تألیف و ترجمه: حمید وثیق زاده انصاری
منبع:راسخون
منبع:راسخون
می‌توان قاطعانه بیان داشت که زندگی بیشتر موجودات روی زمین به طور مستقیم یا غیرمستقیم به دو فرایند حیاتی بستگی دارد که یکی فوتوسنتز یا نورساخت است و دیگری عملیات دم و بازدم. در عملیات نورساخت، انرژی تابشی خورشید به انرژی پتانسیل شیمیایی موجود در مواد غذایی ساخته شده توسط گیاهان تبدیل می‌شود و در طی آن اکسیژن موجود روی زمین تولید و تأمین می‌شود. و در عملیات دم و بازدم از این اکسیژن برای آزاد سازی و مصرف انرژی‌های پتانسیل شیمیایی ساخته شده در گیاهان استفاده می‌شود تا از این انرژی‌های آزاد شده برای بقای حیات جانوری استفاده شود. به این ترتیب می‌توان گفت ضمن این که این دو عمل با هم تا حدودی مشابهت دارند به یک‌دیگر وابسته نیز هستند. در مورد مراحل تکوین این دو فرایند نظرهای گوناگونی وجود دارد، اما در مجموع به نظر می‌رسد عملیات فوتوسنتز در ثلث اول تاریخ زمین و عملیات دم زدن هوا در نیمه‌ی دوم آن نضج گرفته باشد. مدارک و شواهد به دست آمده از سنگواره‌ها و بازماندگان موجودات ذره‌بینی و نیز تحقیقات و بررسی‌های انجام شده روی شرایط شیمیاییِ عواملی که باعث به وجود آمدن سنگ‌ها شده‌اند نشان‌دهنده‌ی این هستند که تاریخ زمین تاکنون شاهد پیش‌آمد شش مرحله‌ی عمده بوده است: اولین مرحله عبارت است از تولید غیرزیستیِ ترکیب‌های آلی. در این مرحله حدس زده می‌شود که جوّ اولیه‌ی زمین دارای آمونیاک، متان، هیدروژن، و بخار آب بوده باشد. پیرو آزمایش‌های صورت گرفته توسط دانشمندان معلوم شده است که آذرخش‌های ناشی از تخلیه‌های الکتریکی در رعد و برق‌های فراوانی که در این دوره از حیات زمین صورت می‌گرفت و نیز تابش‌های خورشیدی به ویژه در محدوده‌ی طیف فرابنفش در این دوره قادر بوده‌اند از مواد گفته شده ترکیب‌های آلی‌ای را تولید کنند که سپس در دوره‌های بعدی مورد استفاده‌ی موجودات زنده واقع گردیدند. این ترکیب‌ها دربردارنده‌ی تمام اسیدهای آمینه، بعضی از پروتئین‌ها، پورفیرین و ویتامین‌ها، و صورت‌های اولیه‌ی نوکلئوتیدها بودند. پورفیرین به گروهی از رنگ‌دانه‌ها گفته می‌شود که در موجودات زنده پخشند. نوکلئوتیدها مایه‌ی اولیه‌ی ترکیب اسیدهای هسته‌ای مثل دزوکسی ریبونوکلئیک و ریبونوکلئیک را تشکیل می‌دهند. تصور می‌شود که در این دوره بر اثر تکثیر خود به خودی که در درون واحدهای پوسته‌دار صورت گرفته است شکل‌های اولیه‌ی موجودات زنده به وجود آمده باشند.
دومین مرحله، مرحله‌ی ساخت بی‌هوازی مواد است. در این مرحله، احتمالاً اولین موجودات زنده‌ی واقعی، انرژی لازم را از اکسایش محدود مواد غیرزیستی به دست می‌آوردند. این موجودات از گاز هیدروژن استفاده می‌کردند تا دی اکسید کربن موجود در جو را احیا کنند و مواد نشاسته‌ای بسازند تا سپس از آن‌ها به عنوان منبع انرژی در اکسایش ناقص استفاده کنند. مرحله‌ی سوم عبارت است از ساخت نوری غیرمستقیم و بی‌هوازی مواد. در حقیقت در این مرحله نخستین نوع بدوی دستگاه نورساخت یا فوتوسنتز در موجودات پدیدار شد. این امر هنگامی اتفاق افتاد که موجودات به وجود آمده در مرحله‌ی دوم از خاصیت جذب نور در پورفیرین‌های درون سیتوپلاسم استفاده کردند و با این کار انرژی نور را به دام انداختند و هم‌چنین تا حدی به اکسیده کردن مواد نشاسته‌ای که از راه شیمیایی ساخته می‌شدند پرداختند. مرحله‌ی چهارم عبارت است از مرحله‌ی ساخت نوری مستقیم و بی‌هوازی مواد. در این مرحله، پس از مرحله‌ی سوم، موجوداتی بی‌هوازی پیدا شدند که تنها از انرژی تابشی خورشید برای ساخت مولکول‌های مواد آلی استفاده می‌کردند. مرحله‌ی پنجم عبارت است از مرحله‌ی تجزیه‌ی آب. درواقع اکسیژن جو در این مرحله با تجزیه‌ی مولکول‌های آب تأمین شد. در این مرحله گام مهم لازم در تکامل نورساخت یا فوتوسنتز وقتی برداشته شد که موجودات قادر شدند آب را برای به دست آوردن هیدروژن مورد نیاز خود تجزیه کنند. مرحله‌ی ششم، مرحله‌ی اکسیژن‌دهی به ترکیب‌های کربنی است. در این مرحله‌ی نهایی مهم از تاریخ حیات بر روی زمین، موجودات زنده‌ای تکامل یافتند که قادر شده بودند از اکسیژن برای اکسید کردن مواد نشاسته‌ای استفاده کنند و با این کار انرژی‌ای آزاد کنند که بسیار بیش از انرژی آزاد شده در فرایندهای بدوی تخمیر بود.
زمین دارای عمری چهار و نیم تا پنج میلیارد ساله است و در این عمر طولانی تنها در دوره‌ای اخیر و تازه اکسیژن آزاد در جو پدیدار شد. برای پیدایش اکسیژن آزاد در جو سه مرحله تعیین شده است: در نخستین مرحله، میزان اکسیژن جو تنها در حدود یک درصد میزان اکسیژن فعلی جو بود. این مرحله احتمالاً مربوط به حدود شش‌صد میلیون سال قبل است. در مرحله‌ی دوم، اکسیژن جو در حدود ده درصد میزان اکسیژن فعلی جو بود. این مرحله احتمالاً مربوط به حدود چهار صد میلیون سال قبل است. میزان اکسیژن در این مرحله برای حفاظت از خاک در برابر پرتوهای فرابنفشِ دارای طول موج کوتاه کافی بود و باعث شد که گیاهان که تا قبل از آن ناگزیر در زیر آب زندگی می‌کردند سراسر خاک را فراگیرند و به این ترتیب باعث افزایش اکسیژن جو شوند و زمینه را برای بسط زندگی جانوری فراهم سازند. در مرحله‌ی سوم که احتمالاً مربوط به سی‌صد و چهل میلیون سال قبل می‌شود میزان اکسیژن جو به بیست درصد میزان فعلی اکسیژن جو رسید. در این مرحله با پیدایش دوزیستان، زندگی جانوری بر روی زمین شروع به گسترش نهاد.
بر روی برگ‌های گیاه سبزی در زیر آب حباب‌هایی سرشار از اکسیژن تشکیل می‌شود که نشان دهنده‌ی این هستند که یک واکنش فوتوسنتزِ اکسیژن‌ساز در کار است. مولکول دواتمی اکسیژن فراورده‌ی واکنشی انجام یافته تحت تأثیر نور است که در آن از جفت‌های مولکول آب چهار الکترون و چهار پروتون گرفته می‌شود. باکتری‌های فوتوسنتزی بی‌هوازی قادر به تجزیه‌ی آب به این طریق نیستند و باید الکترون‌های اساسی مورد نیاز خود را از منابعی دیگر تأمین نمایند. مواد نشاسته‌ای در فرایند شیمیایی ترکیب با دی اکسید کربن جو و آب در زیر تابش خورشید توسط گیاهان ساخته می‌شوند. در این واکنش شیمیایی، اکسیژن مولکولی آزاد می‌شود. در این فرایند شیمیاییِ آزاد کننده‌ی اکسیژن، نقش اصلی را کلروفیل بازی می‌کند. درحقیقت وجود اکسیژن چنان ملازم با زندگی انسان است که برای انسان قابل تصور نیست که موجودات زنده‌ی ساده در صدها میلیون سال قبل بدون اکسیژن زندگی می‌کردند. درواقع اصلاً اکسیژن برای موجودات بی‌هوازی اولیه ماده‌ای سمی تلقی می‌شده است زیرا باعث ربایش الکترون‌های اساسی سلول‌هایشان می‌شده است. از طرفی می‌دانیم که این یاخته‌های بی‌هوازی قادر به انجام نوعی فوتوسنتز (یا نورساخت) بودند و این مسأله در حالی که می‌دانیم تمام اکسیژن جو بر اثر فرایند فوتوسنتز به وجود آمده است شگفت‌آور است. در فرایند فوتوسنتز، دی‌اکسید کربن جو احیا شده و با استفاده از انرژی آفتاب، مواد آلی ساخته می‌شود. فرایند دقیق ساخت اکسیژن در طی عملیات فوتوسنتز تا مدت‌ها روشن نبود. در حال حاضر می‌توان این فرایند را به تفصیل تحت عنوان چرخه‌ی اکسایش آب، که در آن پس از چهار مرحله یک مولکول اکسیژن تولید می‌شود، شرح داد.
وظیفه‌ی اساسی عملیات فوتوسنتز این است که این امکان به یاخته‌ها داده شود که با جذب انرژی تابشی خورشید، دی اکسید کربن را به مواد نشاسته‌ای تبدیل کنند. در این میان تولید اکسیژن هدف نبوده است و لذا اهمیتی نداشته است و به همین دلیل است که یاخته‌های بی‌هوازی در گذشته‌های دور قادر به انجام عملیات فوتوسنتز بدون ساختن مولکول اکسیژن بودند و هنوز هم به این کار ادامه می‌دهند. اما پرسشی که مطرح می‌شود این است که اگر اکسیژن سمی است چرا اصولاً گیاهان سبز فعلی و نیاکان آن‌ها آن را در فرایند فوتوسنتزی که اختیار کرده‌اند تولید می‌کنند و فرایندی از فوتوسنتز را که مستلزم تولید اکسیژن نیست اختیار نکرده‌اند. برای پاسخ به این پرسش باید نخست فرایند سوخت و ساز انرژی را بررسی نماییم. منبع بی‌کران انرژی بر روی زمین تابش آفتاب است. قرار است این انرژی به نحوی مدیریتِ ادامه‌ی حیات بر روی زمین را به عهده داشته باشد. اما این انرژی مستقیماً توسط یاخته‌ها قابل ذخیره و استفاده نیست و برای ذخیره و استفاده از آن باید نخست به صورتِ ذخیره شدنی و قابل استفاده‌ترِ انرژی (پتانسیل) شیمیایی تبدیل شود. در این تبدیل انرژی، الکترون‌ها نقشی اساسی بازی می‌کنند. درحقیقت شناسایی بسیاری از واکنش‌های پرانرژی در یاخته‌ها بر پایه‌ی رد و بدل کردن الکترون‌ها در میان مولکول‌ها صورت می‌گیرد. از این رو یاخته‌ها برای تداوم زندگی نیازمند دسترسی به منابعی از الکترون جهت مبادله هستند. فوتوسنتز بی اکسیژنی که توسط باکتری‌ها صورت می‌گیرد عموماً توأم با اکسایش است و یا این که در طی آن‌ها باکتری‌ها الکترون‌ها را از اسیدهای آلی و ترکیب‌های ساده‌ی آلی به دست می‌آورند. ولی این اسیدها و ترکیبات آلی ساده تقریباً نادر هستند و از همین رو باکتری‌های بی‌هوازی در حال حاضر تنها در چشمه‌های گوگردی یا در ته دریاچه‌ها و محیط‌هایی مشابه این‌ها وجود دارند زیرا در این محیط‌هاست که مقادیری کافی از مولکول‌های یاد شده وجود دارد. اما بعضی از یاخته‌های فوتوسنتزی درحدود سه میلیارد سال قبل یاد گرفتند چگونه در تمام محیط‌ها پراکنده شوند و الکترون‌های مورد نیاز خود را از ماده‌ای که در همه‌ی محیط‌ها به میزان فراوانی وجود دارد، یعنی آب، به دست آورند. آن‌ها یاد گرفتند برای این کار مولکول آب را تجزیه کنند و آن را به الکترون و پروتون، که همان هسته‌ی هیدروژن است، و مولکول دو اتمی اکسیژن تبدیل کنند. در این فرایند آن‌چه برای آن‌ها اهمیت داشت الکترون‌ها و پروتون‌های آزاد شده بود که در فرایند انرژی‌سازی و ذخیره‌ی انرژی نقش بارزی ایفا می‌کردند، و مولکول اکسیژن تنها محصول فرعی واکنش بود. به این ترتیب برای موجودات فوتوسنتزی، ایجاد اکسیژن واقعه‌ای ناخواسته و غیرقابل اجتناب بود که نفساً لااقل در مراحل اولیه سودمندی‌ای برای آن قابل تصور نبود و وجود آن تنها به خاطر توانایی بهره‌گیری یاخته‌های فوتوسنتزی از آب و دست‌اندازی به محیط‌های جدیدتر و متنوع‌تر اهمیت داشت.
آن چه توضیح داده شد در چرایی تولید اکسیژن در فرایند فوتوسنتز بود. اما این که یاخته‌ها چگونه در طی این فرایند اکسیژن می‌سازند مسأله‌ی بسیار پیچیده‌تری است. برای یاخته‌های فوتوسنتز کننده، دست‌یابی به قدرت استفاده از آب به منزله‌ی منبع الکترون کار چندان ساده‌ای نبود و نیاز به چندین تغییر در سازوکار ثابت فوتوسنتز داشت. باکتری‌های فوتوسنتزِ بی‌اکسیژن تنها قادر بودند با استفاده از نور خورشید اکساینده‌ها یا مولکول‌های پذیرنده‌ی الکترونی بسیار ضعیف را به کار اندازند در حالی که از طرف دیگر مولکول‌های آب خود نیز رغبتی به از دست دادن الکترون ندارند. به همین دلیل اگر قرار بود از مولکول‌های آب الکترون گرفته شود لازم بود در فرایند فوتوسنتز، اکساینده‌هایِ ضعیف اشاره شده با نوع بسیار قوی‌تری جای‌گزین شود. حتی وقتی چنین می‌شد هنوز انرژی حاصل از یک فوتون نور مرئی برای تجزیه‌ی یک مولکول آب کافی نبود و تنها با گرفتن انرژی از چهار فوتون تجزیه‌ی دو مولکول آب ممکن می‌بود که حاصل آن آزادی چهار الکترون و چهار پروتون می‌بود. اما با همه‌ی این‌ها چنین مکانیسمی اشکال دیگری پیش می‌آورد که ناشی از این بود که یک دستگاه فوتوشیمی در هر نوبت تنها قادر به به‌کارگیریِ تنها یک الکترون است. یاخته‌های فوتوسنتزی برای فائق آمدن بر این مشکل کاتالیزورهای ویژه‌ی شکافتنِ آب را پدید آوردند و در چرخه‌ی اکسایش آب به کار گرفتند. کاتالیزور ماده‌ای است که با دخالت در واکنش سرعت انجام واکنش را تغییر می‌دهد و در پایان به همان اندازه جزو محصولات واکنش حضور دارد. یاخته‌ها اقدام به تولید کاتالیزورهایی زیستی به نام آنزیم می‌نمایند. آن‌چه که مراحل بینابینی واکنش تجزیه‌ی آب را در فوتوسنتز تنظیم می‌کند تا انتقال تک‌تک الکترون‌ها را مقدور سازد عبارت است از چرخه‌ی اکسایش آب که یکی از مکانیسم‌های اساسی و انحصاری زیست شیمی است. دانشمندان در سال‌های اخیر توانسته‌اند مطالب فراوانی راجع به چرخه‌ی اکسایش آب و موقعیت آن در فرایند فوتوسنتز جمع‌آوری کنند.
واکنش‌های ابتدایی فوتوسنتز در گیاهان عالی در درون ساختار یاخته که به کلروپلاست موسوم است در غشاهای تیلاکوئید صورت می‌گیرند. غشاهای تیلاکوئید کیسه‌های تخت پر از مایعی هستند که به صورت ورقه‌ای در کلروپلاست قرار دارند. خود کلروپلاست اندامکی محسوب می‌شود که همه‌ی گیاهان به جز باکتری‌ها، جلبک‌های آبی و سبز و قارچ‌ها واجد آن هستند و فوتوسنتز در آن صورت می‌گیرد. اصولاً اندامک‌ها بر حسب رنگ‌دانه‌ی خود طبقه‌بندی می‌شوند و اندامک کلروپلاست به خاطر یکی از اجزایش که کلروفیل (یا سبزینه) است کلروپلاست نامیده شده است. غشاهای تیلاکویید در درون خود حاوی مجموعه‌های گوناگونی از پروتئین هستند که هر کدام به نوبه‌ی خود در واکنش فوتوسنتز مشارکت دارند. در یاخته‌های همه‌ی موجوداتی که دارای فوتوسنتز اکسیژنی هستند، مثل سیانوباکتری‌ها، جلبک‌ها و سایر گیاهانی که رنگ‌دانه‌ی کلروفیل دارند، مجموعه‌ای از پروتئین‌ها و رنگ‌دانه‌ها تحت عنوان فوتو سیستم دو شناخته شده است که پیدایش مولکول اکسیژن کلاً درون آن صورت می‌گیرد. وظیفه‌ی اساسی و اولیه‌ی فوتوسیستم دو ایفای نقش انباره و ذخیره‌ی انرژی است که این کار با جداسازی و تثبیت بارهای مثبت و منفی در سطوح غشای تیلاکوئید صورت می‌گیرد. جهت انجام این کار، آرایه‌ای از رنگ‌دانه‌های فوتوسیستم دو یک فوتون را جذب می‌کند و انرژی نوری آن را برای جداسازیِ بارهای الکتریکی به کار می‌گیرد. هماهنگ نمودن کارها در فرایند پیچیده‌ی تبدیل انرژی نور به جداسازی بارها محتاج هم‌کاری پُلی پپیدها و پروتئین‌های تخصص یافته در فوتو سیستم است. این پلی پپیدها درواقع پلیمرهای خطی اسیدهای آمینه هستند که تحت توالیِ معینی نظم یافته‌اند و غالباً در آن‌ها صدها اسید آمینه در طول یک‌دیگر قرار گرفته‌اند. یادآوری می‌شود که به پیوند شیمیایی دو یا چند مولکول ماده که به تنهایی مونومر خوانده می‌شوند و برای ساختن مولکول‌های بزرگ‌تر صورت می‌گیرد پلیمر گفته می‌شود مثل گلیکوژن که پلیمر گلوکز است. یک یا چند پلی پپتیدِ تا شده در ساختارهایی درهم ولی منظم، پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهند. واکنش‌های انتقال الکترون در فوتوسیستم دو در آن چیزی که مرکز واکنش نام گرفته است رخ می‌دهد. در این مرکز واکنش، اجزای ساختمانی عمده عبارتند از دو پلی پپتید بزرگ موسوم به D1 و D2 و پروتئین کوچکی به نام بی پانصد و نود و نه. در سطح درونی غشای تیلاکوئید، پُلی پپتید دیگری با وزن مولکولی سی و سه کیلو دالتون (دالتون واحد جرمی‌ای است برابر با یک شانزدهم جرم اتم اکسیژن) و حداقل دو تای دیگر با وزن‌های مختلف به هم می‌پیوندند. این پلی پپتیدها، جای‌گاهی برای تثبیت رنگ‌دانه‌ها و سایر مولکول‌های فوتوسیستم دو که واکنش‌های انتقال الکترون و اکسیژن‌سازی را به عهده دارند هستند. البته معلوم شده است که پلی پپتیدهای دیگری با فوتوسیستم دو در ارتباط هستند ولی عمل و نقش آن‌ها هنوز شناخته نشده است. هم‌چنین معلوم شده است که چند یون آلی و اتم باردار مثل منگنز، کلرید، کلسیم، آهن، و بی‌کربنات، نقش کاتالیزور را در انتقال اتم بازی می‌کنند و به حفظ ساختار پروتئینی یا تنظیم فعالیت دستگاه نوری می‌پردازند. به علاوه، انرژی نورانی توسط تعداد فراوانی مولکولِ کلروفیلِ گیرنده (آنتن) گردآوری می‌شود که سپس این مولکول‌ها به نحوی کارامد این انرژی جمع شده را به مرکز واکنش می‌فرستند. هر مرکز واکنش با صدها مولکول رنگ‌دانه‌ی آنتن در ارتباط است. از آن‌جا که فوتوسیستم دو چنان که ملاحظه شد دارای ساختار پیچیده‌ای است بسیاری از پیش‌رفت‌هایی که در درک آن حاصل شده است ناگزیر از بررسی‌های مجموعه‌هایی مشابه در باکتری‌های فوتوسنتزی حاصل شده‌اند. در این زمینه کارهای یوهان دایرنهوفر، رابرت هیوبر، و هارتموت میچل که به روشن سازی ساختار مرکز واکنش فوتوسنتزی در باکتری رودوپسو دوموناس ویریدنس منجر شد برای ایشان جایزه‌ی نوبل شیمی سال هزار و نهصد و هشتاد و هشت میلادی را به ارمغان آورد.
اختلاف‌های فراوانی بین مجموعه‌های فوتوسنتزی باکتری‌ها و گیاهان وجود دارد. عمده‌ترین این اختلاف‌ها که پیش‌تر در مورد آن توضیح داده شد این است که در فرایند فوتوسنتز، باکتری‌ها اکسیژن مولکولی تولید نمی‌کنند. هم‌چنین باکتری‌ها در فوتوسنتز خود متکی به وجود کلروفیل نیستند بلکه اتکای آن‌ها به رنگ‌دانه‌ی باکتریوکلروفیل است که در حالی که اکسید کننده‌ی ضعیفی است دارای بیشترین جذب نور در طول موج‌های بسیار بلند است. اما البته مجموعه‌های فوتوسنتزی باکتری‌ها نقش کاتالیزوری را برای واکنش تبدیل انرژی نور بازی می‌کنند و با گذراندن این انرژی از غشای زیستی آن را به انرژی پتانسیل شیمیایی تبدیل می‌کنند. با بررسی‌های مقایسه‌ای باکتریایی از نوعی که بیان شد آن‌چه به نظر می‌رسد این است که کیفیت حمل الکترون در مرکز واکنش دو، دارای پنج قسمت است: رنگ‌دانه‌ی کلروفیل که کارش دهندگی اولیه‌ی الکترون است، دومین دهنده‌ی الکترون که به زِد موسوم است که کلروفیل را احیا می‌کند به این معنا که الکترونی که کلروفیل از دست داده را جای‌گزین می‌نماید، فئوفیتون که رنگ‌دانه‌ای است که از کلروفیل الکترون می‌گیرد، پلاستوکینون اولیه‌ی گیرنده‌ی الکترون به نام QA، و کینون ثانویه‌ی گیرنده‌ی الکترون به نام QB. این گونه به نظر می‌رسد که جفت ویژه‌ای مولکول کلروفیل که از حیث شیمیایی همانند بسیاری از رنگ‌دانه‌های گیرنده‌ی نور هستند ولی در عمل‌کرد با آن‌ها متفاوتند، تشکیل دهنده‌ی رنگ‌دانه‌ی کلروفیل در مرکز واکنش باشند. به این رنگ‌دانه‌ها یا پیگمان‌ها پی شش‌صد و هشتاد گفته می‌شود زیرا نوری که دارای طول موج شش‌صد و هشتاد نانومتر است را به شدت جذب می‌کنند. با هم‌کاری کاربریجت بری و ریچارد دیباس از دانشگاه ایالتی میشیگان و ویلم ورماس از دانشگاه ایالتی آریزونا در سال 1988 میلادی زِد به عنوان یکی از اسیدهای آمینه در درون پُلی پپتید D1 تمیز داده شد. هم‌چنین معلوم شده است که کینون QA به طور تنگاتنگی به مجموعه‌ی فوتوسیستم چسبیده است ولی QB می‌تواند بعد از دریافت الکترون به طور آزادانه‌ای بین مجموعه‌های پروتئینی پخش شود. وقتی عمل فوتوسنتز اتفاق می‌افتد فوتونی توسط رنگ‌دانه‌های گیرنده جذب می‌شود و این رنگ‌دانه‌ها انرژی فوتون را به طرف پی شش‌صد و هشتاد که در مرکز واکنش واقع است می‌رانند. این انرژی تحریک کننده در آن‌جا باعث جدایی بار می‌شود و خود پی شش‌صد و هشتاد را به حالت تحریک شده درمی‌آورد و با این کار سریعاً به فئوفیتون همسایه الکترون می‌دهد. در این حال فئوفیتون دارای اضافه بار منفی است در حالی که در پی شش‌صد و هشتاد یک حفره با بار مثبت تشکیل شده است زیرا در آن‌جا الکترونی با بار منفی از دست رفته است و این ماده تبدیل به یک رنگ‌دانه‌ی مثبت شده است (یون مثبت پی شش‌صد و هشتاد). جدایی بارها وقتی گسترده‌تر می‌شود که فئوفیتون الکترون اضافی خود را به QA بدهد. هنگامی فاصله باز هم بیشتر می‌شود که زِد الکترونی به یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد بدهد و خود دارای بار مثبت شود و QA الکترون اضافی را به QB بدهد. باید گفت که انتقال‌های بار با سرعت صورت می‌پذیرد و به ویژه انتقال آغازین الکترون از پی شش‌صد و هشتادِ تحریک شده به فئوفیتون، آنی، و در واقع در حد چند تریلیونیم ثانیه، صورت می‌گیرد. چیزی که باعث تداوم جاذبه‌ی متقابل بارهای مثبت و منفی می‌شود انتقال گام به گام الکترون‌هاست، اما به هر حال چرخه‌ی فوتوسنتزی فوتوسیستم دو تا هنگامی که همه‌ی اجزای مکانیسم واکنش، به منظور آماده شدن برای شروع دوباره‌ی فرایند جداسازی بار، مجدداً از نظر الکتریکی خنثی نشوند کامل نیست. اما به واقع چگونه QB بار منفی را از سر خود باز می‌کند و چگونه زِد به بازیابی الکترونی که از دست داده است می‌پردازد؟ پاسخ در مورد دستگاه QB نسبتاً ساده است. بعد از آن که QB به واسطه‌ی دو چرخه‌ی جذب فوتون، دو الکترون و دو پروتون به دست آورد QB که دو بار احیا شده است به خارج از مجموعه‌ی فوتوسیستم دو نشت می‌کند و QB احیا نشده جای آن را می‌گیرد. الکترون‌ها و پروتون‌های QB که می‌تواند آزادانه حرکت کند به مجموعه‌ای دیگر در مسیر فوتوسنتز حمل می‌شوند. و سرانجام از پروتون‌های آزاد شده در سطح درونی غشای تیلاکوئید برای ساخت آدتوزین تری فسفات بهره‌برداری می‌شود. این ماده، ترکیبی اساسی برای سوخت و ساز یاخته است. در انتهای دیگرِ فوتوسیستم دو، برای زِد، به دست آوردن الکترونی که به آن برای برگشت به حالت اصلی‌اش نیاز دارد بسیار مشکل‌تر است. این الکترون باید از ماده‌ای اکسایش‌پذیر در محیط اطراف یاخته به دست آید. در این رابطه اسیدهای آلی مانند استات، مالات و سوکسینات و ترکیبات ساده‌ی غیرآلی مثل سولفید و تیوسولفات می‌توانند منبع مناسبی برای الکترون باشند و درواقع باکتری‌های فوتوسنتزی بی‌اکسیژن همین‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهند؛ در این باکتری‌ها که فاقد زِد هستند الکترونی توسط پروتئین سیتوکرومی به جفت کلروفیل‌های ویژه‌ی اکسید شده در مرکز واکنش انتقال می‌یابد.
مولکول آب مولکولی است که دارای فراوانی خیلی بیش‌تری نسبت به اسیدهای آلی است و بنابراین به طور بالقوه به عنوان سرچشمه‌ی الکترونی غنی‌تری محسوب می‌شود. اما باید توجه داشت که گرچه شدت اکسید کنندگی یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد زیاد است به تنهایی برای گرفتن الکترون‌های آب کافی نیست.
