सौर ऊर्जा को कैसे परिवर्तित किया जाता है. सौर ऊर्जा का रूपांतरण और इसका उपयोग करने वाले जीव। प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के दौरान क्या होता है?

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हममें से कई लोगों ने किसी न किसी रूप में सौर सेल का सामना किया है। किसी ने घरेलू उद्देश्यों के लिए बिजली उत्पन्न करने के लिए सौर पैनलों का उपयोग किया है या कर रहा है, कोई क्षेत्र में अपने पसंदीदा गैजेट को चार्ज करने के लिए एक छोटे सौर पैनल का उपयोग करता है, और किसी ने निश्चित रूप से माइक्रोकैलकुलेटर पर एक छोटा सौर सेल देखा है। कुछ तो यहाँ आने के लिए भाग्यशाली भी थे।

लेकिन क्या आपने कभी सोचा है कि सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलने की प्रक्रिया कैसे होती है? कौन सी भौतिक घटना इन सभी सौर कोशिकाओं के संचालन का आधार है? आइए भौतिकी की ओर रुख करें और पीढ़ी प्रक्रिया को विस्तार से समझें।

प्रारंभ से ही यह स्पष्ट है कि यहां ऊर्जा का स्रोत सूर्य का प्रकाश है, या वैज्ञानिक भाषा में कहें तो यह सौर विकिरण के फोटॉनों की बदौलत प्राप्त होती है। इन फोटॉनों की कल्पना सूर्य से निरंतर गतिमान प्राथमिक कणों की एक धारा के रूप में की जा सकती है, जिनमें से प्रत्येक में ऊर्जा होती है, और इसलिए संपूर्ण प्रकाश धारा किसी न किसी प्रकार की ऊर्जा वहन करती है।

सूर्य की सतह के प्रत्येक वर्ग मीटर से 63 मेगावाट ऊर्जा विकिरण के रूप में लगातार उत्सर्जित होती रहती है! इस विकिरण की अधिकतम तीव्रता दृश्यमान स्पेक्ट्रम की सीमा में आती है - .

तो, वैज्ञानिकों ने निर्धारित किया है कि सूर्य से पृथ्वी तक 149,600,000 किलोमीटर की दूरी पर सूर्य के प्रकाश के प्रवाह की ऊर्जा घनत्व, वायुमंडल से गुजरने के बाद और हमारे ग्रह की सतह पर पहुंचने पर, औसतन लगभग 900 डब्ल्यू प्रति वर्ग मीटर है।

यहां आप इस ऊर्जा को स्वीकार कर सकते हैं और इससे बिजली प्राप्त करने का प्रयास कर सकते हैं, यानी सूर्य के प्रकाश प्रवाह की ऊर्जा को गतिमान आवेशित कणों की ऊर्जा में, दूसरे शब्दों में, परिवर्तित कर सकते हैं।

प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए हमें इसकी आवश्यकता होती है फोटोइलेक्ट्रिक कनवर्टर. ऐसे कन्वर्टर्स बहुत आम हैं, वे मुफ्त बिक्री के लिए उपलब्ध हैं, ये तथाकथित सौर सेल हैं - सिलिकॉन से कटे हुए वेफर्स के रूप में फोटोइलेक्ट्रिक कन्वर्टर्स।

सबसे अच्छे मोनोक्रिस्टलाइन हैं, उनकी दक्षता लगभग 18% है, अर्थात, यदि सूर्य से फोटॉन प्रवाह का ऊर्जा घनत्व 900 W/sq.m है, तो आप प्रति वर्ग मीटर 160 W बिजली प्राप्त करने पर भरोसा कर सकते हैं। ऐसी कोशिकाओं से इकट्ठी की गई बैटरी।

"फोटो प्रभाव" नामक एक घटना यहां काम कर रही है। फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव या फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव- यह प्रकाश या किसी अन्य विद्युत चुम्बकीय विकिरण के प्रभाव में किसी पदार्थ द्वारा इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन की घटना (किसी पदार्थ के परमाणुओं से इलेक्ट्रॉनों के निकलने की घटना) है।

1900 में, क्वांटम भौतिकी के जनक, मैक्स प्लैंक ने प्रस्तावित किया कि प्रकाश अलग-अलग हिस्सों या क्वांटा में उत्सर्जित और अवशोषित होता है, जिसे बाद में, अर्थात् 1926 में, रसायनज्ञ गिल्बर्ट लुईस ने "फोटॉन" कहा।

प्रत्येक फोटॉन में ऊर्जा होती है, जिसे सूत्र E = hv - प्लैंक स्थिरांक को विकिरण की आवृत्ति से गुणा करके निर्धारित किया जा सकता है।

मैक्स प्लैंक के विचार के अनुसार, 1887 में हर्ट्ज़ द्वारा खोजी गई घटना, और फिर 1888 से 1890 तक स्टोलेटोव द्वारा गहन अध्ययन किया गया, व्याख्या योग्य हो गई। अलेक्जेंडर स्टोलेटोव ने प्रयोगात्मक रूप से फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव का अध्ययन किया और फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के तीन नियम स्थापित किए (स्टोलेटोव के नियम):

फोटोकैथोड पर आपतित विद्युत चुम्बकीय विकिरण की एक निरंतर वर्णक्रमीय संरचना के साथ, संतृप्ति फोटोवर्तमान कैथोड की ऊर्जा रोशनी के लिए आनुपातिक है (दूसरे शब्दों में: 1 एस में कैथोड से बाहर निकलने वाले फोटोइलेक्ट्रॉनों की संख्या विकिरण की तीव्रता के सीधे आनुपातिक है) .

फोटोइलेक्ट्रॉनों की अधिकतम प्रारंभिक गति आपतित प्रकाश की तीव्रता पर निर्भर नहीं करती है, बल्कि केवल उसकी आवृत्ति से निर्धारित होती है।

प्रत्येक पदार्थ के लिए फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की एक लाल सीमा होती है, यानी प्रकाश की न्यूनतम आवृत्ति (पदार्थ की रासायनिक प्रकृति और सतह की स्थिति के आधार पर), जिसके नीचे फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव असंभव है।

बाद में, 1905 में, आइंस्टीन ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के सिद्धांत को स्पष्ट किया। वह दिखाएंगे कि कैसे प्रकाश का क्वांटम सिद्धांत और ऊर्जा के संरक्षण और परिवर्तन का नियम पूरी तरह से समझाता है कि क्या होता है और क्या देखा जाता है। आइंस्टीन ने फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव समीकरण लिखा, जिसके लिए उन्हें 1921 में नोबेल पुरस्कार मिला:

कार्य फलन A यहां वह न्यूनतम कार्य है जो एक इलेक्ट्रॉन को किसी पदार्थ के परमाणु को छोड़ने के लिए करना पड़ता है। दूसरा पद बाहर निकलने के बाद इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा है।

अर्थात् एक फोटॉन को परमाणु के एक इलेक्ट्रॉन द्वारा अवशोषित किया जाता है, जिसके कारण परमाणु में इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा अवशोषित फोटॉन की ऊर्जा की मात्रा से बढ़ जाती है।

इस ऊर्जा का एक भाग परमाणु को छोड़ने वाले इलेक्ट्रॉन पर खर्च होता है, इलेक्ट्रॉन परमाणु को छोड़ देता है और स्वतंत्र रूप से घूमने में सक्षम होता है। और दिशात्मक रूप से गतिमान इलेक्ट्रॉन विद्युत धारा या प्रकाश धारा से अधिक कुछ नहीं हैं। परिणामस्वरूप, हम फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के परिणामस्वरूप किसी पदार्थ में ईएमएफ की घटना के बारे में बात कर सकते हैं।

वह है, सौर बैटरी इसमें काम करने वाले फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव के कारण काम करती है।लेकिन फोटोवोल्टिक कनवर्टर में "नॉक आउट" इलेक्ट्रॉन कहाँ जाते हैं? एक फोटोइलेक्ट्रिक कनवर्टर या एक सौर सेल या एक फोटोकेल, इसलिए, इसमें फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव असामान्य तरीके से होता है, यह एक आंतरिक फोटोइफेक्ट है, और इसका एक विशेष नाम "वाल्व फोटोइफेक्ट" भी है।

सूर्य के प्रकाश के प्रभाव में, अर्धचालक के पी-एन जंक्शन में एक फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव होता है और एक ईएमएफ दिखाई देता है, लेकिन इलेक्ट्रॉन फोटोकेल को नहीं छोड़ते हैं, सब कुछ अवरुद्ध परत में होता है, जब इलेक्ट्रॉन शरीर के एक हिस्से को छोड़कर दूसरे हिस्से में चले जाते हैं इसका.

