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उच्च पादपों में प्रकाश-संश्लेषण

हरे पौधे प्रकाश की मदद से CO₂ और पानी से शर्करा बनाते हैं। यह क्लोरोप्लास्ट में होता है। थायलाकॉइड में प्रकाश अभिक्रिया पानी तोड़ती है, O₂ छोड़ती है और ATP व NADPH बनाती है। स्ट्रोमा में केल्विन चक्र इसी ATP और NADPH से CO₂ को शर्करा में बदलता है। C₄ पौधे CO₂ पंप करके प्रकाश-श्वसन की बर्बादी रोकते हैं। जो कारक सबसे कम हो, वही दर तय करता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. पत्ती की कोशिका में हरे क्लोरोप्लास्ट हैं। सिक्कों जैसे ढेर ग्रैना हैं, चारों ओर का द्रव स्ट्रोमा है। क्लोरोफिल नीला और लाल प्रकाश सबसे अच्छा सोखता है।
  2. प्रकाश पानी को तोड़ता है और ऑक्सीजन निकलती है। इलेक्ट्रॉन Z-आकार में PS II से PS I तक जाकर NADPH बनाता है। चक्रीय रास्ते में वह PS I पर लौटता है और सिर्फ़ ATP बनता है।
  3. H⁺ आयन थायलाकॉइड के अंदर जमा होते हैं। वे केवल ATP सिंथेज़ से बाहर जा सकते हैं। उनके बहाव से ATP बनता है। यही रसायन-परासरण है।
  4. स्ट्रोमा में केल्विन चक्र CO₂ जोड़ता है, ATP और NADPH से शर्करा बनाता है, और RuBP फिर बनाता है। छह चक्कर में एक ग्लूकोज़।
  5. गर्मी में RuBisCO ग़लती से O₂ पकड़ लेता है। यह प्रकाश-श्वसन है, इसमें शर्करा बर्बाद होती है। मक्का जैसे C₄ पौधे CO₂ को बंडल आच्छद में भरकर इसे रोकते हैं।
  6. अब आप: प्रकाश, CO₂ और ताप बदलो। जो कारक सबसे कम है, वही पूरी दर को रोकता है।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

इसे अंधकार अभिक्रिया कहते हैं, तो क्या यह रात में होती है?

नहीं। इसे प्रकाश अभिक्रिया से ताज़ा ATP और NADPH चाहिए, इसलिए अँधेरा होने के कुछ देर बाद यह रुक जाती है। इसमें प्रकाश सीधे नहीं लगता, बस इतना है।

PS II पहले काम करता है, फिर इसे II क्यों कहते हैं?

PS I पहले खोजा गया था। नंबर खोज का क्रम है; इलेक्ट्रॉन फिर भी PS II → PS I जाते हैं।

H⁺ के बहाव से ATP कैसे बनता है?

H⁺ थायलाकॉइड के अंदर भीड़ में हैं और केवल ATP सिंथेज़ से बाहर जा सकते हैं। बाहर बहते हुए वे एंजाइम को घुमाते हैं, जो ADP और फॉस्फेट को जोड़ देता है।

क्लोरोफिल इतना ज़रूरी है, फिर पत्ती हरी क्यों दिखती है?

क्लोरोफिल नीला और लाल सोखता है और हरा लौटा देता है। हमें लौटा हुआ रंग दिखता है।

C₄ पौधे ज़्यादा ATP खर्च करके भी गर्मी में तेज़ क्यों बढ़ते हैं?

वे CO₂ पंप करने में ATP लगाते हैं, पर प्रकाश-श्वसन का बड़ा नुकसान बच जाता है। इसलिए गर्म, धूप वाली जगह में कुल शर्करा अधिक बनती है।

प्रकाश बढ़ाएँ तो क्या प्रकाश-संश्लेषण हमेशा बढ़ेगा?

केवल तब तक, जब तक प्रकाश सबसे कम वाला कारक है। जब CO₂ या ताप सबसे कम हो जाए, तो अधिक प्रकाश से कुछ नहीं होता।

प्रकाश-संश्लेषण कहाँ होता है: स्थान

मुख्य स्थान पत्ती की मीज़ोफिल कोशिकाएँ हैं। हर कोशिका में कई क्लोरोप्लास्ट (हरितलवक) होते हैं। क्लोरोप्लास्ट के अंदर चपटी थैलियाँ होती हैं, जिन्हें थायलाकॉइड कहते हैं। इनके ढेर ग्रैना हैं। चारों ओर का द्रव स्ट्रोमा (पीठिका) है।

काम का यह बँटवारा क्लोरोप्लास्ट के अंदर श्रम-विभाजन है।

वर्णक: प्रकाश पकड़ने वाले

वर्णक (pigment) रंगीन पदार्थ है जो प्रकाश सोखता है। पत्ती में चार मुख्य वर्णक हैं:

बाकी तीन सहायक वर्णक हैं। ये दूसरे रंग पकड़ते हैं, ऊर्जा क्लोरोफिल a को देते हैं और उसे तेज़ प्रकाश से बचाते हैं।

अवशोषण और क्रिया स्पेक्ट्रम

अवशोषण स्पेक्ट्रम बताता है कि वर्णक हर रंग का कितना प्रकाश सोखता है। क्रिया स्पेक्ट्रम बताता है कि हर रंग में प्रकाश-संश्लेषण कितनी तेज़ी से होता है। दोनों में नीले और लाल पर चोटी होती है। हरा ज़्यादातर लौट जाता है, इसलिए पत्ती हरी दिखती है।

दो चरण: प्रकाश और जैवसंश्लेषी

  1. प्रकाश अभिक्रिया (प्रकाश-रासायनिक चरण): थायलाकॉइड में। प्रकाश पकड़ा जाता है, पानी टूटता है (प्रकाश-अपघटन), O₂ निकलती है, ATP और NADPH बनते हैं।
  2. जैवसंश्लेषी चरण (अंधकार अभिक्रिया / केल्विन चक्र): स्ट्रोमा में। यह प्रकाश को सीधे नहीं लेता, पर प्रकाश से बने ATP और NADPH पर चलता है। CO₂ शर्करा में बदलती है।

प्रकाश-संग्राही संकुल और फोटोसिस्टम

सैकड़ों वर्णक अणु एक एंटीना बनाते हैं। वे ऊर्जा अभिक्रिया केंद्र के एक ख़ास क्लोरोफिल a को भेजते हैं। PS I का केंद्र P700 है और PS II का P680। नाम खोज के क्रम से हैं, काम के क्रम से नहीं।

Z-योजना और अचक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन

फोटोफॉस्फोरिलेशन यानी प्रकाश की मदद से ATP बनाना (ADP में फॉस्फेट जोड़ना)।

  1. PS II प्रकाश सोखता है। इलेक्ट्रॉन ऊँची ऊर्जा पर उछलता है और वाहकों को मिलता है।
  2. PS II खोया इलेक्ट्रॉन पानी तोड़कर वापस पाता है: 2H₂O → 4H⁺ + O₂ + 4e⁻। ऑक्सीजन यहीं से आती है।
  3. इलेक्ट्रॉन वाहकों (साइटोक्रोम b₆f) से होकर नीचे PS I तक आता है। रास्ते में ऊर्जा से H⁺ पंप होते हैं।
  4. PS I प्रकाश सोखता है, इलेक्ट्रॉन फिर ऊपर उछलता है और अंत में NADP⁺ को NADPH बनाता है।

ऊर्जा के पैमाने पर यह रास्ता लेटे हुए Z जैसा दिखता है। इलेक्ट्रॉन एक ही दिशा में जाते हैं, लौटते नहीं, इसलिए यह अचक्रीय है। उत्पाद: ATP, NADPH, O₂।

चक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन

केवल PS I काम करता है। इलेक्ट्रॉन वाहकों से होकर फिर PS I पर लौट आता है। यह स्ट्रोमा लैमेली में होता है (वहाँ PS II और NADP रिडक्टेज़ नहीं हैं), और जब 680 nm से अधिक तरंगदैर्ध्य का प्रकाश मिलता है। उत्पाद: केवल ATP। न NADPH, न O₂।

रसायन-परासरण: ATP असल में कैसे बनता है

ATP थायलाकॉइड झिल्ली के आर-पार H⁺ (प्रोटॉन) के अंतर से बनता है। अंदर (ल्यूमेन) H⁺ बढ़ते हैं क्योंकि:

H⁺ खुद झिल्ली पार नहीं कर सकते। वे केवल ATP सिंथेज़ से बाहर बहते हैं। इस एंजाइम के दो भाग हैं: CF₀ (झिल्ली में नली) और CF₁ (स्ट्रोमा में घुंडी)। बहाव से CF₁ का आकार बदलता है और ADP + Pi जुड़कर ATP बनता है। जैसे बाँध का पानी टरबाइन घुमाता है।

केल्विन चक्र (C₃ चक्र)

वैज्ञानिकों ने रेडियोधर्मी कार्बन (¹⁴C) का पीछा किया और पाया कि पहला स्थिर उत्पाद 3 कार्बन वाला अम्ल 3-फॉस्फोग्लिसरिक अम्ल (PGA) है। इसलिए ऐसे पौधे C₃ पौधे कहलाते हैं। चक्र के तीन चरण:

  1. कार्बोक्सिलन: CO₂ + RuBP (5C) → 2 PGA, एंजाइम RuBisCO से। यह पृथ्वी पर सबसे अधिक पाया जाने वाला प्रोटीन है।
  2. अपचयन: हर CO₂ पर 2 ATP और 2 NADPH से PGA शर्करा बनता है।
  3. पुनर्जनन: हर CO₂ पर 1 ATP से RuBP फिर बनता है, ताकि चक्र चलता रहे।

एक ग्लूकोज़ (6 C) के लिए चक्र 6 बार घूमता है: 6 CO₂, 18 ATP और 12 NADPH। ATP : NADPH = 3 : 2, इसलिए अतिरिक्त ATP चक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन से आता है।

प्रकाश-श्वसन

RuBisCO, CO₂ और O₂ दोनों से जुड़ सकता है। जब CO₂ कम और O₂ अधिक हो (गर्म दिन, रंध्र बंद), तो वह O₂ से जुड़ता है। RuBP + O₂ से एक PGA और एक फॉस्फोग्लाइकोलेट बनता है। यह रास्ता क्लोरोप्लास्ट, परऑक्सीसोम और माइटोकॉन्ड्रिया से होकर CO₂ छोड़ता है और ATP खर्च करता है, पर न शर्करा बनती है, न ATP। यह पूरा नुकसान है।

C₄ पथ (हैच और स्लैक पथ)

C₄ पौधे (मक्का, गन्ना, ज्वार, चौलाई) गर्म, सूखी, तेज़ धूप वाली जगहों के लिए बने हैं। इनकी पत्तियों में क्रैंज़ शरीर-रचना होती है: हर शिरा के चारों ओर बड़ी बंडल आच्छद कोशिकाओं का घेरा, मोटी दीवार, बहुत से क्लोरोप्लास्ट और बीच में कोई खाली जगह नहीं।

  1. मीज़ोफिल में: PEP (3C) + CO₂ → ऑक्सैलोऐसीटिक अम्ल (OAA, 4C), PEP कार्बोक्सिलेज़ से। यह एंजाइम O₂ से नहीं जुड़ता। पहला स्थिर उत्पाद 4C, इसलिए C₄।
  2. OAA मैलिक या ऐस्पार्टिक अम्ल बनकर बंडल आच्छद में जाता है।
  3. वहाँ CO₂ छूटती है। CO₂ बहुत अधिक होने से RuBisCO केवल कार्बोक्सिलेज़ का काम करता है। केल्विन चक्र यहीं चलता है।
  4. बचा 3C अम्ल मीज़ोफिल लौटकर फिर PEP बनता है (ATP लगता है)।

C₃ और C₄ एक नज़र में

लक्षणC₃C₄
पहला स्थिर उत्पादPGA (3C)OAA (4C)
क्रैंज़ शरीर-रचनानहींहाँ
प्रकाश-श्वसनहाँलगभग नहीं
अनुकूल ताप20–25 °C30–40 °C
उदाहरणगेहूँ, धान, आममक्का, गन्ना

प्रभावित करने वाले कारक और सीमा कारक का नियम

दर बाहरी कारकों (प्रकाश, CO₂, ताप, पानी) और भीतरी कारकों (पत्तियों की संख्या व आयु, क्लोरोफिल, मीज़ोफिल कोशिकाएँ, पत्ती के अंदर CO₂) पर निर्भर है।

ब्लैकमैन का नियम (1905): जब कोई क्रिया कई कारकों पर निर्भर हो, तो उसकी दर वह कारक तय करता है जो अपने न्यूनतम के सबसे पास है। उसे बढ़ाओ तो दर बढ़ती है, जब तक कोई दूसरा कारक सीमा न बन जाए।

करके देखो: घर पर वर्णक और ऑक्सीजन

  1. वर्णकों की दौड़: पालक की पत्ती को थोड़े नेल-पॉलिश रिमूवर (ऐसीटोन) के साथ पीसो और सफ़ेद चॉक या फ़िल्टर पेपर पर एक बिंदु लगाओ। सिरा द्रव में डुबाओ। 15 मिनट बाद पट्टियाँ दिखेंगी: ऊपर पीली-नारंगी (कैरोटिनॉइड), फिर पीली, नीली-हरी (क्लोरोफिल a) और पीली-हरी (क्लोरोफिल b)।
  2. बुलबुले गिनो: पानी के पौधे (हाइड्रिला) को गिलास में लैंप के नीचे रखो। 20 cm और 60 cm दूरी पर प्रति मिनट बुलबुले गिनो। चुटकी भर बेकिंग सोडा (अधिक CO₂) डालकर फिर गिनो। पहले अनुमान लगाओ, फिर 3D के आख़िरी चरण से मिलाओ।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक ग्लूकोज़ के लिए केल्विन चक्र कितनी बार घूमता है, और क्यों?

हर चक्कर में एक CO₂ (एक कार्बन) जुड़ता है। ग्लूकोज़ में 6 कार्बन हैं, इसलिए 6 चक्कर।

2. 1 ग्लूकोज़ के लिए कितने ATP और NADPH चाहिए?

हर CO₂ पर 3 ATP और 2 NADPH। 6 CO₂ के लिए 6 × 3 = 18 ATP और 6 × 2 = 12 NADPH।

3. 3 ग्लूकोज़ अणुओं के लिए कितने ATP और NADPH?

3 ग्लूकोज़ = 18 CO₂। ATP = 18 × 3 = 54, NADPH = 18 × 2 = 36।

4. 12 पानी के अणु टूटें तो कितने O₂ अणु बनेंगे? यह O₂ कहाँ से आती है?

2H₂O से 1 O₂, तो 12 H₂O से 6 O₂। ऑक्सीजन पानी से आती है, CO₂ से नहीं (भारी ऑक्सीजन ¹⁸O से सिद्ध)।

5. अचक्रीय प्रवाह ATP : NADPH लगभग 1 : 1 देता है, पर केल्विन चक्र को 3 : 2 चाहिए। 6 CO₂ के लिए कितना अतिरिक्त ATP चाहिए?

केल्विन को 18 ATP और 12 NADPH चाहिए। 12 NADPH के साथ लगभग 12 ATP मिलते हैं। अतिरिक्त = 18 − 12 = 6 ATP, जो मुख्यतः चक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन देता है।

6. एक पौधे को प्रकाश 80, CO₂ 30 और अच्छा ताप (90) मिल रहा है। कौन-सा कारक सीमा है? प्रकाश दोगुना करें तो?

CO₂ (30) सबसे कम है, वही सीमा कारक है। प्रकाश दोगुना करने से कुछ नहीं बदलेगा। CO₂ बढ़ाने पर दर तब तक बढ़ेगी जब तक प्रकाश या ताप सीमा न बनें।

7. C₄ पौधा PEP दोबारा बनाने में हर CO₂ पर 2 अतिरिक्त ATP खर्च करता है। एक ग्लूकोज़ पर कुल ATP?

केल्विन: हर CO₂ पर 3 ATP। C₄ अतिरिक्त: 2 ATP। कुल 5 प्रति CO₂। 6 CO₂ के लिए 5 × 6 = 30 ATP (साथ में 12 NADPH)।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. केल्विन चक्र कहाँ होता है?
2. चक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन में बनता है:
3. C₄ पौधों में पहला स्थिर उत्पाद है:
4. प्रकाश अभिक्रिया में प्रोटॉन कहाँ जमा होते हैं?
5. केल्विन चक्र में CO₂ जोड़ने वाला एंजाइम है:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

प्रकाश-संश्लेषण के दो चरण कौन-से हैं?

थायलाकॉइड में प्रकाश अभिक्रिया (ATP, NADPH, O₂ बनते हैं) और स्ट्रोमा में जैवसंश्लेषी चरण या केल्विन चक्र (शर्करा बनती है)।

C₃ और C₄ पौधों में क्या अंतर है?

C₃ में पहला उत्पाद PGA (3C) है और प्रकाश-श्वसन होता है। C₄ में पहला उत्पाद OAA (4C) है, क्रैंज़ शरीर-रचना है और प्रकाश-श्वसन लगभग नहीं।

रसायन-परासरण क्या है?

प्रोटॉन के अंतर से ATP बनाना: थायलाकॉइड के अंदर जमा H⁺ ATP सिंथेज़ से बाहर बहते हैं और ADP व फॉस्फेट जुड़कर ATP बनता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

पोलैंडLiceum ogólnokształcące, klasa IIIX. Plant diversity
यूक्रेन10 класMetabolism and energy
सीबीएसई (भारत)कक्षा 11पादप कार्यिकी
इंग्लैंडYear 133.5 Energy transfers in and between organisms
अमेरिकाGrade 11Cellular Energetics
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Cellular respiration and photosynthesis
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Respiration and photosynthesis
जर्मनीJahrgangsstufe 13Cell metabolism physiology
चीन高一Comp.1 Ch.5 Energy

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