परिचय
- फोटोसिंथेसिस वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा हरे पौधे और फोटोसिंथेटिक बैक्टीरिया इलेक्ट्रोमैग्नेटिक विकिरण को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
- इस प्रक्रिया के दौरान, प्रकाश ऊर्जा का उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड और पानी को कार्बोहाइड्रेट्स और ऑक्सीजन में बदलने के लिए किया जाता है।
- फोटोसिंथेसिस के माध्यम से उत्पन्न कार्बोहाइड्रेट्स पारिस्थितिकी तंत्र की प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक ऊर्जा प्रदान करते हैं और विभिन्न बायोमॉलिक्यूल्स के निर्माण खंड के रूप में कार्य करते हैं।
- फोटोसिंथेसिस एक प्रकाश-चालित ऑक्सीकरण-अपघटन प्रतिक्रिया है जहाँ प्रकाश ऊर्जा पानी को ऑक्सीडाइज करती है, ऑक्सीजन गैस और हाइड्रोजन आयनों को मुक्त करती है।
- इलेक्ट्रॉनों को फिर कार्बन डाइऑक्साइड पर स्थानांतरित किया जाता है, जिससे इसे जैविक अणुओं में घटित किया जाता है।
- फोटोसिंथेटिक जीवों को ऑटोट्रॉफ्स कहा जाता है, जो सूर्य के प्रकाश का उपयोग करके कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से ग्लूकोज जैसे रासायनिक ईंधन बना सकते हैं।
- अन्य जीव जो अन्य जीवों का उपभोग करके ऊर्जा प्राप्त करते हैं, अंततः अपनी ऊर्जा आवश्यकताओं के लिए ऑटोट्रॉफ्स पर निर्भर होते हैं।
- फोटोसिंथेसिस का एक महत्वपूर्ण घटक हरा रंग का पिगमेंट क्लोरोफिल है, जो हरे पौधों और कुछ बैक्टीरिया के क्लोरोप्लास्ट्स में पाया जाता है।
- क्लोरोफिल सूर्य के प्रकाश को पकड़ता है, जो फोटोसिंथेटिक प्रक्रिया को प्रेरित करता है।
फोटोसिंथेसिस प्रतिक्रियाएँ
फोटोसिंथेसिस की प्रक्रिया हरे पौधों और सल्फर बैक्टीरिया के बीच भिन्न होती है। पौधों में, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग ग्लूकोज और ऑक्सीजन उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। सल्फर बैक्टीरिया के लिए, हाइड्रोजन सल्फाइड का उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड के साथ मिलकर कार्बोहाइड्रेट्स, सल्फर, और पानी उत्पन्न करने के लिए किया जाता है।
ऑक्सीजनिक फोटोसिंथेसिस: पौधों में फोटोसिंथेसिस की समग्र प्रतिक्रिया है:
कार्बन डाइऑक्साइड + पानी + सौर ऊर्जा → ग्लूकोज + ऑक्सीजन
6CO2 + 6H2O + सौर ऊर्जा → C6H12O6 + 6O2
या
कार्बन डाइऑक्साइड + पानी + सौर ऊर्जा → ग्लूकोज + ऑक्सीजन + पानी
6CO2 + 12H2O + सौर ऊर्जा → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
अनऑक्सीजेनिक फोटोसिंथेसिस: सल्फर बैक्टीरिया में, कुल प्रतिक्रिया इस प्रकार है: CO2 + 2H2S + प्रकाश ऊर्जा → (CH2O) + H2O + 2S
फोटोसिंथेटिक पिगमेंट्स
- फोटोसिंथेटिक पिगमेंट्स ऐसे अणु होते हैं जो विद्युत चुम्बकीय विकिरण को अवशोषित करते हैं और अवशोषित ऊर्जा को प्रतिक्रिया केंद्र में स्थानांतरित करते हैं, जिससे फोटोकैमिकल प्रतिक्रियाएँ प्रारंभ होती हैं।