पृथ्वी की पपड़ी में मौजूद सिलिकॉन इसके द्रव्यमान का 30% बनाता है, यही कारण है कि इसका उपयोग हर जगह किया जाता है। आम तौर पर अर्धचालकों की ख़ासियत यह है कि वे न तो कंडक्टर हैं और न ही ढांकता हुआ; उनकी चालकता अशुद्धियों की सांद्रता, तापमान और विकिरण के संपर्क पर निर्भर करती है।

अर्धचालक में बैंड गैप कई इलेक्ट्रॉन वोल्ट का होता है, और यह परमाणुओं के वैलेंस बैंड के ऊपरी स्तर, जिससे इलेक्ट्रॉन निकलते हैं, और चालन बैंड के निचले स्तर के बीच ऊर्जा का अंतर होता है। सिलिकॉन में, बैंडगैप की चौड़ाई 1.12 eV है - जो सौर विकिरण को अवशोषित करने के लिए आवश्यक है।

तो, पी-एन जंक्शन। फोटोसेल में सिलिकॉन की डोप की गई परतें एक पी-एन जंक्शन बनाती हैं। यहां इलेक्ट्रॉनों के लिए एक ऊर्जा अवरोध बनाया जाता है; वे वैलेंस बैंड को छोड़ते हैं और केवल एक दिशा में चलते हैं; छेद विपरीत दिशा में चलते हैं। इस प्रकार सौर सेल में करंट उत्पन्न होता है अर्थात सूर्य की रोशनी से बिजली उत्पन्न की जाती है।

फोटॉन के संपर्क में आने वाला पीएन जंक्शन चार्ज वाहक - इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों को एक दिशा के अलावा अन्य दिशा में जाने की अनुमति नहीं देता है; वे अलग हो जाते हैं और बाधा के विपरीत किनारों पर समाप्त हो जाते हैं। और ऊपरी और निचले इलेक्ट्रोड के माध्यम से लोड सर्किट से जुड़ा होने के कारण, फोटोइलेक्ट्रिक कनवर्टर, सूर्य के प्रकाश के संपर्क में आने पर, बाहरी सर्किट में निर्माण करेगा।

यह एक व्यापक रूप से ज्ञात तथ्य है कि सूर्य एक खगोलीय पिंड (तारा) है, और सौर ऊर्जा मूलतः इसकी महत्वपूर्ण गतिविधि का परिणाम है। इस पर होने वाली प्रक्रियाओं से भारी मात्रा में ऊर्जा निकलती है, जो इसे अविश्वसनीय गति से हमारे ग्रह की ओर फेंकती है। सौर ऊर्जा का दोहनलोगों के साथ जानबूझकर और अनजाने दोनों तरह से होता है। सूर्य की किरणों में स्नान करते हुए, हम इस तथ्य के बारे में नहीं सोचते हैं कि इस तारे की ऊर्जा हमारे शरीर में कई महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं को ट्रिगर करती है (उदाहरण के लिए, हमारी त्वचा में विटामिन डी का उत्पादन होता है); इसके लिए धन्यवाद, पौधों में प्रकाश संश्लेषण होता है; प्रकृति में जल चक्र भी "उसका काम" है। हम इसे मान लेते हैं। लेकिन यह हमारे जीवन में सौर ऊर्जा की भूमिका का केवल एक हिस्सा है।

सौर ऊर्जा का व्यावहारिक उपयोग

सभी के लिए सबसे सरल और सबसे परिचित सौर ऊर्जा के उपयोग के प्रकार- आधुनिक कैलकुलेटर (बहुत कॉम्पैक्ट सौर पैनलों पर) और घरेलू जरूरतों के लिए (सूखे फल, देश में एक आउटडोर शॉवर के टैंक में पानी गर्म करना) में इसका उपयोग। सूरज की गर्मी से गर्म हवा की गति वेंटिलेशन सिस्टम और चिमनी के संचालन को सुनिश्चित करती है। समुद्री जल को अलवणीकृत करने के लिए सूर्य की किरणों का उपयोग बाष्पीकरणकर्ता के रूप में किया जाता है। उपग्रहों के दीर्घकालिक संचालन के साथ-साथ बाहरी अंतरिक्ष का अध्ययन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले उपकरणों के लिए सूर्य ऊर्जा के मुख्य स्रोतों में से एक है। विद्युत ऊर्जा से चलने वाली कारें तेजी से हमारे जीवन में शामिल हो रही हैं।

सौर ऊर्जा प्राप्त करना और परिवर्तित करना

सौर ऊर्जा हमारे ग्रह पर तीन प्रकार की विकिरण तरंगों के रूप में आती है: पराबैंगनी, प्रकाश और अवरक्त।

सौर ऊर्जा का उपयोगमुख्य रूप से गर्मी या बिजली पैदा करने के उद्देश्य से। यह अवरक्त तरंगें हैं जो वैज्ञानिकों द्वारा विकसित एक विशेष सतह पर गिरती हैं जो हमारी आवश्यकता के अनुसार बदल जाती हैं।

इस प्रकार, गर्मी निकालने के लिए, एक कलेक्टर का उपयोग किया जाता है जो अवरक्त तरंगों को अवशोषित करता है, एक भंडारण उपकरण जो इसे जमा करता है, और एक हीट एक्सचेंजर जिसमें हीटिंग होता है।

विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते समय विशेष फोटोकल्स का उपयोग किया जाता है। वे प्रकाश किरणों को अवशोषित करते हैं, और संबंधित प्रतिष्ठान इन किरणों को बिजली में परिवर्तित करते हैं।

सौर ऊर्जा का उपयोग करने के तरीकेइसके प्रसंस्करण के लिए बिजली संयंत्र के प्रकार के आधार पर विभाजित किया जा सकता है। उनमें से कुल छह हैं।

पहले तीन:टॉवर (अंदर पानी और चारों ओर दर्पण के साथ एक काले टॉवर के रूप में डिजाइन), परवलयिक (अंदर दर्पण के साथ सैटेलाइट डिश जैसा दिखता है), डिश के आकार का (दर्पण से बने पत्तों के साथ धातु के पेड़ जैसा दिखता है)। उन्हें जोड़ा जा सकता है, क्योंकि उनके संचालन का सिद्धांत समान है: वे एक निश्चित मात्रा में प्रकाश पकड़ते हैं, इसे तरल के भंडार में निर्देशित करते हैं, जो गर्म होता है और भाप छोड़ता है, जिसका उपयोग बिजली उत्पादन के लिए किया जाता है।

चौथी- फोटोकल्स वाले उपकरण। सबसे प्रसिद्ध प्रकार, क्योंकि इसके आयाम आवश्यकता के आधार पर भिन्न हो सकते हैं। छोटे सौर पैनलों का उपयोग निजी घरों की जरूरतों के लिए किया जाता है, बड़े सौर पैनलों का उपयोग औद्योगिक जरूरतों के लिए किया जाता है। ऑपरेशन का सिद्धांत एक फोटोकेल द्वारा उसके अंदर संभावित अंतर के कारण अवशोषित सूर्य की किरणों से बिजली उत्पन्न करना है।

पांचवां- वैक्यूम। संरचनात्मक रूप से, यह एक गोल कांच की छत से ढका हुआ भूमि का एक टुकड़ा है, जिसके अंदर आधार पर टरबाइन वाला एक टावर है। संचालन का सिद्धांत इस छत के नीचे की जमीन को गर्म करना और तापमान के अंतर के कारण वायु प्रवाह बनाना है। टरबाइन ब्लेड घूमते हैं और ऊर्जा उत्पन्न करते हैं।

प्रकाश संश्लेषण के अध्ययन का इतिहास अगस्त 1771 से मिलता है, जब अंग्रेजी धर्मशास्त्री, दार्शनिक और शौकिया प्रकृतिवादी जोसेफ प्रीस्टली (1733-1804) ने पाया कि पौधे हवा के गुणों को "सही" कर सकते हैं जो दहन के परिणामस्वरूप इसकी संरचना को बदल देते हैं या पशु गतिविधि. प्रीस्टली ने दिखाया कि पौधों की उपस्थिति में, "खराब" हवा फिर से दहन और जानवरों के जीवन का समर्थन करने के लिए उपयुक्त हो जाती है।

इंगेनहॉस, सेनेबियर, सॉसर, बाउसिंगॉल्ट और अन्य वैज्ञानिकों द्वारा आगे के शोध के दौरान, यह पाया गया कि पौधे, जब रोशन होते हैं, तो ऑक्सीजन छोड़ते हैं और हवा से कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करते हैं। पौधे कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से कार्बनिक पदार्थों का संश्लेषण करते हैं। इस प्रक्रिया को प्रकाश संश्लेषण कहा गया।

ऊर्जा संरक्षण के नियम की खोज करने वाले रॉबर्ट मेयर ने 1845 में सुझाव दिया था कि पौधे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा को प्रकाश संश्लेषण के दौरान बनने वाले रासायनिक यौगिकों की ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं। उनके अनुसार, "अंतरिक्ष में फैलने वाली सूर्य की किरणों को "कब्जा" कर लिया जाता है और आवश्यकतानुसार बाद में उपयोग के लिए संग्रहीत किया जाता है।" इसके बाद, रूसी वैज्ञानिक के.ए. तिमिरयाज़ेव ने दृढ़तापूर्वक सिद्ध किया कि पौधों द्वारा सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा के उपयोग में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका हरी पत्तियों में मौजूद क्लोरोफिल अणुओं द्वारा निभाई जाती है।

प्रकाश संश्लेषण के दौरान बनने वाले कार्बोहाइड्रेट (शर्करा) का उपयोग पौधों और जानवरों में विभिन्न कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के लिए ऊर्जा और निर्माण सामग्री के स्रोत के रूप में किया जाता है। उच्च पौधों में, प्रकाश संश्लेषण प्रक्रियाएं क्लोरोप्लास्ट में होती हैं, जो पौधे कोशिका के विशेष ऊर्जा-परिवर्तित अंग हैं।

क्लोरोप्लास्ट का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्र में दिखाया गया है। 1.

