كيف يؤثر البناء الضوئي على المناخ

تؤثر تغير المناخ على النباتات بعدة طرق مختلفة، وزيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون يمكن أن تزيد من معدلات البناء الضوئي، وهذا واضح بشكل خاص للنباتات، وفي درجات حرارة عالية وتحت ظروف محدودة للمياه، تؤثر زيادة درجة الحرارة أيضا على عملية البناء الضوئي، ولكن النباتات لديها قدرة كبيرة على التكيف مع ظروف نموها ويمكن أن تعمل حتى في درجات حرارة عالية للغاية .

عملية البناء الضوئي والمناخ

يختلف مستوى الحرارة بين الأنواع والظروف النمو ويكون أعلى في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وبزيادة درجة الحرارة قد يزداد العجز في ضغط البخار في الهواء، ومع زيادة معدل النمو في الستائر النباتية، ومع ذلك، يمكن تحفيز معدلات تحلل المواد العضوية في التربة بسبب ارتفاع درجات الحرارة إذا تم إغلاق الثغور استجابة لتركيز ثاني أكسيد الكربون المتزايد، أو إذا كانت هناك انخفاض في نطاق درجة الحرارة النهارية، بحيث يمكن للعناصر الغذائية أن تكون أكثر تمعدنا وتتاح بسهولة للنباتات .

من الممكن أن يؤدي ذلك إلى زيادة امتصاص الكربون الضوئي في النظم الغذائية المحدودة، وتتفاعل جميع العوامل المذكورة أعلاه في تشكيل تراكيب مختلفة بتغيرات في درجة الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون. وتتأثر هذه النظم في المناطق المناخية المختلفة بالماء وقيود المغذيات. يجب أن يتوقع التمثيل الضوئي استجابة مختلفة تجاه التغيرات المناخية. في عملية التمثيل الضوئي، تمتص النباتات الغازات وتطلقها في الغلاف الجوي لإنتاج السكر الذي يستخدم كمصدر للطاقة. يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون في خلايا النبات ويتم إطلاق الأكسجين. بدون ضوء الشمس، ستصبح الأرض بيئة غير ملائمة لدعم الحيوانات والبشر الذين يعتمدون على التنفس .

طبقات الأرض الجوية

يتم تقسيم الغلاف الجوي إلى طبقات مختلفة، ولكل منها تركيبة مختلفة قليلا وخصائص فيزيائية. تعيش جميع الكائنات الحية في أدنى مستوى من الغلاف الجوي وهو “التروبوسفير”. يمتد التروبوسفير من سطح الأرض إلى ارتفاع يتراوح بين 9 كيلومترات (5.6 ميلا) و 17 كيلومترا (10.6 ميلا)، ويتكون أساسا من النيتروجين والأكسجين والأرجون وثاني أكسيد الكربون. يساعد البناء الضوئي في تنظيم كميات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون في الجو .

تفاعل البناء الضوئي

تقوم غالبية النباتات وبعض البكتيريا المتخصصة بالبناء الضوئي، وتكون معادلاتها الكيميائية كالتالي:

ثاني أكسيد الكربون + الماء = الجلوكوز + الأكسجين .

الكلوروفيل هو جزيء موجود في أوراق النباتات وضروري لعملية البناء الضوئي، حيث يلتقط الطاقة من أشعة الشمس ويساعد على تفعيل عملية البناء الضوئي. ويجب عدم كتابة الكلوروفيل وضوء الشمس في نفس الجانب من المعادلة، ويمكن التفكير في الكلوروفيل على أنه محفز يستخدم الطاقة الشمسية لتسريع التفاعل .

الأكسجين والأرض

يتكون غلاف الأرض المبكر، الذي كان يختلف كثيرا عن الجو اليوم، من بخار الماء وثاني أكسيد الكربون والأمونيا، ولم يتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي إلى حين تطور البكتيريا الزرقاء (البكتيريا الضوئية)، وعبر مليارات السنين، زاد بناء الضوئي من كمية الأكسجين في الغلاف الجوي، ويشكل الأكسجين حاليا حوالي 21٪ من الغلاف الجوي، وهذا التوازن المعقد بين التمثيل الضوئي والتنفس هو ما يجعله مستقرا .

ثاني أكسيد الكربون ودرجة حرارة الأرض

تمتص غازات الدفيئة الإشعاع الشمسي وتحافظ على درجة حرارة الأرض، وثاني أكسيد الكربون هو أحد أهم غازات الدفيئة في الغلاف الجوي، ومن المحتمل أن زيادة نسبة ثاني أكسيد الكربون ستؤدي إلى تغيير في درجة حرارة الأرض العالمية، وتلعب الكائنات الضوئية دورا أساسيا في المساعدة على الحفاظ على مستويات ثاني أكسيد الكربون ثابتة نسبيا وبالتالي الحفاظ على درجة حرارة الأرض، ومنذ الثورة الصناعية يقوم الإنسان بإطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون في الجو عن طريق حرق الوقود الأحفوري، مما أدى إلى زيادة تأثير ظاهرة الاحتباس الحراري، ومن المتوقع أن ترتفع درجة الحرارة العالمية بمقدار 2 إلى 3 درجات مئوية (3.6 إلى 5.4 درجات فهرنهايت) خلال العقود القليلة القادمة .

ما هي معادلة البناء الضوئي

عملية البناء الضوئي هي استخدام النباتات وبعض البكتيريا الطاقة من أشعة الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى السكر (الجلوكوز) والأكسجين، والكلمة مشتقة من الكلمات اليونانية الصورة، ومعناها “الضوء” والتوليف “تجميع”، ومعادلة البناء الضوئي هي كالتالي:

عندما يتفاعل ثاني أكسيد الكربون والماء مع الطاقة من الضوء، يتم إنتاج الجلوكوز والأكسجين كما يلي: 6CO2 + 6H2O + (الطاقة) → C6H12O6 + 6O2 .

توضح المعادلة العملية التي يستخدمها النبات وبعض البكتيريا لإنتاج الجلوكوز من ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام طاقة الشمس، كما هو موضح في كتاب جونز وجونز المتقدم في علم الأحياء (1997). في معظم النباتات، يتم توفير الماء من الجذور حيث تجمع الأوراق ثاني أكسيد الكربون من الجو عبر الثغور، ويتم تحويل الأشعة الشمسية التي يتم التقاطها بواسطة البلاستيدات الخضراء في الأوراق إلى طاقة .

ردود الفعل المستقلة والخفيفة للبناء الضوئي

يتألف البناء الضوئي من مرحلتين، التفاعل المعتمد على الضوء وردود الفعل المستقلة عن الضوء. يستخدم التفاعل المعتمد على الضوء الطاقة التي تم التقاطها من ضوء الشمس بواسطة الكلوروفيل الأخضر في أوراق النبات لإنتاج إلكترونات للتفاعلات المستقلة عن الضوء. وتستخدم التفاعلات المستقلة عن الضوء الطاقة المنبعثة من الإلكترونات لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى الغلوكوز .

منتجات البناء الضوئي

يتم تحويل الجلوكوز الناتج إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) من خلال التنفس الخلوي لتوفير الطاقة بالإضافة إلى الجلوكوز، وينتج هذا التفاعل الأكسجين الذي تصدره النباتات في الجو، والبناء الضوئي هو عملية تحويل الطاقة من الشمس إلى طاقة كيميائية أو سكر، وبالإضافة إلى تغذية النظام البيئي للأرض، تقوم عملية البناء الضوئي بإعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين، ويحول البناء الضوئي الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكر وأكسجين باستخدام أشعة الشمس كعامل مساعد .