सभी जानवरों जिसमें मानव भी शामिल हैं, को भोजन के लिए पौधों पर निर्भर हैं। क्या आप कभी सोच कर देख चुके हैं कि पौधों का भोजन कहाँ से आता है? वास्तव में, हरी हरी पौधों को अपनी आवश्यकता के लिए भोजन बनाना या अन्यथा संश्लेषित करना पड़ता है और अन्य सभी जीव अपनी आवश्यकताओं के लिए उन्हीं पर निर्भर हैं। हरी पौधों को प्रकाश संश्लेषण के माध्यम से अपनी आवश्यकता के लिए भोजन बनाना या अन्यथा संश्लेषित करना होता है और इसलिए उन्हें स्वयंसरणीय जीव (autotrophs) कहा जाता है। आपने पहले सीखा होगा कि स्वयंसरणीय पोषण केवल प्रकाश संश्लेषण में पाए जाने वाले पौधों में ही पाया जाता है और अन्य सभी जीव भोजन के लिए हरी पौधों पर निर्भर हैं अतः उन्हें परस्परसरणीय जीव (heterotrophs) कहा जाता है। हरी पौधों को ‘प्रकाश संश्लेषण’ करना होता है, जो एक भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है जिसके माध्यम से वे प्रकाश ऊर्जा का उपयोग जैविक यौगिकों के संश्लेषण को आगे बढ़ाने के लिए करते हैं। अंततः, पृथ्वी पर सभी जीवाणु प्रकाश सूर्य के ऊर्जा पर निर्भर हैं। पौधों द्वारा प्रकाश सूर्य के ऊर्जा का उपयोग करना प्रकाश संश्लेषण करते हुए जीवन की आधारशिला है। प्रकाश संश्लेषण दो कारणों से महत्वपूर्ण है: यह पृथ्वी पर सभी भोजन का मुख्य स्रोत है। यह हरी पौधों द्वारा वायुमंडल में ऑक्सीजन के उत्सर्जन का भी कारण है। क्या आप कभी सोच कर देख चुके हैं कि अगर श्वास लेने के लिए ऑक्सीजन न हो तो क्या होगा? इस अध्याय में प्रकाश संश्लेषण यंत्र की संरचना और प्रकाश ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने वाली विभिन्न प्रक्रियाओं पर ध्यान केंद्रित किया जाएगा।

13.1 हम क्या जानते हैं?

प्रकाश संश्लेषण के बारे में हम क्या पहले से जानते हैं, इसे जानने की कोशिश करते हैं। पिछले वर्गों में आपने कुछ सरल प्रयोग किए होंगे जिन्होंने प्रकाश संश्लेषण होने के लिए क्लोरोफिल (पत्ती का हरा प्रभाव), प्रकाश और $\mathrm{CO_2}$ की आवश्यकता होती है इसकी पुष्टि की है।

आपने एक प्रयोग किया होगा जिसमें दो पत्तियों में ब्राइट स्टार्च के निर्माण की जाँच की जो एक भिन्न-रंगीन पत्ती या एक ऐसी पत्ती के थी जिसे कुछ हिस्सा काले कागज से ढका था और प्रकाश के प्रभाव में रखा था। इन पत्तियों की ब्राइट स्टार्च के अस्तित्व की जाँच करते हुए यह स्पष्ट था कि प्रकाश के प्रभाव में पत्तियों के हरे हिस्सों में ही प्रकाश संश्लेषण हुआ।

एक अन्य प्रयोग जिसे आपने किया होगा उसमें पत्ती का एक हिस्सा एक परीक्षण ट्यूब में घुसा था जिसमें कुछ KOH भिगोए हुए कपड़े (जो $\mathrm{CO_2}$ अपघ्रह करते हैं) थे, जबकि अन्य हिस्सा वायु के प्रभाव में रखा था। फिर इस सेटअप को कुछ समय के लिए प्रकाश में रखा गया। बाद में दोनों पत्तियों के हिस्सों में ब्राइट स्टार्च के अस्तित्व की जाँच करते हुए आपने जरूर पाया होगा कि वायु के प्रभाव में रखे हुए पत्ते का हिस्सा ब्राइट स्टार्च के लिए सकारात्मक परीक्षण दिया गया जबकि ट्यूब में रखे हुए हिस्से का परीक्षण नकारात्मक था। इससे पता चला कि प्रकाश संश्लेषण के लिए $\mathrm{CO_2}$ की आवश्यकता होती है। क्या आप समझ सकते हैं कि इस निष्कर्ष को कैसे निकाला गया?

13.2 प्रारंभिक प्रयोग

प्रकाश संश्लेषण के बारे में हमारी जानकारी में धीरे-धीरे विकास होने वाले उन सरल प्रयोगों के बारे में जानना दिलचस्प है।

आर॰ १३.१ प्रिस्टली का प्रयोग

जोसेफ प्रिस्टली (१७३३-१८०४) ने १७७० में एक श्रृंखला के प्रयोगों को किया जिसने हरी हरी पौधों की वृद्धि में वायु की आवश्यकता की भूमिका को उजागर कर दिया। आप याद कर सकते हैं कि प्रिस्टली ने १७७४ में ऑक्सीजन की खोज की थी। प्रिस्टली ने देखा कि एक चम्मच एक बंद स्थान में - एक बेल जार में, जलने के कुछ समय बाद बुझ जाता है (आर॰ १३.१ ए, बी, सी, डी)। इसी प्रकार एक माँस एक बंद स्थान में जल जाता है। उसने निष्कर्ष निकाला कि एक जलने वाले चम्मच या एक जीव जो वायु को सांस लेता है, दोनों किसी तरह वायु को नुकसान पहुँचाते हैं। लेकिन जब उसने एक मिंट पौधे को उसी बेल जार में रखा, तो उसने पाया कि माँस जीवित रहा और चम्मच जलता रहा। प्रिस्टली ने निम्नलिखित अनुमान लगाया: पौधे वायु को बहाल करते हैं जो सांस लेने वाले जीव और जलने वाले चम्मचों द्वारा हटाया जाता है।

क्या आप कल्पना कर सकते हैं कि प्रिस्टली कैसे एक चम्मच और पौधे का प्रयोग करते हुए प्रयोग किया होगा? याद रखें, उसे कुछ दिनों के लिए बाद में चम्मच को फिर से जलाने के लिए चम्मच को फिर से जलाने की आवश्यकता होगी। आप सोच सकते हैं कि सेटअप को बचाए रखते हुए चम्मच को जलाने के लिए कितने अलग-अलग तरीके हैं?

प्रिस्टली द्वारा उपयोग किए गए एक समान सेटअप का उपयोग करते हुए, लेकिन एक बार अंधेरे में और एक बार सूर्य की रश्मियों में रखते हुए, जैन इंगेनहाउज़ (१७३०-१७९९) ने दिखाया कि प्रकाश सूर्य पौधे की प्रक्रिया के लिए आवश्यक है जो किसी तरह जलने वाले चम्मच या सांस लेने वाले जीव द्वारा गंदी वायु को शुद्ध करती है। इंगेनहाउज़ ने एक शानदार प्रयोग किया एक जलीय पौधे के साथ जिसमें अच्छी तरह से सूर्य की रश्मियाँ थीं, जब तक कि हरे हिस्सों के आसपास छोटे-छोटे बुलबुले निकले जबकि अंधेरे में नहीं। बाद में उन्होंने इन बुलबुलों को ऑक्सीजन की पहचान की। इसलिए उन्होंने दिखाया कि ऑक्सीजन उत्सर्जित करने वाले पौधों के केवल हरे हिस्से ही हैं।

१८५४ के बाद तक जूलियस वॉन सैक्स ने पौधों की वृद्धि के दौरान ग्लूकोज के उत्पादन के लिए सबूत प्रदान किया। ग्लूकोज आमतौर पर ब्राइट स्टार्च के रूप में संग्रहित किया जाता है। उनके बाद के अध्ययनों ने प्रदर्शित किया कि पौधों में हरी अवस्था (जिसे अब हम क्लोरोफिल कहते हैं) विशेष शरीरों (बाद में क्लोरोप्लास्ट कहा जाता है) में पौधे कोशिकाओं के भीतर स्थित है। उन्होंने पाया कि पौधों के हरे हिस्से में ग्लूकोज बनाया जाता है और ग्लूकोज आमतौर पर ब्राइट स्टार्च के रूप में संग्रहित किया जाता है।

