्या क्लोरोप्लास्टमध्ये आढळते. क्लोरोफिलचे रेणू सूर्याची प्रकाश ऊर्जा शोषून घेतात आणि त्याचे रासायनिक उर्जेमध्ये रूपांतर करतात. सूर्याची प्रकाश ऊर्जा शोषून घेतल्याने क्लोरोफिलचे रेणू उत्तेजित होतात. हे सक्रिय रेणू पाण्याचे रेणू H+ आणि OH- आयनमध्ये विलग करतात. अशा प्रकारे क्लोरोफिलचे रेणू प्रकाशसंश्लेषणाची जैवरासायनिक प्रक्रिया सुरू करतात.

प्रकाश संश्लेषणासाठी हलका सूर्यप्रकाश आवश्यक आहे. प्रकाशसंश्लेषण देखील बल्ब इत्यादींच्या प्रखर कृत्रिम प्रकाशात घडते. ही क्रिया लाल दिव्यात जास्तीत जास्त असते. लाल रंगानंतर, ही क्रिया व्हायलेट प्रकाशात जास्तीत जास्त आहे. हे दोन्ही रंग क्लोरोफिलद्वारे जास्तीत जास्त प्रमाणात शोषले जातात. हिरवा रंग क्लोरोफिलद्वारे पूर्णपणे परावर्तित होतो, त्यामुळे प्रत्येक रंगाच्या प्रकाशात प्रकाशसंश्लेषणाची प्रक्रिया पूर्णपणे थांबते.

पाणी प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियेसाठी पाणी हा कच्चा माल आहे. स्थलीय वनस्पती मुळांच्या केसांद्वारे जमिनीतून ते शोषून घेतात. जलीय वनस्पती पाण्याच्या संपर्कात त्यांच्या भागाच्या बाह्य पृष्ठभागावरील पाणी शोषून घेतात. ऑर्किडसारख्या चढत्या वनस्पती त्यांच्या हवाई मुळांद्वारे वातावरणातील पाण्याची वाफ पकडतात. प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रकाश प्रतिक्रियेत पाण्याच्या फोटोलिसिसने ऑक्सिजन तयार होतो. हा ऑक्सिजन उपपदार्थ म्हणून वातावरणात सोडला जातो. अपूर्ण विक्रियेत तयार झालेल्या ग्लुकोजच्या रेणूंमधील हायड्रोजन मूलद्रव्याचे रेणू केवळ पाण्यापासूनच मिळतात. प्रकाशसंश्लेषणादरम्यान, पाणी अप्रत्यक्षपणे अनेक कार्ये देखील करते. हे प्रोटोप्लाझमची क्रिया आणि एंजाइमची क्रिया राखते.

परिणाम करणारे घटक

प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रियेवर अनेक घटकांचा परिणाम होतो. त्याचे काही घटक बाह्य तर काही अंतर्गत आहेत. याशिवाय, काही मर्यादित घटक देखील आहेत. बाह्य कारणे अशी आहेत जी प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियेवर निसर्गात आणि वातावरणात असताना परिणाम करतात, जसे की प्रकाश, कारण या प्रक्रियेसाठी वनस्पतीला ऊर्जा सूर्यप्रकाशापासून मिळते आणि ही प्रक्रिया अंधारातून शक्य नसते. कार्बन डाय ऑक्साईड, कारण असे आढळून आले आहे की जर इतर सर्व घटक वनस्पतींना जास्तीत जास्त प्रमाणात उपलब्ध असतील आणि वातावरणातील CO2 चे प्रमाण हळूहळू वाढले असेल तर प्रकाशसंश्लेषणाचा वेग देखील वाढतो. तापमान, कारण असे दिसून आले आहे की वनस्पती आणि पाण्यात प्रकाश संश्लेषणाच्या प्रक्रियेसाठी विशिष्ट तापमान देखील आवश्यक आहे, फोटोकेमिकल प्रक्रियेसाठी पाणी खूप महत्वाचे आहे आणि या प्रक्रियेदरम्यान अनेक रासायनिक बदलांना मदत करते. अंतर्गत घटक हे पानांमध्ये असताना प्रकाशसंश्लेषणाच्या प्रक्रियेवर परिणाम करतात, जसे की क्लोरोफिल किंवा क्लोरोफिल, ज्याद्वारे प्रकाश उर्जेचे रासायनिक उर्जेमध्ये रूपांतर होते. प्रारस / प्रोटोप्लाझम / पुरस किंवा प्रोटोप्लाझम ज्यामध्ये आढळणारे विकार प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रियेवर परिणाम करतात. अन्नाचा साठा, कारण प्रकाशसंश्लेषण प्रक्रियेत बनवलेले अन्न स्थानिक पेशींमध्ये जमा होत राहिल्यास प्रकाशसंश्लेषणाचा वेग मंदावतो. पानांची अंतर्गत रचना कारण प्रकाशसंश्लेषणाचा दर पानांमध्ये असलेल्या रंध्रांच्या संख्येवर आणि त्यांच्या बंद होण्याच्या आणि उघडण्याच्या वेळेवर अवलंबून असतो. पानांचे वय, कारण जुन्या पानांपेक्षा कोवळ्या पानांमध्ये प्रकाशसंश्लेषणाचा वेग जास्त असतो. याशिवाय या सर्व गोष्टींच्या वेगाचाही प्रकाश संश्लेषणावर परिणाम होतो. जेव्हा प्रकाशसंश्लेषणाची क्रिया वेगवेगळ्या घटकांद्वारे नियंत्रित केली जाते, तेव्हा प्रकाशसंश्लेषणाचा दर सर्वात मंद घटकाद्वारे नियंत्रित केला जातो. प्रकाश, कार्बन डायऑक्साइड, पाणी, क्लोरोफिल इ. यापैकी जे योग्य प्रमाणापेक्षा कमी असेल ते संपूर्ण प्रक्रियेचा वेग नियंत्रित करते. या घटकाला विशिष्ट काळासाठी मर्यादित घटक म्हणतात.