अध्याय 13 उच्च पौधों में प्रकाश संश्लेषण अभ्यास
अभ्यास
1. किसी पौधे को बाहर से देखकर क्या आप बता सकते हैं कि वह $C_3$ है या $C_4$? क्यों और कैसे?
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उत्तर किसी पौधे की पत्तियों और अन्य बाहरी आकृति-वैज्ञानिक लक्षणों को देखकर यह नहीं बताया जा सकता कि वह $C_3$ है या $C_4$। $C_3$ पौधों के विपरीत, $C_4$ पौधों की पत्तियों में एक विशेष संरचना होती है जिसे $Kranz$ संरचना कहा जाता है और यह अंतर केवल कोशिका स्तर पर देखा जा सकता है। उदाहरण के लिए, यद्यपि गेहूँ और मक्का दोनों घास परिवार के हैं, गेहूँ एक $C_3$ पौधा है जबकि मक्का एक $C_4$ पौधा है।2. पौधे की किस आंतरिक संरचना को देखकर आप बता सकते हैं कि वह $C_3$ है या $C_4$? समझाइए।
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उत्तर $C_4$ पौधों की पत्तियों में एक विशेष संरचना होती है जिसे Kranz संरचना कहा जाता है। यह उन्हें $C_3$ पौधों से अलग बनाती है। विशेष कोशिकाएँ, जिन्हें बंडल-शीथ कोशिकाएँ कहा जाता है, वाहिका बंडलों को घेरे रहती हैं। इन कोशिकाओं में बड़ी संख्या में क्लोरोप्लास्ट होते हैं। ये मोटी दीवार वाली होती हैं और इनमें अंतरकोशिकीय रिक्तियाँ नहीं होती हैं। ये गैसीय आदान-प्रदान के लिए भी अप्रवेशी होती हैं। ये सभी आकृति-वैज्ञानिक लक्षण $C_4$ पौधों में फोटोश्वसन को रोकने में मदद करते हैं, जिससे उनकी प्रकाशसंश्लेषण क्षमता बढ़ जाती है।3. यद्यपि $C_4$ पौधे में बहुत कम कोशिकाएँ जैवसंश्लेषी - कैल्विन पथवे को करती हैं, फिर भी वे अत्यधिक उत्पादक होते हैं। क्या आप चर्चा कर सकते हैं क्यों?
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उत्तर
किसी पौधे की उत्पादकता उसकी प्रकाशसंश्लेषण की दर से मापी जाती है। पौधे में मौजूद कार्बन डाइऑक्साइड की मात्रा प्रकाशसंश्लेषण की दर के सीधे समानुपाती होती है। $C_4$ पौधों में कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता बढ़ाने की एक यांत्रिकी होती है। $C_4$ पौधों में कैल्विन चक्र बंडल-शीथ कोशिकाओं में होता है। मेसोफिल कोशिकाओं से आया $C_4$ यौगिक (मैलिक अम्ल) बंडल-शीथ कोशिकाओं में टूट जाता है। परिणामस्वरूप $CO_2$ मुक्त होता है। $CO_2$ में वृद्धि यह सुनिश्चित करती है कि एंजाइम RuBisCo ऑक्सीजनेज़ की तरह नहीं, बल्कि कार्बोक्सिलेज़ की तरह कार्य करे। यह प्रकाशश्वसन को रोकता है और प्रकाशसंश्लेषण की दर बढ़ाता है। इस प्रकार, $C_4$ पौधे अत्यधिक उत्पादक होते हैं।
4. RuBisCO एक ऐसा एंजाइम है जो कार्बोक्सिलेज़ और ऑक्सीजनेज़ दोनों की तरह कार्य करता है। आपके विचार से RuBisCO $C_4$ पौधों में अधिक कार्बोक्सिलीकरण क्यों करता है?
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उत्तर
एंजाइम RuBisCo $C_4$ पौधों की मेसोफिल कोशिकाओं से अनुपस्थित होता है। यह संवहन पूलों को घेरने वाली बंडल-शीथ कोशिकाओं में उपस्थित होता है। $C_4$ पौधों में, कैल्विन चक्र बंडल-शीथ कोशिकाओं में होता है। मेसोफिल कोशिकाओं में प्राथमिक $CO_2$ स्वीकारक फॉस्फोएनॉल पाइरूवेट है – एक तीन-कार्बन यौगिक। इसे चार-कार्बन यौगिक ऑक्सालोएसिटिक एसिड (OAA) में परिवर्तित किया जाता है। OAA को आगे मैलिक एसिड में परिवर्तित किया जाता है। मैलिक एसिड को बंडल-शीथ कोशिकाओं में स्थानांतरित किया जाता है, जहाँ यह डिकार्बोक्सिलेशन से गुजरता है और $CO_2$ स्थिरीकरण कैल्विन चक्र द्वारा होता है। यह एंजाइम RuBisCo को ऑक्सीजनेज़ के रूप में कार्य करने से रोकता है।
5. मान लीजिए कुछ पौधे थे जिनमें क्लोरोफिल b की उच्च सांद्रता थी, लेकिन क्लोरोफिल a की कमी थी, क्या वे प्रकाश संश्लेषण करेंगे? फिर पौधों में क्लोरोफिल b और अन्य सहायक वर्णक क्यों होते हैं?