- इन पिगमेंट्स में क्लोरोफिल और कैरोटेनॉइड्स शामिल हैं।
- अन्य पिगमेंट्स, जैसे कि फेओफाइटिन (या बैक्टीरियोफेओफाइटिन बैक्टीरिया में), फोटोसिंथेसिस के दौरान इलेक्ट्रॉन ट्रांसफर में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।
- कुछ अन्य पिगमेंट्स, जैसे कि जैन्थोफिल, विशिष्ट फोटोसिंथेटिक प्रणालियों में पाए जा सकते हैं।
- क्लोरोफिल मुख्य पिगमेंट है जो अधिकांश हरे पौधों के क्लोरोप्लास्ट में प्रकाश को पकड़ने में शामिल होता है।
- यह एक पॉर्फिरिन रिंग से बंधा होता है जो मैग्नीशियम आयन और एक फाइटोल श्रृंखला से जुड़ा होता है।
- क्लोरोफिल की वैकल्पिक एकल और डबल बांड इसे प्रभावी ढंग से प्रकाश ऊर्जा अवशोषित करने की अनुमति देते हैं।
- यह फोटोसिंथेटिक बैक्टीरिया के साइटोप्लाज्मिक झिल्ली या पौधों के क्लोरोप्लास्ट के थाइलेकॉइड झिल्ली में मौजूद होता है।
बैक्टीरियोरोडोप्सिन
- बैक्टीरियोरोडोप्सिन, जो केवल हैलोबैक्टीरिया में पाया जाता है, एक फोटोसिंथेटिक पिगमेंट है जो एक प्रोटीन से बना होता है जो एक रेटिनल प्रोस्थेटिक समूह से जुड़ा होता है।
- यह पिगमेंट प्रकाश फोटॉनों को अवशोषित करता है, जिससे प्रोटीन में एक रूपांतरित परिवर्तन होता है जो सेल से प्रोटॉन को बाहर निकालता है।
फाइकोबिलिन्स
- साइनोबैक्टीरिया और लाल शैवाल फाइकोबिलिन्स, जैसे कि फाइकोएरिथ्रोबिलिन और फाइकोस्यानोबिलिन, को प्रकाश-शोषक पिगमेंट के रूप में उपयोग करते हैं।
- इन पिगमेंट्स में एक विस्तारित पॉलीन प्रणाली होती है लेकिन इनमें क्लोरोफिल्स में पाए जाने वाले चक्रीय संरचना और केंद्रीय मैग्नीशियम की कमी होती है।
- फाइकोबिलिन्स विशेष प्रोटीनों से बंधे होते हैं और फाइकोबिलीप्रोटीन्स बनाते हैं, जो फाइकोबिलिसोम्स में इकट्ठा होते हैं, जो इन जीवों में प्राथमिक प्रकाश-शोषक संरचनाएँ होती हैं।
कैरोटेनॉइड्स
क्लोरोफिल के अलावा, थाइलाकॉइड झिल्ली में कैरोटिनॉइड्स होते हैं, जो द्वितीयक प्रकाश-अपघटन पिगमेंट हैं। कैरोटिनॉइड्स पीले, लाल या बैंगनी हो सकते हैं। प्रमुख उदाहरणों में β-कैरोटीन (एक लाल-नारंगी इसोप्रेनॉइड) और ल्यूटिन (एक पीला कैरोटिनॉइड) शामिल हैं। कैरोटिनॉइड्स ऐसे तरंगदैर्ध्य पर प्रकाश अवशोषित करते हैं जिन्हें क्लोरोफिल द्वारा नहीं पकड़ा जाता, जिससे ये सहायक प्रकाश रिसेप्टर्स बनते हैं।
फोटोसिंथेसिस को प्रभावित करने वाले कारक
ब्लैकमैन ने फोटोसिंथेसिस की दर को प्रभावित करने वाले कारकों का अध्ययन करते समय सीमित कारकों का नियम तैयार किया। यह नियम कहता है कि किसी शारीरिक प्रक्रिया की दर उस कारक द्वारा सीमित होगी जो सबसे कम उपलब्ध है। इसी प्रकार, फोटोसिंथेसिस की दर कई कारकों द्वारा प्रभावित होती है, जिनमें शामिल हैं:
प्रकाश:
- जैसे-जैसे प्रकाश की तीव्रता बढ़ती है, प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाओं की दर और, परिणामस्वरूप, फोटोसिंथेसिस की दर बढ़ती है।
