Light reactions: Quantum requirement, quantum yield, and pigment systems I & II
Light reactions: Quantum requirement, quantum yield, and pigment systems I & II (प्रकाश अभिक्रियाएँ: क्वांटम आवश्यकता, क्वांटम उपज और वर्णक तंत्र I व II):-
1. सामान्य परिचय (General Introduction):-
· प्रकाश संश्लेषण एक भौतिक-रासायनिक प्रक्रिया है जिसके द्वारा हरे पौधे कार्बनिक यौगिकों को संश्लेषित करने के लिए प्रकाश ऊर्जा (सौर ऊर्जा) का उपयोग करते हैं।
(Photosynthesis is a physio-chemical process by which green plants use light energy (solar energy) to synthesize organic compounds.)
· प्रकाश संश्लेषण पृथ्वी पर जीवन का आधार है।
(Photosynthesis is the basis of life on earth.)
· अंततः सभी जीवित जीव ऊर्जा के लिए सूर्य के प्रकाश पर निर्भर करते हैं।
(Ultimately, all living forms depend on sunlight for energy.)
· प्रकाश संश्लेषण का महत्व: -
(Importance of Photosynthesis:-)
Ø यह पृथ्वी पर सभी भोज्य पदार्थों का प्राथमिक स्रोत है।
(It is the primary source of all food on earth.)
Ø यह वायुमंडल में ऑक्सीजन छोड़ता है।
(It releases oxygen into the atmosphere.)
2. Experiments related with photosynthesis:-
a. Variegated leaf experiment:-
· 2 पत्तियां लेते हैं - एक चितकबरी पत्ती या आंशिक रूप से काले पेपर से ढकी पत्ती, और एक जो प्रकाश के संपर्क में थी।
(Take 2 leaves - a variegated leaf or leaf partially covered with black paper, and one that was exposed to light.)
· स्टार्च के लिए पत्तियों का परीक्षण करते हैं। यह दर्शाता है कि प्रकाश संश्लेषण केवल प्रकाश की उपस्थिति में पत्तियों के हरे भागों में होता है।
(Test the leaves for starch. It shows that photosynthesis occurs only in green parts of the leaves in presence of light.)
· परिणाम (Result):- पत्ती का हरा भाग नीले रंग में परिवर्तित हो जाता है। हरे भाग में स्टार्च बनती है। हरे भाग में प्रकाश संश्लेषण होता है। इससे यह प्रदर्शित करता है कि पर्णहरित प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक होता है।
(The green part of the leaf turns blue. Starch is formed in the green part. Photosynthesis takes place in the green part. This shows that chlorophyll is essential for photosynthesis.)
b. Half-leaf experiment:-
· पत्ती का एक भाग को KOH से भीगी रुई युक्त एक परखनली में बंद करते हैं। (जो CO2 अवशोषित कर लेता है)
[A part of a leaf is enclosed in a test tube containing KOH soaked cotton (which absorbs CO2).]
· पत्ती का अन्य आधा हिस्सा हवा के संपर्क में रखते हैं।
(The other half of leaf is exposed to air.)
· इस सेटअप को कुछ समय के लिए प्रकाश में रखते हैं।
(Place this setup in light for some time.)
· स्टार्च की उपस्थिति के लिए पत्ती का परीक्षण करते हैं। पत्ती का बाहरी हिस्सा स्टार्च के साथ नीला रंग देता है और ट्यूब के अंदर का भाग स्टार्च के साथ कोई रंग नहीं देता है। यह साबित करता है कि प्रकाश संश्लेषण के लिए CO2 आवश्यक होती है।
(Test the leaf for presence of starch. The exposed part of the leaf gives blue colour with starch and the portion in the tube gives no colour with starch. This proves that CO2 is required for photosynthesis.)
3. Site of Photosynthesis:-
· प्रकाश संश्लेषण हरी पत्तियों और पौधों के अन्य हरे भागों में होता है।
(Photosynthesis takes place in green leaves and other green parts of the plants.)
· हरितलवक पत्तियों की पर्ण मध्योत्तक कोशिकाओं में पाये जाते हैं। यह प्रकाश की इष्टतम मात्रा प्राप्त करने में मदद करता है।
(Chloroplasts present in the mesophyll cells of leaves. It helps to get optimum quantity of incident light.)