نکته در این‌جاست که در واکنش اکسید کننده‌ی آب به طور هم‌زمان چهار الکترون آزاد می‌شود در حالی که پی شش‌صد و هشتاد مثبت در هر وهله تنها قادر به دریافت یک الکترون است. از همین رو این امر برای پژوهش‌گران دهه‌های گذشته روشن شد که قاعدتاً باید مکانی کاتالیزوری در نزدیکی زِد وجود داشته باشد تا درواقع پی شش‌صد و هشتاد بتواند فرایند اکسایش را طولانی‌تر نماید. چنین کاتالیزوری که تجزیه کننده‌ی آب است باید با دو مولکول آب در هم آمیزد و در جریان فرایند تدریجی اکسایش، آن‌ها را تثبیت نماید تا یکی‌یکی الکترون‌ها گرفته شوند. این جستجوی چنین کیفیتی بود که سرانجام منجر به کشف چرخه‌ی اکسایش آب شد. مشاهده‌ای که نشان می‌داد که سرعت رسیدن همه‌ی الکترون‌ها به مولکول کلروفیل یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد یکسان نیست و زمان انتقال مشاهده شده برای الکترون‌ها دارای تغییر تناوبی است سرنخ مهمی در شناخت چگونگی کارکرد این کیفیت بود. درحقیقت این موضوع توسط انجام آزمایش‌هایی نشان داده شد که در آن‌ها مراکز واکنشِ دارای غشای فوتوسیستم دو نخست در تاریکی و سپس در معرض تابش کوتاه مدت نور قرار داده شد. نه تنها هر تابش بسیار شدید است بلکه تا آن حد کوتاه مدت هم هست که میانگین تعداد ارسال فوتون به فوتوسیستم تنها یک باشد. این نتیجه از مشاهده به دست می‌آید که یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد در تاریکی به اندازه‌های متفاوتی که بستگی به تابش نور دارد اقدام به دریافت الکترون می‌نماید. به عنوان مثال، زمان مورد نیاز برای بازگشت نیمی از یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به پی شش‌صد و هشتاد برابر است با بیست میلیاردم ثانیه پس از تابش اول و پنجم، اما این زمان پس از دومین، سومین و چهارمین تابش طولانی‌تر است. دوره‌ی تغییر زمان بازگشت عبارت است از یک بار در هر چهار تابش. دوره‌ی چهارگانه این گونه القا می‌نماید که واکنشی چرخه‌ای در چهار گام، الکترون‌ها را به مرکز واکنش می‌دهد.
این گونه جستارها در ارتباط با عمل‌کرد پی شش‌صد و هشتاد دارای اهمیت ویژه‌ای بودند. پیش از این در سال 1969 میلادی پی‌یر ژولیو از مؤسسه‌ی زیست‌شناسی، فیزیک و شیمی در پاریس، نشان داده بود که دوره‌ای چهارگانه در تولید فوتوسنتزی اکسیژن در کار است. او به وسیله‌ی اسباب اندازه‌گیری بسیار حساس الکترود پلاتین که به کم‌ترین اثر وجودی اکسیژن واکنش نشان می‌داد به اندازه گیری مقدار گازی پرداخت که پس از هر دور پرتوتابی حاصل می‌شد. مولکول اکسیژنی پس از اولین پرتو در کار نبود. پس از دومین پرتو نیز مولکول اکسیژنی در کار نبود یا این که مقدار بسیار کمی اکسیژن وجود داشت. ولی ماکزیمم رها شدگی گاز، پس از سومی رخ داد. بعد از آن، دامنه‌ی مولکول اکسیژنِ آزاد شده دوره‌ای چهارگانه پیدا می‌کرد و رفته رفته تفاوت از بین می‌رفت یا کاهش می‌یافت. بسل کاک از آزمایش‌گاه‌های مارتین ماری بتا در سال 1970 میلادی به ارائه‌ی فرضیه‌ی پیشنهادی ساده‌ای پرداخت. نظریه‌ی او سپس به عنوان ساعت یا چرخه‌ی اکسایش آب شناخته شد. به عقیده‌ی کاک مجموعه‌ی اکسیژن‌ساز در فوتوسیستم دو به چند حالت گوناگونِ واگذاری قادر است نقش اکسید کنندگی داشته باشد که او آن‌ها را S، در اشاره به معادل انگلیسی کلمه‌ی حالت، نامید. هرچند او قادر نبود دقیقاً به تعریف شیمیایی حالت‌های S بپردازد اما فرض نمود که هر حالت S مشارکت ویژه‌ی خود در سازوکار دوره‌ای چهارگانه را دارد. او توضیح داد که چرخه یا ساعت در تاریکی در یکی از دو حالت S که عبارتند از S0 و S1 قرار می‌گیرد. S1 حالت برتر و پایدارتر است که دارای یک هم‌ارز یا اکی‌والان اکسید کننده بیشتر از S0 است. به بیان دیگر مجموعه مولکول‌های مربوط به S1 دارای یک الکترون کم‌تر از مجموعه‌ی S0 است. به هر حال اما مبنای برتری S1 هنوز شناخته نشده است. پس از انجام یک تابش، پی شش‌صد و هشتاد به یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد تبدیل می‌شود و لازم است سرانجام توسط الکترونی احیا شود. کاک این گونه فرض می‌نمود که لازم است چرخه دچار تغییری شود تا به حالت متعاقب عالی‌تر اکسید کنندگی برسد. او این تغییر را این گونه می‌دید: چرخه‌ای که از S1 شروع می‌کند به S2 می‌رود و چرخه‌ای که از S0 شروع می‌کند به S1 می‌رود. علت این روی‌دادِ گذر، رها شدن یک الکترون از چرخه برای تبدیل یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به خود پی شش‌صد و هشتاد است. تابش دوم باعث ایجاد یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد دیگری می‌شود و S2ها را به S3 پیش می‌راند، و تابش سوم، S3ها را به S4 تبدیل می‌کند. وقتی که چرخه به حالت S4 می‌رسد چهار الکترون آزاد می‌نماید و آماده‌ی کامل کردن واکنش تجزیه‌ی آب خواهد بود. آن‌گاه این چرخه اقدام به جداسازی چهار الکترون از دو مولکول به‌هم چسبیده‌ی آب می‌نماید و مولکول اکسیژن، O2، را رها می‌سازد و از S4 به S0 برمی‌گردد و آغاز مجدد چرخه را امکان‌پذیر می‌سازد. این وضعیت، شباهت به وضع یک دونده‌ی بیس بال دارد که در آن لازم است بازیگر به توالی از هر چهار پایگاه بگذرد و به جایی که شروع کرده برای شروعی مجدد برگردد. در صورتی که بازیگر مرحله‌ای را از دست بدهد احتمال دارد ببازد، هم‌چنین این احتمال هم وجود دارد که پیش‌رفت، درست از مرحله‌ای به مرحله‌ی بعدی نباشد. به عنوان نمونه احتمال کمی وجود دارد که S1 پس از تابش به S2 تغییر نیابد زیرا این احتمال هست که فوتوسیستم به نحو مؤثری از فوتون استفاده نکرده باشد و همین‌طور احتمال اندکی وجود دارد که فوتوسیستم، درصورتی که تابش‌ها بسیار کوتاه نباشند، در یک تابش اقدام به جذب دو فوتون نماید و چرخه‌ی اکسید کننده‌ی آب تنها در یک گام از S1 به S3 برود هرچند بر سر راه خویش از S2 بگذرد. مشاهدات ژولیو توسط فرضیه‌ی کاک در زمینه‌ی عمل چرخه‌ی اکسیژن سازی توجیه شد. ماکزیمم رهایی اکسیژن هنگامی رخ می‌دهد که چرخه از S3 به S4 و S0 شیفت پیدا می‌کند و به طور خود به خودی اکسیژن آزاد می‌کند زیرا بیشتر چرخه‌ها در نمونه‌ای که با تاریکی تطبیق داده شده باشد در حالت S1 هستند. چرخه‌ای که از حالت S0 آغاز کرده باشد بعد از چهارمین تابش اقدام به رهاسازی مولکول اکسیژن می‌کند و همین امر نشان دهنده‌ی این است که چرا در این حالت آزاد سازی اکسیژن کم است. چیزی که می‌تواند علت میرا شدن تدریجی نوسان‌های رهایی مولکول اکسیژن را روشن کند عبارت است از اشتباهات تصادفی که بر اثر عقب ماندن چند مرحله به هنگام تابش یا جلو رفتن به دو حالت S روی می‌دهد. این فرایندها باعث می‌شوند که بازده چرخه‌ها در نمونه به کندی ناهم‌زمان شوند. تعادلی پس از چندین تابش برقرار می‌شود که در آن تعداد چرخه‌های S0، S1، S2، و S3 تقریباً یکسان می‌شوند و پس از هر تابش بازده اکسیژن ثابت می‌ماند. می‌توان این وضعیت را به اتاقی پر از ساعت تشبیه نمود که در ابتدا هر کدام سر ساعت با صدای بلند و هماهنگ زنگ می‌زنند اما اندک‌اندک که ساعت‌ها نسبت به یک‌دیگر جلو یا عقب می‌افتند صدای آهنگ مداوم و ملایمی در اتاق حکم‌فرما می‌شود.
هرچند کشف چرخه‌ی اکسایش آب به وسیله‌ی ژولیو و کاک ابهامی که در چگونگی تولید اکسیژن وجود داشت را با ارائه‌ی مکانیسم فرضی نوینی مرتفع ساخت اما توضیحی برای چگونگی ساخت فیزیکی چرخه یا اثر متقابل چرخه و مولکول‌های آب نداشت. از همین رو به زودی جستجوی وسیعی برای دریافت ماهیت شیمیایی خازن بار در چرخه، که ماده یا موادی است که حالت‌های متغیر اکسایشِ آن سازنده‌ی حالت‌های S است، آغاز گردید. فرض از همان ابتدا بر این بود که این عنصر گریزان، اتمی فلزی است. اتم‌های چسبیده به پروتئین‌ِ فلزهای واسطه‌ای مثل منگنز، آهن و مس، به خاطر قابلیتشان در داد و ستد تناوبی الکترون‌ها، نامزدهای خوبی برای به کار گرفته شدن به عنوان کاتالیزور واکنش‌های اکسایش و احیا هستند. این گونه تصور می‌شود که دست‌کم منگنز قسمتی از خازن بار را می‌سازد چون همان‌گونه که از مدت‌ها قبل معلوم بوده است تولید مولکول اکسیژن جز با حضور چهار اتم منگنز برای هر مولکول پی شش‌صد و هشتاد در فوتوسیستم دو صورت پذیرفتنی نیست. می‌دانیم که منگنز کاتالیزور شناخته شده‌ای در واکنش‌های انتقال الکترون در آنزیم‌های دیگر است. این عنصر هم‌چنین قادر است از عهده‌ی چند حالت نسبتاً ثابت اکسایش از نوع 2+ و 7+ برآید، و این به این معناست که یون‌های منگنز قادرند به نسبت در دو تا هفت الکترون با سایر اتم‌ها شریک باشند. وقتی که این عنصر فلزی به مولکول درشتی مثل پروتئین می‌چسبد به این حالتِ اکسایش معمولاً به صورت منگنز (II)، منگنز (III)، و امثالهم ارجاع می‌شود.
از آن‌جا که برخی از کمپلکس‌های فلزی قادرند شکل‌های خاصی از تابش‌های الکترومغناطیسی را جذب نمایند دانشمندان توانسته‌اند با بهره‌گیری از روش متداول موسوم به طیف نمایی یا اسپکتروسکوپی که در آن از خاصیت گفته شده‌ی فلزات استفاده می‌شود به دفعات پروتئین‌های حاوی فلز را تجزیه و تحلیل نمایند. در صورتی که جذب گفته شده با دقت اندازه گیری شود می‌تواند هم‌چون اثر انگشت طیف نمایی در مورد فلز مورد استفاده قرار گیرد و سرنخی را به دست دهد که به ساختمان هسته‌ای یا الکترونی پروتئین منتهی می‌شود. به ویژه طیف‌نمایی برای بررسی ترکیب‌های منگنز بسیار مناسب است. کمپلکس‌های بسیاری از فلز منگنز که در فرایندهای زیست‌شناسی حضور دارند پارامغناطیس هستند زیرا در آن‌ها اتم منگنز دارای الکترون‌هایی است که اسپین‌های جفت نشده دارند و همانند آهن‌رباهای میله‌ای کوچکی دارای برهم‌کنش شدیدی با میدان مغناطیسی اطراف خود هستند. تاکنون از چند روش اندازه‌گیری بسیار حساس برای اندازه‌گیری خاصیت پارامغناطیسی منگنز استفاده شده است. یکی از مهم‌ترین این روش‌ها روش تشدید یا رزونانس پارامغناطیسی الکترون است. با استفاده از این روش، تغییرات ساختار الکترونی کمپلکس منگنز که دنبال کننده‌ی جذب نور در فوتوسیستم دو است مورد بررسی قرار گرفته‌اند. روش اطلاع دهنده‌ی دیگر عبارت است از تشدید مغناطیسی هسته که قادر است به طور غیر مستقیم به اندازه‌گیری خاصیت اتم‌های منگنز بپردازد. انجام این کار با دنبال کردن پروتون‌ها در مولکول‌های آب که با منگنز در تماس هستند صورت می‌گیرد. تاماس ویدرینسکی از دانشگاه ایلی نوی در دهه‌ی 1950 میلادی پیشرو استفاده از تشدید مغناطیسی هسته‌ای بود. تاکنون استفاده از روش طیف نمایی با پرتو ایکس در بررسی حالت‌های اکسایش و محیط فیزیکی اتم‌های منگنز در فوتوسیستم دو دارای کمک‌های باارزشی بوده است. در بررسی‌های دیگری که از ترکیب شیمیایی حالت‌های S صورت گرفته است طیف‌نمایی نوری مورد استفاده قرار گرفته است زیرا کمپلکس‌های منگنز دارای نوارهای منحصر به فردی از جذب در ناحیه‌ی فرابنفش طیف الکترومغناطیسی هستند. با همه‌ی این‌ها لازم است خاطر نشان شود که علیرغم دامنه‌ی کاربردی وسیع روش‌های طیف‌نمایی، دست دانشمندان در استفاده از این روش‌ها برای بررسی غشای فوتوسنتزی به خاطر وجود دو اِشکال عمده بسته است. نخستین اشکال ناشی از این حقیقت است که غشا ساختاری پیچیده دارد و بسیاری از اجزای آن طیف‌های جذبی را پوشش می‌دهند. اشکال دوم این است که چون نه ساختار کمپلکس فوتوسیستم دو و نه ماهیت شیمیایی آن دقیقاً شناخته شده‌اند قادر نیستیم با دقتی قطعی به تفسیر داده‌های تجزیه‌ی طیف نمایی چرخه‌ی اکسید کننده‌ی بپردازیم. این باعث می‌شود که هنوز نتوانیم نتیجه‌گیری کنیم که چه چیزی تشکیل دهنده‌ی حالت‌های گوناگون S از لحاظ شیمیایی است. با همه‌ی این‌ها این امکان وجود دارد که تصویری موقتی برای آن ترسیم نماییم.
