مفهوم التركيب الضوئي

ما هو مفهوم التركيب الضوئي:

التمثيل الضوئي هو العملية التي تقوم من خلالها النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، حيث 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، حيث ستختفي معظم الكائنات الحية وبمرور الوقت سيصبح الغلاف الجوي للأرض خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي، إذ أن الكائنات الحية الوحيدة القادرة على الوجود في ظل هذه الظروف هي البكتيريا المُصنّعة كيميائيًا، والتي يمكنها الاستفادة من الطاقة الكيميائية لبعض المركبات غير العضوية وبالتالي لا تعتمد على تحويل الطاقة الضوئية.

دراسة التمثيل الضوئي:

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، حيث لا توفر هذه الأنواع من الوقود الكثير من الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل ووسائل النقل فحسب، بل تعمل أيضًا كمواد خام للبلاستيك والمنتجات الاصطناعية الأخرى، ولسوء الحظ استهلكت الحضارة الحديثة في غضون قرون قليلة فائض الإنتاج 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 للغاية، كما 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.

أدت متطلبات الغذاء والمواد والطاقة في عالم ينمو فيه عدد السكان بسرعة إلى الحاجة إلى زيادة كل من كمية التمثيل الضوئي وكفاءة تحويل ناتج التمثيل الضوئي إلى منتجات مفيدة للناس، إذ حققت إحدى الاستجابة لتلك الاحتياجات ما يسمى بالثورة الخضراء التي بدأت في منتصف القرن العشرين، تحسينات هائلة في العائد الزراعي من خلال استخدام الأسمدة الكيماوية ومكافحة الآفات وأمراض النبات وتربية النباتات والحراثة الآلية والحصاد ومعالجة المحاصيل.

حصر هذا الجهد المجاعات الشديدة في مناطق قليلة من العالم على الرغم من النمو السكاني السريع، لكنه لم يقضي على سوء التغذية على نطاق واسع علاوة على ذلك، ابتداء من أوائل التسعينيات بدأ معدل زيادة غلات المحاصيل الرئيسية في الانخفاض، إذ كان هذا صحيحًا بشكل خاص بالنسبة للأرز في آسيا، كما أن ارتفاع التكاليف المرتبطة بالحفاظ على معدلات عالية من الإنتاج الزراعي، والتي تتطلب مدخلات متزايدة باستمرار من الأسمدة ومبيدات الآفات والتطوير المستمر لأنواع نباتية جديدة أصبحت مشكلة للمزارعين في العديد من البلدان.

كان من المتوقع أن تؤدي ثورة زراعية ثانية قائمة على الهندسة الوراثية النباتية إلى زيادة إنتاجية النبات، وبالتالي التخفيف جزئيًا من سوء التغذية، منذ سبعينيات القرن الماضي امتلك علماء الأحياء الجزيئية وسائل لتغيير المادة الوراثية للنبات (حمض الديوكسي ريبونوكلييك أو الحمض النووي) بهدف تحقيق تحسينات في مقاومة الأمراض والجفاف وإنتاجية المنتج وجودته ومقاومة الصقيع وغيرها من الخصائص المرغوبة.

ومع ذلك فإن هذه السمات معقدة بطبيعتها، واتضح أن عملية إجراء تغييرات على نباتات المحاصيل من خلال الهندسة الوراثية أكثر تعقيدًا مما كان متوقعًا، وقد تؤدي مثل هذه الهندسة الوراثية في المستقبل إلى تحسينات في عملية التمثيل الضوئي ولكن بحلول العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين لم تثبت بعد أنها يمكن أن تزيد بشكل كبير من غلة المحاصيل.

مجال آخر مثير للاهتمام في دراسة التمثيل الضوئي هو اكتشاف أن بعض الحيوانات قادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، حيث البزاقة البحرية الخضراء الزمردية (Elysia chlorotica) على سبيل المثال، تكتسب الجينات والبلاستيدات الخضراء من (Vaucheria litorea) وهي طحلب تستهلكه مما يمنحها قدرة محدودة على إنتاج الكلوروفيل.

عندما يتم استيعاب عدد كافٍ من البلاستيدات الخضراء فقد تتخلى البزاقة عن تناول الطعام، ويمكن لمُنّ البازلاء (Acyrthosiphon pisum) تسخير الضوء لتصنيع مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات الغني بالطاقة (ATP) وقد تم ربط هذه القدرة بتصنيع المن من أصباغ كاروتينويد.

عملية التمثيل الضوئي:

من الناحية الكيميائية فإن عملية التمثيل الضوئي هي عملية أكسدة واختزال تعمل بالطاقة الخفيفة، إذ تشير الأكسدة إلى نزع الإلكترونات من الجزيء والاختزال يشير إلى اكتساب الإلكترونات بواسطة الجزيء، وفي عملية التمثيل الضوئي للنبات تُستخدم طاقة الضوء لدفع أكسدة الماء (H2O) وإنتاج غاز الأكسجين (O2) وأيونات الهيدروجين (H +) والإلكترونات، ويتم نقل معظم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين المزالة في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) والذي يتم اختزاله إلى منتجات عضوية.

تُستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين الأخرى لتقليل النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمينية والسلفهيدريل في الأحماض الأمينية والتي تعد اللبنات الأساسية للبروتينات، وفي معظم الخلايا الخضراء تعتبر الكربوهيدرات وخاصة النشا وسكر السكروز من أهم المنتجات العضوية المباشرة لعملية التمثيل الضوئي.

تحدث هذه التفاعلات على مرحلتين: المرحلة “الخفيفة” التي تتكون من تفاعلات ضوئية كيميائية (أي التقاط الضوء) والمرحلة “المظلمة” وتشمل تفاعلات كيميائية تتحكم فيها الإنزيمات، حيث خلال المرحلة الأولى يتم امتصاص طاقة الضوء واستخدامها لدفع سلسلة من عمليات نقل الإلكترون، مما يؤدي إلى تخليق (ATP) وفوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد المخفض للإلكترون (NADPH).

خلال المرحلة المظلمة يتم استخدام (ATP و NADPH) المتكون في تفاعلات التقاط الضوء لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات الكربون العضوية، ويسمى هذا الاستيعاب للكربون غير العضوي في المركبات العضوية بتثبيت الكربون، خلال القرن العشرين قدمت المقارنات بين عمليات التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء وفي بعض بكتيريا الكبريت الضوئية معلومات مهمة حول آلية التمثيل الضوئي، وتستخدم بكتيريا الكبريت كبريتيد الهيدروجين (H2S) كمصدر لذرات الهيدروجين وتنتج الكبريت بدلاً من الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي.

أهمية التمثيل الضوئي:

يعتبر التمثيل الضوئي أمر بالغ الأهمية لوجود الغالبية العظمى من الحياة على الأرض، وإنها الطريقة التي تتاح بها كل طاقة المحيط الحيوي تقريبًا للكائنات الحية كمنتجين أساسيين، إذ تشكل الكائنات الحية الضوئية قاعدة الشبكات الغذائية للأرض ويتم استهلاكها بشكل مباشر أو غير مباشر بواسطة جميع أشكال الحياة الأعلى.

بالإضافة إلى ذلك فإن معظم الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي يرجع إلى عملية التمثيل الضوئي، فإذا توقف التمثيل الضوئي فسرعان ما سيكون هناك القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض وستختفي معظم الكائنات الحية، وسيصبح الغلاف الجوي للأرض في النهاية خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي.

الصيغة الأساسية لعملية التمثيل الضوئي:

تتم كتابة عملية التمثيل الضوئي بشكل عام على النحو التالي: (6CO₂ + 6H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂)، وهذا يعني أن المواد المتفاعلة ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات ما، حيث يتم تحويلها بواسطة الطاقة الضوئية التي يلتقطها الكلوروفيل (ضمنيًا بواسطة السهم) إلى جزيء السكر وستة جزيئات الأكسجين، والمنتجات يستخدم الجسم السكر ويتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي.

الكائنات الحية التي يمكنها التمثيل الضوئي:

تم العثور على القدرة على التمثيل الضوئي في كل من الكائنات حقيقية النواة وبدائية النواة، وأشهر الأمثلة على ذلك هي النباتات، حيث تحتوي جميع الأنواع الطفيلية أو المغذيات الفطرية باستثناء عدد قليل جدًا منها على الكلوروفيل وتنتج طعامها، الطحالب هي المجموعة المهيمنة الأخرى من الكائنات الحية حقيقية النواة، إذ تعد جميع الطحالب والتي تشمل عشب البحر الضخم والمشطورات المجهرية منتجين أساسيين مهمين.

البكتيريا الزرقاء وبعض بكتيريا الكبريت هي بدائيات النوى الضوئية، والتي تطورت فيها عملية التمثيل الضوئي، ولا يُعتقد أن أي حيوان قادر بشكل مستقل على التمثيل الضوئي، على الرغم من أن البزاقة البحرية الخضراء الزمردية يمكن أن تدمج مؤقتًا الطحالب الخضراء في جسمها لإنتاج الغذاء.

العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي:

يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة، داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة.

• العوامل الداخلية: مثل على ذلك تركيب الورق بما فيها سمك القشيرة والبشرة، وجود الأوبار على سطحها، تركيب النسيج المتوسط، موضع الجسيمات في الخلايا، حجم المسام وتوزعها، إلى جانب نواتج التمثيل الضوئي: عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة إذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا، وحالة المادة الحية البروتوبلازم والانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم واضطراب عمل الإنزيمات.

• العوامل الخارجية:تشمل العوامل الخارجية: الحرارة، الضوء وشدته، تركيز ثنائي أكسيد الكربون، الماء، العناصر المعدنية وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى.