دارسة التمثيل الضوئي وأهم عمليات التركيب الضوئي

طوال عملية التركيب الضوئي في النباتات الخضراء يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لتغيير الماء وثنائي أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة.

للنشر

واتس اب شارك غرد شارك

جدول المحتويات

• التركيب الضوئي
• دراسة التمثيل الضوئي
• تطورات التركيب الضوئي
• عملية التركيب الضوئي وتمثيله
• أهمية التمثيل الضوئي
• الصيغة الأساسية لعملية التمثيل الضوئي
• الكائنات الحية التي يمكنها التمثيل الضوئي

التركيب الضوئي

سوف يكون من المستحيل المبالغة في عرفان بأهمية التمثيل الضوئي في القيام بالأتي:

• حماية وحفظ الحياة على الأرض، إذا تعطل التمثيل الضوئي في عاجلاً ما سوف يكون ثمة اليسير من الغذاء أو المواد العضوية الأخرى على الأرض، إذ ستختفي أكثرية الكائنات الحية وبفوات الزمان سيصبح الغلاف الجوي للأرض خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي.
• حيث أن الكائنات الحية الوحيدة القادرة على الوجود في حضور تلك الأوضاع هي البكتيريا المُصنّعة كيمياويًا، والتي يمكن لها النفع من الطاقة الناتجة عن التفاعلات الكيميائية لبعض العربات غير العضوية وهكذا لا تعول على تغيير الطاقة الضوئية.

دراسة التمثيل الضوئي

عند الأهتمام بهذه الدراسة توصل إلى أنها تقوم بالأتي:

• الطاقة التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي التي قامت بتنفيذها النباتات منذ ملايين السنوات هي التي تتحمل مسئولية المحروقات الأحفوري (أي الفحم والنفط والغاز) الذي يغذي المجتمع الصناعي.
• في العصور الفائتة ازدادت النباتات الخضراء والكائنات الحية الضئيلة التي تتغذى على النباتات بأسلوب أكثر سرعة من استهلاكها، وترسبت بقاياها في قشرة الأرض بواسطة الترسيب والنشاطات الجيولوجية الأخرى.
• هناك محمية من الأكسدة تم تغيير تلك المخلفات العضوية ببطء إلى وقود أحفوري، إذ لا تقدم تلك الأشكال من المحروقات العديد من الطاقة المستخدمة في المصانع والبيوت ووسائل النقل لا غير.
• إلا أن تعمل أيضًا كمواد خام للبلاستيك والبضائع الاصطناعية الأخرى، ولسوء الحظ استهلكت الحضارة العصرية إبان قرون عددها قليل فائض الإصدار الضوئي المتكدس على نطاق ملايين السنوات.
• ومن ثم، فإن ثنائي أكسيد الكربون الذي اكتملت محوه من الرياح لصنع الكربوهيدرات في عملية التمثيل الضوئي على مدار ملايين الأعوام يؤدي إرجاعه بحجم عاجل جداً.
• مثلما يصعد اهتمام ثنائي أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأسرع ما كان في تاريخ الأرض، ويتوقع أن يكون لتلك الظاهرة آثار ضخمة على جو الأرض.

تطورات التركيب الضوئي

أدت مطالب الأكل والمواد والطاقة في عالم ينمو فيه عدد القاطنين بشكل سريع إلى الاحتياج إلى ازدياد حجم التمثيل الضوئي وكفاءة تغيير ناتج التمثيل الضوئي إلى سلع هادفة للناس، وساهم ذلك في الأتي:

• حيث أحرزت واحدة من الاستجابة لهذه الاحتياجات ما يطلق عليه بالثورة الخضراء التي بدأت في منتصف القرن العشرين، تنقيحات عظيمة في المردود الزراعي بواسطة استعمال المخصبات الزراعية الكيماوية ومحاربة الجوائح وأمراض النبات وتربية النباتات والحراثة الآلية والحصاد ومعالجة المحصودات.
• حصر ذاك الشغل المجاعات الشرسة في أنحاء عددها قليل من العالم بصرف النظر عن الإزدهار السكاني الحثيث، لكنه لم يفني سوء القوت على مستوى فضفاض.
• أضف إلى ذاك، ابتداء من أوائل التسعينيات بدأ كمية مبالغة غلات المحصودات الأساسية في الهبوط، حيث كان ذاك صحيحًا خصوصا فيما يتعلق للأرز في آسيا.
• مثلما أن ازدياد الأسعار المتعلقة بالحفاظ على أحجام عالية من الإصدار الزراعي، والتي تحتاج مدخلات متزايدة طول الوقت من المخصبات الزراعية ومركبات قاتلة للحشرات المصائب والتطوير المتواصل لأنواع نباتية قريبة العهد صارت متشكلة للمزارعين في الكمية الوفيرة من البلاد والمدن.
• كان يتوقع أن تؤدي ثورة زراعية ثانية لائحة على الهندسة الوراثية النباتية إلى ارتفاع إنتاجية النبات، وهكذا التخفيف جزئيًا من سوء الأكل.
• منذ سبعينيات القرن السابق امتلك علماء الأحياء الجزيئية طرق لتحويل المادة الوراثية للنبات (حمض الديوكسي ريبورن كليك أو الحمض الهيدروجيني).
• من أجل تحري تنقيحات في قوى معارضة الأمراض والجفاف وإنتاجية المنتج وجودته وقوى معارضة الفلوجة وغيرها من المواصفات المرغوبة.
• ومع ذاك فإن تلك الملامح معقدة بطبيعتها، ووضح أن عملية فعل تغييرات على نباتات المحصودات عن طريق الهندسة الوراثية أكثر تعقيدًا الأمر الذي كان متوقعًا.
• وقد تؤدي مثل تلك الهندسة الوراثية في المستقبل إلى تنقيحات في عملية التمثيل الضوئي إلا أن بحلول العقود الأولى من القرن الواحد والعشرين لم تثبت حتى الآن أنها من الممكن أن تزيد بشكل ملحوظ من غلة الغلال.

عملية التركيب الضوئي وتمثيله

من الناحية الكيميائية فإن عملية التمثيل الضوئي هي عملية أكسدة واختزال تعمل بالطاقة الخفيفة، حيث تشير الأكسدة إلى :

• انتزاع الإلكترونات من الجزيء والاختزال يؤدي إلى اكتساب الإلكترونات عن طريق الجزيء، وفي عملية التمثيل الضوئي للنبات تُستخدم طاقة الضوء لدفع أكسدة الماء (H2O) وإنتاج غاز الأكسجين (O2) وأيونات الهيدروجين (H +) والإلكترونات.
• ويحدث نقل أكثرية الإلكترونات وأيونات الهيدروجين المزالة في التتمة إلى ثنائي أكسيد الكربون (CO2) والذي ينهي اختزاله إلى بضائع عضوية.
• تُستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين الأخرى لتخفيض النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمينية والسلفهيدريل في الأحماض الأمينية والتي تعد اللبنات اللازمة للبروتينات.
• وفي أكثرية الخلايا الخضراء تجسد الكربوهيدرات وخصوصا النشا وسكر السكروز من أكثر البضائع العضوية المباشرة لعملية التمثيل الضوئي.

تتم تلك التفاعلات على مرحلتين:

1. الفترة “الخفيفة”:

• التي تتركب من تفاعلات ضوئية كيميائية (أي التقاط الضوء).

2. المرحلة “المظلمة”:

• وتشتمل على تفاعلات كيميائية تتحكم فيها الإنزيمات، إذ أثناء الجولة الأولى يشطب امتصاص طاقة الضوء واستخدامها لدفع سلسلة من إجراءات نقل الإلكترون، الأمر الذي يسفر عن تخليق (ATP) وفوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد المخفض للإلكترون (NADPH).
• طوال الفترة المظلمة يكمل استعمال (ATP وNADPH) المتكون في تفاعلات التقاط الضوء لتخفيض ثنائي أكسيد الكربون إلى عربات الكربون العضوية، ويلقب ذاك الفهم للكربون غير العضوي في السيارات العضوية بتثبيت الكربون.
• أثناء القرن العشرين قدمت المقارنات بين إجراءات التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء وفي عدد محدود من بكتيريا الكبريت الضوئية بيانات وظيفة بشأن آلية التمثيل الضوئي، وتستخدم بكتيريا الكبريت كبريتيد الهيدروجين (H2S) كمصدر لذرات الهيدروجين وتنتج الكبريت بديلا عن الأكسجين طوال عملية التمثيل الضوئي.

أهمية التمثيل الضوئي

يحتسب التمثيل الضوئي وجّه حاد الضرورة بسبب وجود الغالبية العظمى من الحياة على الأرض، وإنها الأسلوب والكيفية التي تتوفر بها كل طاقة المحيط الحيوي تقريبًا للكائنات الحية كمنتجين أساسيين:

• حيث تشكل الكائنات الحية الضوئية قاعدة الشبكات الغذائية للأرض ويحدث استهلاكها بأسلوب مباشر أو ملتوي على يد جميع أنواع الحياة الأعلى.
• إضافة إلى ذاك فإن أكثرية الأكسجين الراهن في الغلاف الجوي يستأنف عملية التمثيل الضوئي، فإذا تبطل التمثيل الضوئي فعاجلا ما سوف يكون هنالك اليسير من الغذاء أو المواد العضوية الأخرى على الأرض وستختفي أغلب الكائنات الحية، وسيصبح الغلاف الجوي للأرض في الخاتمة خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي.

الصيغة الأساسية لعملية التمثيل الضوئي

تحدث كتابة عملية التمثيل الضوئي على العموم كما يلي:

(6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2)

• وذلك يقصد أن المواد المتفاعلة ستة جسيمات من ثنائي أكسيد الكربون وستة جسيمات ما، إذ يكمل تحويلها من خلال الطاقة الضوئية التي يلتقطها الكلوروفيل (ضمنيًا على يد السهم) إلى جزيء السكر وستة جسيمات الأكسجين، والسلع يستعمل الجسد السكر ويحدث افتتاح الأكسجين كمنتج ثانوي.

الكائنات الحية التي يمكنها التمثيل الضوئي

• تم إيجاد التمكن من التمثيل الضوئي في مختلف من الكائنات حقيقية النواة وبدائية النواة.
• وأشهر الأمثلة على هذا هي النباتات، إذ تتضمن جميع الأشكال الطفيلية أو المغذيات الفطرية ماعدا عدد بسيط جدًا منها على الكلوروفيل وتنتج طعامها.
• الطحالب هي المجموعة المهيمنة الأخرى من الكائنات الحية حقيقية النواة، حيث تعد جميع الطحالب والتي تتضمن عشب البحر العظيم والمشطورات المجهرية منتجين أساسيين مهمين.