क्लोरोप्लास्ट के दोहरे आवरण के नीचे, बाहरी और भीतरी झिल्लियों से युक्त, विस्तारित झिल्ली संरचनाएँ होती हैं जो बंद पुटिकाओं का निर्माण करती हैं जिन्हें थायलाकोइड्स कहा जाता है। थायलाकोइड झिल्ली में लिपिड अणुओं की दो परतें होती हैं, जिसमें मैक्रोमोलेक्युलर प्रकाश संश्लेषक प्रोटीन कॉम्प्लेक्स शामिल होते हैं। उच्च पौधों के क्लोरोप्लास्ट में, थायलाकोइड्स को ग्रैना में समूहीकृत किया जाता है, जो डिस्क के आकार के थायलाकोइड्स के ढेर होते हैं जो चपटे होते हैं और एक साथ कसकर दबाए जाते हैं। ग्रैना के अलग-अलग थायलाकोइड्स की एक निरंतरता उनसे निकलने वाले इंटरग्रेन्युलर थायलाकोइड्स हैं। क्लोरोप्लास्ट झिल्ली और थायलाकोइड्स के बीच के स्थान को स्ट्रोमा कहा जाता है। स्ट्रोमा में क्लोरोप्लास्ट अणु आरएनए, डीएनए, राइबोसोम, स्टार्च अनाज, साथ ही कई एंजाइम होते हैं, जिनमें वे भी शामिल हैं जो पौधों द्वारा CO2 के अवशोषण को सुनिश्चित करते हैं।

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प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश और अँधेरी अवस्थाएँ

आधुनिक अवधारणाओं के अनुसार, प्रकाश संश्लेषण फोटोफिजिकल और जैव रासायनिक प्रक्रियाओं की एक श्रृंखला है, जिसके परिणामस्वरूप पौधे सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करके कार्बोहाइड्रेट (शर्करा) का संश्लेषण करते हैं। प्रकाश संश्लेषण के कई चरणों को आमतौर पर प्रक्रियाओं के दो बड़े समूहों में विभाजित किया जाता है - प्रकाश और अंधेरे चरण।

प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरणों को आमतौर पर प्रक्रियाओं का एक सेट कहा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप, प्रकाश ऊर्जा के कारण, एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट (एटीपी) अणुओं का संश्लेषण होता है और कम निकोटिनमाइड एडेनिन डाइन्यूक्लियोटाइड फॉस्फेट (एनएडीपी एच) का निर्माण होता है, जो एक उच्च यौगिक है। क्षमता में कमी, घटित होती है। एटीपी अणु कोशिका में ऊर्जा के एक सार्वभौमिक स्रोत के रूप में कार्य करते हैं। एटीपी अणु के मैक्रोर्जिक (यानी, ऊर्जा-समृद्ध) फॉस्फेट बांड की ऊर्जा का उपयोग ऊर्जा की खपत करने वाली अधिकांश जैव रासायनिक प्रक्रियाओं में किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषण की प्रकाश प्रक्रियाएँ थायलाकोइड्स में होती हैं, जिनकी झिल्लियों में पौधों के प्रकाश संश्लेषक तंत्र के मुख्य घटक होते हैं - प्रकाश संचयन वर्णक-प्रोटीन और इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसर, साथ ही एटीपी सिंथेज़ कॉम्प्लेक्स, जो एडेनोसिन से एटीपी के गठन को उत्प्रेरित करता है। डिफॉस्फेट (एडीपी) और अकार्बनिक फॉस्फेट (पी आई) (एडीपी + एफ आई → एटीपी + एच 2 ओ)। इस प्रकार, प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरणों के परिणामस्वरूप, पौधों द्वारा अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा एटीपी अणुओं के उच्च-ऊर्जा रासायनिक बंधन और मजबूत कम करने वाले एजेंट एनएडीपी एच के रूप में संग्रहीत होती है, जिसका उपयोग कार्बोहाइड्रेट के संश्लेषण के लिए किया जाता है। प्रकाश संश्लेषण के तथाकथित अंधेरे चरण।

प्रकाश संश्लेषण के अंधेरे चरणों को आमतौर पर जैव रासायनिक प्रतिक्रियाओं का एक सेट कहा जाता है, जिसके परिणामस्वरूप वायुमंडलीय कार्बन डाइऑक्साइड (सीओ 2) पौधों द्वारा अवशोषित होता है और कार्बोहाइड्रेट बनते हैं। सीओ 2 और पानी से कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण की ओर ले जाने वाले गहरे जैव रासायनिक परिवर्तनों के चक्र को केल्विन-बेन्सन चक्र कहा जाता है, जिसका नाम उन लेखकों के नाम पर रखा गया है जिन्होंने इन प्रक्रियाओं के अध्ययन में निर्णायक योगदान दिया। इलेक्ट्रॉन परिवहन और एटीपी सिंथेज़ कॉम्प्लेक्स के विपरीत, जो थायलाकोइड झिल्ली में स्थित होते हैं, प्रकाश संश्लेषण की "अंधेरे" प्रतिक्रियाओं को उत्प्रेरित करने वाले एंजाइम स्ट्रोमा में घुल जाते हैं। जब क्लोरोप्लास्ट झिल्ली नष्ट हो जाती है, तो ये एंजाइम स्ट्रोमा से बाहर निकल जाते हैं, जिसके परिणामस्वरूप क्लोरोप्लास्ट कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित करने की क्षमता खो देते हैं।

केल्विन-बेन्सन चक्र में कई कार्बनिक यौगिकों के परिवर्तनों के परिणामस्वरूप, क्लोरोप्लास्ट में सीओ 2 और पानी के तीन अणुओं से ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट का एक अणु बनता है, जिसका रासायनिक सूत्र CHO-CHOH-CH 2 होता है। ओ–पीओ 3 2-. इस मामले में, ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट में शामिल सीओ 2 के प्रति एक अणु, एटीपी के तीन अणु और एनएडीपी एच के दो अणुओं की खपत होती है।

केल्विन-बेन्सन चक्र में कार्बनिक यौगिकों के संश्लेषण के लिए, एटीपी अणुओं के उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बांड (प्रतिक्रिया एटीपी + एच 2 ओ → एडीपी + पीएच आई) की हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया के दौरान जारी ऊर्जा और एनएडीपी एच की मजबूत कमी क्षमता अणुओं का उपयोग किया जाता है। क्लोरोप्लास्ट ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट में बनने वाले अणुओं का मुख्य भाग पादप कोशिका के साइटोसोल में प्रवेश करता है, जहां यह फ्रुक्टोज-6-फॉस्फेट और ग्लूकोज-6-फॉस्फेट में परिवर्तित हो जाता है, जो आगे के परिवर्तनों के दौरान चीनी बनाता है। फॉस्फेट, सुक्रोज का अग्रदूत। स्टार्च को क्लोरोप्लास्ट में बचे ग्लिसराल्डिहाइड-3-फॉस्फेट अणुओं से संश्लेषित किया जाता है।

प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण

पौधों, शैवाल और प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया के प्रकाश संश्लेषक ऊर्जा-परिवर्तित परिसरों का अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है। ऊर्जा-रूपांतरित प्रोटीन परिसरों की रासायनिक संरचना और स्थानिक संरचना स्थापित की गई है, और ऊर्जा परिवर्तन प्रक्रियाओं के अनुक्रम को स्पष्ट किया गया है। प्रकाश संश्लेषक तंत्र की संरचना और आणविक संरचना में अंतर के बावजूद, सभी प्रकाश संश्लेषक जीवों के फोटोरिएक्शन केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण प्रक्रियाओं के सामान्य पैटर्न होते हैं। पौधे और जीवाणु दोनों मूल की प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों में, प्रकाश संश्लेषक उपकरण की एकल संरचनात्मक और कार्यात्मक इकाई होती है फोटोसिस्टम, जिसमें एक प्रकाश-संचयन एंटीना, एक फोटोकैमिकल प्रतिक्रिया केंद्र और संबंधित अणु - इलेक्ट्रॉन वाहक शामिल हैं।

आइए पहले हम सभी प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों की विशेषता, सूर्य के प्रकाश ऊर्जा के परिवर्तन के सामान्य सिद्धांतों पर विचार करें, और फिर हम उच्च पौधों में फोटोरिएक्शन केंद्रों और क्लोरोप्लास्ट की इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के कामकाज के उदाहरण पर अधिक विस्तार से ध्यान देंगे।

प्रकाश-संचयन एंटीना (प्रकाश अवशोषण, प्रतिक्रिया केंद्र में ऊर्जा प्रवास)

प्रकाश संश्लेषण का सबसे पहला प्रारंभिक कार्य क्लोरोफिल अणुओं या सहायक वर्णकों द्वारा प्रकाश का अवशोषण है जो प्रकाश-संचयन एंटीना नामक एक विशेष वर्णक-प्रोटीन परिसर का हिस्सा होते हैं। प्रकाश-संचयन ऐन्टेना एक मैक्रोमोलेक्यूलर कॉम्प्लेक्स है जिसे प्रकाश को कुशलतापूर्वक पकड़ने के लिए डिज़ाइन किया गया है। क्लोरोप्लास्ट में, एंटीना कॉम्प्लेक्स में बड़ी संख्या में (कई सौ तक) क्लोरोफिल अणु और एक निश्चित मात्रा में सहायक रंगद्रव्य (कैरोटीनॉयड) होते हैं जो प्रोटीन से कसकर बंधे होते हैं।

तेज धूप में, एक व्यक्तिगत क्लोरोफिल अणु प्रकाश क्वांटा को अपेक्षाकृत कम ही अवशोषित करता है, औसतन प्रति सेकंड 10 बार से अधिक नहीं। हालाँकि, चूंकि प्रति फोटोरिएक्शन केंद्र (200-400) में बड़ी संख्या में क्लोरोफिल अणु होते हैं, यहां तक ​​कि पौधे की छायांकन स्थितियों के तहत पत्ती पर प्रकाश की अपेक्षाकृत कमजोर तीव्रता के साथ भी, प्रतिक्रिया केंद्र काफी बार सक्रिय होता है। प्रकाश को अवशोषित करने वाले पिगमेंट का समूह अनिवार्य रूप से एक एंटीना के रूप में कार्य करता है, जो अपने काफी बड़े आकार के कारण, सूर्य के प्रकाश को प्रभावी ढंग से पकड़ता है और अपनी ऊर्जा को प्रतिक्रिया केंद्र तक निर्देशित करता है। छाया-प्रेमी पौधों में, एक नियम के रूप में, उच्च प्रकाश स्थितियों में उगने वाले पौधों की तुलना में बड़ा प्रकाश-संचयन एंटीना होता है।

पौधों में, मुख्य प्रकाश संचयन वर्णक क्लोरोफिल अणु होते हैं। एऔर क्लोरोफिल बी, तरंग दैर्ध्य λ ≤ 700-730 एनएम के साथ दृश्य प्रकाश को अवशोषित करना। पृथक क्लोरोफिल अणु सौर स्पेक्ट्रम के केवल दो अपेक्षाकृत संकीर्ण बैंडों में प्रकाश को अवशोषित करते हैं: 660-680 एनएम (लाल प्रकाश) और 430-450 एनएम (नीली-बैंगनी प्रकाश) की तरंग दैर्ध्य पर, जो, निश्चित रूप से, उपयोग करने की दक्षता को सीमित करता है। एक हरे पत्ते पर आपतित सूर्य के प्रकाश का संपूर्ण स्पेक्ट्रम।

हालाँकि, प्रकाश-संचयन एंटीना द्वारा अवशोषित प्रकाश की वर्णक्रमीय संरचना वास्तव में बहुत व्यापक है। यह इस तथ्य से समझाया गया है कि क्लोरोफिल के एकत्रित रूपों का अवशोषण स्पेक्ट्रम जो प्रकाश-संचयन एंटीना का हिस्सा है, लंबी तरंग दैर्ध्य की ओर स्थानांतरित हो जाता है। क्लोरोफिल के साथ, प्रकाश-संचयन ऐन्टेना में सहायक रंगद्रव्य शामिल होते हैं, जो इस तथ्य के कारण इसके संचालन की दक्षता को बढ़ाते हैं कि वे स्पेक्ट्रम के उन क्षेत्रों में प्रकाश को अवशोषित करते हैं जिनमें क्लोरोफिल अणु, प्रकाश-संचयन ऐन्टेना का मुख्य वर्णक, अवशोषित करते हैं प्रकाश अपेक्षाकृत कमजोर है।

पौधों में, सहायक वर्णक कैरोटीनॉयड होते हैं जो तरंग दैर्ध्य क्षेत्र λ ≈ 450-480 एनएम में प्रकाश को अवशोषित करते हैं; प्रकाश संश्लेषक शैवाल की कोशिकाओं में ये लाल और नीले रंगद्रव्य होते हैं: लाल शैवाल में फ़ाइकोएरिथ्रिन (λ ≈ 495-565 एनएम) और नीले-हरे शैवाल में फ़ाइकोसायनिन (λ ≈ 550-615 एनएम)।

क्लोरोफिल (सीएचएल) अणु या एक सहायक वर्णक द्वारा प्रकाश की मात्रा का अवशोषण इसकी उत्तेजना की ओर जाता है (इलेक्ट्रॉन उच्च ऊर्जा स्तर पर चला जाता है):

Chl + hν → Chl*।

उत्तेजित क्लोरोफिल अणु Chl* की ऊर्जा पड़ोसी पिगमेंट के अणुओं में स्थानांतरित हो जाती है, जो बदले में, इसे प्रकाश-संचयन एंटीना के अन्य अणुओं में स्थानांतरित कर सकती है:

सीएचएल* + सीएचएल → सीएचएल + सीएचएल*।

उत्तेजना ऊर्जा इस प्रकार वर्णक मैट्रिक्स के माध्यम से तब तक स्थानांतरित हो सकती है जब तक कि उत्तेजना अंततः फोटोरिएक्शन केंद्र पी तक नहीं पहुंच जाती (इस प्रक्रिया का एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व चित्र 2 में दिखाया गया है):

सीएचएल* + पी → सीएचएल + पी*।

ध्यान दें कि उत्तेजित अवस्था में क्लोरोफिल अणुओं और अन्य पिगमेंट के अस्तित्व की अवधि बहुत कम होती है, τ ≈ 10 –10 –10 –9 सेकंड। इसलिए, एक निश्चित संभावना है कि प्रतिक्रिया केंद्र पी के रास्ते पर, वर्णक की ऐसी अल्पकालिक उत्तेजित अवस्थाओं की ऊर्जा बेकार में खो सकती है - गर्मी में नष्ट हो जाती है या प्रकाश क्वांटम (प्रतिदीप्ति घटना) के रूप में जारी होती है। हालाँकि, वास्तव में, प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्र में ऊर्जा प्रवास की दक्षता बहुत अधिक है। ऐसे मामले में जब प्रतिक्रिया केंद्र सक्रिय अवस्था में होता है, ऊर्जा हानि की संभावना, एक नियम के रूप में, 10-15% से अधिक नहीं होती है। सौर ऊर्जा का उपयोग करने की यह उच्च दक्षता इस तथ्य के कारण है कि प्रकाश-संचयन एंटीना एक उच्च क्रम वाली संरचना है जो एक दूसरे के साथ वर्णक की बहुत अच्छी बातचीत सुनिश्चित करती है। इसके लिए धन्यवाद, प्रकाश को अवशोषित करने वाले अणुओं से फोटोरिएक्शन केंद्र तक उत्तेजना ऊर्जा के हस्तांतरण की एक उच्च दर प्राप्त की जाती है। एक नियम के रूप में, एक वर्णक से दूसरे वर्णक में उत्तेजना ऊर्जा की "छलांग" का औसत समय τ ≈ 10 –12 –10 –11 सेकेंड है। प्रतिक्रिया केंद्र में उत्तेजना का कुल प्रवास समय आमतौर पर 10 -10 -10 -9 सेकंड से अधिक नहीं होता है।

फोटोकैमिकल प्रतिक्रिया केंद्र (इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, पृथक आवेशों का स्थिरीकरण)

प्रतिक्रिया केंद्र की संरचना और प्रकाश संश्लेषण के प्राथमिक चरणों के तंत्र के बारे में आधुनिक विचार ए.ए. के कार्यों से पहले थे। क्रास्नोव्स्की, जिन्होंने पता लगाया कि इलेक्ट्रॉन दाताओं और स्वीकर्ताओं की उपस्थिति में, प्रकाश से उत्तेजित क्लोरोफिल अणु विपरीत रूप से कम होने (एक इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने) और ऑक्सीकरण (एक इलेक्ट्रॉन दान करने) में सक्षम होते हैं। इसके बाद, कॉक, विट और ड्यूजेन्स ने पौधों, शैवाल और प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया में क्लोरोफिल प्रकृति के विशेष वर्णक की खोज की, जिन्हें प्रतिक्रिया केंद्र कहा जाता है, जो प्रकाश की क्रिया के तहत ऑक्सीकरण होते हैं और वास्तव में, प्रकाश संश्लेषण के दौरान प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता होते हैं।

फोटोकैमिकल प्रतिक्रिया केंद्र पी क्लोरोफिल अणुओं की एक विशेष जोड़ी (डिमर) है जो प्रकाश-संचयन एंटीना के वर्णक मैट्रिक्स के माध्यम से घूमने वाली उत्तेजना ऊर्जा के लिए एक जाल के रूप में कार्य करता है (चित्र 2)। जिस प्रकार एक चौड़ी फ़नल की दीवारों से उसकी संकीर्ण गर्दन तक तरल प्रवाहित होता है, उसी प्रकार प्रकाश एकत्रित करने वाले एंटीना के सभी वर्णकों द्वारा अवशोषित प्रकाश की ऊर्जा प्रतिक्रिया केंद्र की ओर निर्देशित होती है। प्रतिक्रिया केंद्र की उत्तेजना प्रकाश संश्लेषण के दौरान प्रकाश ऊर्जा के आगे के परिवर्तनों की एक श्रृंखला शुरू करती है।

प्रतिक्रिया केंद्र पी के उत्तेजना के बाद होने वाली प्रक्रियाओं का क्रम और फोटोसिस्टम की ऊर्जा में संबंधित परिवर्तनों का आरेख योजनाबद्ध रूप से चित्र में दर्शाया गया है। 3.

क्लोरोफिल पी डिमर के साथ, प्रकाश संश्लेषक परिसर में प्राथमिक और माध्यमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता के अणु शामिल होते हैं, जिन्हें हम पारंपरिक रूप से ए और बी के साथ-साथ प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता, अणु डी के रूप में नामित करेंगे। उत्तेजित प्रतिक्रिया केंद्र पी * में कम है इलेक्ट्रॉनों के लिए आत्मीयता और इसलिए यह आसानी से अपने नजदीकी प्राथमिक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता ए को दान कर देता है:

डी(पी*ए)बी → डी(पी + ए-)बी।

इस प्रकार, P* से A तक बहुत तेज़ (t ≈10–12 s) इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के परिणामस्वरूप, प्रकाश संश्लेषण के दौरान सौर ऊर्जा रूपांतरण का दूसरा मौलिक महत्वपूर्ण चरण साकार होता है - प्रतिक्रिया केंद्र में चार्ज पृथक्करण। इस मामले में, एक मजबूत कम करने वाला एजेंट ए - (इलेक्ट्रॉन दाता) और एक मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट पी + (इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता) बनता है।

अणु पी + और ए - झिल्ली में असममित रूप से स्थित होते हैं: क्लोरोप्लास्ट में, प्रतिक्रिया केंद्र पी + थायलाकोइड के अंदर की ओर स्थित झिल्ली की सतह के करीब स्थित होता है, और स्वीकर्ता ए - बाहर के करीब स्थित होता है। इसलिए, फोटोप्रेरित चार्ज पृथक्करण के परिणामस्वरूप, झिल्ली पर एक विद्युत संभावित अंतर उत्पन्न होता है। प्रतिक्रिया केंद्र में प्रकाश-प्रेरित चार्ज पृथक्करण एक पारंपरिक फोटोकेल में विद्युत संभावित अंतर उत्पन्न करने के समान है। हालाँकि, इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि, प्रौद्योगिकी में सभी ज्ञात और व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले ऊर्जा फोटोकन्वर्टर्स के विपरीत, प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों की परिचालन दक्षता बहुत अधिक है। सक्रिय प्रकाश संश्लेषक प्रतिक्रिया केंद्रों में चार्ज पृथक्करण की दक्षता, एक नियम के रूप में, 90-95% से अधिक है (सौर कोशिकाओं के सर्वोत्तम उदाहरणों में 30% से अधिक की दक्षता नहीं है)।

कौन से तंत्र प्रतिक्रिया केंद्रों में ऊर्जा रूपांतरण की इतनी उच्च दक्षता प्रदान करते हैं? स्वीकर्ता A को स्थानांतरित किया गया इलेक्ट्रॉन धनावेशित ऑक्सीकृत केंद्र P+ पर वापस क्यों नहीं लौटता? पृथक आवेशों का स्थिरीकरण मुख्य रूप से P* से A में एक इलेक्ट्रॉन के स्थानांतरण के बाद द्वितीयक इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रक्रियाओं के कारण सुनिश्चित होता है। पुनर्स्थापित प्राथमिक स्वीकर्ता A से, एक इलेक्ट्रॉन बहुत तेज़ी से (10-10-10-9 सेकंड में) जाता है द्वितीयक इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता बी:

डी(पी + ए -)बी → डी(पी + ए)बी -।

इस स्थिति में, न केवल इलेक्ट्रॉन धनावेशित प्रतिक्रिया केंद्र P+ से दूर चला जाता है, बल्कि पूरे सिस्टम की ऊर्जा भी काफ़ी कम हो जाती है (चित्र 3)। इसका मतलब यह है कि एक इलेक्ट्रॉन को विपरीत दिशा (संक्रमण बी - → ए) में स्थानांतरित करने के लिए, इसे काफी उच्च ऊर्जा बाधा ΔE ≈ 0.3–0.4 eV को पार करने की आवश्यकता होगी, जहां ΔE दो राज्यों के लिए ऊर्जा स्तर में अंतर है वह प्रणाली जिसमें इलेक्ट्रॉन क्रमशः वाहक ए या बी पर होता है। इस कारण से, इलेक्ट्रॉन को वापस लौटने के लिए, कम अणु बी से - ऑक्सीकृत अणु ए में, प्रत्यक्ष संक्रमण ए की तुलना में बहुत अधिक समय लगेगा - → बी. दूसरे शब्दों में, आगे की दिशा में इलेक्ट्रॉन विपरीत दिशा की तुलना में अधिक तेजी से स्थानांतरित होता है। इसलिए, इलेक्ट्रॉन को द्वितीयक स्वीकर्ता बी में स्थानांतरित करने के बाद, इसके वापस लौटने और सकारात्मक रूप से चार्ज किए गए "छेद" पी + के साथ पुनर्संयोजन की संभावना काफी कम हो जाती है।

अलग-अलग आवेशों के स्थिरीकरण में योगदान देने वाला दूसरा कारक इलेक्ट्रॉन दाता डी से पी + को आपूर्ति किए गए इलेक्ट्रॉन के कारण ऑक्सीकृत फोटोरिएक्शन केंद्र पी + का तेजी से बेअसर होना है:

डी(पी + ए)बी - → डी + (पीए)बी -।

दाता अणु डी से एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त करने और अपनी मूल कम अवस्था पी में लौटने के बाद, प्रतिक्रिया केंद्र अब कम स्वीकर्ता से एक इलेक्ट्रॉन स्वीकार करने में सक्षम नहीं होगा, लेकिन अब यह फिर से आग लगाने के लिए तैयार है - एक इलेक्ट्रॉन देने के लिए ऑक्सीकृत प्राथमिक स्वीकर्ता ए इसके बगल में स्थित है। यह सभी प्रकाश संश्लेषक प्रणालियों के फोटोरिएक्शन केंद्रों में होने वाली घटनाओं का क्रम है।

क्लोरोप्लास्ट इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला

उच्च पौधों के क्लोरोप्लास्ट में दो फोटोसिस्टम होते हैं: फोटोसिस्टम 1 (पीएस1) और फोटोसिस्टम 2 (पीएस2), जो प्रोटीन, पिगमेंट और ऑप्टिकल गुणों की संरचना में भिन्न होते हैं। प्रकाश-संचयन एंटीना FS1 तरंग दैर्ध्य λ ≤ 700-730 एनएम के साथ प्रकाश को अवशोषित करता है, और FS2 तरंग दैर्ध्य λ ≤ 680-700 एनएम के साथ प्रकाश को अवशोषित करता है। PS1 और PS2 के प्रतिक्रिया केंद्रों का प्रकाश-प्रेरित ऑक्सीकरण उनके विरंजन के साथ होता है, जो λ ≈ 700 और 680 एनएम पर उनके अवशोषण स्पेक्ट्रा में परिवर्तन की विशेषता है। उनकी ऑप्टिकल विशेषताओं के अनुसार, PS1 और PS2 के प्रतिक्रिया केंद्रों को P 700 और P 680 नाम दिया गया था।

दोनों फोटो सिस्टम इलेक्ट्रॉन वाहकों की एक श्रृंखला के माध्यम से आपस में जुड़े हुए हैं (चित्र 4)। PS2, PS1 के लिए इलेक्ट्रॉनों का एक स्रोत है। फोटोरिएक्शन केंद्रों पी 700 और पी 680 में प्रकाश-आरंभित चार्ज पृथक्करण पीएस 2 में विघटित पानी से अंतिम इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता - एनएडीपी + अणु में एक इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण सुनिश्चित करता है। दो फोटोसिस्टमों को जोड़ने वाली इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला (ईटीसी) में प्लास्टोक्विनोन अणु, एक अलग इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रोटीन कॉम्प्लेक्स (तथाकथित बी/एफ कॉम्प्लेक्स) और पानी में घुलनशील प्रोटीन प्लास्टोसायनिन (पी सी) इलेक्ट्रॉन वाहक के रूप में शामिल हैं। थायलाकोइड झिल्ली में इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसरों की सापेक्ष व्यवस्था और पानी से एनएडीपी + में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण के मार्ग को दर्शाने वाला एक आरेख चित्र में दिखाया गया है। 4.

PS2 में, उत्तेजित केंद्र P* 680 से, एक इलेक्ट्रॉन को पहले प्राथमिक स्वीकर्ता फियोफेटिन (Phe) में स्थानांतरित किया जाता है, और फिर प्लास्टोक्विनोन अणु Q A में स्थानांतरित किया जाता है, जो कसकर PS2 प्रोटीन में से एक से बंधा होता है,

Y(P* 680 Phe)Q AQ B → Y(P + 680 Phe -)Q AQ B →Y(P + 680 Phe)Q A - Q B।

फिर इलेक्ट्रॉन को दूसरे प्लास्टोक्विनोन अणु QB में स्थानांतरित किया जाता है, और P 680 को प्राथमिक इलेक्ट्रॉन दाता Y से एक इलेक्ट्रॉन प्राप्त होता है:

वाई(पी + 680 पीएचई)क्यू ए - क्यू बी → वाई + (पी 680 पीएचई)क्यू एक्यू बी -।

प्लास्टोक्विनोन अणु, जिसका रासायनिक सूत्र और लिपिड बाईलेयर झिल्ली में इसका स्थान चित्र में दिखाया गया है। 5, दो इलेक्ट्रॉन ग्रहण करने में सक्षम है। PS2 प्रतिक्रिया केंद्र के दो बार सक्रिय होने के बाद, प्लास्टोक्विनोन QB अणु को दो इलेक्ट्रॉन प्राप्त होंगे:

क्यू बी + 2ई - → क्यू बी 2-।

नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए Q B 2- अणु में हाइड्रोजन आयनों के लिए उच्च आकर्षण होता है, जिसे वह स्ट्रोमल स्पेस से ग्रहण करता है। कम प्लास्टोक्विनोन Q B 2– (Q B 2– + 2H + → QH 2) के प्रोटोनेशन के बाद, इस अणु QH 2 का एक विद्युत रूप से तटस्थ रूप बनता है, जिसे प्लास्टोक्विनोल (चित्र 5) कहा जाता है। प्लास्टोक्विनोल दो इलेक्ट्रॉनों और दो प्रोटॉन के एक मोबाइल वाहक के रूप में कार्य करता है: PS2 छोड़ने के बाद, QH 2 अणु आसानी से थायलाकोइड झिल्ली के अंदर जा सकता है, जिससे अन्य इलेक्ट्रॉन परिवहन परिसरों के साथ PS2 का कनेक्शन सुनिश्चित होता है।

ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्र PS2 R 680 में असाधारण रूप से उच्च इलेक्ट्रॉन बंधुता है, अर्थात। एक बहुत मजबूत ऑक्सीकरण एजेंट है. इसके कारण, PS2 पानी को विघटित करता है, जो एक रासायनिक रूप से स्थिर यौगिक है। जल-विभाजन परिसर (WSC), जो PS2 का हिस्सा है, इसके सक्रिय केंद्र में मैंगनीज आयनों (Mn 2+) का एक समूह होता है, जो P680 के लिए इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में काम करता है। ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्र में इलेक्ट्रॉन दान करके, मैंगनीज आयन सकारात्मक आवेशों के "संचायक" बन जाते हैं, जो सीधे जल ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया में शामिल होते हैं। पी 680 प्रतिक्रिया केंद्र के अनुक्रमिक चौगुने सक्रियण के परिणामस्वरूप, चार मजबूत ऑक्सीडेटिव समकक्ष (या चार "छेद") ऑक्सीकृत मैंगनीज आयनों (एमएन 4+) के रूप में वीआरसी के एमएन-युक्त सक्रिय केंद्र में जमा होते हैं, जो , दो पानी के अणुओं के साथ बातचीत करके, पानी के अपघटन प्रतिक्रिया को उत्प्रेरित करता है:

2Mn 4+ + 2H 2 O → 2Mn 2+ + 4H + + O 2।

इस प्रकार, वीआरसी से पी 680 तक चार इलेक्ट्रॉनों के अनुक्रमिक हस्तांतरण के बाद, दो पानी के अणुओं का समकालिक अपघटन एक साथ होता है, एक ऑक्सीजन अणु और चार हाइड्रोजन आयनों की रिहाई के साथ, जो क्लोरोप्लास्ट के इंट्राथाइलाकोइड स्थान में प्रवेश करते हैं।

PS2 के कामकाज के दौरान बनने वाला QH 2 प्लास्टोक्विनोल अणु थायलाकोइड झिल्ली के लिपिड बाईलेयर में b/f कॉम्प्लेक्स तक फैल जाता है (चित्र 4 और 5)। जब यह ab/f कॉम्प्लेक्स का सामना करता है, तो QH 2 अणु इससे जुड़ जाता है और फिर दो इलेक्ट्रॉनों को इसमें स्थानांतरित कर देता है। इस मामले में, बी/एफ कॉम्प्लेक्स द्वारा ऑक्सीकृत प्रत्येक प्लास्टोक्विनोल अणु के लिए, थायलाकोइड के अंदर दो हाइड्रोजन आयन निकलते हैं। बदले में, बी/एफ कॉम्प्लेक्स प्लास्टोसायनिन (पी सी) के लिए एक इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में कार्य करता है, एक अपेक्षाकृत छोटा पानी में घुलनशील प्रोटीन जिसके सक्रिय केंद्र में कॉपर आयन शामिल होता है (प्लास्टोसायनिन की कमी और ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाएं वैलेंस में परिवर्तन के साथ होती हैं) कॉपर आयन Cu 2+ + e – ↔ Cu+). प्लास्टोसायनिन बी/एफ कॉम्प्लेक्स और पीएस1 के बीच एक कड़ी के रूप में कार्य करता है। प्लास्टोसायनिन अणु तेजी से थायलाकोइड के अंदर चला जाता है, जिससे बी/एफ कॉम्प्लेक्स से पीएस1 तक इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण होता है। कम किए गए प्लास्टोसायनिन से, इलेक्ट्रॉन सीधे PS1 - P 700 + के ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्रों में जाता है (चित्र 4 देखें)। इस प्रकार, PS1 और PS2 की संयुक्त क्रिया के परिणामस्वरूप, PS2 में विघटित पानी के अणु से दो इलेक्ट्रॉन अंततः इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के माध्यम से NADP + अणु में स्थानांतरित हो जाते हैं, जिससे मजबूत कम करने वाले एजेंट NADP H का निर्माण सुनिश्चित होता है।

क्लोरोप्लास्ट को दो फोटोसिस्टम की आवश्यकता क्यों होती है? यह ज्ञात है कि प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया, जो ऑक्सीकृत प्रतिक्रिया केंद्रों को बहाल करने के लिए इलेक्ट्रॉन दाता के रूप में विभिन्न कार्बनिक और अकार्बनिक यौगिकों (उदाहरण के लिए, एच 2 एस) का उपयोग करते हैं, एक फोटो सिस्टम के साथ सफलतापूर्वक कार्य करते हैं। दो फोटोसिस्टम की उपस्थिति इस तथ्य के कारण सबसे अधिक संभावना है कि दृश्य प्रकाश की एक मात्रा की ऊर्जा पानी के अपघटन और पानी से एनएडीपी + तक वाहक अणुओं की श्रृंखला के साथ एक इलेक्ट्रॉन के प्रभावी मार्ग को सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त नहीं है। लगभग 3 अरब साल पहले, पृथ्वी पर नीले-हरे शैवाल या साइनोबैक्टीरिया दिखाई दिए, जिन्होंने कार्बन डाइऑक्साइड को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के स्रोत के रूप में पानी का उपयोग करने की क्षमता हासिल कर ली। वर्तमान में, यह माना जाता है कि PS1 हरे बैक्टीरिया से और PS2 बैंगनी बैक्टीरिया से उत्पन्न होता है। विकासवादी प्रक्रिया के दौरान, PS2 को PS1 के साथ एक एकल इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण श्रृंखला में "शामिल" करने के बाद, ऊर्जा समस्या को हल करना संभव हो गया - ऑक्सीजन/जल जोड़े और NADP + / की रेडॉक्स क्षमता में बड़े अंतर को दूर करने के लिए। एनएडीपी एच. पानी को ऑक्सीकरण करने में सक्षम प्रकाश संश्लेषक जीवों का उद्भव, पृथ्वी पर जीवित प्रकृति के विकास में सबसे महत्वपूर्ण चरणों में से एक बन गया। सबसे पहले, शैवाल और हरे पौधों ने, पानी को ऑक्सीकरण करना "सीख" लिया है, एनएडीपी + को कम करने के लिए इलेक्ट्रॉनों के एक अटूट स्रोत में महारत हासिल कर ली है। दूसरे, पानी को विघटित करके, उन्होंने पृथ्वी के वायुमंडल को आणविक ऑक्सीजन से भर दिया, इस प्रकार जीवों के तेजी से विकासवादी विकास के लिए स्थितियाँ बनाईं जिनकी ऊर्जा एरोबिक श्वसन से जुड़ी है।

क्लोरोप्लास्ट में प्रोटॉन स्थानांतरण और एटीपी संश्लेषण के साथ इलेक्ट्रॉन परिवहन प्रक्रियाओं का युग्मन

ईटीसी के माध्यम से इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण आमतौर पर ऊर्जा में कमी के साथ होता है। इस प्रक्रिया की तुलना किसी झुके हुए तल पर किसी पिंड की स्वतःस्फूर्त गति से की जा सकती है। ईटीसी के साथ गति के दौरान एक इलेक्ट्रॉन के ऊर्जा स्तर में कमी का मतलब यह बिल्कुल नहीं है कि इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण हमेशा एक ऊर्जावान रूप से बेकार प्रक्रिया है। क्लोरोप्लास्ट कार्यप्रणाली की सामान्य परिस्थितियों में, इलेक्ट्रॉन परिवहन के दौरान निकलने वाली अधिकांश ऊर्जा बेकार में बर्बाद नहीं होती है, बल्कि एटीपी सिंथेज़ नामक एक विशेष ऊर्जा-परिवर्तित कॉम्प्लेक्स के संचालन के लिए उपयोग की जाती है। यह कॉम्प्लेक्स एडीपी और अकार्बनिक फॉस्फेट पी आई (प्रतिक्रिया एडीपी + पी आई → एटीपी + एच 2 ओ) से एटीपी गठन की ऊर्जावान रूप से प्रतिकूल प्रक्रिया को उत्प्रेरित करता है। इस संबंध में, यह कहने की प्रथा है कि इलेक्ट्रॉन परिवहन की ऊर्जा-दान प्रक्रियाएं एटीपी संश्लेषण की ऊर्जा-स्वीकर्ता प्रक्रियाओं से जुड़ी हैं।

थायलाकोइड झिल्ली में ऊर्जा युग्मन सुनिश्चित करने में सबसे महत्वपूर्ण भूमिका, अन्य सभी ऊर्जा-परिवर्तित ऑर्गेनेल (माइटोकॉन्ड्रिया, प्रकाश संश्लेषक बैक्टीरिया के क्रोमैटोफोरस) की तरह, प्रोटॉन परिवहन प्रक्रियाओं द्वारा निभाई जाती है। एटीपी संश्लेषण, एटीपी सिंथेज़ के माध्यम से थायलाकोइड्स (3H इंच +) से स्ट्रोमा (3H आउट +) तक तीन प्रोटॉन के स्थानांतरण से निकटता से संबंधित है:

ADP + Ф i + 3H in + → ATP + H 2 O + 3H out +।

यह प्रक्रिया संभव हो जाती है, क्योंकि झिल्ली में वाहकों की असममित व्यवस्था के कारण, क्लोरोप्लास्ट के ईटीसी के कामकाज से थायलाकोइड के अंदर अतिरिक्त मात्रा में प्रोटॉन जमा हो जाते हैं: एनएडीपी के चरणों में हाइड्रोजन आयन बाहर से अवशोषित होते हैं + कमी और प्लास्टोक्विनॉल का निर्माण और पानी के अपघटन और प्लास्टोक्विनॉल ऑक्सीकरण के चरणों में थायलाकोइड्स के अंदर जारी किया जाता है (चित्र 4)। क्लोरोप्लास्ट की रोशनी से थायलाकोइड्स के अंदर हाइड्रोजन आयनों की सांद्रता में उल्लेखनीय (100-1000 गुना) वृद्धि होती है।

तो, हमने उन घटनाओं की श्रृंखला को देखा है जिसके दौरान सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा उच्च-ऊर्जा रासायनिक यौगिकों - एटीपी और एनएडीपी एच की ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होती है। प्रकाश संश्लेषण के प्रकाश चरण के इन उत्पादों का उपयोग अंधेरे चरणों में किया जाता है कार्बन डाइऑक्साइड और पानी से कार्बनिक यौगिक (कार्बोहाइड्रेट) बनाना। एटीपी और एनएडीपी एच के निर्माण के लिए ऊर्जा रूपांतरण के मुख्य चरणों में निम्नलिखित प्रक्रियाएं शामिल हैं: 1) प्रकाश-संचयन एंटीना के रंगद्रव्य द्वारा प्रकाश ऊर्जा का अवशोषण; 2) उत्तेजना ऊर्जा को फोटोरिएक्शन केंद्र में स्थानांतरित करना; 3) फोटोरिएक्शन केंद्र का ऑक्सीकरण और पृथक आवेशों का स्थिरीकरण; 4) इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला के साथ इलेक्ट्रॉन स्थानांतरण, एनएडीपी एच का निर्माण; 5) हाइड्रोजन आयनों का ट्रांसमेम्ब्रेन स्थानांतरण; 6) एटीपी संश्लेषण।

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आज हम उन जीवों के बारे में बात करेंगे जो अपने जीवन में सौर ऊर्जा का उपयोग करते हैं। ऐसा करने के लिए, हमें बायोएनर्जी जैसे विज्ञान को छूने की जरूरत है। वह जीवित जीवों द्वारा ऊर्जा को परिवर्तित करने और जीवन की प्रक्रिया में इसका उपयोग करने के तरीकों का अध्ययन करती है। बायोएनर्जी थर्मोडायनामिक्स पर आधारित है। यह विज्ञान विभिन्न प्रकार की ऊर्जा को एक दूसरे में परिवर्तित करने की क्रियाविधियों का वर्णन करता है। जिसमें विभिन्न जीवों द्वारा सौर ऊर्जा का उपयोग और परिवर्तन शामिल है। थर्मोडायनामिक्स की मदद से हमारे आसपास होने वाली प्रक्रियाओं के ऊर्जा तंत्र का पूरी तरह से वर्णन करना संभव है। लेकिन थर्मोडायनामिक्स की मदद से किसी विशेष प्रक्रिया की प्रकृति को समझना असंभव है। इस लेख में हम जीवित जीवों द्वारा सौर ऊर्जा के उपयोग की क्रियाविधि को समझाने का प्रयास करेंगे।

हमारे ग्रह पर जीवित जीवों या अन्य वस्तुओं में ऊर्जा के परिवर्तन का वर्णन करने के लिए, हमें उन्हें थर्मोडायनामिक्स के दृष्टिकोण से विचार करना चाहिए। यानी एक ऐसी प्रणाली जो पर्यावरण और वस्तुओं के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करती है। इन्हें निम्नलिखित प्रणालियों में विभाजित किया जा सकता है:

• बंद किया हुआ;
• एकाकी;
• खुला।

इस लेख में जिन जीवित जीवों की चर्चा की गई है वे खुली प्रणालियाँ हैं। वे ओएस और आसपास की वस्तुओं के साथ ऊर्जा का निरंतर आदान-प्रदान करते हैं।जल, वायु और भोजन के साथ-साथ सभी प्रकार के रासायनिक पदार्थ शरीर में प्रवेश करते हैं, जो रासायनिक संरचना में इससे भिन्न होते हैं। एक बार शरीर में, वे गहन प्रसंस्करण से गुजरते हैं। वे परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरते हैं और शरीर की रासायनिक संरचना के समान हो जाते हैं। इसके बाद ये अस्थायी तौर पर शरीर का हिस्सा बन जाते हैं।

कुछ समय बाद ये पदार्थ नष्ट हो जाते हैं और शरीर को ऊर्जा प्रदान करते हैं। उनके टूटने वाले उत्पाद शरीर से बाहर निकल जाते हैं। शरीर में इनका स्थान अन्य अणुओं से भर जाता है। इस मामले में, शरीर की संरचना की अखंडता का उल्लंघन नहीं होता है। शरीर में ऊर्जा का इस तरह आत्मसात और प्रसंस्करण शरीर के नवीकरण को सुनिश्चित करता है। ऊर्जा चयापचय सभी जीवित जीवों के अस्तित्व के लिए आवश्यक है। जब शरीर में ऊर्जा रूपांतरण की प्रक्रिया बंद हो जाती है तो वह मर जाता है।

सूर्य का प्रकाश पृथ्वी पर जैविक ऊर्जा का स्रोत है। सूर्य से परमाणु ऊर्जा दीप्तिमान ऊर्जा उत्पन्न करती है। हमारे तारे में हाइड्रोजन परमाणु प्रतिक्रिया के परिणामस्वरूप He परमाणुओं में परिवर्तित हो जाते हैं। प्रतिक्रिया के दौरान निकलने वाली ऊर्जा गामा विकिरण के रूप में निकलती है। प्रतिक्रिया स्वयं इस प्रकार दिखती है:

4H? He4 + 2e + hv, कहाँ

v गामा किरणों की तरंग दैर्ध्य है;

h प्लैंक स्थिरांक है।

इसके बाद, गामा विकिरण और इलेक्ट्रॉनों की परस्पर क्रिया के बाद, ऊर्जा फोटॉन के रूप में निकलती है। यह प्रकाश ऊर्जा आकाशीय पिंड द्वारा उत्सर्जित होती है।

जब सौर ऊर्जा हमारे ग्रह की सतह पर पहुंचती है, तो इसे पौधों द्वारा पकड़ लिया जाता है और परिवर्तित कर दिया जाता है। इनमें सूर्य की ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, जो रासायनिक बंधों के रूप में संग्रहित होती है।ये वे बंधन हैं जो अणुओं में परमाणुओं को जोड़ते हैं। इसका एक उदाहरण पौधों में ग्लूकोज का संश्लेषण है। इस ऊर्जा रूपांतरण का पहला चरण प्रकाश संश्लेषण है। पौधे इसे क्लोरोफिल प्रदान करते हैं। यह वर्णक दीप्तिमान ऊर्जा को रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित करना सुनिश्चित करता है। कार्बोहाइड्रेट का संश्लेषण H2O तथा CO2 से होता है। यह पौधों की वृद्धि और अगले चरण में ऊर्जा हस्तांतरण सुनिश्चित करता है।

ऊर्जा हस्तांतरण का अगला चरण पौधों से जानवरों या बैक्टीरिया तक होता है। इस अवस्था में पौधों में कार्बोहाइड्रेट की ऊर्जा जैविक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यह पौधों के अणुओं के ऑक्सीकरण के दौरान होता है। प्राप्त ऊर्जा की मात्रा संश्लेषण पर खर्च की गई मात्रा से मेल खाती है। इस ऊर्जा का एक भाग ऊष्मा में परिवर्तित हो जाता है। परिणामस्वरूप, ऊर्जा एडेनोसिन ट्राइफॉस्फेट के उच्च-ऊर्जा बांड में संग्रहीत होती है। इसलिए सौर ऊर्जा, परिवर्तनों की एक श्रृंखला से गुजरते हुए, जीवित जीवों में एक अलग रूप में प्रकट होती है।

यहां अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न का उत्तर देना उचित है: "कौन सा अंग सूर्य के प्रकाश की ऊर्जा का उपयोग करता है?" ये प्रकाश संश्लेषण की प्रक्रिया में शामिल क्लोरोप्लास्ट हैं। वे इसका उपयोग अकार्बनिक पदार्थों से कार्बनिक पदार्थों को संश्लेषित करने के लिए करते हैं।

ऊर्जा का निरंतर प्रवाह सभी जीवित चीजों का सार है। यह कोशिकाओं और जीवों के बीच लगातार घूमता रहता है। सेलुलर स्तर पर, ऊर्जा रूपांतरण के लिए कुशल तंत्र मौजूद हैं। ऐसी 2 मुख्य संरचनाएँ हैं जहाँ ऊर्जा रूपांतरण होता है:

• क्लोरोप्लास्ट;
• माइटोकॉन्ड्रिया.

मनुष्य, ग्रह पर अन्य जीवित जीवों की तरह, खाद्य पदार्थों से अपने ऊर्जा भंडार की भरपाई करता है। इसके अलावा, उपभोग किए गए उत्पादों का हिस्सा पौधे की उत्पत्ति (सेब, आलू, खीरे, टमाटर) का है, और जानवरों का हिस्सा (मांस, मछली और अन्य समुद्री भोजन) है। जिन जानवरों को हम खाते हैं वे भी अपनी ऊर्जा पौधों से प्राप्त करते हैं। इसलिए, हमारे शरीर को प्राप्त होने वाली सारी ऊर्जा पौधों से परिवर्तित होती है। और उनके लिए यह सौर ऊर्जा के रूपांतरण का परिणाम प्रतीत होता है।

ऊर्जा उत्पादन के प्रकार के अनुसार सभी जीवों को दो समूहों में विभाजित किया जा सकता है:

• फोटोट्रॉफ़्स। सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा प्राप्त करें;
• रसोपोषी। वे रेडॉक्स प्रतिक्रिया के दौरान ऊर्जा प्राप्त करते हैं।

अर्थात्, सौर ऊर्जा का उपयोग पौधों द्वारा किया जाता है, और जानवरों को वह ऊर्जा प्राप्त होती है जो कार्बनिक अणुओं में होती है जब वे पौधों को खाते हैं।

सजीवों में ऊर्जा का रूपांतरण किस प्रकार होता है?

जीवों द्वारा परिवर्तित ऊर्जा के 3 मुख्य प्रकार हैं:

• दीप्तिमान ऊर्जा का रूपांतरण. इस प्रकार की ऊर्जा सूर्य के प्रकाश को वहन करती है। पौधों में, दीप्तिमान ऊर्जा वर्णक क्लोरोफिल द्वारा ग्रहण की जाती है। प्रकाश संश्लेषण के परिणामस्वरूप, यह रासायनिक ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। बदले में, इसका उपयोग ऑक्सीजन संश्लेषण और अन्य प्रतिक्रियाओं की प्रक्रिया में किया जाता है। सूर्य के प्रकाश में गतिज ऊर्जा होती है और पौधों में यह स्थितिज ऊर्जा में बदल जाती है। परिणामी ऊर्जा भंडार पोषक तत्वों में संग्रहीत होता है।उदाहरण के लिए, कार्बोहाइड्रेट में;
• रासायनिक ऊर्जा का रूपांतरण. कार्बोहाइड्रेट और अन्य अणुओं से, इसे उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बांड की ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है। ये परिवर्तन माइटोकॉन्ड्रिया में होते हैं।
• उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बांड की ऊर्जा का रूपांतरण। इसका उपयोग जीवित जीव की कोशिकाओं द्वारा विभिन्न प्रकार के कार्य (यांत्रिक, विद्युत, आसमाटिक, आदि) करने के लिए किया जाता है।

इन परिवर्तनों के दौरान, ऊर्जा भंडार का कुछ हिस्सा नष्ट हो जाता है और गर्मी के रूप में नष्ट हो जाता है।

जीवों द्वारा संग्रहीत ऊर्जा का उपयोग

चयापचय की प्रक्रिया में, शरीर को एक ऊर्जा आरक्षित प्राप्त होती है जो जैविक कार्य करने पर खर्च होती है। यह हल्का, यांत्रिक, विद्युत, रासायनिक कार्य हो सकता है। और शरीर अपनी ऊर्जा का एक बहुत बड़ा हिस्सा गर्मी के रूप में खर्च करता है।

शरीर में ऊर्जा के मुख्य प्रकारों का संक्षेप में नीचे वर्णन किया गया है:

• यांत्रिक. मैक्रोबॉडीज़ की गति के साथ-साथ उनके आंदोलन के यांत्रिक कार्य को भी चित्रित करता है। इसे गतिक और विभव में विभाजित किया जा सकता है। पहला मैक्रोबॉडीज़ की गति की गति से निर्धारित होता है, और दूसरा एक दूसरे के संबंध में उनके स्थान से;
• रसायन. एक अणु में परमाणुओं की परस्पर क्रिया द्वारा निर्धारित होता है। यह इलेक्ट्रॉनों की ऊर्जा है जो अणुओं और परमाणुओं की कक्षाओं में घूमती है;
• बिजली. यह आवेशित कणों की परस्पर क्रिया है जो उन्हें विद्युत क्षेत्र में गति करने का कारण बनती है;
• आसमाटिक। पदार्थ के अणुओं की सांद्रता प्रवणता के विरुद्ध गति करते समय उपभोग किया जाता है;
• नियामक ऊर्जा.
• थर्मल। परमाणुओं और अणुओं की अराजक गति से निर्धारित होता है। इस गति की मुख्य विशेषता तापमान है। इस प्रकार की ऊर्जा का अवमूल्यन ऊपर सूचीबद्ध सभी में से सबसे अधिक है।

किसी परमाणु के तापमान और गतिज ऊर्जा के बीच संबंध को निम्नलिखित सूत्र द्वारा वर्णित किया जा सकता है:

ई एच = 3/2आरटी, जहां

r बोल्ट्ज़मान स्थिरांक (1.380*10 -16 erg/deg) है।

पोषक तत्वों से ऊर्जा कैसे मुक्त होती है?

पोषक तत्वों से ऊर्जा निकालने की प्रक्रिया में 3 पारंपरिक चरण हैं;

• तैयारी। खाद्य कोशिकाओं में बायोपॉलिमर को मोनोमर्स में परिवर्तित करने के लिए यह चरण आवश्यक है। यह रूप ऊर्जा निकालने के लिए सर्वोत्तम है। यह प्रक्रिया (हाइड्रोलिसिस) आंतों में या आंतरिक रूप से होती है। हाइड्रोलिसिस लाइसोसोम और साइटोप्लाज्मिक एंजाइमों की भागीदारी से होता है। इस चरण का ऊर्जा मान शून्य है। इस स्तर पर, सब्सट्रेट्स के ऊर्जा मूल्य का 1 प्रतिशत जारी होता है, और यह सब गर्मी के रूप में नष्ट हो जाता है;
• दूसरे चरण में, मोनोमर्स आंशिक रूप से विघटित होकर मध्यवर्ती उत्पाद बनाते हैं। क्रेब्स चक्र एसिड और एसिटाइल-सीओए बनते हैं। इस स्तर पर प्रारंभिक सबस्ट्रेट्स की संख्या कम होकर तीन हो जाती है और सबस्ट्रेट्स के ऊर्जा भंडार का 20 प्रतिशत तक मुक्त हो जाता है। यह प्रक्रिया अवायवीय रूप से होती है, अर्थात ऑक्सीजन तक पहुंच के बिना। ऊर्जा आंशिक रूप से एटीपी के फॉस्फेट बांड में संग्रहीत होती है, और शेष गर्मी के रूप में खपत होती है। मोनोमर्स का टूटना हाइलोप्लाज्म में होता है, और शेष प्रक्रियाएं माइटोकॉन्ड्रिया में होती हैं;
• अंतिम चरण में, मोनोमर्स ऑक्सीजन से जुड़ी प्रतिक्रिया में एच 2 ओ और सीओ 2 में विघटित हो जाते हैं। जैविक ऑक्सीकरण ऊर्जा भंडार की पूर्ण रिहाई के साथ होता है। पिछले चरण में मौजूद 3 तीन मेटाबोलाइट्स में से केवल एच 2 ही बचा है। यह श्वसन श्रृंखला में एक सार्वभौमिक ईंधन है। इस स्तर पर, शेष 80 प्रतिशत ऊर्जा भंडार जारी हो जाता है। कुछ ऊर्जा ऊष्मा के रूप में बाहर आती है, और शेष फॉस्फेट बांड में संग्रहीत होती है। इस स्तर पर सभी प्रतिक्रियाएँ माइटोकॉन्ड्रिया में होती हैं।

जीवित कोशिकाओं में ऊर्जा का विमोचन धीरे-धीरे होता है।उत्सर्जन के सभी चरणों में, यह पदार्थ की कोशिकाओं के लिए सुविधाजनक रासायनिक रूप में जमा हो सकता है। एक कोशिका की ऊर्जा संरचना में 3 अलग-अलग कार्यात्मक ब्लॉक शामिल होते हैं जिनमें विभिन्न प्रक्रियाएं होती हैं:

• I-प्रक्रियाएँ (ऑक्सीकरण सब्सट्रेट का निर्माण, जो कोशिकाओं में ऑक्सीडेटिव एंजाइम के अनुरूप होता है);
• ब्लॉक एस-एच 2 (ऑक्सीकरण सब्सट्रेट);
• हाइड्रोजन उत्पादन प्रक्रियाएँ। आउटपुट KH 2 (कोएंजाइम के साथ हाइड्रोजन) है।

ये जटिल बहु-चरणीय प्रक्रियाएँ पौधों और जीवित जीवों में सौर ऊर्जा के परिवर्तन के दौरान होती हैं।
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