واضح است که اتم‌های منگنز در گذر از حالت های S دچار تغییراتی دینامیکی از جمله تغییرهایی در حالت‌های اکسایش می‌شوند. آن‌گونه که نمونه‌ی به کار گرفته شده توسط کاک القا می‌کند دوره‌ی چهاگانه‌ای در تغییرهای حالت اکسایش منگنز وجود دارد. کشفی شگفت‌آور این است که فزونی اکسایش اتم‌های منگنز در طول چرخه دارای نظم نیست. S2 بیش از S1 و S1 بیش از S0 اکسیده می‌شود اما تغییر آشکاری در حالت اکسایش موجود بین S2 و S3 دیده نمی‌شود. پس این‌گونه به نظر می‌رسد که بار مثبتی که چرخه در جریان گذر از S2 به S3 به دست می‌آورد قاعدتاً باید صرف جنبه‌ی دیگری غیر از اتم‌های منگنز در چرخه گردد. گاوینجی با هم‌کاری سوبهاش پادی و تاکِشی کانبارا و دیوید هندریکسان از دانشگاه ایلی نوی در سال 1986 میلادی پیشنهاد کردند که شاید بتوان انبار کردن بار مثبت را به اسید آمینه‌ی هیستیدین که یکی از پروتئین‌های چرخه است منسوب نمود. هم‌چنین پژوهش‌های انجام یافته توسط ملوین کلاین، کنت ساور و هم‌کارانشان از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و پژوهش‌های رابرت شارپ و هم‌کارانش از دانشگاه میشیگان در آن‌آریو به تعیین دقیق‌تر حالت‌های اکسایش برخی از اتم‌های منگنز کمک کرده است. در آزمایش‌های مربوطه، S0 با منگنز II، و S1 با منگنز III، و S2 با منگنز IV تمیز داده شده‌اند. این‌گونه به نظر می‌رسد که هم منگنز II و هم منگنز III در فوتوسیستم دو پایدار و دارای عمری طولانیند. این مشاهدات، تأیید کننده‌ی پیش‌گوییِ کاک درباره‌ی پایداری حالت‌های S0 و S1 هستند. برعکس، منگنز IV که همراه با S2 است میانجی نسبتاً گذرایی محسوب می‌شود. شواهدی که در دانشگاه هورست ویت دانشگاه فنی برلین گردآوری شده است نشان‌دهنده‌ی این است که در گذر از S0 به S1، یون منگنز II تبدیل به یون منگنز III می‌شود. تنها تبدیل دیده شده در گذرهای بعدی عبارت است از تبدیل از منگنز III به منگنز IV. بنا بر بررسی‌های تشدید مغناطیسی الکترون در دمای پایین که توسط چارلز دیس میوکس و یونا سیده‌رِر از دانشگاه پرینستون انجام گرفت نشان داده شد که حالت‌های S2 و S3 پای کمپلکس‌های چند هسته‌ای را حتی با چهار اتم منگنز به میان می‌آورند. به عنوان نمونه این امکان وجود دارد که حالت S2 گروه ظرفیتی مخلوطی از یک اتم منگنز III و یک اتم منگنز IV یا سه اتم منگنز III و یک اتم منگنز IV باشد. به‌طور خلاصه باید گفته شود تغییرات دینامیک در حالت‌های اکسایش اتم‌های منگنز که درون فوتوسیستم دو جای دارند قطعاً مربوط به تغییر در حالت‌های S در چرخه‌ی کاک هستند. در مورد شکل شیمیایی و الکترونی این حالت‌ها هنوز اطمینانی به‌دست نیامده است و تحقیقات دراین زمینه ادامه دارد.
آزمایش‌های مختلف به این اشاره دارند که احتمالاً منگنز به هیچ‌کدام از پُلی‌پپتیدهای ریزِ مجموعه‌ی فوتوسیستم دو چسبیده نیست. از این موضوع این نتیجه حاصل می‌شود که محتمل‌ترین مکان برای چسبیدن منگنز عبارت است از پُلی‌پپتیدهای درشتِ D1 و D2. گروهی از محققین پیشنهاد داده‌اند که مکان چسبیدن چهار منگنز روی D1 و D2 در سطح درونی پوسته‌ی تیلاکوئید است و گروهی دیگر نظر داده‌اند که منگنز در طول سطح برخورد D1 و D2 و پلی‌پپتید سی‌وسه چسبیده است. کلاین و ساور و هم‌کارانشان در برکلی و گراهام جورج و راجر پرینس از اکسون ریسرچ در آنان‌دیل نیوجرسی طیف‌نمایی‌هایی با پرتو ایکس انجام دادند که برخی از جزئیات ترتیب اتم‌های منگنز را آشکار ساخته است. به‌نظر می‌رسد در حالت S1 دو اتم بخشی از مجموعه‌ای دوهسته‌ای‌اند و تنها دو و هفت دهم آنگستروم با هم فاصله دارند (آنگستروم واحد طول برابر با یک ده میلیونیم میلیمتر است). جفت دیگر اتم‌های منگنز دارای فاصله‌ی بیش‌تری از یک‌دیگر هستند و می‌توان جایِ اتم‌ها را در چهارگوشه‌ی یک ذوزنقه درنظر گرفت. با انجام این بررسی‌ها درحال‌حاضر دارای آگاهی بیش‌تری در مورد ماهیت کاتالیزوری اتم‌های منگنز در جداسازی الکترون‌ها از آب برای احیای یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد هستیم. با این وجود، همه‌ی داستان به الکترون‌ها مربوط نمی‌شود. واکنش تجزیه‌ی آب هم‌چنین چهار پروتون به‌دست می‌دهد. آیا همه‌ی این چهار پروتون در آنِ واحد و هم‌زمان با رها شدن مولکول اکسیژن آزاد می‌شوند یا این که به‌تناوب همراه با الکترون‌ها آزاد می‌شوند؟ به این پرسش با اندازه‌گیری دقیق رها شدنِ پروتون در واکنش به یک رشته از تابش‌های آنی یا فلاش پاسخ داده شده است. از آن‌جا که با رها شدن پروتون قدرت اسیدی مایع اطراف افزایش می‌یابد زمان رها شدن پروتون را می‌توان با الکترودها و رنگ‌هایی که دارای حساسیت فراوانی نسبت به اسید هستند مورد بررسی قرار داد. فردریک فولر از آزمایش‌گاه مارتین ماری‌یتا و اندکی پس از او ساتام سافون و آنتونی کرافتس از دانشگاه بریستول انگلستان کشف کردند که به تناوب چهار پروتون آزاد می‌شوند: یکی در گذر از S0 به S1 رها می‌شود، هیچ پروتونی در گذر از S1 به S2 آزاد نمی‌شود، و یکی در گذر از S2 به S3، و دوتا در گذر از S3 به S4 به S0 آزاد می‌شوند. این کشفیات اثر مهمی بر درک کیفیت چرخه‌ی اکسایش آب دارند هرچند تفسیر آن‌ها به این بستگی دارد که پروتون‌های آزاد شده مستقیماً از مولکول‌های آب بیایند یا منشأ آن‌ها پاره‌ای منابع دیگر مانند پلی‌پپتیدهایی که اتم‌های منگنز را متصل می‌سازند باشد. درصورتی که پروتون‌ها از آب نشأت گرفته باشند پس قاعدتاً مولکول‌های آب باید پیش از S4 دست‌خوش برخی تغییرهای شیمیایی شوند. برعکس، درصورتی که پروتون‌هایی که به‌طور متناوب آزاد می‌شوند مستقیماً از پلی‌پپتیدها بیایند، و سپس جای‌گزین پروتون‌های مولکول‌های آب شوند، آن‌گاه نتیجه خواهیم گرفت که تا گذر نهایی S4 به S0 پدیده‌ی اکسایش آب روی نمی‌دهد. منبع بلاواسطه‌ی پروتون‌ها هنوز تعیین نشده است. درحال‌حاضر، صرف نظر از سرچشمه‌ی پروتون‌ها، محتمل به‌نظر می‌رسد که حالت‌های برتر S (به‌ویژه S2) به انبارسازی تعدادی بار مثبتِ خالص می‌پردازند. این احتمال وجود دارد که به یونی با بار منفی نیاز باشد که باعث پایدارسازی این بار مثبت شود. در این صورت این امر می‌تواند مشاهده‌ی مربوط به اصلی بودن یون‌هایی مانند کلرید را برای گردش چرخه‌ی اکسایش آب توضیح دهد. از اولین کسانی که نشان دادند که یون‌های کلرید قادر به گرداندن چرخه‌ی اکسایشی آب هستند سکیشی ایزاوا از دانشگاه ایالتی وین در دترویت بود. کاوینجی و ویلیام کلمن با هم‌کاری کوتوفسکی و هم‌کارانش از دانشگاه ایلی‌نوی در سال 1980 میلادی شروع به استفاده از روش‌های تشدید مغناطیسی هسته برای پی‌بردن به چگونگی پیوند یون‌های کلرید به غشای فوتوسنتزی نمودند. در ابتدای تحقیقات، ایوان بانیائو و ریس کریچلی و گاوینجی نشان دادند که یون‌های کلرید آزادانه و به‌سرعت به غشاهای جدای کلروپلاست می‌پیوندند و از آن‌ها جدا می‌شوند. این یافته‌ها باعث شد که سال بعد، آن‌ها تصور کنند که اتصال یون کلرید با بار منفی باید به رسیدن بار مثبتی از یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به چرخه‌ی اکسایش آب بستگی داشته باشد و رها شدن یون کلرید باید مصادف با رها شدن پروتون‌ها باشد. آزمایش‌های تشدید مغناطیسی که توسط کریستوفر پرستون و ر. ج. پیس از دانشگاه ملی استرالیا در کانبرا صورت گرفت از آن حکایت می‌کنند که چسبیدن یون‌های کلرید به حالت‌های S2 و S3 در وضعیت تنگ‌تری صورت می‌گیرد تا چسبیدن این یون‌ها به حالت‌های S0 و S1. این کشفیات، در هماهنگی با خاصیت بار مثبتِ بیشتر حالت‌های برتر S است. گردآوری یافته‌های طیف‌نمایی با پرتو ایکس که توسط کلاین و هم‌کارانش صورت گرفت نشان می‌دهد که کلرید در حالت‌های پایین‌تر مستقیماً به اتم‌های منگنز نمی‌چسبد. پیتر هومان از دانشگاه ایالتی فلوریدا و دانشیارانش عقیده دارند احتمالاً کلرید به اسیدهای آمینه‌ی دارای بار مثبت در پروتئین‌های چرخه می‌چسبد. با هم‌کاری گوتوفسکی مشاهداتی درباره‌ی چسبیدن کلرید در فوتوسیستم دو اسفناج انجام شد. اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که چند یون کلرید به چرخه می‌چسبند و این‌گونه به‌نظر می‌رسد که محل چسبیدن آن‌ها عمدتاً در یکی از دو جای مشخص باشد: یکی نزدیک منگنز و احتمالاً روی پلی‌پپتیدهای D1 و D2، و دیگری روی پلی‌پپتید سی‌وسه کیلو دالتونی. تمام این آزمایشات نشان‌دهنده‌ی این هستند که احتمالاً وظیفه‌ی یون‌های کلرید در چرخه‌ی اکسایش آب، تسریع آزاد شدن پروتون‌ها از آب است. احتمالاً با این عمل، یون‌های کلرید قادر به افزایش تأثیر واکنش‌های اکسایش آب هستند یا این‌که ممکن است یون‌های باردار منگنز را در حالت‌های برتر S تثبیت نمایند و یا این‌که هر دو کار را انجام دهند. در مورد نقش کلرید هنوز اعتقادات متناقضی وجود دارد. احتمال دارد معلوم شود که کلرید تنظیمات مربوط به تثبیت ساختار پروتئین‌های فوتوسیستم دو را مرتب می‌کند.
وجود یون دو مثبت کلسیم نیز هم برای اکسایش آب و هم برای عمل مرکز واکنش فوتوسیستم دو ضروری است و به‌نظر می‌رسد این یون نیز در عمل کلرید از نزدیک دست داشته باشد. آزمایش‌های انجام گرفته در چند آزمایش‌گاه نشان‌دهنده‌ی این است که یون‌های کلسیم قادرند عملاً جانشین دو پلی‌پپتید در ته فوتوسیستم دو، که دست‌اندرکار تولید اکسیژن مولکولی هستند، بشوند. هم‌چنین مشاهده شده است که به‌نظر می‌رسد خارج ساختن یون‌های کلسیم هم جلوی گردش چرخه‌ی اکسایش آب را بگیرد و هم جلوی احیای سریع یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به خود پی شش‌صد و هشتاد را. به‌این‌ترتیب محتمل به‌نظر می‌رسد که کلسیم دارای نقشی بنیانی یا تنظیم کننده در فوتوسیستم دو باشد. جدایِ از این نقش، نشان داده شده است که کلسیم دارای نقشی مهم در نظارت بر انواع گوناگونی از پروتئین‌ها در دستگاه‌های دیگرِ ریستی است و درواقع می‌تواند فعالیت پروتئین‌ها را راه بیندازد یا این فعالیت‌ها را از کار بیندازد و یا این‌که ساختار سه‌بعدی آن‌ها را حفظ نماید. یون‌های کلسیم احتمالاً می‌توانند در فوتوسیستم دو پلی‌پپتیدهای چرخه‌ی اکسایش آب را به انجام وظیفه‌ی درست و مناسب هدایت نمایند.
سازمان مجهزی که در جریان فوتوسنتز، اکسیژن‌سازی می‌کند تنها بخشی کوچک از مسیر کامل فوتوسنتزی در موجودات اکسیژن‌ساز است. هرچند تشریح کلی عملیات نورساخت در همه‌ی گونه‌های فوتوسنتزی مشابه یک‌دیگر است اما مسلماً در فرایند تکامل، تفاوت‌های جزئی آشکار و مشخصی بروز کرده است. غالب تحقیقات نشان‌دهنده‌ی این هستند که تفاوت‌های نسبتاً کمی بین فوتوسیستم دو در سیانوباکتری‌ها و فوتوسیستم دو در گیاهان وجود دارد که این پیشنهاد دهنده‌ی این است که احتمالاً سیانوباکتری‌ها از نیاکان گیاهانند یا اگر چنین نباشد حداقل خویشاوندی نزدیکی با آن‌ها دارند. از طرف دیگر تفاوت‌های موجود بین مرکز واکنش سیانوباکتری‌ها و مرکز واکنش بسیاری از دیگر باکتری‌های فوتوسنتزی بسیار بارزتر است که این نشان دهنده‌ی انقسامی روشن در مسیر تکامل است. بدون شک درک تکامل حیات با انجام بررسی‌های تفصیلی بیش‌تری درباره‌ی فوتوسیستم یا ژنتیک مولکولی یا بلورنگاری با پرتو ایکس و طیف‌نمایی اصلاح خواهد شد.
دومین مرحله، مرحله‌ی ساخت بی‌هوازی مواد است. در این مرحله، احتمالاً اولین موجودات زنده‌ی واقعی، انرژی لازم را از اکسایش محدود مواد غیرزیستی به دست می‌آوردند. این موجودات از گاز هیدروژن استفاده می‌کردند تا دی اکسید کربن موجود در جو را احیا کنند و مواد نشاسته‌ای بسازند تا سپس از آن‌ها به عنوان منبع انرژی در اکسایش ناقص استفاده کنند. مرحله‌ی سوم عبارت است از ساخت نوری غیرمستقیم و بی‌هوازی مواد. در حقیقت در این مرحله نخستین نوع بدوی دستگاه نورساخت یا فوتوسنتز در موجودات پدیدار شد. این امر هنگامی اتفاق افتاد که موجودات به وجود آمده در مرحله‌ی دوم از خاصیت جذب نور در پورفیرین‌های درون سیتوپلاسم استفاده کردند و با این کار انرژی نور را به دام انداختند و هم‌چنین تا حدی به اکسیده کردن مواد نشاسته‌ای که از راه شیمیایی ساخته می‌شدند پرداختند. مرحله‌ی چهارم عبارت است از مرحله‌ی ساخت نوری مستقیم و بی‌هوازی مواد. در این مرحله، پس از مرحله‌ی سوم، موجوداتی بی‌هوازی پیدا شدند که تنها از انرژی تابشی خورشید برای ساخت مولکول‌های مواد آلی استفاده می‌کردند. مرحله‌ی پنجم عبارت است از مرحله‌ی تجزیه‌ی آب. درواقع اکسیژن جو در این مرحله با تجزیه‌ی مولکول‌های آب تأمین شد. در این مرحله گام مهم لازم در تکامل نورساخت یا فوتوسنتز وقتی برداشته شد که موجودات قادر شدند آب را برای به دست آوردن هیدروژن مورد نیاز خود تجزیه کنند. مرحله‌ی ششم، مرحله‌ی اکسیژن‌دهی به ترکیب‌های کربنی است. در این مرحله‌ی نهایی مهم از تاریخ حیات بر روی زمین، موجودات زنده‌ای تکامل یافتند که قادر شده بودند از اکسیژن برای اکسید کردن مواد نشاسته‌ای استفاده کنند و با این کار انرژی‌ای آزاد کنند که بسیار بیش از انرژی آزاد شده در فرایندهای بدوی تخمیر بود.
زمین دارای عمری چهار و نیم تا پنج میلیارد ساله است و در این عمر طولانی تنها در دوره‌ای اخیر و تازه اکسیژن آزاد در جو پدیدار شد. برای پیدایش اکسیژن آزاد در جو سه مرحله تعیین شده است: در نخستین مرحله، میزان اکسیژن جو تنها در حدود یک درصد میزان اکسیژن فعلی جو بود. این مرحله احتمالاً مربوط به حدود شش‌صد میلیون سال قبل است. در مرحله‌ی دوم، اکسیژن جو در حدود ده درصد میزان اکسیژن فعلی جو بود. این مرحله احتمالاً مربوط به حدود چهار صد میلیون سال قبل است. میزان اکسیژن در این مرحله برای حفاظت از خاک در برابر پرتوهای فرابنفشِ دارای طول موج کوتاه کافی بود و باعث شد که گیاهان که تا قبل از آن ناگزیر در زیر آب زندگی می‌کردند سراسر خاک را فراگیرند و به این ترتیب باعث افزایش اکسیژن جو شوند و زمینه را برای بسط زندگی جانوری فراهم سازند. در مرحله‌ی سوم که احتمالاً مربوط به سی‌صد و چهل میلیون سال قبل می‌شود میزان اکسیژن جو به بیست درصد میزان فعلی اکسیژن جو رسید. در این مرحله با پیدایش دوزیستان، زندگی جانوری بر روی زمین شروع به گسترش نهاد.
بر روی برگ‌های گیاه سبزی در زیر آب حباب‌هایی سرشار از اکسیژن تشکیل می‌شود که نشان دهنده‌ی این هستند که یک واکنش فوتوسنتزِ اکسیژن‌ساز در کار است. مولکول دواتمی اکسیژن فراورده‌ی واکنشی انجام یافته تحت تأثیر نور است که در آن از جفت‌های مولکول آب چهار الکترون و چهار پروتون گرفته می‌شود. باکتری‌های فوتوسنتزی بی‌هوازی قادر به تجزیه‌ی آب به این طریق نیستند و باید الکترون‌های اساسی مورد نیاز خود را از منابعی دیگر تأمین نمایند. مواد نشاسته‌ای در فرایند شیمیایی ترکیب با دی اکسید کربن جو و آب در زیر تابش خورشید توسط گیاهان ساخته می‌شوند. در این واکنش شیمیایی، اکسیژن مولکولی آزاد می‌شود. در این فرایند شیمیاییِ آزاد کننده‌ی اکسیژن، نقش اصلی را کلروفیل بازی می‌کند. درحقیقت وجود اکسیژن چنان ملازم با زندگی انسان است که برای انسان قابل تصور نیست که موجودات زنده‌ی ساده در صدها میلیون سال قبل بدون اکسیژن زندگی می‌کردند. درواقع اصلاً اکسیژن برای موجودات بی‌هوازی اولیه ماده‌ای سمی تلقی می‌شده است زیرا باعث ربایش الکترون‌های اساسی سلول‌هایشان می‌شده است. از طرفی می‌دانیم که این یاخته‌های بی‌هوازی قادر به انجام نوعی فوتوسنتز (یا نورساخت) بودند و این مسأله در حالی که می‌دانیم تمام اکسیژن جو بر اثر فرایند فوتوسنتز به وجود آمده است شگفت‌آور است. در فرایند فوتوسنتز، دی‌اکسید کربن جو احیا شده و با استفاده از انرژی آفتاب، مواد آلی ساخته می‌شود. فرایند دقیق ساخت اکسیژن در طی عملیات فوتوسنتز تا مدت‌ها روشن نبود. در حال حاضر می‌توان این فرایند را به تفصیل تحت عنوان چرخه‌ی اکسایش آب، که در آن پس از چهار مرحله یک مولکول اکسیژن تولید می‌شود، شرح داد.
وظیفه‌ی اساسی عملیات فوتوسنتز این است که این امکان به یاخته‌ها داده شود که با جذب انرژی تابشی خورشید، دی اکسید کربن را به مواد نشاسته‌ای تبدیل کنند. در این میان تولید اکسیژن هدف نبوده است و لذا اهمیتی نداشته است و به همین دلیل است که یاخته‌های بی‌هوازی در گذشته‌های دور قادر به انجام عملیات فوتوسنتز بدون ساختن مولکول اکسیژن بودند و هنوز هم به این کار ادامه می‌دهند. اما پرسشی که مطرح می‌شود این است که اگر اکسیژن سمی است چرا اصولاً گیاهان سبز فعلی و نیاکان آن‌ها آن را در فرایند فوتوسنتزی که اختیار کرده‌اند تولید می‌کنند و فرایندی از فوتوسنتز را که مستلزم تولید اکسیژن نیست اختیار نکرده‌اند. برای پاسخ به این پرسش باید نخست فرایند سوخت و ساز انرژی را بررسی نماییم. منبع بی‌کران انرژی بر روی زمین تابش آفتاب است. قرار است این انرژی به نحوی مدیریتِ ادامه‌ی حیات بر روی زمین را به عهده داشته باشد. اما این انرژی مستقیماً توسط یاخته‌ها قابل ذخیره و استفاده نیست و برای ذخیره و استفاده از آن باید نخست به صورتِ ذخیره شدنی و قابل استفاده‌ترِ انرژی (پتانسیل) شیمیایی تبدیل شود. در این تبدیل انرژی، الکترون‌ها نقشی اساسی بازی می‌کنند. درحقیقت شناسایی بسیاری از واکنش‌های پرانرژی در یاخته‌ها بر پایه‌ی رد و بدل کردن الکترون‌ها در میان مولکول‌ها صورت می‌گیرد. از این رو یاخته‌ها برای تداوم زندگی نیازمند دسترسی به منابعی از الکترون جهت مبادله هستند. فوتوسنتز بی اکسیژنی که توسط باکتری‌ها صورت می‌گیرد عموماً توأم با اکسایش است و یا این که در طی آن‌ها باکتری‌ها الکترون‌ها را از اسیدهای آلی و ترکیب‌های ساده‌ی آلی به دست می‌آورند. ولی این اسیدها و ترکیبات آلی ساده تقریباً نادر هستند و از همین رو باکتری‌های بی‌هوازی در حال حاضر تنها در چشمه‌های گوگردی یا در ته دریاچه‌ها و محیط‌هایی مشابه این‌ها وجود دارند زیرا در این محیط‌هاست که مقادیری کافی از مولکول‌های یاد شده وجود دارد. اما بعضی از یاخته‌های فوتوسنتزی درحدود سه میلیارد سال قبل یاد گرفتند چگونه در تمام محیط‌ها پراکنده شوند و الکترون‌های مورد نیاز خود را از ماده‌ای که در همه‌ی محیط‌ها به میزان فراوانی وجود دارد، یعنی آب، به دست آورند. آن‌ها یاد گرفتند برای این کار مولکول آب را تجزیه کنند و آن را به الکترون و پروتون، که همان هسته‌ی هیدروژن است، و مولکول دو اتمی اکسیژن تبدیل کنند. در این فرایند آن‌چه برای آن‌ها اهمیت داشت الکترون‌ها و پروتون‌های آزاد شده بود که در فرایند انرژی‌سازی و ذخیره‌ی انرژی نقش بارزی ایفا می‌کردند، و مولکول اکسیژن تنها محصول فرعی واکنش بود. به این ترتیب برای موجودات فوتوسنتزی، ایجاد اکسیژن واقعه‌ای ناخواسته و غیرقابل اجتناب بود که نفساً لااقل در مراحل اولیه سودمندی‌ای برای آن قابل تصور نبود و وجود آن تنها به خاطر توانایی بهره‌گیری یاخته‌های فوتوسنتزی از آب و دست‌اندازی به محیط‌های جدیدتر و متنوع‌تر اهمیت داشت.
آن چه توضیح داده شد در چرایی تولید اکسیژن در فرایند فوتوسنتز بود. اما این که یاخته‌ها چگونه در طی این فرایند اکسیژن می‌سازند مسأله‌ی بسیار پیچیده‌تری است. برای یاخته‌های فوتوسنتز کننده، دست‌یابی به قدرت استفاده از آب به منزله‌ی منبع الکترون کار چندان ساده‌ای نبود و نیاز به چندین تغییر در سازوکار ثابت فوتوسنتز داشت. باکتری‌های فوتوسنتزِ بی‌اکسیژن تنها قادر بودند با استفاده از نور خورشید اکساینده‌ها یا مولکول‌های پذیرنده‌ی الکترونی بسیار ضعیف را به کار اندازند در حالی که از طرف دیگر مولکول‌های آب خود نیز رغبتی به از دست دادن الکترون ندارند. به همین دلیل اگر قرار بود از مولکول‌های آب الکترون گرفته شود لازم بود در فرایند فوتوسنتز، اکساینده‌هایِ ضعیف اشاره شده با نوع بسیار قوی‌تری جای‌گزین شود. حتی وقتی چنین می‌شد هنوز انرژی حاصل از یک فوتون نور مرئی برای تجزیه‌ی یک مولکول آب کافی نبود و تنها با گرفتن انرژی از چهار فوتون تجزیه‌ی دو مولکول آب ممکن می‌بود که حاصل آن آزادی چهار الکترون و چهار پروتون می‌بود. اما با همه‌ی این‌ها چنین مکانیسمی اشکال دیگری پیش می‌آورد که ناشی از این بود که یک دستگاه فوتوشیمی در هر نوبت تنها قادر به به‌کارگیریِ تنها یک الکترون است. یاخته‌های فوتوسنتزی برای فائق آمدن بر این مشکل کاتالیزورهای ویژه‌ی شکافتنِ آب را پدید آوردند و در چرخه‌ی اکسایش آب به کار گرفتند. کاتالیزور ماده‌ای است که با دخالت در واکنش سرعت انجام واکنش را تغییر می‌دهد و در پایان به همان اندازه جزو محصولات واکنش حضور دارد. یاخته‌ها اقدام به تولید کاتالیزورهایی زیستی به نام آنزیم می‌نمایند. آن‌چه که مراحل بینابینی واکنش تجزیه‌ی آب را در فوتوسنتز تنظیم می‌کند تا انتقال تک‌تک الکترون‌ها را مقدور سازد عبارت است از چرخه‌ی اکسایش آب که یکی از مکانیسم‌های اساسی و انحصاری زیست شیمی است. دانشمندان در سال‌های اخیر توانسته‌اند مطالب فراوانی راجع به چرخه‌ی اکسایش آب و موقعیت آن در فرایند فوتوسنتز جمع‌آوری کنند.
واکنش‌های ابتدایی فوتوسنتز در گیاهان عالی در درون ساختار یاخته که به کلروپلاست موسوم است در غشاهای تیلاکوئید صورت می‌گیرند. غشاهای تیلاکوئید کیسه‌های تخت پر از مایعی هستند که به صورت ورقه‌ای در کلروپلاست قرار دارند. خود کلروپلاست اندامکی محسوب می‌شود که همه‌ی گیاهان به جز باکتری‌ها، جلبک‌های آبی و سبز و قارچ‌ها واجد آن هستند و فوتوسنتز در آن صورت می‌گیرد. اصولاً اندامک‌ها بر حسب رنگ‌دانه‌ی خود طبقه‌بندی می‌شوند و اندامک کلروپلاست به خاطر یکی از اجزایش که کلروفیل (یا سبزینه) است کلروپلاست نامیده شده است. غشاهای تیلاکویید در درون خود حاوی مجموعه‌های گوناگونی از پروتئین هستند که هر کدام به نوبه‌ی خود در واکنش فوتوسنتز مشارکت دارند. در یاخته‌های همه‌ی موجوداتی که دارای فوتوسنتز اکسیژنی هستند، مثل سیانوباکتری‌ها، جلبک‌ها و سایر گیاهانی که رنگ‌دانه‌ی کلروفیل دارند، مجموعه‌ای از پروتئین‌ها و رنگ‌دانه‌ها تحت عنوان فوتو سیستم دو شناخته شده است که پیدایش مولکول اکسیژن کلاً درون آن صورت می‌گیرد. وظیفه‌ی اساسی و اولیه‌ی فوتوسیستم دو ایفای نقش انباره و ذخیره‌ی انرژی است که این کار با جداسازی و تثبیت بارهای مثبت و منفی در سطوح غشای تیلاکوئید صورت می‌گیرد. جهت انجام این کار، آرایه‌ای از رنگ‌دانه‌های فوتوسیستم دو یک فوتون را جذب می‌کند و انرژی نوری آن را برای جداسازیِ بارهای الکتریکی به کار می‌گیرد. هماهنگ نمودن کارها در فرایند پیچیده‌ی تبدیل انرژی نور به جداسازی بارها محتاج هم‌کاری پُلی پپیدها و پروتئین‌های تخصص یافته در فوتو سیستم است. این پلی پپیدها درواقع پلیمرهای خطی اسیدهای آمینه هستند که تحت توالیِ معینی نظم یافته‌اند و غالباً در آن‌ها صدها اسید آمینه در طول یک‌دیگر قرار گرفته‌اند. یادآوری می‌شود که به پیوند شیمیایی دو یا چند مولکول ماده که به تنهایی مونومر خوانده می‌شوند و برای ساختن مولکول‌های بزرگ‌تر صورت می‌گیرد پلیمر گفته می‌شود مثل گلیکوژن که پلیمر گلوکز است. یک یا چند پلی پپتیدِ تا شده در ساختارهایی درهم ولی منظم، پروتئین‌ها را تشکیل می‌دهند. واکنش‌های انتقال الکترون در فوتوسیستم دو در آن چیزی که مرکز واکنش نام گرفته است رخ می‌دهد. در این مرکز واکنش، اجزای ساختمانی عمده عبارتند از دو پلی پپتید بزرگ موسوم به D1 و D2 و پروتئین کوچکی به نام بی پانصد و نود و نه. در سطح درونی غشای تیلاکوئید، پُلی پپتید دیگری با وزن مولکولی سی و سه کیلو دالتون (دالتون واحد جرمی‌ای است برابر با یک شانزدهم جرم اتم اکسیژن) و حداقل دو تای دیگر با وزن‌های مختلف به هم می‌پیوندند. این پلی پپتیدها، جای‌گاهی برای تثبیت رنگ‌دانه‌ها و سایر مولکول‌های فوتوسیستم دو که واکنش‌های انتقال الکترون و اکسیژن‌سازی را به عهده دارند هستند. البته معلوم شده است که پلی پپتیدهای دیگری با فوتوسیستم دو در ارتباط هستند ولی عمل و نقش آن‌ها هنوز شناخته نشده است. هم‌چنین معلوم شده است که چند یون آلی و اتم باردار مثل منگنز، کلرید، کلسیم، آهن، و بی‌کربنات، نقش کاتالیزور را در انتقال اتم بازی می‌کنند و به حفظ ساختار پروتئینی یا تنظیم فعالیت دستگاه نوری می‌پردازند. به علاوه، انرژی نورانی توسط تعداد فراوانی مولکولِ کلروفیلِ گیرنده (آنتن) گردآوری می‌شود که سپس این مولکول‌ها به نحوی کارامد این انرژی جمع شده را به مرکز واکنش می‌فرستند. هر مرکز واکنش با صدها مولکول رنگ‌دانه‌ی آنتن در ارتباط است. از آن‌جا که فوتوسیستم دو چنان که ملاحظه شد دارای ساختار پیچیده‌ای است بسیاری از پیش‌رفت‌هایی که در درک آن حاصل شده است ناگزیر از بررسی‌های مجموعه‌هایی مشابه در باکتری‌های فوتوسنتزی حاصل شده‌اند. در این زمینه کارهای یوهان دایرنهوفر، رابرت هیوبر، و هارتموت میچل که به روشن سازی ساختار مرکز واکنش فوتوسنتزی در باکتری رودوپسو دوموناس ویریدنس منجر شد برای ایشان جایزه‌ی نوبل شیمی سال هزار و نهصد و هشتاد و هشت میلادی را به ارمغان آورد.
اختلاف‌های فراوانی بین مجموعه‌های فوتوسنتزی باکتری‌ها و گیاهان وجود دارد. عمده‌ترین این اختلاف‌ها که پیش‌تر در مورد آن توضیح داده شد این است که در فرایند فوتوسنتز، باکتری‌ها اکسیژن مولکولی تولید نمی‌کنند. هم‌چنین باکتری‌ها در فوتوسنتز خود متکی به وجود کلروفیل نیستند بلکه اتکای آن‌ها به رنگ‌دانه‌ی باکتریوکلروفیل است که در حالی که اکسید کننده‌ی ضعیفی است دارای بیشترین جذب نور در طول موج‌های بسیار بلند است. اما البته مجموعه‌های فوتوسنتزی باکتری‌ها نقش کاتالیزوری را برای واکنش تبدیل انرژی نور بازی می‌کنند و با گذراندن این انرژی از غشای زیستی آن را به انرژی پتانسیل شیمیایی تبدیل می‌کنند. با بررسی‌های مقایسه‌ای باکتریایی از نوعی که بیان شد آن‌چه به نظر می‌رسد این است که کیفیت حمل الکترون در مرکز واکنش دو، دارای پنج قسمت است: رنگ‌دانه‌ی کلروفیل که کارش دهندگی اولیه‌ی الکترون است، دومین دهنده‌ی الکترون که به زِد موسوم است که کلروفیل را احیا می‌کند به این معنا که الکترونی که کلروفیل از دست داده را جای‌گزین می‌نماید، فئوفیتون که رنگ‌دانه‌ای است که از کلروفیل الکترون می‌گیرد، پلاستوکینون اولیه‌ی گیرنده‌ی الکترون به نام QA، و کینون ثانویه‌ی گیرنده‌ی الکترون به نام QB. این گونه به نظر می‌رسد که جفت ویژه‌ای مولکول کلروفیل که از حیث شیمیایی همانند بسیاری از رنگ‌دانه‌های گیرنده‌ی نور هستند ولی در عمل‌کرد با آن‌ها متفاوتند، تشکیل دهنده‌ی رنگ‌دانه‌ی کلروفیل در مرکز واکنش باشند. به این رنگ‌دانه‌ها یا پیگمان‌ها پی شش‌صد و هشتاد گفته می‌شود زیرا نوری که دارای طول موج شش‌صد و هشتاد نانومتر است را به شدت جذب می‌کنند. با هم‌کاری کاربریجت بری و ریچارد دیباس از دانشگاه ایالتی میشیگان و ویلم ورماس از دانشگاه ایالتی آریزونا در سال 1988 میلادی زِد به عنوان یکی از اسیدهای آمینه در درون پُلی پپتید D1 تمیز داده شد. هم‌چنین معلوم شده است که کینون QA به طور تنگاتنگی به مجموعه‌ی فوتوسیستم چسبیده است ولی QB می‌تواند بعد از دریافت الکترون به طور آزادانه‌ای بین مجموعه‌های پروتئینی پخش شود. وقتی عمل فوتوسنتز اتفاق می‌افتد فوتونی توسط رنگ‌دانه‌های گیرنده جذب می‌شود و این رنگ‌دانه‌ها انرژی فوتون را به طرف پی شش‌صد و هشتاد که در مرکز واکنش واقع است می‌رانند. این انرژی تحریک کننده در آن‌جا باعث جدایی بار می‌شود و خود پی شش‌صد و هشتاد را به حالت تحریک شده درمی‌آورد و با این کار سریعاً به فئوفیتون همسایه الکترون می‌دهد. در این حال فئوفیتون دارای اضافه بار منفی است در حالی که در پی شش‌صد و هشتاد یک حفره با بار مثبت تشکیل شده است زیرا در آن‌جا الکترونی با بار منفی از دست رفته است و این ماده تبدیل به یک رنگ‌دانه‌ی مثبت شده است (یون مثبت پی شش‌صد و هشتاد). جدایی بارها وقتی گسترده‌تر می‌شود که فئوفیتون الکترون اضافی خود را به QA بدهد. هنگامی فاصله باز هم بیشتر می‌شود که زِد الکترونی به یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد بدهد و خود دارای بار مثبت شود و QA الکترون اضافی را به QB بدهد. باید گفت که انتقال‌های بار با سرعت صورت می‌پذیرد و به ویژه انتقال آغازین الکترون از پی شش‌صد و هشتادِ تحریک شده به فئوفیتون، آنی، و در واقع در حد چند تریلیونیم ثانیه، صورت می‌گیرد. چیزی که باعث تداوم جاذبه‌ی متقابل بارهای مثبت و منفی می‌شود انتقال گام به گام الکترون‌هاست، اما به هر حال چرخه‌ی فوتوسنتزی فوتوسیستم دو تا هنگامی که همه‌ی اجزای مکانیسم واکنش، به منظور آماده شدن برای شروع دوباره‌ی فرایند جداسازی بار، مجدداً از نظر الکتریکی خنثی نشوند کامل نیست. اما به واقع چگونه QB بار منفی را از سر خود باز می‌کند و چگونه زِد به بازیابی الکترونی که از دست داده است می‌پردازد؟ پاسخ در مورد دستگاه QB نسبتاً ساده است. بعد از آن که QB به واسطه‌ی دو چرخه‌ی جذب فوتون، دو الکترون و دو پروتون به دست آورد QB که دو بار احیا شده است به خارج از مجموعه‌ی فوتوسیستم دو نشت می‌کند و QB احیا نشده جای آن را می‌گیرد. الکترون‌ها و پروتون‌های QB که می‌تواند آزادانه حرکت کند به مجموعه‌ای دیگر در مسیر فوتوسنتز حمل می‌شوند. و سرانجام از پروتون‌های آزاد شده در سطح درونی غشای تیلاکوئید برای ساخت آدتوزین تری فسفات بهره‌برداری می‌شود. این ماده، ترکیبی اساسی برای سوخت و ساز یاخته است. در انتهای دیگرِ فوتوسیستم دو، برای زِد، به دست آوردن الکترونی که به آن برای برگشت به حالت اصلی‌اش نیاز دارد بسیار مشکل‌تر است. این الکترون باید از ماده‌ای اکسایش‌پذیر در محیط اطراف یاخته به دست آید. در این رابطه اسیدهای آلی مانند استات، مالات و سوکسینات و ترکیبات ساده‌ی غیرآلی مثل سولفید و تیوسولفات می‌توانند منبع مناسبی برای الکترون باشند و درواقع باکتری‌های فوتوسنتزی بی‌اکسیژن همین‌ها را مورد استفاده قرار می‌دهند؛ در این باکتری‌ها که فاقد زِد هستند الکترونی توسط پروتئین سیتوکرومی به جفت کلروفیل‌های ویژه‌ی اکسید شده در مرکز واکنش انتقال می‌یابد.
مولکول آب مولکولی است که دارای فراوانی خیلی بیش‌تری نسبت به اسیدهای آلی است و بنابراین به طور بالقوه به عنوان سرچشمه‌ی الکترونی غنی‌تری محسوب می‌شود. اما باید توجه داشت که گرچه شدت اکسید کنندگی یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد زیاد است به تنهایی برای گرفتن الکترون‌های آب کافی نیست.
نکته در این‌جاست که در واکنش اکسید کننده‌ی آب به طور هم‌زمان چهار الکترون آزاد می‌شود در حالی که پی شش‌صد و هشتاد مثبت در هر وهله تنها قادر به دریافت یک الکترون است. از همین رو این امر برای پژوهش‌گران دهه‌های گذشته روشن شد که قاعدتاً باید مکانی کاتالیزوری در نزدیکی زِد وجود داشته باشد تا درواقع پی شش‌صد و هشتاد بتواند فرایند اکسایش را طولانی‌تر نماید. چنین کاتالیزوری که تجزیه کننده‌ی آب است باید با دو مولکول آب در هم آمیزد و در جریان فرایند تدریجی اکسایش، آن‌ها را تثبیت نماید تا یکی‌یکی الکترون‌ها گرفته شوند. این جستجوی چنین کیفیتی بود که سرانجام منجر به کشف چرخه‌ی اکسایش آب شد. مشاهده‌ای که نشان می‌داد که سرعت رسیدن همه‌ی الکترون‌ها به مولکول کلروفیل یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد یکسان نیست و زمان انتقال مشاهده شده برای الکترون‌ها دارای تغییر تناوبی است سرنخ مهمی در شناخت چگونگی کارکرد این کیفیت بود. درحقیقت این موضوع توسط انجام آزمایش‌هایی نشان داده شد که در آن‌ها مراکز واکنشِ دارای غشای فوتوسیستم دو نخست در تاریکی و سپس در معرض تابش کوتاه مدت نور قرار داده شد. نه تنها هر تابش بسیار شدید است بلکه تا آن حد کوتاه مدت هم هست که میانگین تعداد ارسال فوتون به فوتوسیستم تنها یک باشد. این نتیجه از مشاهده به دست می‌آید که یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد در تاریکی به اندازه‌های متفاوتی که بستگی به تابش نور دارد اقدام به دریافت الکترون می‌نماید. به عنوان مثال، زمان مورد نیاز برای بازگشت نیمی از یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به پی شش‌صد و هشتاد برابر است با بیست میلیاردم ثانیه پس از تابش اول و پنجم، اما این زمان پس از دومین، سومین و چهارمین تابش طولانی‌تر است. دوره‌ی تغییر زمان بازگشت عبارت است از یک بار در هر چهار تابش. دوره‌ی چهارگانه این گونه القا می‌نماید که واکنشی چرخه‌ای در چهار گام، الکترون‌ها را به مرکز واکنش می‌دهد.
این گونه جستارها در ارتباط با عمل‌کرد پی شش‌صد و هشتاد دارای اهمیت ویژه‌ای بودند. پیش از این در سال 1969 میلادی پی‌یر ژولیو از مؤسسه‌ی زیست‌شناسی، فیزیک و شیمی در پاریس، نشان داده بود که دوره‌ای چهارگانه در تولید فوتوسنتزی اکسیژن در کار است. او به وسیله‌ی اسباب اندازه‌گیری بسیار حساس الکترود پلاتین که به کم‌ترین اثر وجودی اکسیژن واکنش نشان می‌داد به اندازه گیری مقدار گازی پرداخت که پس از هر دور پرتوتابی حاصل می‌شد. مولکول اکسیژنی پس از اولین پرتو در کار نبود. پس از دومین پرتو نیز مولکول اکسیژنی در کار نبود یا این که مقدار بسیار کمی اکسیژن وجود داشت. ولی ماکزیمم رها شدگی گاز، پس از سومی رخ داد. بعد از آن، دامنه‌ی مولکول اکسیژنِ آزاد شده دوره‌ای چهارگانه پیدا می‌کرد و رفته رفته تفاوت از بین می‌رفت یا کاهش می‌یافت. بسل کاک از آزمایش‌گاه‌های مارتین ماری بتا در سال 1970 میلادی به ارائه‌ی فرضیه‌ی پیشنهادی ساده‌ای پرداخت. نظریه‌ی او سپس به عنوان ساعت یا چرخه‌ی اکسایش آب شناخته شد. به عقیده‌ی کاک مجموعه‌ی اکسیژن‌ساز در فوتوسیستم دو به چند حالت گوناگونِ واگذاری قادر است نقش اکسید کنندگی داشته باشد که او آن‌ها را S، در اشاره به معادل انگلیسی کلمه‌ی حالت، نامید. هرچند او قادر نبود دقیقاً به تعریف شیمیایی حالت‌های S بپردازد اما فرض نمود که هر حالت S مشارکت ویژه‌ی خود در سازوکار دوره‌ای چهارگانه را دارد. او توضیح داد که چرخه یا ساعت در تاریکی در یکی از دو حالت S که عبارتند از S0 و S1 قرار می‌گیرد. S1 حالت برتر و پایدارتر است که دارای یک هم‌ارز یا اکی‌والان اکسید کننده بیشتر از S0 است. به بیان دیگر مجموعه مولکول‌های مربوط به S1 دارای یک الکترون کم‌تر از مجموعه‌ی S0 است. به هر حال اما مبنای برتری S1 هنوز شناخته نشده است. پس از انجام یک تابش، پی شش‌صد و هشتاد به یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد تبدیل می‌شود و لازم است سرانجام توسط الکترونی احیا شود. کاک این گونه فرض می‌نمود که لازم است چرخه دچار تغییری شود تا به حالت متعاقب عالی‌تر اکسید کنندگی برسد. او این تغییر را این گونه می‌دید: چرخه‌ای که از S1 شروع می‌کند به S2 می‌رود و چرخه‌ای که از S0 شروع می‌کند به S1 می‌رود. علت این روی‌دادِ گذر، رها شدن یک الکترون از چرخه برای تبدیل یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به خود پی شش‌صد و هشتاد است. تابش دوم باعث ایجاد یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد دیگری می‌شود و S2ها را به S3 پیش می‌راند، و تابش سوم، S3ها را به S4 تبدیل می‌کند. وقتی که چرخه به حالت S4 می‌رسد چهار الکترون آزاد می‌نماید و آماده‌ی کامل کردن واکنش تجزیه‌ی آب خواهد بود. آن‌گاه این چرخه اقدام به جداسازی چهار الکترون از دو مولکول به‌هم چسبیده‌ی آب می‌نماید و مولکول اکسیژن، O2، را رها می‌سازد و از S4 به S0 برمی‌گردد و آغاز مجدد چرخه را امکان‌پذیر می‌سازد. این وضعیت، شباهت به وضع یک دونده‌ی بیس بال دارد که در آن لازم است بازیگر به توالی از هر چهار پایگاه بگذرد و به جایی که شروع کرده برای شروعی مجدد برگردد. در صورتی که بازیگر مرحله‌ای را از دست بدهد احتمال دارد ببازد، هم‌چنین این احتمال هم وجود دارد که پیش‌رفت، درست از مرحله‌ای به مرحله‌ی بعدی نباشد. به عنوان نمونه احتمال کمی وجود دارد که S1 پس از تابش به S2 تغییر نیابد زیرا این احتمال هست که فوتوسیستم به نحو مؤثری از فوتون استفاده نکرده باشد و همین‌طور احتمال اندکی وجود دارد که فوتوسیستم، درصورتی که تابش‌ها بسیار کوتاه نباشند، در یک تابش اقدام به جذب دو فوتون نماید و چرخه‌ی اکسید کننده‌ی آب تنها در یک گام از S1 به S3 برود هرچند بر سر راه خویش از S2 بگذرد. مشاهدات ژولیو توسط فرضیه‌ی کاک در زمینه‌ی عمل چرخه‌ی اکسیژن سازی توجیه شد. ماکزیمم رهایی اکسیژن هنگامی رخ می‌دهد که چرخه از S3 به S4 و S0 شیفت پیدا می‌کند و به طور خود به خودی اکسیژن آزاد می‌کند زیرا بیشتر چرخه‌ها در نمونه‌ای که با تاریکی تطبیق داده شده باشد در حالت S1 هستند. چرخه‌ای که از حالت S0 آغاز کرده باشد بعد از چهارمین تابش اقدام به رهاسازی مولکول اکسیژن می‌کند و همین امر نشان دهنده‌ی این است که چرا در این حالت آزاد سازی اکسیژن کم است. چیزی که می‌تواند علت میرا شدن تدریجی نوسان‌های رهایی مولکول اکسیژن را روشن کند عبارت است از اشتباهات تصادفی که بر اثر عقب ماندن چند مرحله به هنگام تابش یا جلو رفتن به دو حالت S روی می‌دهد. این فرایندها باعث می‌شوند که بازده چرخه‌ها در نمونه به کندی ناهم‌زمان شوند. تعادلی پس از چندین تابش برقرار می‌شود که در آن تعداد چرخه‌های S0، S1، S2، و S3 تقریباً یکسان می‌شوند و پس از هر تابش بازده اکسیژن ثابت می‌ماند. می‌توان این وضعیت را به اتاقی پر از ساعت تشبیه نمود که در ابتدا هر کدام سر ساعت با صدای بلند و هماهنگ زنگ می‌زنند اما اندک‌اندک که ساعت‌ها نسبت به یک‌دیگر جلو یا عقب می‌افتند صدای آهنگ مداوم و ملایمی در اتاق حکم‌فرما می‌شود.
هرچند کشف چرخه‌ی اکسایش آب به وسیله‌ی ژولیو و کاک ابهامی که در چگونگی تولید اکسیژن وجود داشت را با ارائه‌ی مکانیسم فرضی نوینی مرتفع ساخت اما توضیحی برای چگونگی ساخت فیزیکی چرخه یا اثر متقابل چرخه و مولکول‌های آب نداشت. از همین رو به زودی جستجوی وسیعی برای دریافت ماهیت شیمیایی خازن بار در چرخه، که ماده یا موادی است که حالت‌های متغیر اکسایشِ آن سازنده‌ی حالت‌های S است، آغاز گردید. فرض از همان ابتدا بر این بود که این عنصر گریزان، اتمی فلزی است. اتم‌های چسبیده به پروتئین‌ِ فلزهای واسطه‌ای مثل منگنز، آهن و مس، به خاطر قابلیتشان در داد و ستد تناوبی الکترون‌ها، نامزدهای خوبی برای به کار گرفته شدن به عنوان کاتالیزور واکنش‌های اکسایش و احیا هستند. این گونه تصور می‌شود که دست‌کم منگنز قسمتی از خازن بار را می‌سازد چون همان‌گونه که از مدت‌ها قبل معلوم بوده است تولید مولکول اکسیژن جز با حضور چهار اتم منگنز برای هر مولکول پی شش‌صد و هشتاد در فوتوسیستم دو صورت پذیرفتنی نیست. می‌دانیم که منگنز کاتالیزور شناخته شده‌ای در واکنش‌های انتقال الکترون در آنزیم‌های دیگر است. این عنصر هم‌چنین قادر است از عهده‌ی چند حالت نسبتاً ثابت اکسایش از نوع 2+ و 7+ برآید، و این به این معناست که یون‌های منگنز قادرند به نسبت در دو تا هفت الکترون با سایر اتم‌ها شریک باشند. وقتی که این عنصر فلزی به مولکول درشتی مثل پروتئین می‌چسبد به این حالتِ اکسایش معمولاً به صورت منگنز (II)، منگنز (III)، و امثالهم ارجاع می‌شود.
از آن‌جا که برخی از کمپلکس‌های فلزی قادرند شکل‌های خاصی از تابش‌های الکترومغناطیسی را جذب نمایند دانشمندان توانسته‌اند با بهره‌گیری از روش متداول موسوم به طیف نمایی یا اسپکتروسکوپی که در آن از خاصیت گفته شده‌ی فلزات استفاده می‌شود به دفعات پروتئین‌های حاوی فلز را تجزیه و تحلیل نمایند. در صورتی که جذب گفته شده با دقت اندازه گیری شود می‌تواند هم‌چون اثر انگشت طیف نمایی در مورد فلز مورد استفاده قرار گیرد و سرنخی را به دست دهد که به ساختمان هسته‌ای یا الکترونی پروتئین منتهی می‌شود. به ویژه طیف‌نمایی برای بررسی ترکیب‌های منگنز بسیار مناسب است. کمپلکس‌های بسیاری از فلز منگنز که در فرایندهای زیست‌شناسی حضور دارند پارامغناطیس هستند زیرا در آن‌ها اتم منگنز دارای الکترون‌هایی است که اسپین‌های جفت نشده دارند و همانند آهن‌رباهای میله‌ای کوچکی دارای برهم‌کنش شدیدی با میدان مغناطیسی اطراف خود هستند. تاکنون از چند روش اندازه‌گیری بسیار حساس برای اندازه‌گیری خاصیت پارامغناطیسی منگنز استفاده شده است. یکی از مهم‌ترین این روش‌ها روش تشدید یا رزونانس پارامغناطیسی الکترون است. با استفاده از این روش، تغییرات ساختار الکترونی کمپلکس منگنز که دنبال کننده‌ی جذب نور در فوتوسیستم دو است مورد بررسی قرار گرفته‌اند. روش اطلاع دهنده‌ی دیگر عبارت است از تشدید مغناطیسی هسته که قادر است به طور غیر مستقیم به اندازه‌گیری خاصیت اتم‌های منگنز بپردازد. انجام این کار با دنبال کردن پروتون‌ها در مولکول‌های آب که با منگنز در تماس هستند صورت می‌گیرد. تاماس ویدرینسکی از دانشگاه ایلی نوی در دهه‌ی 1950 میلادی پیشرو استفاده از تشدید مغناطیسی هسته‌ای بود. تاکنون استفاده از روش طیف نمایی با پرتو ایکس در بررسی حالت‌های اکسایش و محیط فیزیکی اتم‌های منگنز در فوتوسیستم دو دارای کمک‌های باارزشی بوده است. در بررسی‌های دیگری که از ترکیب شیمیایی حالت‌های S صورت گرفته است طیف‌نمایی نوری مورد استفاده قرار گرفته است زیرا کمپلکس‌های منگنز دارای نوارهای منحصر به فردی از جذب در ناحیه‌ی فرابنفش طیف الکترومغناطیسی هستند. با همه‌ی این‌ها لازم است خاطر نشان شود که علیرغم دامنه‌ی کاربردی وسیع روش‌های طیف‌نمایی، دست دانشمندان در استفاده از این روش‌ها برای بررسی غشای فوتوسنتزی به خاطر وجود دو اِشکال عمده بسته است. نخستین اشکال ناشی از این حقیقت است که غشا ساختاری پیچیده دارد و بسیاری از اجزای آن طیف‌های جذبی را پوشش می‌دهند. اشکال دوم این است که چون نه ساختار کمپلکس فوتوسیستم دو و نه ماهیت شیمیایی آن دقیقاً شناخته شده‌اند قادر نیستیم با دقتی قطعی به تفسیر داده‌های تجزیه‌ی طیف نمایی چرخه‌ی اکسید کننده‌ی بپردازیم. این باعث می‌شود که هنوز نتوانیم نتیجه‌گیری کنیم که چه چیزی تشکیل دهنده‌ی حالت‌های گوناگون S از لحاظ شیمیایی است. با همه‌ی این‌ها این امکان وجود دارد که تصویری موقتی برای آن ترسیم نماییم.
واضح است که اتم‌های منگنز در گذر از حالت های S دچار تغییراتی دینامیکی از جمله تغییرهایی در حالت‌های اکسایش می‌شوند. آن‌گونه که نمونه‌ی به کار گرفته شده توسط کاک القا می‌کند دوره‌ی چهاگانه‌ای در تغییرهای حالت اکسایش منگنز وجود دارد. کشفی شگفت‌آور این است که فزونی اکسایش اتم‌های منگنز در طول چرخه دارای نظم نیست. S2 بیش از S1 و S1 بیش از S0 اکسیده می‌شود اما تغییر آشکاری در حالت اکسایش موجود بین S2 و S3 دیده نمی‌شود. پس این‌گونه به نظر می‌رسد که بار مثبتی که چرخه در جریان گذر از S2 به S3 به دست می‌آورد قاعدتاً باید صرف جنبه‌ی دیگری غیر از اتم‌های منگنز در چرخه گردد. گاوینجی با هم‌کاری سوبهاش پادی و تاکِشی کانبارا و دیوید هندریکسان از دانشگاه ایلی نوی در سال 1986 میلادی پیشنهاد کردند که شاید بتوان انبار کردن بار مثبت را به اسید آمینه‌ی هیستیدین که یکی از پروتئین‌های چرخه است منسوب نمود. هم‌چنین پژوهش‌های انجام یافته توسط ملوین کلاین، کنت ساور و هم‌کارانشان از دانشگاه کالیفرنیا در برکلی و پژوهش‌های رابرت شارپ و هم‌کارانش از دانشگاه میشیگان در آن‌آریو به تعیین دقیق‌تر حالت‌های اکسایش برخی از اتم‌های منگنز کمک کرده است. در آزمایش‌های مربوطه، S0 با منگنز II، و S1 با منگنز III، و S2 با منگنز IV تمیز داده شده‌اند. این‌گونه به نظر می‌رسد که هم منگنز II و هم منگنز III در فوتوسیستم دو پایدار و دارای عمری طولانیند. این مشاهدات، تأیید کننده‌ی پیش‌گوییِ کاک درباره‌ی پایداری حالت‌های S0 و S1 هستند. برعکس، منگنز IV که همراه با S2 است میانجی نسبتاً گذرایی محسوب می‌شود. شواهدی که در دانشگاه هورست ویت دانشگاه فنی برلین گردآوری شده است نشان‌دهنده‌ی این است که در گذر از S0 به S1، یون منگنز II تبدیل به یون منگنز III می‌شود. تنها تبدیل دیده شده در گذرهای بعدی عبارت است از تبدیل از منگنز III به منگنز IV. بنا بر بررسی‌های تشدید مغناطیسی الکترون در دمای پایین که توسط چارلز دیس میوکس و یونا سیده‌رِر از دانشگاه پرینستون انجام گرفت نشان داده شد که حالت‌های S2 و S3 پای کمپلکس‌های چند هسته‌ای را حتی با چهار اتم منگنز به میان می‌آورند. به عنوان نمونه این امکان وجود دارد که حالت S2 گروه ظرفیتی مخلوطی از یک اتم منگنز III و یک اتم منگنز IV یا سه اتم منگنز III و یک اتم منگنز IV باشد. به‌طور خلاصه باید گفته شود تغییرات دینامیک در حالت‌های اکسایش اتم‌های منگنز که درون فوتوسیستم دو جای دارند قطعاً مربوط به تغییر در حالت‌های S در چرخه‌ی کاک هستند. در مورد شکل شیمیایی و الکترونی این حالت‌ها هنوز اطمینانی به‌دست نیامده است و تحقیقات دراین زمینه ادامه دارد.
آزمایش‌های مختلف به این اشاره دارند که احتمالاً منگنز به هیچ‌کدام از پُلی‌پپتیدهای ریزِ مجموعه‌ی فوتوسیستم دو چسبیده نیست. از این موضوع این نتیجه حاصل می‌شود که محتمل‌ترین مکان برای چسبیدن منگنز عبارت است از پُلی‌پپتیدهای درشتِ D1 و D2. گروهی از محققین پیشنهاد داده‌اند که مکان چسبیدن چهار منگنز روی D1 و D2 در سطح درونی پوسته‌ی تیلاکوئید است و گروهی دیگر نظر داده‌اند که منگنز در طول سطح برخورد D1 و D2 و پلی‌پپتید سی‌وسه چسبیده است. کلاین و ساور و هم‌کارانشان در برکلی و گراهام جورج و راجر پرینس از اکسون ریسرچ در آنان‌دیل نیوجرسی طیف‌نمایی‌هایی با پرتو ایکس انجام دادند که برخی از جزئیات ترتیب اتم‌های منگنز را آشکار ساخته است. به‌نظر می‌رسد در حالت S1 دو اتم بخشی از مجموعه‌ای دوهسته‌ای‌اند و تنها دو و هفت دهم آنگستروم با هم فاصله دارند (آنگستروم واحد طول برابر با یک ده میلیونیم میلیمتر است). جفت دیگر اتم‌های منگنز دارای فاصله‌ی بیش‌تری از یک‌دیگر هستند و می‌توان جایِ اتم‌ها را در چهارگوشه‌ی یک ذوزنقه درنظر گرفت. با انجام این بررسی‌ها درحال‌حاضر دارای آگاهی بیش‌تری در مورد ماهیت کاتالیزوری اتم‌های منگنز در جداسازی الکترون‌ها از آب برای احیای یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد هستیم. با این وجود، همه‌ی داستان به الکترون‌ها مربوط نمی‌شود. واکنش تجزیه‌ی آب هم‌چنین چهار پروتون به‌دست می‌دهد. آیا همه‌ی این چهار پروتون در آنِ واحد و هم‌زمان با رها شدن مولکول اکسیژن آزاد می‌شوند یا این که به‌تناوب همراه با الکترون‌ها آزاد می‌شوند؟ به این پرسش با اندازه‌گیری دقیق رها شدنِ پروتون در واکنش به یک رشته از تابش‌های آنی یا فلاش پاسخ داده شده است. از آن‌جا که با رها شدن پروتون قدرت اسیدی مایع اطراف افزایش می‌یابد زمان رها شدن پروتون را می‌توان با الکترودها و رنگ‌هایی که دارای حساسیت فراوانی نسبت به اسید هستند مورد بررسی قرار داد. فردریک فولر از آزمایش‌گاه مارتین ماری‌یتا و اندکی پس از او ساتام سافون و آنتونی کرافتس از دانشگاه بریستول انگلستان کشف کردند که به تناوب چهار پروتون آزاد می‌شوند: یکی در گذر از S0 به S1 رها می‌شود، هیچ پروتونی در گذر از S1 به S2 آزاد نمی‌شود، و یکی در گذر از S2 به S3، و دوتا در گذر از S3 به S4 به S0 آزاد می‌شوند. این کشفیات اثر مهمی بر درک کیفیت چرخه‌ی اکسایش آب دارند هرچند تفسیر آن‌ها به این بستگی دارد که پروتون‌های آزاد شده مستقیماً از مولکول‌های آب بیایند یا منشأ آن‌ها پاره‌ای منابع دیگر مانند پلی‌پپتیدهایی که اتم‌های منگنز را متصل می‌سازند باشد. درصورتی که پروتون‌ها از آب نشأت گرفته باشند پس قاعدتاً مولکول‌های آب باید پیش از S4 دست‌خوش برخی تغییرهای شیمیایی شوند. برعکس، درصورتی که پروتون‌هایی که به‌طور متناوب آزاد می‌شوند مستقیماً از پلی‌پپتیدها بیایند، و سپس جای‌گزین پروتون‌های مولکول‌های آب شوند، آن‌گاه نتیجه خواهیم گرفت که تا گذر نهایی S4 به S0 پدیده‌ی اکسایش آب روی نمی‌دهد. منبع بلاواسطه‌ی پروتون‌ها هنوز تعیین نشده است. درحال‌حاضر، صرف نظر از سرچشمه‌ی پروتون‌ها، محتمل به‌نظر می‌رسد که حالت‌های برتر S (به‌ویژه S2) به انبارسازی تعدادی بار مثبتِ خالص می‌پردازند. این احتمال وجود دارد که به یونی با بار منفی نیاز باشد که باعث پایدارسازی این بار مثبت شود. در این صورت این امر می‌تواند مشاهده‌ی مربوط به اصلی بودن یون‌هایی مانند کلرید را برای گردش چرخه‌ی اکسایش آب توضیح دهد. از اولین کسانی که نشان دادند که یون‌های کلرید قادر به گرداندن چرخه‌ی اکسایشی آب هستند سکیشی ایزاوا از دانشگاه ایالتی وین در دترویت بود. کاوینجی و ویلیام کلمن با هم‌کاری کوتوفسکی و هم‌کارانش از دانشگاه ایلی‌نوی در سال 1980 میلادی شروع به استفاده از روش‌های تشدید مغناطیسی هسته برای پی‌بردن به چگونگی پیوند یون‌های کلرید به غشای فوتوسنتزی نمودند. در ابتدای تحقیقات، ایوان بانیائو و ریس کریچلی و گاوینجی نشان دادند که یون‌های کلرید آزادانه و به‌سرعت به غشاهای جدای کلروپلاست می‌پیوندند و از آن‌ها جدا می‌شوند. این یافته‌ها باعث شد که سال بعد، آن‌ها تصور کنند که اتصال یون کلرید با بار منفی باید به رسیدن بار مثبتی از یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به چرخه‌ی اکسایش آب بستگی داشته باشد و رها شدن یون کلرید باید مصادف با رها شدن پروتون‌ها باشد. آزمایش‌های تشدید مغناطیسی که توسط کریستوفر پرستون و ر. ج. پیس از دانشگاه ملی استرالیا در کانبرا صورت گرفت از آن حکایت می‌کنند که چسبیدن یون‌های کلرید به حالت‌های S2 و S3 در وضعیت تنگ‌تری صورت می‌گیرد تا چسبیدن این یون‌ها به حالت‌های S0 و S1. این کشفیات، در هماهنگی با خاصیت بار مثبتِ بیشتر حالت‌های برتر S است. گردآوری یافته‌های طیف‌نمایی با پرتو ایکس که توسط کلاین و هم‌کارانش صورت گرفت نشان می‌دهد که کلرید در حالت‌های پایین‌تر مستقیماً به اتم‌های منگنز نمی‌چسبد. پیتر هومان از دانشگاه ایالتی فلوریدا و دانشیارانش عقیده دارند احتمالاً کلرید به اسیدهای آمینه‌ی دارای بار مثبت در پروتئین‌های چرخه می‌چسبد. با هم‌کاری گوتوفسکی مشاهداتی درباره‌ی چسبیدن کلرید در فوتوسیستم دو اسفناج انجام شد. اندازه‌گیری‌ها نشان دادند که چند یون کلرید به چرخه می‌چسبند و این‌گونه به‌نظر می‌رسد که محل چسبیدن آن‌ها عمدتاً در یکی از دو جای مشخص باشد: یکی نزدیک منگنز و احتمالاً روی پلی‌پپتیدهای D1 و D2، و دیگری روی پلی‌پپتید سی‌وسه کیلو دالتونی. تمام این آزمایشات نشان‌دهنده‌ی این هستند که احتمالاً وظیفه‌ی یون‌های کلرید در چرخه‌ی اکسایش آب، تسریع آزاد شدن پروتون‌ها از آب است. احتمالاً با این عمل، یون‌های کلرید قادر به افزایش تأثیر واکنش‌های اکسایش آب هستند یا این‌که ممکن است یون‌های باردار منگنز را در حالت‌های برتر S تثبیت نمایند و یا این‌که هر دو کار را انجام دهند. در مورد نقش کلرید هنوز اعتقادات متناقضی وجود دارد. احتمال دارد معلوم شود که کلرید تنظیمات مربوط به تثبیت ساختار پروتئین‌های فوتوسیستم دو را مرتب می‌کند.
وجود یون دو مثبت کلسیم نیز هم برای اکسایش آب و هم برای عمل مرکز واکنش فوتوسیستم دو ضروری است و به‌نظر می‌رسد این یون نیز در عمل کلرید از نزدیک دست داشته باشد. آزمایش‌های انجام گرفته در چند آزمایش‌گاه نشان‌دهنده‌ی این است که یون‌های کلسیم قادرند عملاً جانشین دو پلی‌پپتید در ته فوتوسیستم دو، که دست‌اندرکار تولید اکسیژن مولکولی هستند، بشوند. هم‌چنین مشاهده شده است که به‌نظر می‌رسد خارج ساختن یون‌های کلسیم هم جلوی گردش چرخه‌ی اکسایش آب را بگیرد و هم جلوی احیای سریع یون یک مثبت پی شش‌صد و هشتاد به خود پی شش‌صد و هشتاد را. به‌این‌ترتیب محتمل به‌نظر می‌رسد که کلسیم دارای نقشی بنیانی یا تنظیم کننده در فوتوسیستم دو باشد. جدایِ از این نقش، نشان داده شده است که کلسیم دارای نقشی مهم در نظارت بر انواع گوناگونی از پروتئین‌ها در دستگاه‌های دیگرِ ریستی است و درواقع می‌تواند فعالیت پروتئین‌ها را راه بیندازد یا این فعالیت‌ها را از کار بیندازد و یا این‌که ساختار سه‌بعدی آن‌ها را حفظ نماید. یون‌های کلسیم احتمالاً می‌توانند در فوتوسیستم دو پلی‌پپتیدهای چرخه‌ی اکسایش آب را به انجام وظیفه‌ی درست و مناسب هدایت نمایند.
سازمان مجهزی که در جریان فوتوسنتز، اکسیژن‌سازی می‌کند تنها بخشی کوچک از مسیر کامل فوتوسنتزی در موجودات اکسیژن‌ساز است. هرچند تشریح کلی عملیات نورساخت در همه‌ی گونه‌های فوتوسنتزی مشابه یک‌دیگر است اما مسلماً در فرایند تکامل، تفاوت‌های جزئی آشکار و مشخصی بروز کرده است. غالب تحقیقات نشان‌دهنده‌ی این هستند که تفاوت‌های نسبتاً کمی بین فوتوسیستم دو در سیانوباکتری‌ها و فوتوسیستم دو در گیاهان وجود دارد که این پیشنهاد دهنده‌ی این است که احتمالاً سیانوباکتری‌ها از نیاکان گیاهانند یا اگر چنین نباشد حداقل خویشاوندی نزدیکی با آن‌ها دارند. از طرف دیگر تفاوت‌های موجود بین مرکز واکنش سیانوباکتری‌ها و مرکز واکنش بسیاری از دیگر باکتری‌های فوتوسنتزی بسیار بارزتر است که این نشان دهنده‌ی انقسامی روشن در مسیر تکامل است. بدون شک درک تکامل حیات با انجام بررسی‌های تفصیلی بیش‌تری درباره‌ی فوتوسیستم یا ژنتیک مولکولی یا بلورنگاری با پرتو ایکس و طیف‌نمایی اصلاح خواهد شد.
/ج