- उच्च प्रकाश तीव्रता के परिणामस्वरूप एक पत्ते पर अधिक फ़ोटॉन गिरते हैं, जिससे अधिक क्लोरोफिल अणुओं का आयनीकरण होता है और अधिक ATP और NADPH उत्पन्न होते हैं।
- हालांकि, एक निश्चित बिंदु के बाद, फोटोसिंथेसिस की दर स्थिर हो जाती है क्योंकि प्रकाश की तीव्रता बढ़ने पर एक अन्य कारक सीमित हो जाता है।
- प्रकाश का तरंगदैर्ध्य भी फोटोसिंथेसिस की दर को प्रभावित करता है, क्योंकि विभिन्न फोटोसिंथेटिक प्रणाली विभिन्न तरंगदैर्ध्य पर प्रकाश को अधिक प्रभावी ढंग से अवशोषित करती हैं।
कार्बन डाइऑक्साइड:
- कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता में वृद्धि से कार्बन का कार्बोहाइड्रेट में समावेश होने की दर में वृद्धि होती है, जो फोटोसिंथेसिस की प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाओं के दौरान होता है।
- वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता में वृद्धि फोटोसिंथेसिस की दर को बढ़ाती है जब तक कि कोई अन्य कारक सीमित न हो जाए।
तापमान:
- फोटोसिंथेसिस की प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाएँ, जो एंजाइम-उत्साहित होती हैं, तापमान परिवर्तनों से प्रभावित होती हैं, जबकि प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाएँ प्रभावित नहीं होती हैं। इन प्रतिक्रियाओं की दर तब बढ़ती है जब एंजाइम अपने इष्टतम तापमान के करीब पहुँचते हैं। हालांकि, इस इष्टतम से परे, दर कम हो जाती है क्योंकि एंजाइम अपकेंद्रित होना शुरू करते हैं।
फोटोसिंथेसिस के चरण
फोटोसिंथेसिस की प्रक्रिया को चार मुख्य चरणों में विभाजित किया जा सकता है:
- रोशनी का अवशोषण फोटोसिंथेसिस का प्रारंभिक चरण है जिसमें क्लोरोफिल्स क्लोरोप्लास्ट के थायलेकॉइड झिल्ली में प्रकाश को अवशोषित करते हैं। यह अवशोषित प्रकाश ऊर्जा पानी से इलेक्ट्रॉनों को निकालने के लिए उपयोग की जाती है, जिससे ऑक्सीजन उत्पन्न होती है। ये इलेक्ट्रॉन फिर एक प्राथमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता, क्विनोन (Q), को स्थानांतरित होते हैं, जो इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में कोक्यू (CoQ) के समान है।
- इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण इलेक्ट्रॉन प्राथमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता से थायलेकॉइड झिल्ली में समाहित इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण अणुओं की एक श्रृंखला के माध्यम से चलते हैं, अंततः NADP तक पहुँचते हैं जो अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता है। इस इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण प्रक्रिया के दौरान, प्रोटॉन झिल्ली के पार पंप किए जाते हैं, जिससे एक प्रोटॉन ग्रेडिएंट बनता है।
- ATP का उत्पादन प्रोटॉन थायलेकॉइड ल्यूमेन से स्ट्रोमा की ओर F0F1 कॉम्प्लेक्स के माध्यम से बहते हैं, ADP और अकार्बनिक फॉस्फेट (Pi) से ATP के संश्लेषण को प्रेरित करते हैं। यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में ATP उत्पादन के समान है।