· क्लोरोप्लास्ट में एक झिल्लीदार तंत्र होता है जिसमें ग्रैना, स्ट्रोमा लैमिली और द्रव स्ट्रोमा शामिल होते हैं।
(Chloroplast contains a membranous system consisting of grana, stroma lamellae and fluid stroma.)
· प्रत्येक ग्रेनम झिल्ली आबद्ध थैलियों का एक समूह होता है जिन्हें थाइलेकोइड्स (लैमिली) कहा जाता है। इनमें पर्णीय वर्णक उपस्थित होते हैं।
(Each granum is a group of membrane-bound sacs called thylakoids (lamellae). They contain leaf pigments.)
· प्रकाश अभिक्रिया क्लोरोप्लास्ट के ग्रैना में होती है। झिल्ली तंत्र प्रकाश ऊर्जा को पकड़ता है और ATP और NADPH को संश्लेषित करता है। इसे प्रकाश अभिक्रिया कहा जाता है।
(Light reaction takes place in the grana of the chloroplast. The membrane system traps light energy and synthesize ATP and NADPH. It is called light reactions.)
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· स्ट्रोमा में, शर्करा को संश्लेषित करने के लिए एंजाइम अभिक्रिया CO2 को समावेशित करती है, जो आगे चलकर स्टार्च बनाती है। इसे अप्रकाश अभिक्रिया कहा जाता है। इसका मतलब यह नहीं है कि वे अंधेरे में होती हैं या वे प्रकाश पर निर्भर नहीं होती हैं।
(In stroma, enzymatic reactions incorporate CO2 for synthesizing sugar, which in turn forms starch. It is called dark reactions. It does not mean that they occur in darkness or that they are not light dependent.)
4. Pigments involved in Photosynthesis:-
· वर्णक वे पदार्थ होते हैं जिनमें विशिष्ट तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता होती है।
(Pigments are substances that have ability to absorb light of specific wavelengths.)
· Chromatography shows the following leaf pigments:-
Ø क्लोरोफिल a (क्रोमैटोग्राम में चमकदार या नीला हरा)
[Chlorophyll a (bright or blue green in chromatogram)]
Ø क्लोरोफिल b (पीला हरा)
[Chlorophyll b (yellow green)]
Ø जेंथोफिल्स (पीला)
[Xanthophylls (yellow)]
Ø कैरोटेनॉइड्स (पीले से पीले-नारंगी)
[Carotenoids (yellow to yellow-orange)]
अंतिम तीन वर्णकों को सहायक वर्णक कहा जाता है।
(Last three pigments are called as accessory pigments.)
· Functions of accessory pigments:-
Ø वे विभिन्न तरंग दैर्ध्य के प्रकाश को अवशोषित करते हैं और ऊर्जा को क्लोरोफिल a में स्थानांतरित करते हैं।
(They absorb light of different wavelengths and transfer the energy to chlorophyll a.)
Ø वे प्रकाश-ऑक्सीकरण से क्लोरोफिल a की सुरक्षा करते हैं।
(They protect chlorophyll a from photo-oxidation.)
· अवशोषण स्पेक्ट्रम और क्रिया स्पेक्ट्रम बारीकी से यह दर्शाता है कि प्रकाश संश्लेषण स्पेक्ट्रम के नीले और लाल क्षेत्रों में अधिकतम है। ग्राफ यह भी दर्शाता है कि क्लोरोफिल a प्रकाश संश्लेषण से संबन्धित मुख्य वर्णक है।
(The absorption spectrum & action spectrum coincide closely showing that photosynthesis is maximum at the blue & red regions of the spectrum. The graphs also show that chlorophyll a is the chief pigment associated with photosynthesis.)
· Photosystems:-
Ø वर्णक प्रकाश तंत्र I (PS I) और प्रकाश तंत्र II (PS II) के भीतर दो प्रकाश रासायनिक लाइट हार्वेस्टिंग कॉम्प्लेक्स (LHC) में व्यवस्थित होते हैं। इन्हें इनकी खोज के क्रम में नामित किया गया है।
[The pigments are organized into two photochemical light harvesting complexes (LHC) within the Photosystem I (PS I) and Photosystem II (PS II). These are named in the sequence of their discovery.]
