ما هو التمثيل الضوئي؟

بالعربي/ البناء الضوئي هو العملية التي تطلق الأكسجين الذي نتنفسه.

التمثيل الضوئي هو العملية التي تستخدمها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء إلى طعام (سكريات) وأكسجين . فيما يلي نظرة على المبادئ العامة لعملية التمثيل الضوئي والأبحاث ذات الصلة للمساعدة في تطوير الوقود النظيف ومصادر الطاقة المتجددة .  

أنواع عمليات التمثيل الضوئي

هناك نوعان من عمليات التمثيل الضوئي: التمثيل الضوئي الأكسجين وعملية التمثيل الضوئي غير المؤكسدة. يتبع كلاهما مبادئ متشابهة جدًا ، لكن التمثيل الضوئي الأكسجين هو الأكثر شيوعًا ويظهر في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء. 

أثناء عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، تنقل الطاقة الضوئية الإلكترونات من الماء (H2O) المأخوذة من جذور النبات إلى ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الكربوهيدرات . في هذا النقل ، يتم “تقليل” ثاني أكسيد الكربون أو استقبال الإلكترونات ، و “يتأكسد” الماء أو يفقد الإلكترونات. يتم إنتاج الأكسجين مع الكربوهيدرات.

يعمل التمثيل الضوئي بالأكسجين كموازنة للتنفس عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه جميع الكائنات الحية وإعادة إدخال الأكسجين إلى الغلاف الجوي.

وفي الوقت نفسه ، يستخدم التمثيل الضوئي غير المؤكسد مانحين للإلكترونات ليسوا ماء ولا ينتجون الأكسجين ، وفقًا لـ “البكتيريا غير المؤكسدة الضوئية ” من LibreTexts . تحدث العملية عادة في بكتيريا مثل بكتيريا الكبريت الخضراء والبكتيريا البنفسجية ذات التغذية الضوئية.

معادلة التمثيل الضوئي

على الرغم من أن كلا النوعين من التمثيل الضوئي معقدان ومتعددان الخطوات ، يمكن تلخيص العملية الكلية بدقة على أنها معادلة كيميائية .

معادلة التمثيل الضوئي للأكسجين هي: 

6CO2 + 12H2O + طاقة خفيفة → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

هنا ، تتحد ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع 12 جزيءًا من الماء (H2O) باستخدام الطاقة الضوئية. والنتيجة النهائية هي تكوين جزيء واحد من الكربوهيدرات (C6H12O6 ، أو الجلوكوز) مع ستة جزيئات من الأكسجين والماء.

وبالمثل ، يمكن تمثيل تفاعلات التمثيل الضوئي المختلفة غير المؤكسدة كصيغة واحدة معممة:

ثاني أكسيد الكربون + 2H2A + طاقة خفيفة ← [CH2O] + 2A + H2O

الحرف A في المعادلة متغير ، ويمثل H2A المتبرع المحتمل للإلكترون. على سبيل المثال ، قد يمثل الحرف “A” الكبريت في كبريتيد الهيدروجين (H2S) المتبرع للإلكترون ، وفقًا لموقع الأخبار الطبية وعلوم الحياة News Medical Life Sciences . 

كيف يتم تبادل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين؟

تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط وتطلق الماء والأكسجين عبر مسام مجهرية على أوراقها تسمى الثغور. الثغور هي حراس تبادل الغازات بين داخل النباتات والبيئة الخارجية. 

عندما تفتح الثغور ، فإنها تسمح بدخول ثاني أكسيد الكربون ؛ ومع ذلك ، أثناء الفتح ، تطلق الثغور الأكسجين وتسمح لبخار الماء بالخروج. في محاولة لتقليل كمية المياه المفقودة ، يتم إغلاق الثغور ، ولكن هذا يعني أن النبات لم يعد بإمكانه الحصول على ثاني أكسيد الكربون من أجل التمثيل الضوئي. هذه المفاضلة بين كسب ثاني أكسيد الكربون وفقدان الماء هي مشكلة خاصة للنباتات التي تنمو في البيئات الحارة والجافة. 

كيف تمتص النباتات ضوء الشمس من أجل التمثيل الضوئي؟

تحتوي النباتات على أصباغ خاصة تمتص الطاقة الضوئية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي.

الكلوروفيل هو الصباغ الأساسي المستخدم في التمثيل الضوئي ويمنح النباتات لونها الأخضر ، وفقًا لموقع تعليم العلوم Nature Education . يمتص الكلوروفيل الضوء الأحمر والأزرق لاستخدامه في التمثيل الضوئي ويعكس الضوء الأخضر. الكلوروفيل جزيء كبير ويستهلك الكثير من الموارد لصنعه ؛ على هذا النحو ، فإنه يتحلل قرب نهاية حياة الورقة ، ويتم إعادة امتصاص معظم نيتروجين الصبغة (أحد اللبنات الأساسية للكلوروفيل) في النبات ، وفقًا لغابة هارفارد بجامعة هارفارد . عندما تفقد الأوراق الكلوروفيل في الخريف ، فإن أصباغ الأوراق الأخرى مثل الكاروتيناتوتبدأ الأنثوسيانين في إظهار ألوانها الحقيقية. بينما تمتص الكاروتينات بشكل أساسي الضوء الأزرق وتعكس اللون الأصفر ، تمتص الأنثوسيانين الضوء الأزرق والأخضر وتعكس الضوء الأحمر.الإعلانات

ترتبط جزيئات الصباغ بالبروتينات ، مما يسمح لها بالمرونة للتحرك نحو الضوء ونحو بعضها البعض. تشكل مجموعة كبيرة من 100 إلى 5000 جزيء صبغ “هوائي” ، وفقًا لمقال بقلم ويم فيرماس ، الأستاذ في جامعة ولاية أريزونا. تلتقط هذه الهياكل بفعالية الطاقة الضوئية من الشمس ، في شكل فوتونات.

يختلف الوضع قليلاً بالنسبة للبكتيريا. بينما تحتوي البكتيريا الزرقاء على الكلوروفيل ، تحتوي البكتيريا الأخرى ، على سبيل المثال ، البكتيريا الأرجواني وبكتيريا الكبريت الخضراء ، على كلوروفيل جرثومي لامتصاص الضوء من أجل التمثيل الضوئي غير المؤكسد ، وفقًا لـ ” علم الأحياء الدقيقة للدمى ” (For Dummies، 2019). 

أين تتم عملية التمثيل الضوئي في النبات؟

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ، وهي نوع من البلاستيدات (عضية ذات غشاء) تحتوي على الكلوروفيل وتوجد أساسًا في أوراق النبات. تُعرف البلاستيدات ذات الأغشية المزدوجة في النباتات والطحالب بالبلاستيدات الأولية ، بينما يُطلق على الصنف متعدد الأغشية الموجود في العوالق اسم البلاستيدات الثانوية ، وفقًا لمقال نُشر عام 2010 في مجلة Nature Education بواسطة Cheong Xin Chan و Debashish Bhattacharya ، باحثون في جامعة روتجرز في نيو جيرسي. 

تشبه البلاستيدات الخضراء الميتوكوندريا ، مراكز الطاقة في الخلايا ، من حيث أن لديها جينومها الخاص ، أو مجموعة من الجينات الموجودة داخل دنا دائري. تقوم هذه الجينات بترميز البروتينات الضرورية للعضية وللتمثيل الضوئي.الإعلانات

يوجد داخل البلاستيدات الخضراء تراكيب على شكل صفيحة تسمى ثايلاكويدات مسؤولة عن حصاد فوتونات الضوء من أجل التمثيل الضوئي ، وفقًا لموقع علم الأحياء على الإنترنت Biology Online . يتم تكديس الثايلاكويدات فوق بعضها البعض في أعمدة تُعرف باسم جرانا. يوجد بين الحبيبات السدى – سائل يحتوي على إنزيمات وجزيئات وأيونات ، حيث يحدث تكوين السكر. 

في النهاية ، يجب نقل الطاقة الضوئية إلى مركب بروتيني صبغي يمكنه تحويلها إلى طاقة كيميائية على شكل إلكترونات. في النباتات ، يتم نقل الطاقة الضوئية إلى أصباغ الكلوروفيل. يتم التحويل إلى طاقة كيميائية عندما تقوم صبغة الكلوروفيل بطرد إلكترون ، والذي يمكن أن ينتقل بعد ذلك إلى المستلم المناسب. 

تُعرف الأصباغ والبروتينات التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وتبدأ عملية نقل الإلكترون بمراكز التفاعل.

تنقسم تفاعلات التمثيل الضوئي للنبات إلى مرحلتين رئيسيتين: تلك التي تتطلب وجود ضوء الشمس (تفاعلات تعتمد على الضوء) وتلك التي لا تتطلب (تفاعلات مستقلة عن الضوء). يحدث كلا النوعين من التفاعلات في البلاستيدات الخضراء: تفاعلات تعتمد على الضوء في الثايلاكويد وتفاعلات مستقلة عن الضوء في السدى.  

التفاعلات التي تعتمد على الضوء

عندما يمتص النبات الطاقة الشمسية فإنه يحتاج أولاً إلى تحويلها إلى طاقة كيميائية. 

عندما يضرب فوتون من الضوء مركز التفاعل ، يطلق جزيء الصباغ مثل الكلوروفيل إلكترونًا.

يتمكن الإلكترون المنطلق من الهروب من خلال الانتقال عبر سلسلة نقل الإلكترون ، والتي تولد الطاقة اللازمة لإنتاج ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو مصدر للطاقة الكيميائية للخلايا) و NADPH – وكلاهما مطلوب في المرحلة التالية من التمثيل الضوئي في دورة كالفين. يتم ملء “ثقب الإلكترون” في صبغة الكلوروفيل الأصلية بأخذ إلكترون من الماء. هذا الانقسام لجزيئات الماء يطلق الأكسجين في الغلاف الجوي.

تفاعلات الضوء المستقلة: دورة كالفين

تستخدم دورة كالفين الطاقة المخزنة من التفاعلات المعتمدة على الضوء لإصلاح ثاني أكسيد الكربون في السكريات اللازمة لنمو النبات. وفقًا لأكاديمية خان ، تحدث هذه التفاعلات في سدى البلاستيدات الخضراء ولا تكون مدفوعة مباشرة بالضوء – ومن هنا جاءت تسميتها “التفاعلات المستقلة للضوء”. ومع ذلك ، فإنها لا تزال مرتبطة بالضوء لأن دورة كالفين تغذيها ATP و NADPH (كلاهما من التفاعلات المعتمدة على الضوء المذكورة سابقًا).

أولاً ، يتحد ثاني أكسيد الكربون مع الريبولوز -1،5-ثنائي الفوسفات (RuBP) وهو متقبل لخمسة كربون ، وفقًا لأكاديمية خان. بعد ذلك ، ينقسم إلى جزيئين من مركب ثلاثي الكربون – 3-حمض الفوسفوجليسيريك (3-PGA). يتم تحفيز التفاعل بواسطة إنزيم يسمى RuBP carboxylase / Oxygenase ، المعروف أيضًا باسم rubisco. 

تتضمن المرحلة الثانية من دورة كالفين تحويل 3-PGA إلى سكر ثلاثي الكربون يسمى glyceraldehyde-3-phosphate (G3P) – تستخدم العملية ATP و NADPH. أخيرًا ، بينما تُستخدم بعض جزيئات G3P لصنع الجلوكوز ، يتم إعادة تدوير البعض الآخر لصنع RuBP ، والذي يستخدم في الخطوة الأولى لقبول ثاني أكسيد الكربون. لكل جزيء واحد من G3P ينتج الجلوكوز ، يتم إعادة تدوير خمسة جزيئات لتوليد ثلاثة جزيئات متقبلية من RuBP. 

التنفس الضوئي

وفقًا لأكاديمية خان ، يمكن للروبيسكو أحيانًا إصلاح الأكسجين بدلاً من ثاني أكسيد الكربون في دورة كالفين ، مما يهدر الطاقة – وهي عملية تُعرف باسم التنفس الضوئي . تطور الإنزيم في وقت كانت فيه مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي مرتفعة وكان الأكسجين نادرًا ، لذلك لم يكن لديه سبب للتمييز بين الاثنين ، وفقًا لباحثين في كندا . 

يعتبر التنفس الضوئي مشكلة كبيرة بشكل خاص عندما يتم إغلاق ثغور النباتات للحفاظ على المياه وبالتالي لا تستقبل المزيد من ثاني أكسيد الكربون. ليس لدى Rubisco خيار آخر سوى إصلاح الأكسجين بدلاً من ذلك ، مما يقلل بدوره من كفاءة التمثيل الضوئي للنبات. هذا يعني أنه سيتم إنتاج كميات أقل من المواد الغذائية النباتية (السكريات) ، مما قد يؤدي إلى تباطؤ النمو وبالتالي نمو النباتات الصغيرة. 

هذه مشكلة كبيرة للزراعة ، لأن النباتات الصغيرة تعني محصولًا أصغر. هناك ضغوط متزايدة على الصناعة الزراعية لزيادة إنتاجية النباتات لإطعام سكان العالم الذين يتزايدون باستمرار. يبحث العلماء باستمرار عن طرق لزيادة كفاءة التمثيل الضوئي وتقليل حدوث الإسراف في التنفس الضوئي. 

أنواع التمثيل الضوئي

هناك ثلاثة أنواع رئيسية من مسارات التمثيل الضوئي: C3 و C4 و CAM. إنهم جميعًا ينتجون السكريات من ثاني أكسيد الكربون باستخدام دورة كالفين ، لكن كل مسار مختلف قليلاً.

التمثيل الضوئي C3

تستخدم معظم النباتات التمثيل الضوئي لـ C3 ، وفقًا لمشروع بحثي التمثيل الضوئي لتحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي (RIPE) ، بما في ذلك الحبوب (القمح والأرز) والقطن والبطاطس وفول الصويا. تم تسمية التمثيل الضوئي لـ C3 لمركب ثلاثي الكربون يسمى حمض الفوسفوجليسيريك 3 (3-PGA) الذي يستخدمه خلال دورة كالفين. يتم إنتاج 3-PGA عندما تقوم Rubisco بإصلاح ثاني أكسيد الكربون ، مما يؤدي إلى تكوين مركب ثلاثي الكربون.

التمثيل الضوئي C4

تستخدم النباتات مثل الذرة وقصب السكر عملية التمثيل الضوئي C4. تستخدم هذه العملية مركبًا وسيطًا رباعي الكربون (يسمى أوكسالو أسيتات) والذي يتم تحويله إلى مالات ، وفقًا لبيولوجي أونلاين. يتم بعد ذلك نقل Malate إلى غلاف الحزمة حيث يتفكك ويطلق ثاني أكسيد الكربون ، والذي يتم إصلاحه بعد ذلك بواسطة Rubisco وتحويله إلى سكريات في دورة Calvin (تمامًا مثل التمثيل الضوئي C3). تتكيف نباتات C4 بشكل أفضل مع البيئات الحارة والجافة ويمكنها الاستمرار في إصلاح الكربون حتى عندما تكون ثغورها مغلقة (نظرًا لأن لديها محلول تخزين ذكي) ، مما يقلل من مخاطر التنفس الضوئي ، وفقًا لموقع Biology Online. 

التمثيل الضوئي CAM

تم العثور على استقلاب حمض الكراسولاسين (CAM) في النباتات التي تتكيف مع البيئات شديدة الحرارة والجافة ، مثل الصبار والأناناس ، وفقًا لموقع أكاديمية خان التعليمي . عندما تفتح الثغور لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون ، فإنها تخاطر بفقد الماء في البيئة الخارجية. وبسبب هذا ، تكيفت النباتات في البيئات القاحلة والحارة للغاية. أحد التكيفات هو CAM ، حيث تفتح النباتات الثغور ليلاً (عندما تكون درجات الحرارة منخفضة ويكون فقدان الماء أقل خطورة). وفقًا لأكاديمية خان ، يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى النباتات عبر الثغور ويتم تثبيته في أوكسالو أسيتات وتحويله إلى مالات أو حمض عضوي آخر (كما هو الحال في مسار C4). يتوفر ثاني أكسيد الكربون بعد ذلك للتفاعلات المعتمدة على الضوء في النهار ، وتغلق الثغور ، مما يقلل من خطر فقد الماء. 

كيف يمكن لعملية التمثيل الضوئي أن تحارب تغير المناخ

تعد كائنات التمثيل الضوئي وسيلة ممكنة لتوليد وقود نظيف الاحتراق مثل الهيدروجين. استفادت مجموعة بحثية في جامعة توركو في فنلندا من قدرة الطحالب الخضراء على إنتاج الهيدروجين. يمكن أن تنتج الطحالب الخضراء الهيدروجين لبضع ثوان إذا تعرضت لأول مرة لظروف مظلمة ولا هوائية (خالية من الأكسجين) ثم تعرضت للضوء. ابتكر الباحثون طريقة لتمديد إنتاج الهيدروجين في الطحالب الخضراء لمدة تصل إلى ثلاثة أيام ، كما ورد في دراستهم لعام 2018 المنشورة في مجلة Energy & Environmental Science .

حقق العلماء أيضًا تطورات في مجال التمثيل الضوئي الاصطناعي. على سبيل المثال ، طورت مجموعة من الباحثين من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، نظامًا اصطناعيًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون باستخدام أسلاك نانوية ، أو أسلاك يبلغ قطرها بضعة أجزاء من المليار من المتر. تغذي الأسلاك نظامًا من الميكروبات التي تقلل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أو بوليمرات باستخدام الطاقة من ضوء الشمس. نشر الفريق تصميمه في عام 2015 في مجلة Nano Letters . 

في عام 2016 ، نشر أعضاء في نفس المجموعة دراسة في مجلة Science وصفت نظامًا اصطناعيًا آخر للتمثيل الضوئي تستخدم فيه بكتيريا مصممة خصيصًا لإنتاج وقود سائل باستخدام ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون. بشكل عام ، لا تستطيع النباتات سوى تسخير حوالي واحد بالمائة من الطاقة الشمسية واستخدامها لإنتاج مركبات عضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في المقابل ، تمكن النظام الاصطناعي للباحثين من تسخير 10٪ من الطاقة الشمسية لإنتاج مركبات عضوية.

في عام 2019 ، كتب الباحثون في مجلة الكيمياء البيولوجية أن البكتيريا الزرقاء يمكن أن تعزز كفاءة إنزيم الروبيسكو. وجد العلماء أن هذه البكتيريا جيدة بشكل خاص في تركيز ثاني أكسيد الكربون في خلاياها ، مما يساعد على منع الروبيكو من الارتباط العرضي بالأكسجين. من خلال فهم كيفية تحقيق البكتيريا لذلك ، يأمل العلماء في دمج الآلية في النباتات للمساعدة في تعزيز كفاءة التمثيل الضوئي وتقليل مخاطر التنفس الضوئي. الإعلانات

يساعد البحث المستمر عن العمليات الطبيعية العلماء في تطوير طرق جديدة للاستفادة من مختلف مصادر الطاقة المتجددة ، والاستفادة من قوة التمثيل الضوئي هي خطوة منطقية لإنشاء وقود نظيف الاحتراق وخالي من الكربون.

المصدر/ livescience.comالمترجم/barabic.com