الأحياء

ما هو التمثيل الضوئي

التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تقوم من خلالها النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء ، يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة.

سيكون من المستحيل المبالغة في تقدير أهمية التمثيل الضوئي في الحفاظ على الحياة على الأرض . إذا توقف التمثيل الضوئي ، فسرعان ما سيكون هناك القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض. ستختفي معظم الكائنات الحية ، وبمرور الوقت سيصبح الغلاف الجوي للأرض خالياً تقريباً من الأكسجين الغازي. الكائنات الحية الوحيدة القادرة على الوجود في ظل هذه الظروف هي البكتيريا التخليقية الكيميائية ، والتي يمكن أن تستخدم الطاقة الكيميائية لبعض المركبات غير العضوية وبالتالي لا تعتمد على تحويل الطاقة الضوئية.

الطاقة التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي التي نفذتها النباتات منذ ملايين السنين هي المسؤولة عن الوقود الأحفوري (أي الفحم والنفط والغاز) الذي يغذي المجتمع الصناعي. في العصور الماضية ، زادت النباتات الخضراء والكائنات الحية الصغيرة التي تتغذى على النباتات بشكل أسرع من استهلاكها ، وترسبت بقاياها في قشرة الأرض عن طريق الترسيب والعمليات الجيولوجية الأخرى. هناك ، محمية من الأكسدة ، تم تحويل هذه البقايا العضوية ببطء إلى وقود أحفوري. لا توفر هذه الأنواع من الوقود الكثير من الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل ووسائل النقل فحسب ، بل تعمل أيضاً كمواد خام للبلاستيك والمنتجات الاصطناعية الأخرى. لسوء الحظ ، استهلكت الحضارة الحديثة في بضعة قرون فائض إنتاج التمثيل الضوئي المتراكم على مدى ملايين السنين. وبالتالي، فإن ثاني أكسيد الكربون الذي تمت إزالته من الهواء لصنع الكربوهيدرات في عملية التمثيل الضوئي على مدى ملايين السنين يتم إرجاعه بمعدل سريع بشكل لا يصدق. يرتفع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأسرع ما كان في تاريخ الأرض ، ومن المتوقع أن يكون لهذه الظاهرة آثار كبيرة على مناخ الأرض.

التفاعل الكيميائي كصيغة.

الصيغة التي تصف التمثيل الضوئي هي :

6CO2 + 6H20 + طاقة ضوئية = C6H1206 + 602.

ما تعنيه هذه المعادلة الكيميائية هو أن التمثيل الضوئي يجمع الطاقة الضوئية مع ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات من الماء لإنتاج ستة جزيئات من الأكسجين وجزيء واحد من السكر .

كيف يعمل التمثيل الضوئي.

المكون الرئيسي الذي يدفع عملية التمثيل الضوئي هو جزيء الكلوروفيل. الكلوروفيل جزيء كبير له هيكل خاص يمكّنه من التقاط الطاقة الضوئية وتحويلها إلى إلكترونات عالية الطاقة ، والتي تُستخدم خلال تفاعلات المرحلتين لإنتاج السكر أو الجلوكوز في النهاية.

في بكتيريا التمثيل الضوئي ، يحدث التفاعل في غشاء الخلية وداخل الخلية ، ولكن خارج النواة. في النباتات والأوليات الضوئية – البروتوزوان هي كائنات وحيدة الخلية تنتمي إلى مجال حقيقيات النوى ، وهو نفس مجال الحياة الذي يشمل النباتات والحيوانات والفطريات – يحدث التمثيل الضوئي داخل البلاستيدات الخضراء. البلاستيدات الخضراء هي نوع من الحجرات العضية أو الغشائية ، تتكيف مع وظائف محددة مثل توليد الطاقة للنباتات.

البلاستيدات الخضراء – قصة تطورية.

بينما توجد البلاستيدات الخضراء اليوم داخل الخلايا الأخرى، مثل الخلايا النباتية ، فإنها تمتلك الحمض النووي والجينات الخاصة بها. كشف تحليل تسلسل هذه الجينات أن البلاستيدات الخضراء تطورت من كائنات حية ذاتية التمثيل الضوئي مرتبطة بمجموعة من البكتيريا تسمى البكتيريا الزرقاء.