Ø LHC प्रोटीन से जुड़े सैकड़ों वर्णक अणुओं से बनते हैं। प्रत्येक प्रकाश तंत्र में क्लोरोफिल a के एक अणु को छोड़कर सभी वर्णक मिलकर एक लाइट हार्वेस्टिंग तंत्र (एंटीनी) का निर्माण करते हैं।
[LHC are formed of hundreds of pigment molecules bound to proteins. Each photosystem has all pigments (except one molecule of chlorophyll a) forming a light harvesting system (antennae).]
Ø एकल क्लोरोफिल a अणु अभिक्रिया केंद्र बनाता है। PS I में, अभिक्रिया केंद्र क्लोरोफिल a 700 nm पर प्रकाश को अवशोषित करता है, और इसलिए इसे P700 कहते हैं।
(The single chlorophyll a molecule forms reaction center. In PS I, the reaction center chlorophyll a absorb light at 700 nm, and so called P700.)
Ø PS II में, अभिक्रिया केंद्र 680 nm पर प्रकाश को अवशोषित करता है, और इसलिए इसे P680 कहते हैं।
(In PS II, the reaction center absorbs light at 680 nm, and so called P680.)
Quantum Requirement (क्वांटम आवश्यकता):- Quantum requirement is the minimum number of light quanta (photons) required to evolve one molecule of oxygen (O₂) or to fix one molecule of CO₂ during photosynthesis.
[क्वांटम आवश्यकता प्रकाश क्वांटा (फोटॉन) की वह न्यूनतम संख्या है जो प्रकाश-संश्लेषण के दौरान ऑक्सीजन के एक अणु को बनाने या CO₂ के एक अणु को फिक्स करने के लिए आवश्यक होती है।]
Modern Accepted Value (आधुनिक स्वीकृत मान):-
> Approximately 8 photons are required to release 1 molecule of O₂ under ideal conditions.
(आदर्श परिस्थितियों में O₂ का 1 अणु छोड़ने के लिए लगभग 8 फोटॉन की आवश्यकता होती है।)
> In natural conditions, 10–12 photons may be needed due to energy losses.
(प्राकृतिक परिस्थितियों में, ऊर्जा की हानि के कारण 10–12 फोटॉन की आवश्यकता हो सकती है।)
Explanation (व्याख्या):-
> Splitting 2 molecules of water releases:
(पानी के 2 अणुओं के टूटने से ये निकलते हैं:)
i. 1 molecule of O₂ (O₂ का 1 अणु)
ii. 4 electrons (4 इलेक्ट्रॉन)
> Each electron requires excitation by Photosystem II (PSII) and Photosystem I (PSI).
[हर इलेक्ट्रॉन को फोटोसिस्टम II (PSII) और फोटोसिस्टम I (PSI) द्वारा उत्तेजित होने की ज़रूरत होती है।]
> Therefore (इसलिए):
4 electrons × 2 photons = 8 photons
(4 इलेक्ट्रॉन × 2 फोटॉन = 8 फोटॉन)
Formula (सूत्र):-
.bmp){kind=small}
Quantum Yield (क्वांटम उपज):- Quantum yield is the number of molecules of oxygen evolved (or CO₂ fixed) per photon absorbed.
[क्वांटम उपज, अवशोषित प्रति फोटॉन निकलने वाले ऑक्सीजन के अणुओं (या फिक्स होने वाले CO₂) की संख्या है।]
> It is the reciprocal of quantum requirement.
(यह क्वांटम आवश्यकता का व्युत्क्रम है।)
Formula (सूत्र):-
.bmp)
Value (मान):-
> If quantum requirement = 8
(यदि क्वांटम आवश्यकता = 8)
.bmp)
> Thus (इस प्रकार):
Quantum yield = 0.125 O₂ molecule per photon
(क्वांटम उपज = 0.125 O₂ अणु प्रति फोटॉन)
or (या)
1 O₂ molecule is produced for every 8 photons absorbed
(अवशोषित हर 8 फोटॉन के लिए 1 O₂ अणु बनता है।)