معلومات عامة

ما هو التمثيل الضوئي و أنواعه و خصائصه ؟

التمثيل الضوئي هو عملية كيميائية حيوية تقوم من خلالها النباتات والطحالب وبكتيريا التمثيل الضوئي بتحويل المواد غير العضوية ( ثاني أكسيد الكربون والماء) إلى مادة عضوية (سكريات) ، وتسخير الطاقة من ضوء الشمس . هذه هي الآلية الرئيسية لتغذية جميع الكائنات ذاتية التغذية التي تمتلك الكلوروفيل ، وهو الصباغ الأساسي لعملية التمثيل الضوئي.

يعد التمثيل الضوئي أحد أهم الآليات البيوكيميائية على هذا الكوكب لأنه يتضمن تصنيع العناصر الغذائية العضوية التي تخزن الطاقة الضوئية من الشمس في جزيئات مفيدة مختلفة (الكربوهيدرات). في الواقع ، يأتي اسم هذه العملية من الكلمات اليونانية foto و “light” و ” التركيب “.

بعد عملية التمثيل الضوئي ، يمكن استخدام الجزيئات العضوية المركبة كمصدر للطاقة الكيميائية لدعم العمليات الحيوية ، مثل التنفس الخلوي والتفاعلات الأخرى التي تشكل جزءًا من عملية التمثيل الغذائي للكائنات الحية .

لإجراء عملية التمثيل الضوئي ، يلزم وجود الكلوروفيل ، وهو صبغة حساسة لأشعة الشمس ، والتي تعطي النباتات والطحالب لونها الأخضر المميز. توجد هذه الصبغة في البلاستيدات الخضراء ، وهي عضيات خلوية بأحجام مختلفة نموذجية للخلايا النباتية ، وخاصة الخلايا الورقية (من الأوراق). تحتوي البلاستيدات الخضراء على مجموعة من البروتينات والإنزيمات التي تسمح بتطوير تفاعلات معقدة تشكل جزءًا من عملية التمثيل الضوئي.

تعتبر عملية التمثيل الضوئي ضرورية للنظام البيئي وللحياة كما نعرفها ، لأنها تسمح بتكوين المواد العضوية وتداولها وتثبيت المواد غير العضوية بالإضافة إلى ذلك ، أثناء عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، يتم إنتاج الأكسجين الذي يحتاجه معظم الكائنات الحية للتنفس .

أنواع التمثيل الضوئي

يمكن التمييز بين نوعين من التمثيل الضوئي ، اعتمادًا على المواد التي يستخدمها الكائن الحي لإجراء التفاعل:

  • التمثيل الضوئي الأكسجين . يتميز باستخدام الماء (H 2 O) لتقليل ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) المستهلك. في هذا النوع من التمثيل الضوئي ، لا يتم إنتاج السكريات المفيدة فقط للكائن الحي ، ولكن يتم أيضًا الحصول على الأكسجين (O 2 ) كمنتج للتفاعل. تقوم النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء بعملية التمثيل الضوئي للأكسجين.
  • التمثيل الضوئي غير المؤكسد . لا يستخدم الكائن الماء لتقليل ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) ، ولكنه يستفيد من ضوء الشمس لتفكيك جزيئات كبريتيد الهيدروجين (H 2S ) أو الهيدروجين الغازي (H 2 ). لا ينتج هذا النوع من التمثيل الضوئي الأكسجين (O 2 ) وبدلاً من ذلك يطلق الكبريت كمنتج تفاعل. يتم إجراء التمثيل الضوئي غير المؤكسد بواسطة ما يسمى بكتيريا الكبريت الخضراء والأرجوانية ، والتي تحتوي على أصباغ التمثيل الضوئي مجمعة تحت اسم جرثومة الكلوروفيل ، والتي تختلف عن الكلوروفيل في النباتات.

خصائص التمثيل الضوئي

"خصائص
في النباتات والطحالب
يحدث التمثيل الضوئي في عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء.

بشكل عام ، يتميز التمثيل الضو ئي بما يلي:

  • إنها عملية كيميائية حيوية تستخدم ضوء الشمس للحصول على المركبات العضوية ، أي تخليق العناصر الغذائية من العناصر غير العضوية مثل الماء (H 2 O) وثاني أكسيد الكربون (CO 2 ).
  • يمكن أن يتم تنفيذه بواسطة العديد من الكائنات ذاتية التغذية ، طالما أنها تحتوي على أصباغ ضوئية (أهمها الكلوروفيل). إنها عملية تغذية النباتات (الأرضية والمائية) والطحالب والعوالق النباتية والبكتيريا الضوئية. هناك عدد قليل من الحيوانات قادرة على التمثيل الضو ئي ، بما في ذلك البزاقة البحرية Elysia chlorotica والسمندل المرقط Ambystoma maculatum (وهذا الأخير يفعل ذلك من خلال التعايش مع الطحالب).
  • في النباتات والطحالب ، يحدث التمثيل الضو ئي في عضيات متخصصة تسمى البلاستيدات الخضراء ، والتي يوجد فيها الكلوروفيل. تمتلك بكتيريا التمثيل الضو ئي أيضًا الكلوروفيل (أو أصباغ أخرى مماثلة) ، ولكن لا تحتوي على البلاستيدات الخضراء.
  • هناك نوعان من التمثيل الضو ئي ، اعتمادًا على المادة المستخدمة لإصلاح الكربون من ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ). يستخدم التمثيل الضو ئي الأكسجين الماء (H 2 O) وينتج الأكسجين (O 2 ) ، والذي يتم إطلاقه في الوسط المحيط. يستخدم التمثيل الضو ئي غير المؤكسد كبريتيد الهيدروجين (H 2S ) أو غاز الهيدروجين (H ) ، ولا ينتج الأكسجين ولكنه يطلق الكبريت.
  • منذ اليونان القديمة ، كانت العلاقة بين ضوء الشمس والنباتات مفترضة بالفعل. ومع ذلك ، فإن التقدم في دراسة وفهم التمثيل الضو ئي بدأ يكتسب أهمية بفضل مساهمات مجموعة متعاقبة من العلماء من القرنين الثامن عشر والتاسع عشر والعشرين. على سبيل المثال ، كان أول من أظهر توليد الأكسجين في النباتات هو رجل الدين الإنجليزي جوزيف بريستلي (1732-1804) ، وأول من صاغ المعادلة الأساسية لعملية التمثيل الضو ئي كان عالم النبات الألماني فرديناند ساكس (1832-1897). في وقت لاحق ، قدم عالم الكيمياء الحيوية في أمريكا الشمالية ملفين كالفين (1911-1997) مساهمة هائلة أخرى ، حيث أوضح دورة كالفين (إحدى مراحل التمثيل الضو ئي) ، والتي أكسبته جائزة نوبل في الكيمياء عام 1961.

معادلة التمثيل الضوئي

المعادلة العامة لعملية التمثيل الضو ئي للأكسجين هي كما يلي:

التمثيل الضوئي
التمثيل الضو ئي

 

الطريقة الصحيحة لصياغة هذه المعادلة كيميائيًا ، أي المعادلة المتوازنة لهذا التفاعل ، هي كما يلي:

البناء الضوئي
البناء الضوئي

مراحل التمثيل الضوئي

البناء الضوئي
البناء الضوئي
تحدث المرحلة الكيميائية الضوئية لعملية التمثيل الضو ئي في وجود ضوء الشمس.

يحدث التمثيل الضو ئي كعملية كيميائية في مرحلتين مختلفتين: مرحلة الضوء (أو الضوء) والمرحلة المظلمة

وهذا ما يسمى لأن الأولى فقط تتدخل مباشرة في وجود ضوء الشمس (وهذا لا يعني أن الثانية تحدث بالضرورة في الظلام ) . ).

  • المرحلة الخفيفة أو الكيميائية الضوئية . خلال هذه المرحلة ، تحدث تفاعلات تعتمد على الضوء داخل النبات ، أي أن النبات يلتقط الطاقة الشمسية من خلال الكلوروفيل ويستخدمها لإنتاج ATP و NADPH. يبدأ كل شيء عندما يتلامس جزيء الكلوروفيل مع الإشعاع الشمسي وتكون الإلكترونات الموجودة في طبقاته الخارجية متحمسة ، مما يولد سلسلة نقل الإلكترون (على غرار الكهرباء )
  • والتي تُستخدم لتخليق ATP.(أدينوسين ثلاثي الفوسفات) و NADPH (فوسفات النيكوتين أدينين ثنائي النوكليوتيد).
  • يسمح تكسير جزيء الماء في عملية تسمى “التحلل الضوئي” لجزيء الكلوروفيل باستعادة الإلكترون
  • الذي فقده عندما كان متحمسًا (يلزم إثارة العديد من جزيئات الكلوروفيل لتنفيذ المرحلة الضوئية). نتيجة للتحلل الضو ئي لجزيئين من الماء ، يتم إنتاج جزيء الأكسجين الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي كمنتج ثانوي لهذه المرحلة من التمثيل الضو ئي.
  • المرحلة المظلمة أو الاصطناعية . خلال هذه المرحلة ، التي تحدث في المصفوفة أو السدى للبلاستيدات الخضراء

يستخدم النبات ثاني أكسيد الكربون ويستفيد من الجزيئات المتولدة خلال المرحلة السابقة (الطاقة الكيميائية) لتجميع المواد العضوية من خلال دائرة من التفاعلات الكيميائية المعقدة للغاية والمعروفة باسم مثل دورة كالفين بنسون .

خلال هذه الدورة ، ومن خلال تدخل إنزيمات مختلفة ، ATP و NADPH المكونين سابقًا

يتم تصنيع الجلوكوز من ثاني أكسيد الكربون الذي يأخذه النبات من الغلاف الجوي. يُعرف دمج ثاني أكسيد الكربون في المركبات العضوية بتثبيت الكربون.

أهمية التمثيل الضوئي

"أهمية
يطلق التمثيل الضو ئي الأكسجين في الغلاف الجوي والماء.

التمثيل الضو ئي هو عملية حيوية ومركزية في المحيط الحيوي لأسباب متعددة. الأول والأكثر وضوحًا هو أنه ينتج الأكسجين (O 2 )

وهو غاز أساسي للتنفس في كل من الماء والهواء . بدون النباتات

لا تستطيع معظم الكائنات الحية (بما في ذلك البشر ) البقاء على قيد الحياة.من ناحية أخرى

من خلال امتصاصه من البيئة المحيطة ، تقوم النباتات بإصلاح ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) وتحويله إلى مادة عضوية .

هذا الغاز ، الذي نزفره أثناء التنفس ، يحتمل أن يكون سامًا إذا لم يتم الاحتفاظ به ضمن حدود معينة.

لأن النباتات تستخدم ثاني أكسيد الكربون لصنع طعامها ، فإن انخفاض الحياة النباتية على الكوكب يؤثر على زيادة هذا الغاز في الغلاف الجوي

حيث يعمل كعامل من عوامل الاحتباس الحراري . على سبيل المثال

يعمل ثاني أكسيد الكربون كغاز دفيئة ، مما يمنع الحرارة الزائدة التي تصل إلى الأرض من الانبعاث من الغلاف الجوي.

تشير التقديرات إلى أن كائنات التمثيل الضو ئي تثبت كل عام حوالي 100000 مليون طن من الكربون كمواد عضوية.

مقالات ذات صلة

اترك رد

زر الذهاب إلى الأعلى