- कार्बन स्थिरीकरण पिछले चरणों में उत्पन्न ATP और NADPH का उपयोग कार्बन डाइऑक्साइड को छह-कार्बन चीनी अणुओं में परिवर्तित करने के लिए किया जाता है। यह चरण कार्बन को घटाने में शामिल है और सीधे प्रकाश ऊर्जा पर निर्भर नहीं है, इसलिए इसे अंधेरे प्रतिक्रियाएँ कहा जाता है।
फोटोसिंथेसिस के प्रकार, चरण, भाग
प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाएँ: ये प्रतिक्रियाएँ प्रकाश की आवश्यकता होती हैं और थाइलाकोइड झिल्ली में होती हैं। यहाँ, क्लोरोफिल और अन्य रंगद्रव्य प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, जिसे ATP और NADPH के रूप में संग्रहित किया जाता है, जबकि ऑक्सीजन का विमोचन होता है। प्रकाश ऊर्जा क्लोरोफिल में इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करती है, जिससे प्रकाश ऊर्जा का रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तन होता है।
- फोटोसिस्टम II: यह प्रोटीन और रंगद्रव्यों का एक जटिल होता है जो प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करता है और इलेक्ट्रॉनों को एक श्रृंखला के माध्यम से स्थानांतरित करता है जब तक कि वे एक इलेक्ट्रॉन स्वीकारक तक नहीं पहुँचते। फोटोसिस्टम II में P680 के रूप में जाने जाने वाले क्लोरोफिल अणु होते हैं, जो 680 nm पर प्रकाश को अवशोषित करते हैं। ये क्लोरोफिल अणु प्रकाश को अवशोषित करने के बाद इलेक्ट्रॉनों को दान करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप P680 का ऑक्सीडेशन होता है। एक एंजाइम फिर पानी को इलेक्ट्रॉनों, हाइड्रोजन आयनों, और ऑक्सीजन में विभाजित करता है। इलेक्ट्रॉन P680 द्वारा खोए गए इलेक्ट्रॉनों का स्थान लेते हैं, इसे इसके मूल स्थिति में बहाल करते हैं।
- फोटोसिस्टम I: यह जटिल फोटोसिस्टम II के समान कार्य करता है लेकिन इसमें P700 के रूप में जाने जाने वाले क्लोरोफिल अणु होते हैं, जो 700 nm पर प्रकाश को अवशोषित करते हैं। प्रकाश को अवशोषित करने के बाद, फोटोसिस्टम I इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है, जो अंततः NADP को NADPH में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है।
फोटोसिस्टम I: यह जटिल फोटोसिस्टम II के समान कार्य करता है लेकिन इसमें P700 के रूप में जाने जाने वाले क्लोरोफिल अणु होते हैं, जो 700 nm पर प्रकाश को अवशोषित करते हैं। प्रकाश को अवशोषित करने के बाद, फोटोसिस्टम I इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करता है, जो अंततः NADP को NADPH में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किया जाता है।

प्रतिक्रिया: 2 H2O 2 NADP 3 ADP 3 Pi प्रकाश → 2 NADPH 2 H 3 ATP O2
- प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाएँ (Calvin Cycle): ये प्रतिक्रियाएँ सीधे प्रकाश की आवश्यकता नहीं होती हैं, बल्कि प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाओं के दौरान उत्पन्न ATP और NADPH का उपयोग करके ग्लूकोज़ का संश्लेषण करती हैं। इस चरण में तीन प्रमुख कदम शामिल हैं:
- कदम 1: CO2 का स्थिरीकरण: कार्बन डाइऑक्साइड को रिबुलोज़ 1,5-बिसफॉस्फेट (RuBP) के साथ एंजाइम रिबुलोज़-1,5-बिसफॉस्फेट कार्बोक्सिलेज/ऑक्सीजनस (Rubisco) द्वारा जोड़ा जाता है। इससे एक छह-कार्बन यौगिक बनता है जो दो अणुओं में विभाजित होता है: 3-फॉस्फोग्लिसरेट (3-PGA)।
- कदम 2: ग्लिसेराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट में परिवर्तन: 3-PGA को दो प्रतिक्रियाओं के माध्यम से ग्लिसेराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) में परिवर्तित किया जाता है। पहले, ATP 3-PGA को एक फॉस्फेट समूह हस्तांतरित करता है, जिससे 1,3-बिसफॉस्फोग्लिसरेट उत्पन्न होता है। अगला, NADPH इस यौगिक को इलेक्ट्रॉनों का दान करता है, जिससे G3P बनता है। अधिकांश G3P का उपयोग RuBP को पुनर्जनित करने के लिए किया जाता है, जबकि शेष G3P का उपयोग ग्लूकोज़ के संश्लेषण या स्टार्च के रूप में भंडारण के लिए किया जाता है।
- कदम 3: RuBP का पुनर्जनन: पिछले चरणों से प्राप्त तीन-कार्बन यौगिकों को एक श्रृंखला के माध्यम से पांच-कार्बन RuBP में पुन: परिवर्तित किया जाता है, जिसमें तीन, चार, पांच, छह और सात कार्बन वाले शर्करा शामिल होते हैं। यह पुनर्जनन चक्र को पूरा करता है, जिससे निरंतर कार्बन स्थिरीकरण संभव होता है।
- प्रतिक्रिया: 3 CO2 9 ATP 6 NADPH 6 H → ग्लिसेराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) 9 ADP 8 Pi 6 NADP 3 H2O। एक ग्लूकोज़ अणु का उत्पादन करने के लिए दो G3P अणुओं की आवश्यकता होती है, जिसका अर्थ है कि Calvin Cycle को एक ग्लूकोज़ अणु प्राप्त करने के लिए छह बार चलना चाहिए।
प्रतिक्रिया: 3 CO2 9 ATP 6 NADPH 6 H → ग्लिसेराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) 9 ADP 8 Pi 6 NADP 3 H2O
Photosynthesis के उत्पाद
प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाएँ: प्रकाश-निर्भर प्रतिक्रियाओं के परिणामों में शामिल हैं:
- ATP
- NADPH
- ऑक्सीजन (O2)
- हाइड्रोजन आयन (H+)
प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाएँ (Calvin Cycle): कैल्विन चक्र या प्रकाश-स्वतंत्र प्रतिक्रियाओं के उत्पाद हैं:
- ग्लिसेराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट (G3P) या ग्लूकोज (कार्बोहाइड्रेट्स)
- हाइड्रोजन आयन (H+)
फोटोसिंथेसिस के कुल उत्पाद: फोटोसिंथेसिस के कुल उत्पाद हैं:
- ग्लूकोज (कार्बोहाइड्रेट्स)
- पानी
- ऑक्सीजन
- सल्फर (फोटोसिंथेटिक सल्फर बैक्टीरिया में)
फोटोसिंथेसिस के उदाहरण
- हरे पौधों और ऑक्सीजनिक बैक्टीरिया में फोटोसिंथेसिस: हरे पौधों और ऑक्सीजनिक बैक्टीरिया जैसे साइनोबैक्टीरिया में, फोटोसिंथेसिस क्लोरोफिल की उपस्थिति में होती है। यह प्रक्रिया क्लोरोप्लास्ट के थायलकोइड झिल्ली में होती है, जिसमें ऑक्सीजन गैस, ग्लूकोज और पानी का उत्पादन होता है।