अब ध्यान दें टी॰वाई॰ एंगेलमैन (१८४३ - १९०९) द्वारा किए गए दिलचस्प प्रयोग। उसने एक त्रिभुज का उपयोग करते हुए प्रकाश को उसके प्रत्येक अंशों में विभाजित किया और फिर एक हरे शाकाहारी शाक क्लैडोफोरा को ऑक्सीजन वाले जीवाणुओं के एक घुलमील में रखे हुए प्रकाशित किया। जीवाणुओं का उपयोग $\mathrm{O_2}$ के उत्पादन की स्थिति का पता लगाने के लिए किया गया। उसने देखा कि जीवाणु बिना विभाजित प्रकाश के नीले और लाल प्रकाश के क्षेत्र में मुख्य रूप से एकत्रित हो जाते हैं। इस प्रकार प्रकाश संश्लेषण का पहला क्रमबद्ध प्रभाव वर्णक्रम वर्णित किया गया। यह क्लोरोफिल ए और बी के अपशोषण वर्णक्रम (१३.४ खंड में चर्चित) के समानार्थी है।

दशक के मध्य तक पौधों के प्रकाश संश्लेषण के प्रमुख विशेषताएँ ज्ञात थीं, अर्थात् पौधों को प्रकाश ऊर्जा का उपयोग $\mathrm{CO}_2$ और पानी से कार्बोहाइड्रेट बनाने में सक्षम थे। ऑक्सीजन उत्सर्जित जीवाणुओं के लिए प्रकाश संश्लेषण के कुल प्रक्रिया का अनुमानित समीकरण तब समझा गया जिसमें:

$\rm{CO}_2 \rm{H}_2\rm{O} \xrightarrow{\text{Light}} [\rm{CH}_2\rm{O}] + \rm{O}_2$

$[\rm{CH}_2\rm{O}]$ कार्बोहाइड्रेट (जैसे ग्लूकोज, एक छह-कार्बन शर्करा) का प्रतिनिधित्व करता था।

प्रकाश संश्लेषण के बारे में समझ के लिए एक मील का योगदान कॉन्रियस वैन नील (१८९७-१९८५) ने किया जो एक जीवाणु वैज्ञानिक थे, जिसने उनके बैंब्रेन और हरे जीवाणुओं के अध्ययन के आधार पर प्रकाश संश्लेषण को मुख्य रूप से प्रकाश-निर्भर प्रक्रिया के रूप में प्रदर्शित किया जिसमें एक उपयुक्त अपघ्रह यौगिक से प्रकाश के प्रति प्रतिबिंबित हाइड्रोजन कार्बन डाइऑक्साइड को कार्बोहाइड्रेट में परिवर्तित करता है। इसे इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

$2\rm{H}_2\rm{A}+\rm{CO}_2 \xrightarrow{\text{Light}} \rm{2A}+\rm{CH}_2{O}+\rm{H}_2\rm{O}$

हरी पौधों में $\mathrm{H}_2\mathrm{O}$ हाइड्रोजन दाता है और $\mathrm{O}_2$ में अपघ्रहित होता है। कुछ जीवाणु प्रकाश संश्लेषण के दौरान $\mathrm{O}_2$ नहीं उत्सर्जित करते। $\mathrm{H}_2\mathrm{S}$ के बजाय बैंब्रेन और हरे सल्फर जीवाणुओं में $\mathrm{O}_2$ हाइड्रोजन दाता है, इसका ‘अपघ्रह’ उत्पाद सल्फर या सल्फेट है जो जीवाणु के आधार पर है और $\mathrm{O}_2$ नहीं। इसलिए, उन्होंने अनुमानित किया कि हरी पौधों द्वारा $\mathrm{H}2\mathrm{O}$ का उत्पादन $6 \mathrm{CO_2}+12 \mathrm{H_2} \mathrm{O} \xrightarrow{\text { Light }} \mathrm{C_6} \mathrm{H{12}} \mathrm{O_6}+6 \mathrm{H_2} \mathrm{O}+6 \mathrm{O_2}$ से नहीं होता बल्कि कार्बन डाइऑक्साइड से होता है। इसे बाद में रेडियोइजोटोप तकनीकों का उपयोग करके सिद्ध किया गया। इसलिए प्रकाश संश्लेषण के कुल प्रक्रिया का सही समीकरण है:

$\mathrm{C_6} \mathrm{H_{12}} \mathrm{O_6}$

जहाँ $\mathrm{O_2}$ ग्लूकोज का प्रतिनिधित्व करता है। $2 \mathrm{H}_2 \mathrm{O} \longrightarrow 4 \mathrm{H}^{+}+\mathrm{O}_2+4 \mathrm{e}^{-}$ पानी से उत्पन्न होता ह