حدثت عملية مماثلة عندما أسلاف الميتوكوندريا ، العضيات داخل الخلايا حيث يحدث التنفس التأكسدي ، وهو المادة الكيميائية المعاكسة لعملية التمثيل الضوئي. وفقاً لنظرية التعايش الداخلي ، وهي النظرية التي تم تعزيزها مؤخراً ، بسبب دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature ، كانت كل من البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا تعيشان في يوم من الأيام كبكتيريا مستقلة ، ولكنهما غُمرتا داخل أسلاف حقيقيات النوى ، مما أدى في النهاية إلى ظهور النباتات والحيوانات.

مرحلتان من التمثيل الضوئي.

يمثل التمثيل الضوئي العملية البيولوجية التي تقوم من خلالها النباتات بتحويل الطاقة الضوئية إلى سكر لتغذية الخلايا النباتية. يتكون من مرحلتين ، أحدهما يحول الطاقة الضوئية إلى سكر ، ثم التنفس الخلوي يحول السكر إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، المعروف باسم ATP ، الوقود لجميع الحياة الخلوية. تحويل ضوء الشمس غير القابل للاستخدام يجعل النباتات خضراء.

في حين أن آليات التمثيل الضوئي معقدة ، يحدث التفاعل الكلي على النحو التالي: ثاني أكسيد الكربون + ضوء الشمس + الماء —> الجلوكوز (السكر) + الأكسجين الجزيئي.

يحدث التمثيل الضوئي من خلال عدة خطوات تحدث خلال مرحلتين: مرحلة الضوء والمرحلة المظلمة.

المرحلة الأولى: تفاعلات الضوء.

في العملية التي تعتمد على الضوء ، والتي تحدث في الجرانا ، فإن بنية الغشاء المكدسة داخل البلاستيدات الخضراء ، تساعد الطاقة المباشرة للضوء المصنع على تكوين جزيئات تحمل الطاقة لاستخدامها في المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي. يستخدم المصنع الطاقة الضوئية لتوليد الإنزيم المساعد نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد فوسفات ، أو NADPH و ATP ، الجزيئات التي تحمل الطاقة. تخزن الروابط الكيميائية في هذه المركبات الطاقة وتستخدم خلال المرحلة المظلمة.

المرحلة الثانية: التفاعلات المظلمة.

تُعرف أيضًا المرحلة المظلمة ، التي تحدث في السدى وفي الظلام عند وجود الجزيئات التي تحمل الطاقة ، بدورة كالفين أو دورة C 3 . تستخدم المرحلة المظلمة ATP و NADPH المتولدين في المرحلة الضوئية لعمل روابط تساهمية CC من الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون والماء ، مع مادة كيميائية ريبولوز ثنائي الفوسفات أو RuBP ، وهي مادة كيميائية 5-C تلتقط ثاني أكسيد الكربون. ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون تدخل الدورة ، والتي بدورها تنتج جزيء واحد من الجلوكوز أو السكر.

دورة كالفين.

يستخدم التفاعل المظلم ATP و NADPH الناتج عن تفاعل الضوء لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكر. تحدث هذه المرحلة داخل فغرة النبات في الظلام. الدورة الرئيسية في هذه المرحلة تسمى دورة كالفين ، والتي تتكون من ثلاث مراحل.

▪️ المرحلة الأولى ، وتسمى أيضاً مرحلة تثبيت الكربون، هي عندما يتحد ثاني أكسيد الكربون مع ثنائي فوسفات الريبولوز ، وهو سكر خماسي الكربون.

▪️ في المرحلة الثانية ، يساعد ATP في تحويل منتج المرحلة الأولى إلى سكر.

▪️ تستخدم المرحلة الثالثة ، أو مرحلة التجديد ، مرة أخرى ATP لتجديد مستويات احتياطي RuBp في الخلية ، وإكمال الدورة.

امتصاص الضوء.

تستخدم النباتات الطاقة الضوئية لبدء عملية التمثيل الضوئي وتزويد تخزين الطاقة في السكريات بالوقود. ينقسم الضوء إلى ألوان مختلفة بأطوال موجية مميزة مع كل طول موجي يمثله صبغة فردية. يأخذ الكلوروفيل ، وهو صبغة نباتية معينة، الضوء الأزرق والأحمر بينما يستخدم الكاروتين ، وهو نوع آخر من أصباغ النبات ، موجات الضوء الأزرق والأخضر. الأطوال الموجية الخضراء لا تمتصها النباتات بكفاءة وتنعكس على أوراق النبات وسيقانه مما يجعل النباتات تبدو خضراء.

