कक्षा 11 जीव विज्ञान: उच्च पादपों में प्रकाश-संश्लेषण NCERT समाधान

Solution: सामान्यतः, किसी पौधे को केवल बाहर से देखकर यह निश्चित रूप से बता पाना संभव नहीं है कि वह C3 पौधा है या C4 पौधा। ऐसा इसलिए है क्योंकि C3 और C4 पौधों की बाह्य आकारिकी (बाहरी बनावट) में बहुत अधिक समानता होती है। C4 पथ विशेष रूप से शुष्क और उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में पाए जाने वाले पौधों के लिए अनुकूलित होता है, लेकिन यह अनुकूलन उनकी बाहरी दिखावट से स्पष्ट रूप से प्रकट नहीं होता है। इन पौधों के बीच अंतर जानने के लिए उनकी आंतरिक संरचना या प्रकाश संश्लेषण की क्रियाविधि का अध्ययन करना आवश्यक होता है।

Solution: हाँ, किसी पौधे की पत्तियों की आंतरिक संरचना (अनुप्रस्थ काट) का अध्ययन करके यह निश्चित रूप से बताया जा सकता है कि वह C3 पौधा है या C4 पौधा। C4 पौधों की पत्तियों की शारीरिकी (anatomy) एक विशिष्ट 'क्रान्ज प्रकार' (Kranz type) की होती है। 'क्रान्ज' जर्मन भाषा का शब्द है जिसका अर्थ 'माला' या 'छल्ला' होता है।

C4 पौधों की पत्तियों में:

• पर्णमध्योतक (mesophyll) में खम्भ ऊतक (palisade tissue) स्पष्ट रूप से विभाजित नहीं होता या अनुपस्थित होता है।
• संवहन बंडलों (vascular bundles) के चारों ओर बड़ी, गोल मृदूतक (parenchyma) कोशिकाएँ एक परत के रूप में व्यवस्थित होती हैं। इन कोशिकाओं को पूलाच्छद (bundle sheath) कोशिकाएँ कहा जाता है।
• पूलाच्छद कोशिकाओं में बड़े हरितलवक (chloroplasts) पाए जाते हैं, जिनमें ग्रैना (grana) कम विकसित या अनुपस्थित होते हैं।
• पर्णमध्योतक कोशिकाओं में छोटे हरितलवक होते हैं, जिनमें ग्रैना अच्छी तरह से विकसित होते हैं।
• इस प्रकार, C4 पौधों में दो प्रकार के हरितलवक पाए जाते हैं, जिन्हें द्विरूपी हरितलवक (dimorphic chloroplasts) कहते हैं। प्रकाश संश्लेषण के वर्णक तंत्र II (Photosystem II) का अभाव पूलाच्छद कोशिकाओं में देखा जा सकता है।

इसके विपरीत, C3 पौधों की पत्तियों की शारीरिकी क्रान्ज प्रकार की नहीं होती है। उनमें पर्णमध्योतक में स्पष्ट खम्भ ऊतक पाया जाता है, और सभी कोशिकाओं में एक ही प्रकार के हरितलवक होते हैं जिनमें ग्रैना विकसित होते हैं। प्रकाश संश्लेषण तंत्र में दोनों वर्णक तंत्र (Photosystem I और II) उपस्थित होते हैं।

Solution: C4 पौधों की उच्च उत्पादकता का मुख्य कारण उनकी विशेष CO2 सांद्रण क्रियाविधि (CO2 concentrating mechanism) है, जो उनके दो प्रकार के क्लोरोप्लास्ट (पर्णमध्योतक और पूलाच्छद में) और क्रान्ज शारीरिकी के कारण संभव होती है।

इसके प्रमुख कारण निम्नलिखित हैं:

• CO2 का प्रभावी अवशोषण: C4 पौधों के पर्णमध्योतक कोशिकाओं में स्थित क्लोरोप्लास्ट, वातावरण से CO2 को बहुत प्रभावी ढंग से अवशोषित करते हैं, यहाँ तक कि जब रंध्र (stomata) बहुत कम खुले होते हैं या लगभग बंद होते हैं। यह CO2 को ग्रहण करने के लिए एक प्राथमिक ग्राही (जैसे PEP) का उपयोग करके संभव होता है।
• CO2 का संवर्धन: पर्णमध्योतक कोशिकाओं में CO2 को पहले एक कार्बनिक अम्ल में स्थिर किया जाता है, जिसे बाद में पूलाच्छद कोशिकाओं में ले जाया जाता है। पूलाच्छद कोशिकाओं में, यह कार्बनिक अम्ल टूटकर CO2 और पाइरुविक अम्ल मुक्त करता है। इस प्रक्रिया से पूलाच्छद कोशिकाओं के भीतर CO2 की सांद्रता बहुत अधिक हो जाती है।
• रुबिस्को की दक्षता में वृद्धि: पूलाच्छद कोशिकाओं में CO2 की उच्च सांद्रता के कारण, रुबिस्को एंजाइम (RUBISCO) मुख्य रूप से कार्बोक्सिलेज (carboxylase) के रूप में कार्य करता है, न कि ऑक्सीजिनेस (oxygenase) के रूप में। इससे प्रकाश श्वसन (photorespiration) की दर बहुत कम हो जाती है, जो C3 पौधों में CO2 स्थिरीकरण को बाधित करता है।
• प्रकाश श्वसन का अभाव: चूँकि C4 पौधों में CO2 की सांद्रता हमेशा रुबिस्को के लिए अनुकूलित रहती है, प्रकाश श्वसन लगभग नगण्य होता है। प्रकाश श्वसन में शर्करा का निर्माण नहीं होता और ऊर्जा की हानि होती है, इसलिए इसके अभाव से C4 पौधों की उत्पादकता बढ़ जाती है।

संक्षेप में, CO2 को प्रभावी ढंग से पकड़ने और उसे रुबिस्को के पास उच्च सांद्रता में पहुँचाने की क्षमता C4 पौधों को कम CO2 सांद्रता और उच्च तापमान जैसी प्रतिकूल परिस्थितियों में भी उच्च उत्पादकता बनाए रखने में मदद करती है।

Solution: रुबिस्को (Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase) एक महत्वपूर्ण एंजाइम है जो प्रकाश संश्लेषण के कैल्विन चक्र में CO2 स्थिरीकरण के लिए जिम्मेदार है। यह एंजाइम दोहरी भूमिका निभा सकता है: कार्बोक्सिलेज (carboxylase) के रूप में CO2 के साथ जुड़ना, और ऑक्सीजिनेस (oxygenase) के रूप में O2 के साथ जुड़ना।

C4 पौधों में रुबिस्को के अधिक मात्रा में कार्बोक्सिलेशन करने के कारण निम्नलिखित हैं:

• CO2 सांद्रण क्रियाविधि: C4 पौधों में एक विशेष CO2 सांद्रण क्रियाविधि होती है। पर्णमध्योतक कोशिकाएँ CO2 को ग्रहण करके उसे एक कार्बनिक अम्ल (जैसे मैलिक अम्ल) में स्थिर करती हैं। इस अम्ल को फिर पूलाच्छद कोशिकाओं में ले जाया जाता है।
• पूलाच्छद में CO2 की उच्च सांद्रता: पूलाच्छद कोशिकाओं में, यह कार्बनिक अम्ल टूटकर CO2 और पाइरुविक अम्ल मुक्त करता है। इस प्रक्रिया के कारण, पूलाच्छद कोशिकाओं के भीतर CO2 की सांद्रता बहुत अधिक हो जाती है, जो पर्णमध्योतक कोशिकाओं की तुलना में काफी अधिक होती है।
• रुबिस्को का अनुकूल वातावरण: रुबिस्को एंजाइम मुख्य रूप से पूलाच्छद कोशिकाओं में पाया जाता है। इन कोशिकाओं में CO2 की उच्च सांद्रता रुबिस्को को ऑक्सीजन के बजाय CO2 के साथ जुड़ने के लिए प्रेरित करती है। रुबिस्को की CO2 के प्रति बंधुता (affinity) ऑक्सीजन की तुलना में अधिक होती है, लेकिन यह बंधुता CO2 और O2 की सापेक्ष सांद्रता पर निर्भर करती है। जब CO2 की सांद्रता अधिक होती है, तो रुबिस्को कार्बोक्सिलेज के रूप में कार्य करता है।
• प्रकाश श्वसन का दमन: C3 पौधों में, जहाँ CO2 की सांद्रता कम होती है और O2 की सांद्रता अधिक, रुबिस्को अक्सर ऑक्सीजिनेस के रूप में कार्य करता है, जिससे प्रकाश श्वसन होता है। C4 पौधों में CO2 की उच्च सांद्रता के कारण प्रकाश श्वसन की दर बहुत कम हो जाती है या लगभग समाप्त हो जाती है।

इस प्रकार, C4 पौधों में CO2 सांद्रण क्रियाविधि यह सुनिश्चित करती है कि रुबिस्को एंजाइम मुख्य रूप से कार्बोक्सिलेज के रूप में कार्य करे, जिससे CO2 का अधिक प्रभावी स्थिरीकरण होता है और प्रकाश संश्लेषण की उत्पादकता बढ़ती है।

Solution: यदि किसी पेड़ में क्लोरोफिल 'ए' की कमी हो और क्लोरोफिल 'बी' की उच्च सांद्रता हो, तो उस पेड़ में प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया गंभीर रूप से प्रभावित होगी या बहुत कम होगी। ऐसा इसलिए है क्योंकि क्लोरोफिल 'ए' प्रकाश संश्लेषण में मुख्य वर्णक (primary pigment) है जो प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करके सीधे रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करने की प्रक्रिया को शुरू करता है।

पौधों में क्लोरोफिल 'बी' और अन्य गौण वर्णकों (जैसे कैरोटिनॉयड, जैन्थोफिल) की उपस्थिति महत्वपूर्ण है क्योंकि:

• ऊर्जा का स्थानांतरण: क्लोरोफिल 'बी' और अन्य गौण वर्णक प्रकाश ऊर्जा को अवशोषित करते हैं, लेकिन वे सीधे प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश अभिक्रियाओं को शुरू नहीं कर सकते। वे अवशोषित ऊर्जा को क्लोरोफिल 'ए' को स्थानांतरित कर देते हैं।
• प्रकाश अवशोषण स्पेक्ट्रम का विस्तार: ये गौण वर्णक प्रकाश के उन तरंग दैर्घ्यों (wavelengths) को भी अवशोषित कर सकते हैं जिन्हें क्लोरोफिल 'ए' प्रभावी ढंग से अवशोषित नहीं कर पाता। इस प्रकार, वे प्रकाश संश्लेषण के लिए उपलब्ध प्रकाश की कुल मात्रा और तरंग दैर्घ्य सीमा को बढ़ाते हैं।
• फोटो-ऑक्सीडेशन से सुरक्षा: गौण वर्णक, विशेष रूप से कैरोटिनॉयड, क्लोरोफिल 'ए' को अत्यधिक प्रकाश ऊर्जा से होने वाले नुकसान (फोटो-ऑक्सीडेशन) से बचाने में भी मदद करते हैं। वे अतिरिक्त ऊर्जा को अवशोषित करके या उसे ऊष्मा के रूप में निष्कासित करके क्लोरोफिल को स्थिर रखते हैं।

इसलिए, क्लोरोफिल 'ए' प्रकाश संश्लेषण के लिए अनिवार्य है, जबकि क्लोरोफिल 'बी' और अन्य गौण वर्णक सहायक के रूप में कार्य करते हैं, जो प्रक्रिया की दक्षता और सुरक्षा को बढ़ाते हैं। क्लोरोफिल 'ए' की कमी वाले पौधे प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक ऊर्जा को पर्याप्त मात्रा में प्राप्त नहीं कर पाएंगे, जिससे उनकी वृद्धि और उत्तरजीविता प्रभावित होगी।

Solution: जब एक पत्ती को लंबे समय तक अँधेरे में रखा जाता है, तो उसका रंग धीरे-धीरे पीला या हरा-पीला हो जाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि पत्ती में मौजूद क्लोरोफिल वर्णक प्रकाश की अनुपस्थिति में संश्लेषित नहीं हो पाते और धीरे-धीरे विघटित होने लगते हैं। क्लोरोफिल ही पत्ती को उसका विशिष्ट हरा रंग प्रदान करता है।

जब क्लोरोफिल का विघटन होता है, तो पत्ती में मौजूद अन्य वर्णक, जैसे कैरोटिनॉयड (जिनमें कैरोटीन और जैन्थोफिल शामिल हैं), अधिक स्पष्ट रूप से दिखाई देने लगते हैं। कैरोटीन नारंगी रंग के होते हैं और जैन्थोफिल पीले रंग के। इन वर्णकों के कारण ही अँधेरे में रखी गई पत्ती का रंग पीला या हरा-पीला दिखाई देता है।

इस स्थिति में, कैरोटिनॉयड (कैरोटीन और जैन्थोफिल) अधिक स्थायी वर्णक माने जा सकते हैं। क्लोरोफिल प्रकाश की उपस्थिति में लगातार संश्लेषित होता रहता है और प्रकाश की अनुपस्थिति में विघटित हो जाता है। इसके विपरीत, कैरोटिनॉयड अपेक्षाकृत अधिक स्थायी होते हैं और प्रकाश की अनुपस्थिति में भी पत्ती में बने रहते हैं, जिससे वे क्लोरोफिल के विघटन के बाद दिखाई देने लगते हैं। ये वर्णक प्रकाश संश्लेषण में सहायक होते हैं और क्लोरोफिल को फोटो-ऑक्सीडेशन से भी बचाते हैं।"