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उत्तर
क्लोरोफिल-a अणु एंटेना अणुओं के रूप में कार्य करते हैं। वे प्रकाश अवशोषित करके उत्तेजित होते हैं और चक्रीय और अनचक्रीय फोटोफॉस्फोरिलेशन के दौरान इलेक्ट्रॉन उत्सर्जित करते हैं। वे दोनों फोटोसिस्टम I और II के लिए अभिक्रिया केंद्र बनाते हैं। क्लोरोफिल-b और अन्य प्रकाश संश्लेषी वर्णक जैसे कैरोटीनॉयड और ज़ैन्थोफिल सहायक वर्णक के रूप में कार्य करते हैं। उनकी भूमिका ऊर्जा अवशोषित करना और उसे क्लोरोफिल-a में स्थानांतरित करना है। कैरोटीनॉयड और ज़ैन्थोफिल क्लोरोफिल अणु को फोटो-ऑक्सीकरण से भी बचाते हैं। इसलिए, क्लोरोफिल-a प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक है।
यदि किसी पौधे में क्लोरोफिल-ए की कमी हो और क्लोरोफिल- $b$ की उच्च सांद्रता हो, तो यह पौधा प्रकाश संश्लेषण नहीं करेगा।
6. अंधेरे में रखा गया पत्ता अक्सर पीला या हल्का हरा क्यों दिखाई देता है? आपको कौन-सा रंजक अधिक स्थिर लगता है?
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उत्तर
चूँकि पत्तों को प्रकाश संश्लेषण करने के लिए प्रकाश की आवश्यकता होती है, अंधेरे में रखे गए पत्ते का रंग गहरे से हल्के हरे रंग में बदल जाता है। कभी-कभी यह पीला भी हो जाता है। प्रकाश संश्लेषण के लिए आवश्यक क्लोरोफिल रंजक का उत्पादन उपलब्ध प्रकाश की मात्रा के अनुकूल होता है। प्रकाश की अनुपस्थिति में क्लोरोफिल-ए अणुओं का उत्पादन रुक जाता है और वे धीरे-धीरे टूटने लगते हैं। इससे पत्ते का रंग धीरे-धीरे हल्का हरा हो जाता है। इस प्रक्रिया के दौरान ज़ैंथोफिल और कैरोटीनॉयड रंजक प्रमुख हो जाते हैं, जिससे पत्ता पीला दिखाई देने लगता है। ये रंजक अधिक स्थिर होते हैं क्योंकि इनके उत्पादन के लिए प्रकाश आवश्यक नहीं होता है। ये हमेशा पौधों में मौजूद रहते हैं।
7. एक ही पौधे की छायादार ओर के पत्तों को धूप वाली ओर के पत्तों से तुलना कीजिए। या फिर धूप में रखे गमले के पौधों की तुलना छाया में रखे पौधों से कीजिए। इनमें से किसके पत्ते अधिक गहरे हरे हैं? क्यों?
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उत्तर
प्रकाश प्रकाशसंश्लेषण के लिए एक सीमित कारक है। जब पत्तियाँ छाया में होती हैं तो उन्हें प्रकाशसंश्लेषण के लिए कम प्रकाश मिलता है। इसलिए, छाया में रखी पत्तियाँ या पौधे सूरज की रोशनी में रखी पत्तियों या पौधों की तुलना में कम प्रकाशसंश्लेषण करते हैं।
प्रकाशसंश्लेषण की दर को बढ़ाने के लिए, छाया में मौजूद पत्तियों में अधिक क्लोरोफिल वर्णक होते हैं। क्लोरोफिल की मात्रा में यह वृद्धि पत्तियों द्वारा अवशोषित प्रकाश की मात्रा को बढ़ाती है, जो बदले में प्रकाशसंश्लेषण की दर को बढ़ाती है। इसलिए, छाया में रखी पत्तियाँ या पौधे सूरज में रखी पत्तियों या पौधों की तुलना में अधिक हरे होते हैं।
8. आकृति 13.10 प्रकाश के प्रभाव को प्रकाशसंश्लेषण की दर पर दर्शाती है। ग्राफ के आधार पर निम्नलिखित प्रश्नों के उत्तर दीजिए:
(a) वक्र में किस बिंदु/बिंदुओं (A, B या C) पर प्रकाश एक सीमित कारक है?