العوامل المؤثرة على التمثيل الضوئي.

هناك عدة طرق لقياس معدل التمثيل الضوئي في المختبر. وتشمل هذه:

▪️ معدل إخراج الأكسجين.

▪️ معدل امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

▪️ معدل إنتاج الكربوهيدرات.

هذه ليست طرقاً مثالية لأن النبات سيتنفس أيضاً ، مما سيستخدم بعض الأكسجين والكربوهيدرات ويزيد من إنتاج ثاني أكسيد الكربون.

يمكن أن تؤثر عدة عوامل على معدل التمثيل الضوئي:

▪️ شدة الضوء. بدون ضوء كافٍ ، لا يمكن للنبات أن يقوم بعملية التمثيل الضوئي بسرعة كبيرة – حتى لو كان هناك الكثير من الماء وثاني أكسيد الكربون ودرجة حرارة مناسبة. تؤدي زيادة شدة الضوء إلى زيادة معدل التمثيل الضوئي ، حتى يصبح أحد العوامل الأخرى – وهو عامل مقيد – ناقصاً.

في شدة الضوء العالية جداً ، يتم إبطاء عملية التمثيل الضوئي ثم تثبيطها ، لكن شدة الضوء هذه لا تحدث في الطبيعة.

▪️ تركيز ثاني أكسيد الكربون. ثاني أكسيد الكربون – مع الماء – هو أحد المواد المتفاعلة في عملية التمثيل الضوئي.

إذا زاد تركيز ثاني أكسيد الكربون ، سيزداد معدل التمثيل الضوئي.مرة أخرى ، في مرحلة ما ، قد يصبح أحد العوامل مقيدًا.

▪️ درجة الحرارة. يتم التحكم في التفاعلات الكيميائية التي تجمع بين ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج الجلوكوز بواسطة الإنزيمات. كما هو الحال مع أي تفاعل آخر يتحكم فيه الإنزيم ، يتأثر معدل التمثيل الضوئي بدرجة الحرارة.

في درجات الحرارة المنخفضة ، يكون معدل التمثيل الضوئي محدوداً بعدد الاصطدامات الجزيئية بين الإنزيمات والركائز. في درجات حرارة عالية ، يتم تغيير طبيعة الإنزيمات.

تؤثر كمية الكلوروفيل أيضاً على معدل التمثيل الضوئي:

▪️ النباتات في ظروف الإضاءة غير المواتية لعملية التمثيل الضوئي قد تنتج المزيد من الكلوروفيل ، لامتصاص الضوء المطلوب.

▪️ تأثيرات بعض أمراض النبات تؤثر على كمية الكلوروفيل ، وبالتالي على قدرة النبات على التمثيل الضوئي.

بدون ضوء كافٍ ، لا يمكن للنبات أن يقوم بعملية التمثيل الضوئي بسرعة كبيرة – حتى لو كان هناك الكثير من الماء وثاني أكسيد الكربون ودرجة حرارة مناسبة.تؤدي زيادة شدة الضوء إلى زيادة معدل التمثيل الضوئي ، حتى يصبح أحد العوامل الأخرى – وهو عامل مقيد – ناقصًا.

الكلوروفيل.

يمتص الكلوروفيل الطاقة الضوئية اللازمة لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز.

الكلوروفيل أخضر – لذلك يمتص الأجزاء الحمراء والزرقاء من الطيف الكهرومغناطيسي ويعكس الجزء الأخضر من الطيف.

تكون الأوراق التي تحتوي على المزيد من الكلوروفيل أكثر قدرة على امتصاص الضوء المطلوب لعملية التمثيل الضوئي.

المراجع :

Hans Lambers,James Alan Bassham, “Photosynthesis”، www.britannica.com

Dr. David Warmflash (Updated 26-4-2018), “Two Stages of Photosynthesis”، sciencing.com

Andrew Latham (Updated 27-4-2018), “How Do Plants Store Energy During Photosynthesis?”، sciencing.com

Factors affecting photosynthesis”, www.bbc.co.uk

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى