प्रकाशसंश्लेषण

प्रकाशसंश्लेषण म्हणजे हिरव्या वनस्पती, शैवाल आणि काही जिवाणूंनी सूर्यप्रकाशाच्या ऊर्जेचा वापर करून कार्बन डायऑक्साइड व पाण्यापासून सेंद्रिय अन्न तयार करण्याची प्रक्रिया होय. या प्रक्रियेत ऑक्सिजन उपउत्पादन म्हणून बाहेर पडतो. प्रकाशसंश्लेषण हे पृथ्वीवरील जवळपास सर्व अन्नसाखळींचे मूळ आहे. वनस्पती जे अन्न तयार करतात, ते प्रत्यक्ष किंवा अप्रत्यक्षपणे इतर सर्व सजीवांना ऊर्जा पुरवते. वातावरणातील ऑक्सिजनचा मोठा साठाही याच प्रक्रियेतून तयार झाला आहे. प्रकाशसंश्लेषणामुळे वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाणही नियंत्रित राहते. त्यामुळे ही प्रक्रिया जीवशास्त्राचा तसेच हवामानशास्त्राचाही महत्त्वाचा विषय आहे.

माहिती

प्रकाशसंश्लेषणाचे साधे समीकरण असे लिहिले जाते: कार्बन डायऑक्साइड आणि पाणी यांनी सूर्यप्रकाशाच्या उपस्थितीत ग्लुकोज आणि ऑक्सिजन तयार होतो. प्रत्यक्षात ही प्रक्रिया अनेक टप्प्यांत आणि अनेक विकरांच्या सहाय्याने पार पडते. ती वनस्पतींच्या पानातील हरितलवक या रचनेत घडते.

हरितलवकात क्लोरोफिल हे हिरवे रंगद्रव्य असते. ते प्रामुख्याने लाल आणि निळ्या प्रकाशाचे किरण शोषून घेते आणि हिरव्या रंगाचे किरण परावर्तित करते. त्यामुळे पाने हिरवी दिसतात. क्लोरोफिलमध्ये शोषलेली प्रकाशऊर्जा पुढील अभिक्रियांसाठी रासायनिक ऊर्जेत रूपांतरित केली जाते.

क्लोरोफिल आणि हरितलवक

हरितलवकाच्या आत पडद्यांची रचना असते ज्याला थायलाकॉइड असे म्हणतात. या पडद्यांवर प्रकाश अभिक्रियेसाठी आवश्यक असलेली यंत्रणा बसवलेली असते. पडद्यांभोवतीच्या द्रव भागाला स्ट्रोमा असे म्हणतात आणि तिथे कार्बनचे स्थिरीकरण होते.

पानांची रचना आणि परिणाम करणारे घटक

पान हे प्रकाशसंश्लेषणाचे मुख्य अवयव आहे. पानाच्या पृष्ठभागावर असलेल्या छोट्या छिद्रांतून कार्बन डायऑक्साइड आत येतो आणि ऑक्सिजन व बाष्प बाहेर जातात. या छिद्रांचे उघडणे व बंद होणे वनस्पती नियंत्रित करते.

उष्ण व कोरड्या वेळी छिद्रे बंद झाल्यास पाण्याची हानी टळते, परंतु त्याच वेळी कार्बन डायऑक्साइडचा पुरवठाही कमी होतो. त्यामुळे प्रकाशसंश्लेषणाचा वेग घटतो. अशा प्रकारे पाण्याची उपलब्धता हा प्रक्रियेचा महत्त्वाचा मर्यादित घटक ठरतो.

प्रकाशाची तीव्रता, तापमान आणि कार्बन डायऑक्साइडचे प्रमाण यांवर प्रकाशसंश्लेषणाचा वेग अवलंबून असतो. प्रकाश वाढल्यास वेग वाढतो, परंतु एका पातळीनंतर तो वाढत नाही. त्याचप्रमाणे अतिशय उच्च तापमानात विकरांची कार्यक्षमता घटते.

हवामान बदलामुळे वातावरणातील कार्बन डायऑक्साइड वाढल्यास काही वनस्पतींची वाढ वाढू शकते, असे प्रयोगांवरून दिसते. परंतु पाण्याची कमतरता आणि उष्णता या मर्यादा त्यावर बंधने आणतात. त्यामुळे परिणाम सर्वत्र एकसारखा नसतो.

सागरी वनस्पती आणि सूक्ष्मजीवही प्रकाशसंश्लेषण करतात आणि जागतिक ऑक्सिजन उत्पादनात त्यांचा मोठा वाटा आहे. त्यामुळे महासागरांच्या आरोग्याचा संबंध वातावरणाच्या रचनेशी जोडलेला आहे.

प्रकाशसंश्लेषणाचा अभ्यास शेतीशिवाय इतरही क्षेत्रांत उपयुक्त ठरतो. अन्न साठवणुकीत पिकांचे नुकसान कमी करणे, रोपांची वाढ नियंत्रित करणे आणि बंदिस्त शेतीत उत्पादन वाढवणे यांसाठी या ज्ञानाचा वापर होतो. शहरी भागांत छतावरील बागांसाठीही तेच तत्त्व लागू होते.

प्रकाश अभिक्रिया

प्रकाश अभिक्रिया थायलाकॉइड पडद्यांवर घडते आणि तिला थेट सूर्यप्रकाशाची आवश्यकता असते. या टप्प्यात प्रकाशउर्जा वापरून पाण्याचे रेणू विघटित केले जातात. या प्रक्रियेतून इलेक्ट्रॉन मुक्त होतात आणि ऑक्सिजन वायू बाहेर पडतो. वनस्पतींनी सोडलेला ऑक्सिजन पाण्याच्या रेणूंमधूनच येतो, हे प्रयोगांनी सिद्ध झाले आहे.

या टप्प्यात ऊर्जावाहक रेणू तयार होतात. हे रेणू पुढील टप्प्यासाठी ऊर्जा आणि इलेक्ट्रॉन पुरवतात. प्रकाश अभिक्रियेचे मुख्य उत्पादन म्हणजे ऊर्जा साठवणारी रासायनिक रचना आणि ऑक्सिजन.

अंधाऱ्या अभिक्रिया

अंधाऱ्या अभिक्रिया स्ट्रोमामध्ये घडतात. यांना 'अंधारी' असे नाव असले, तरी त्यांना प्रकाशाची थेट आवश्यकता नसते; त्या दिवसा-रात्री सुरू राहू शकतात. मात्र त्यांना प्रकाश अभिक्रियेत तयार झालेल्या ऊर्जावाहक रेणूंची आवश्यकता असते.

या टप्प्यात कार्बन डायऑक्साइडचे स्थिरीकरण होते आणि त्यातून साखर तयार होते. ही अभिक्रियांची मालिका कॅल्विन चक्र म्हणून ओळखली जाते. रुबिस्को हे विकर या प्रक्रियेत महत्त्वाची भूमिका बजावते आणि ते पृथ्वीवरील सर्वात मोठ्या प्रमाणात आढळणाऱ्या प्रथिनांपैकी एक मानले जाते.

प्रकार, कार्यक्षमता आणि उपयोग

सर्व वनस्पती एकाच पद्धतीने कार्बन स्थिरीकरण करत नाहीत. बहुतेक वनस्पतींमध्ये प्रथम स्थिर होणारे संयुग तीन कार्बन अणूंचे असते. या पद्धतीत पानांच्या छिद्रांतून बाष्प बाहेर पडत असल्याने उष्ण व कोरड्या भागांत पाण्याची हानी होऊ शकते.