- सल्फर बैक्टीरिया में फोटोसिंथेसिस: बैंगनी सल्फर बैक्टीरिया में, फोटोसिंथेसिस पानी के बजाय हाइड्रोजन सल्फाइड का उपयोग करती है। इनमें से कुछ बैक्टीरिया, जैसे हरे सल्फर बैक्टीरिया, क्लोरोफिल रखते हैं, जबकि अन्य, जैसे बैंगनी सल्फर बैक्टीरिया, फोटोसिंथेटिक रंगद्रव्य के रूप में कैरोटेनॉइड्स का उपयोग करते हैं। इन बैक्टीरिया में फोटोसिंथेसिस के उत्पादों में कार्बोहाइड्रेट्स (अनिवार्य रूप से ग्लूकोज नहीं), सल्फर गैस, और पानी शामिल हैं।
फोटोसिंथेसिस का महत्व
- फोटोसिंथेसिस ऑटोट्रॉफ्स के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जिससे वे कार्बन डाइऑक्साइड, सूर्य की रोशनी, और फोटोसिंथेटिक रंगद्रव्यों का उपयोग करके अपना भोजन बना सकें।
- यह हेटेरोट्रॉफ्स के लिए भी महत्वपूर्ण है, जो अपनी ऊर्जा के लिए ऑटोट्रॉफ्स पर निर्भर करते हैं।
- पौधों में, फोटोसिंथेसिस वायुमंडलीय ऑक्सीजन के स्तर को बनाए रखने के लिए आवश्यक है और महासागरों, भूमि, पौधों, और जानवरों में कार्बन चक्र में योगदान करता है।
- इसके अतिरिक्त, यह पौधों, जानवरों, और मानवों के बीच संपोषण संबंधों का समर्थन करता है।
- सूर्य की रोशनी, जो पृथ्वी पर सभी जीवन के लिए मुख्य ऊर्जा स्रोत है, को फोटोसिंथेसिस के माध्यम से एकत्र किया जाता है।
कृत्रिम फोटोसिंथेसिस
- कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण एक रासायनिक प्रक्रिया है जो प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण की नकल करती है। यह प्रक्रिया सूरज की रोशनी, पानी और कार्बन डाइऑक्साइड का उपयोग करके ऑक्सीजन और कार्बोहाइड्रेट उत्पन्न करती है।
- इस प्रक्रिया में फोटोकैटालिस्ट का उपयोग किया जाता है जो प्राकृतिक प्रकाश संश्लेषण की ऑक्सीडेशन-रिडक्शन प्रतिक्रियाओं की नकल करता है।
- कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण का मुख्य उद्देश्य सूरज की रोशनी से सौर ईंधन बनाना है, जिसे संग्रहीत किया जा सकता है और जब सूरज की रोशनी उपलब्ध नहीं होती है तब उपयोग किया जा सकता है।
- कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण पानी और सूरज की रोशनी से ऑक्सीजन उत्पन्न कर सकता है, जिससे एक स्वच्छ ऊर्जा स्रोत प्रदान होता है।
- एक मुख्य घटक है पानी का फोटोकैटालिटिक विभाजन जो ऑक्सीजन और हाइड्रोजन गैस में होता है।
- अतिरिक्त रूप से, रोशनी से संचालित कार्बन कमी का उपयोग प्राकृतिक कार्बन स्थिरीकरण की नकल करने के लिए किया जा सकता है, जिससे कार्बोहाइड्रेट अणु उत्पन्न होते हैं।
- कृत्रिम प्रकाश संश्लेषण के अनुप्रयोगों में शामिल हैं:
- सौर ईंधन का उत्पादन
- फोटोइलेक्ट्रोकैमिस्ट्री
- एंजाइम इंजीनियरिंग
- सूर्य की रोशनी से सूक्ष्म जीवों के जैव ईंधन और जैव हाइड्रोजन उत्पन्न करने के लिए फोटोऑटोट्रॉफिक सूक्ष्मजीवों का विकास
प्रकाश संश्लेषण बनाम कोशिका श्वसन

