ما هو التمثيل الضوئي؟ | العلوم الحية
التمثيل الضوئي هو العملية التي تستخدمها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتحويل ضوء الشمس إلى طاقة. تحول العملية كيميائيًا ثاني أكسيد الكربون (CO2) والماء إلى طعام (سكريات) وأكسجين. غالبًا ما يعتمد التفاعل الكيميائي على صبغة تسمى الكلوروفيل ، والتي تعطي النباتات لونها الأخضر. التمثيل الضوئي هو أيضًا سبب تغطية كوكبنا في الغلاف الجوي الغني بالأكسجين.
أنواع عمليات التمثيل الضوئي
هناك نوعان من التمثيل الضوئي: الأكسجين وغير المؤكسد. يتبع كلاهما مبادئ متشابهة جدًا ، لكن الأول هو الأكثر شيوعًا ويظهر في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء.
أثناء عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، تنقل الطاقة الضوئية الإلكترونات من الماء (H2O) المأخوذة من جذور النباتات 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.
تخلق هذه العملية توازنًا على الأرض ، حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون الناتج عن تنفس الكائنات الحية أثناء استهلاكها للأكسجين في التنفس إلى أكسجين بواسطة النباتات والطحالب والبكتيريا.
وفي الوقت نفسه ، يستخدم التمثيل الضوئي غير المؤكسد مانحين للإلكترونات ليسوا ماء ولا تولد العملية الأكسجين ، وفقًا لـ “البكتيريا غير المؤكسدة الضوئية” بواسطة LibreTexts (يفتح في علامة تبويب جديدة). 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 هما أمران معقدان ومتعددان الخطوات ، إلا أنه 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 (يفتح في علامة تبويب جديدة).
كيف يتم تبادل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين؟
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الهواء المحيط وتطلق الماء والأكسجين عبر مسام مجهرية على أوراقها تسمى الثغور.
عندما تفتح الثغور ، فإنها تسمح بدخول ثاني أكسيد الكربون ؛ ومع ذلك ، أثناء الفتح ، تطلق الثغور الأكسجين وتسمح لبخار الماء بالخروج. يتم إغلاق الثغور لمنع فقدان الماء ، ولكن هذا يعني أن النبات لم يعد بإمكانه الحصول على ثاني أكسيد الكربون من أجل التمثيل الضوئي. هذه المفاضلة بين اكتساب ثاني أكسيد الكربون وفقدان المياه هي مشكلة خاصة للنباتات التي تنمو في البيئات الحارة والجافة.
كيف تمتص النباتات ضوء الشمس لعملية التمثيل الضوئي؟
تحتوي النباتات على أصباغ خاصة تمتص الطاقة الضوئية اللازمة لعملية التمثيل الضوئي.
الكلوروفيل هو الصباغ الأساسي المستخدم في التمثيل الضوئي ويعطي النباتات لونها الأخضر ، وفقًا لموقع تعليم العلوم Nature Education (يفتح في علامة تبويب جديدة). يمتص الكلوروفيل الضوء الأحمر والأزرق ويعكس الضوء الأخضر. الكلوروفيل جزيء كبير ويستهلك الكثير من الموارد لصنعه ؛ على هذا النحو ، فإنه يتحلل مع نهاية عمر الورقة ، ويتم إعادة امتصاص معظم نيتروجين الصباغ (أحد اللبنات الأساسية للكلوروفيل) في النبات ، وعندما تفقد الأوراق الكلوروفيل في الخريف ، فإن أصباغ الأوراق الأخرى مثل تبدأ الكاروتينات والأنثوسيانين في الظهور. في حين أن الكاروتينات تمتص بشكل أساسي الضوء الأزرق وتعكس اللون الأصفر ، فإن الأنثوسيانين تمتص الضوء الأزرق والأخضر وتعكس الضوء الأحمر ، وفقًا لغابة هارفارد بجامعة هارفارد.
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 Wim Vermaas (يفتح في علامة تبويب جديدة)، وهو أستاذ 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 ، فإن البكتيريا الأخرى ، على سبيل المثال ، البكتيريا الأرجواني وبكتيريا الكبريت الخضراء ، تحتوي على كلوروفيل جرثومي لامتصاص الضوء من أجل التمثيل الضوئي غير المؤكسد ، وفقًا لـ “علم الأحياء الدقيقة للدمى” (يفتح في علامة تبويب جديدة)(للدمى ، 2019).
متعلق ب: ماذا لو كان لدى البشر بشرة ضوئية؟
أين تتم عملية التمثيل الضوئي في النبات؟
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ، وهي نوع من البلاستيد (عضية ذات غشاء) تحتوي على الكلوروفيل وتوجد أساسًا في أوراق النبات.
تشبه البلاستيدات الخضراء الميتوكوندريا ، وهي مصادر الطاقة في الخلايا ، من حيث أن لديها جينومها الخاص ، أو مجموعة من الجينات الموجودة داخل دنا دائري. هذه الجينات تشفر البروتينات (يفتح في علامة تبويب جديدة) التي تعتبر ضرورية للعضية وللتمثيل الضوئي.
داخل البلاستيدات الخضراء عبارة عن هياكل على شكل صفيحة تسمى ثايلاكويدات مسؤولة عن حصاد فوتونات الضوء لعملية التمثيل الضوئي ، وفقًا لموقع مصطلحات علم الأحياء Biology Online. (يفتح في علامة تبويب جديدة). 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.
ردود الفعل التي تعتمد على الضوء
عندما يضرب فوتون من الضوء مركز التفاعل ، يطلق جزيء الصباغ مثل الكلوروفيل إلكترونًا.
يهرب الإلكترون المنطلق من خلال سلسلة من المجمعات البروتينية المرتبطة ببعضها البعض ، والمعروفة باسم سلسلة نقل الإلكترون. أثناء تحركه عبر السلسلة ، يولد الطاقة لإنتاج ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، 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
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
دورة كالفين هي عملية من ثلاث خطوات تولد السكريات للنبات ، وسميت باسم ملفين كالفين (يفتح في علامة تبويب جديدة)، العالم الحائز على جائزة نوبل والذي اكتشفه منذ عقود. تستخدم دورة كالفين ATP و NADPH المنتجين في الكلوروفيل لتوليد الكربوهيدرات. تأخذ صفيحة في سدى النبات ، المساحة الداخلية في البلاستيدات الخضراء.
في الخطوة الأولى من هذه الدورة ، التي تسمى تثبيت الكربون ، يساعد إنزيم يسمى RuBP carboxylase / Oxygenase ، المعروف أيضًا باسم Rubiso ، على دمج ثاني أكسيد الكربون في جزيء عضوي يسمى 3-phosphoglyceric acid (3-PGA). في هذه العملية ، يتم فصل مجموعة فوسفات على ستة جزيئات ATP لتحويلها إلى ADP ، وإطلاق الطاقة في هذه العملية ، وفقًا لـ LibreTexts.
في الخطوة الثانية ، يتم تقليل 3-PGA ، مما يعني أنه يأخذ الإلكترونات من ستة جزيئات NADPH وينتج جزيئين glyceraldehyde 3-phosphate (G3P).
يترك أحد جزيئات G3P دورة كالفين للقيام بأشياء أخرى في النبات. تنتقل جزيئات G3P المتبقية إلى الخطوة الثالثة ، وهي إعادة توليد الروبيكو. بين هذه الخطوات ، ينتج النبات الجلوكوز أو السكر.
هناك حاجة لثلاثة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون لإنتاج ستة جزيئات G3P ، ويستغرق الأمر ستة دورات حول دورة كالفين لصنع جزيء واحد من الكربوهيدرات ، وفقًا لموقع أكاديمية خان التعليمي.
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.
(يفتح في علامة تبويب جديدة)
التمثيل الضوئي C3
تستخدم معظم النباتات التمثيل الضوئي لـ C3 ، وفقًا لمشروع بحثي التمثيل الضوئي لتحقيق زيادة كفاءة التمثيل الضوئي (RIPE) (يفتح في علامة تبويب جديدة). تشمل نباتات C3 الحبوب (القمح والأرز) والقطن والبطاطس وفول الصويا. سميت هذه العملية بمركب ثلاثي الكربون 3-PGA الذي تستخدمه خلال دورة كالفين.
التمثيل الضوئي C4
تستخدم النباتات مثل الذرة وقصب السكر عملية التمثيل الضوئي C4. تستخدم هذه العملية مركبًا وسيطًا مكونًا من أربعة كربون (يسمى أوكسالو أسيتات) والذي يتم تحويله إلى مالات (يفتح في علامة تبويب جديدة)، وفقًا لبيولوجي أونلاين. يتم بعد ذلك نقل Malate إلى غلاف الحزمة حيث يتحلل ويطلق ثاني أكسيد الكربون ، والذي يتم إصلاحه بعد ذلك بواسطة Rubisco وتحويله إلى سكريات في دورة Calvin (تمامًا مثل التمثيل الضوئي C3). تتكيف مصانع C4 بشكل أفضل مع البيئات الحارة والجافة ويمكنها الاستمرار في إصلاح الكربون حتى عندما تكون ثغورها مغلقة (نظرًا لأن لديها حل تخزين ذكي) ، وفقًا لموقع Biology Online.
التمثيل الضوئي CAM
تم العثور على استقلاب حمض الكراسولاسين (CAM) في النباتات التي تتكيف مع البيئات الحارة جدًا والجافة ، مثل الصبار والأناناس ، وفقًا لأكاديمية خان. 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 أوكسالواسيتات 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.
مصادر إضافية
اكتشف المزيد من الحقائق حول التمثيل الضوئي من خلال موقع العلوم التربوية sciencing.com. اكتشف كيف تؤثر بنية الأوراق على عملية التمثيل الضوئي مع جامعة أريزونا. تعرف على الطرق المختلفة التي يمكن بها قياس التمثيل الضوئي من خلال موقع العلوم التربوية Science & Plants for Schools.
تم تحديث هذه المقالة بواسطة مدير تحرير Live Science Tia Ghose في 3 نوفمبر 2022.