काही वनस्पतींमध्ये कार्बनचे स्थिरीकरण अधिक कार्यक्षम पद्धतीने होते आणि त्यांना कमी पाण्यातही चांगले यश मिळते. उस आणि मका यांसारख्या वनस्पती या प्रकारात मोडतात. कॅक्टससारख्या वनस्पतींमध्ये तर छिद्रे रात्री उघडली जातात आणि दिवसा बंद राहतात, ज्यामुळे पाण्याची बचत होते.

पानावर पडणाऱ्या सूर्यप्रकाशाच्या एकूण ऊर्जेपैकी केवळ काही टक्के भाग अन्नात साठवला जातो. तरीही हे प्रमाण पृथ्वीवरील संपूर्ण अन्नसाखळी पोसण्यासाठी पुरेसे आहे. शेतीतील उत्पादकता वाढवण्यासाठी प्रकाशसंश्लेषणाचे ज्ञान उपयुक्त ठरते.

संशोधकांनी सूर्यप्रकाशाच्या साहाय्याने इंधन किंवा रसायने तयार करण्याच्या कृत्रिम पद्धतींवरही काम सुरू केले आहे. या प्रयत्नांना अजून मोठ्या प्रमाणावर यश आलेले नाही, परंतु ते भविष्यातील ऊर्जास्रोताच्या दिशेने महत्त्वाचे पाऊल मानले जाते.

ऑक्सिजन

पृथ्वीच्या सुरुवातीच्या वातावरणात ऑक्सिजन जवळपास नव्हता. सायनोबॅक्टेरियासारख्या सूक्ष्मजीवांनी प्रकाशसंश्लेषण सुरू केल्यावर वातावरणात ऑक्सिजन जमा होऊ लागला. सुमारे दोन अब्ज वर्षांपूर्वीच्या काळात ऑक्सिजनचे प्रमाण लक्षणीय वाढले, ज्याला मोठी ऑक्सिजन घटना असे संबोधले जाते.

या बदलामुळे पृथ्वीवरील जीवनाचा मार्गच बदलला. ऑक्सिजनचा वापर करून ऊर्जा मिळवणारे सजीव — आणि पुढे प्राणी — शक्य झाले. आज वातावरणातील ऑक्सिजनचा मोठा भाग सागरी सूक्ष्मजीव आणि जमिनीवरील वनस्पती यांच्या प्रकाशसंश्लेषणातून तयार होतो.

अन्नसाखळीतील स्थान

प्रकाशसंश्लेषण करणाऱ्या सजीवांना उत्पादक असे म्हणतात. ते सूर्यप्रकाशाच्या ऊर्जेचे रासायनिक ऊर्जेत रूपांतर करतात आणि त्यामुळे अन्नसाखळीचा पाया तयार होतो. शाकाहारी प्राणी वनस्पती खातात, मांसाहारी प्राणी त्यांना खातात आणि अशा प्रकारे ऊर्जा पुढे जाते.

प्रत्येक टप्प्यावर मोठ्या प्रमाणात ऊर्जा उष्णतेच्या रूपात वाया जाते. त्यामुळे अन्नसाखळीतील टप्पे मर्यादित असतात. वनस्पतींची निर्मिती कमी झाल्यास संपूर्ण अन्नसाखळीवर परिणाम होतो. म्हणूनच वन आणि सागरी वनस्पतींचे संरक्षण अन्नसुरक्षेच्याही दृष्टीने महत्त्वाचे आहे.

संदर्भ

1. एन्सायक्लोपीडिया ब्रिटानिका — प्रकाशसंश्लेषण
2. राष्ट्रीय विज्ञान प्रतिष्ठान — वनस्पती जीवशास्त्र
3. नासा — पृथ्वीवरील वनस्पती आणि कार्बन
4. कॅलिफोर्निया विद्यापीठ — वनस्पती जीवशास्त्र
5. भारतीय कृषी संशोधन परिषद

शेवटचे संपादन: ७ नोव्हेंबर २०२६