المواد الكيميائية التي تنتج عن البناء الضوئي

عملية التمثيل الضوئي تحدث في النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى، وتتمثل في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، حيث يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها في تحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة .

المواد الكميائية والبناء الضوئي

تحتوي معظم النباتات على مادة كيميائية ملونة خاصة أو صبغة تسمى الكلوروفيل، وهذه المادة تستخدم في عملية التمثيل الضوئي، ويتم امتصاص طاقة الشمس من خلال الكلوروفيل وتحويلها إلى طاقة كيميائية، ولا يتم امتصاص كل الطاقة الضوئية من الشمس، حيث تتكون الشمس من أشعة مختلفة الألوان، ويمتص الكلوروفيل عادة الضوء الأحمر والأزرق ويعكس الضوء الأخضر، ويتسبب الضوء الأخضر في جعل بعض الأوراق تبدو خضراء في الخريف، وعندما تتوقف بعض النباتات عن إنتاج الكلوروفيل، تتغير لون الأوراق، ويتوقف انعكاس الضوء الأخضر .

تستخدم النباتات عملية تسمى التمثيل الضوئي لإنتاج الطعام، حيث تحجز المصائد الضوئية الطاقة الشمسية في أوراقها، وتستخدم النباتات هذه الطاقة لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكر يسمى الجلوكوز، الذي يستخدمه النبات للحصول على الطاقة وإنتاج مواد أخرى مثل السليلوز والنشا. ويستخدم السليلوز في بناء جدران الخلايا، في حين يتم تخزين النشا في البذور وأجزاء أخرى من النبات كمصدر للغذاء، ولهذا السبب، فإن بعض الأطعمة التي نأكلها، مثل الأرز والحبوب المليئة بالنشا .

الخصائص العامة للبناء الضوئي

في عام 1771، بدأت دراسة التمثيل الضوئي بعدما قدم رجل الدين الإنجليزي والعالم، جوزيف بريستلي، ملاحظات مفيدة. وقد قام بريستلي بحرق شمعة في حاوية محكمة الإغلاق، حتى لم يعد الهواء يدعم الاحتراق. ثم وضع غصنا من نبات النعناع داخل الحاوية، وبعد عدة أيام، اكتشف أن النعناع أنتج بعض المواد التي أعرف لاحقا باسم الأكسجين، وهذه المواد أتاحت للهواء المحبوس دعم الاحتراق مرة أخرى. وفي عام 1779، قام الطبيب الهولندي يان إنغنوز بتوسيع أعمال بريستلي، حيث أوضح أن المصنع يجب أن يتعرض للضوء إذا كانت المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين) ستستعاد، كما أوضح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء للنبات .

في عام 1782 تم إثبات أن الأكسجين الذي يدعم الاحتراق تم تكوينه من غاز آخر يسمى “الهواء الثابت”، والذي تم تحديده في العام السابق كثاني أكسيد الكربون. وفي عام 1804، أثبتت تجارب تبادل الغاز أن الزيادة في وزن النبات المزروع في وعاء يعود إلى امتصاص الكربون الذي جاء من ثاني أكسيد الكربون الممتص والماء الذي يمتلكه جذور النباتات. ويتم التوازن بوجود الأكسجين الذي يعود إلى الغلاف الجوي. وقد مر أكثر من نصف قرن قبل تطور مفهوم الطاقة الكيميائية بما يكفي للسماح بالكشف عن هذه العملية في عام 1845. وتخزن الطاقة الضوئية الحاصلة من الشمس كطاقة كيميائية في المنتجات التي تشكلت خلال عملية التمثيل الضوئي .

ردود أفعال التمثيل الضوئي

من الناحية الكيميائية، يتم تخفيض أكسدة الضوء في عملية التمثيل الضوئي، حيث تعني الأكسدة إزالة الإلكترونات من الجزيء، ويشير الاختزال إلى اكتساب الجزيء للإلكترونات. في عملية التمثيل الضوئي للنباتات، يتم استخدام طاقة الضوء لأكسدة الماء (H2O) وإنتاج غاز الأكسجين (O2) وأيونات الهيدروجين (H +) والإلكترونات. يتم نقل معظم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين التي تمت إزالتها في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2)، ويتم اختزاله إلى المنتجات العضوية. تستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين الأخرى لتخفيض النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمين والسلفيدريل في الأحماض الأمينية، والتي تعد أساسا لبناء البروتينات. في معظم الخلايا النباتية الخضراء، تعتبر الكربوهيدرات، وخاصة النشا والسكر، المنتجات العضوية المباشرة الرئيسية لعملية التمثيل الضوئي. يمكن تمثيل الكربوهيدرات بصيغة عامة (CH2O)، وتتشكل خلال عملية التمثيل الضوئي للنبات وفقا للمعادلة التالية: Co2+2H2O>(CH2O)+ O2+ H2 .

هذه المعادلة هي مجرد تعبير موجز عن عملية التمثيل الضوئي في الواقع، وهي عملية تحدث عن طريق الإنزيمات (المحفزات العضوية) وتتكون من مرحلتين، المرحلة الأولى تتضمن تفاعلات كيميائية ضوئية (أي استيعاب الضوء)، وتتمثل المرحلة الثانية في التفاعلات الكيميائية التي يسيطر عليها الإنزيمات. خلال المرحلة الأولى، يتم امتصاص الطاقة من الضوء واستخدامها لدفع سلسلة من عمليات نقل الإلكترونات، والتي تنتج ATP وفوسفات النيكوتين أدينين ثنائي النوكليوتيد المخفض من الجهات المانحة للإلكترونات. أما خلال المرحلة الثانية، فيتم استخدام ATP و NADPH الذي تم تكوينهما من عمليات التقاط الضوء، لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوية، وهذا الاستيعاب للكربون غير العضوي في المركبات العضوية يسمى تثبيت الكربون. في القرن العشرين، تم إجراء مقارنات بين عمليات التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء وبعض بكتيريا الكبريت الضوئي، وتم الحصول على معلومات هامة حول آلية التمثيل الضوئي. ويستخدم بعض بكتيريا الكبريت كبريتيد الهيدروجين (H2S) كمصدر لذرات الهيدروجين، وتنتج الكبريت بدلا من ذلك.