(b) क्षेत्र A में सीमित कारक/कारक क्या हो सकते हैं?
(c) वक्र पर C और D क्या दर्शाते हैं?
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उत्तर
(क) सामान्यतः, प्रकाश एक सीमित करने वाला कारक नहीं होता है। यह उन पौधों के लिए सीमित करने वाला कारक बन जाता है जो छाया में या वृक्षों की छतरी के नीचे उगते हैं। दिए गए ग्राफ़ में, प्रकाश एक सीमित करने वाला कारक उस बिंदु पर होता है जहाँ प्रकाश संश्लेषण न्यूनतम है। प्रकाश संश्लेषण का न्यूनतम मान क्षेत्र A में है। इसलिए, प्रकाश इस क्षेत्र में एक सीमित करने वाला कारक है।
(ख) प्रकाश क्षेत्र A में एक सीमित करने वाला कारक है। जल, तापमान और कार्बन डाइऑक्साइड की सांद्रता भी इस क्षेत्र में सीमित करने वाले कारक हो सकते हैं।
(ग) बिंदु D इष्टतम बिंदु को दर्शाता है और उस प्रकाश तीव्रता को देता है जिस पर अधिकतम प्रकाश संश्लेषण दर्ज किया जाता है। प्रकाश संश्लेषण की दर इस बिंदु के बाद स्थिर रहती है, यद्यपि क्षेत्र C में प्रकाश की तीव्रता बढ़ती रहती है।
9. निम्नलिखित की तुलना कीजिए:
(क) $C_3$ और $C_4$ पथ
(ख) चक्रीय और अ-चक्रीय प्रकाश-फॉस्फोरिलेशन
(ग) $C_3$ और $C_4$ पौधों में पत्ती की रचना
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उत्तर
(क) $C_3$ और $C_4$ पथ
| $C_3$ पथ | $C_4$ पथ |
|---|---|
| 1. $CO_2$ का प्राथमिक स्वीकारकर्ता $RUBP$ एक पाँच-कार्बन यौगिक होता है। | 1. $CO_2$ का प्राथमिक स्वीकारकर्ता फॉस्फोएनॉल पिरूवेट एक तीन-कार्बन यौगिक होता है। |
| 2. पहला स्थिर उत्पाद 3-फॉस्फोग्लिसरेट होता है। | 2. पहला स्थिर उत्पाद ऑक्सेलोएसेटिक अम्ल होता है। |
| 3. यह केवल पत्तियों की मेसोफिल कोशिकाओं में होता है। | 3. यह पत्तियों की मेसोफिल और बंडल-शीथ कोशिकाओं में होता है। |
| 4. यह कार्बन निर्धारण की धीमी प्रक्रिया है और प्रकाश-श्वसन हानि अधिक होती है। | 4. यह कार्बन निर्धारण की तेज प्रक्रिया है और प्रकाश-श्वसन हानि कम होती है। |
(b) चक्रीय और अचक्रीय प्रकाश-फॉस्फोरिलेशन
| चक्रीय प्रकाश-फॉस्फोरिलेशन | अचक्रीय प्रकाश-फॉस्फोरिलेशन |
|---|---|
| 1. यह केवल फोटोसिस्टम I में होता है। | 1. यह फोटोसिस्टम I और II दोनों में होता है। |
| 2. इसमें केवल ATP का संश्लेषण होता है। | 2. इसमें ATP और $NADPH_2$ दोनों का संश्लेषण होता है। |
| 3. इस प्रक्रिया में जल का प्रकाश-विघटन नहीं होता। | 3. इस प्रक्रिया में जल का प्रकाश-विघटन होता है और ऑक्सीजन मुक्त होती है। |
| 4. इस प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन बंद वृत्त में चलते हैं। | 4. इस प्रक्रिया में इलेक्ट्रॉन बंद वृत्त में नहीं चलते। |
(c) $C_3$ और $C_4$ पादपों में पत्तियों की रचना
| $C_3$ पत्तियाँ | $C_4$ पत्तियाँ |
|---|---|
| 1. बंडल-शीथ कोशिकाएँ अनुपस्थित होती हैं | 1. बंडल-शीथ कोशिकाएँ उपस्थित होती हैं |
| 2. RuBisCo मेसोफिल कोशिकाओं में उपस्थित होता है। | 2. RuBisCo बंडल-शीथ कोशिकाओं में उपस्थित होता है। |
| 3. उत्पन्न होने वाला प्रथम स्थायी यौगिक 3-फॉस्फोग्लिसरेट है जो एक तीन-कार्बन यौगिक है। | 3. उत्पन्न होने वाला प्रथम स्थायी यौगिक ऑक्सालोएसीटिक अम्ल है जो एक चार-कार्बन यौगिक है। |
| 4. प्रकाश-श्वसन होता है | 4. प्रकाश-श्वसन नहीं होता |
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