معلومات عن عملية البناء الضوئي

البناء الضوئي هو العملية التي يقوم بها النبات الأخضر وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. خلال عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء، يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة .

تطور دراسة عملية البناء الضوئي

بدأت دراسة البناء الضوئي في عام 1771 مع بعض الملاحظات التي قدمها العالم الإنجليزي جوزيف بريستلي، حيث قام بحرق شمعة في حاوية محكمة للتخلص من الهواء الموجود داخل الحاوية الذي يساعد على الاحتراق، ثم وضع غصن من نبات النعناع في الحاوية واكتشف أنه بعد عدة أيام تكونت بعض المواد (التي عرفت لاحقا باسم الأكسجين) والتي سمحت للهواء المحتجز بدعم الاحتراق مرة أخرى. في عام 1779، أوسع الطبيب الهولندي يان إنغنوز أبحاث بريستلي وأظهر أن النبات يحتاج إلى التعرض للضوء حتى يتم استعادة المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين)، كما شرح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء في النبات.

في عام 1782 تم تأكيد أن الأكسجين، وهو الغاز الداعم للاحتراق، يتكون عن طريق تفاعل غاز آخر يسمى `هواء ثابت`، والذي تم تحديده في العام السابق كثاني أكسيد الكربون. في عام 1804، أظهرت تجارب تبادل الغاز أن زيادة وزن النبات المزروع في وعاء، الذي تم قياس وزنه بعناية، ناتجة عن امتصاص الكربون، والذي يأتي بالكامل من ثاني أكسيد الكربون الممتص، والماء الذي تمتلكه جذور النباتات. وتم إنتاج الأكسجين من قبل النبات .

اهمية عملية البناء الضوئي

عملية الضوء لها أهمية بالغة لاستمرار الحياة على الأرض، حيث تقوم هذه العملية بشكل مباشر بإنتاج النباتات التي تعتبر ضرورية لجميع الكائنات الحية وتستخدمها هذه الكائنات بشكل مباشر أو غير مباشر. بالإضافة إلى ذلك، معظم الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي يعود إلى عملية التمثيل الضوئي. إذا توقفت عملية التمثيل الضوئي، فلن يكون هناك سوى قليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض، وسوف تختفي معظم الكائنات، وسيصبح الغلاف الجوي شبه خال من الأكسجين الغازي الذي يعتبر أساسا لحياة الكائنات الحية.

هي الطريقة الوحيدة الحيوية على كوكب الأرض التي تمتص طاقة الضوء الشمسي وتحولها إلى سكريات وكربوهيدرات لتوفير المواد الغذائية للنباتات أثناء إطلاق الأكسجين .

الصيغة الأساسية لعملية البناء الضوئي

تتم كتابة عملية البناء الضوئي عادة على النحو التالي: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ، وهذا يعني أن المواد المتفاعلة، ستة جزيئات ثاني أكسيد الكربون، وستة جزيئات الماء، يتم تحويلها عن طريق الطاقة الموجودة في صبغة الكلوروفيل إلى جزيء السكر وستة جزيئات الأكسجين،  ويتم استخدام السكر من قبل الكائن الحي ، ويتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي .

معادلة التمثيل الضوئي

يتحول 6CO2 + 6H20 + (الطاقة) إلى C6H12O6 + 6O2 .

الكائنات الحية التي يمكنها القيام بعملية البناء الضوئي

تم اكتشاف القدرة على البناء الضوئي في كائنات حقيقية النواة وكائنات بدائية النواة. تحتوي جميع الأنواع، باستثناء عدد قليل جدا من الطفيليات أو الكائنات المتغذية المتغايرة، على الكلوروفيل وتستخدمه لتصنيع غذائها. الطحالب النباتية هي مثال معروف على الكائنات العضوية الضوئية حقيقية النواة، مثل الطحالب البحرية وغيرها. كما تعتبر البكتيريا الزرقاء وبعض بكتيريا الكبريت أمثلة أخرى على الكائنات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي، وهي كائنات بدائية النواة حيث تطورت فيها عملية التمثيل الضوئي.

النواتج الأساسية لعملية البناء الضوئي

كما ذكرنا، فإن الكربوهيدرات هي المنتج الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي في غالبية النباتات الخضراء. وتشكل الكربوهيدرات الأولية والجلوكوز المنتجات الأساسية لعملية التمثيل الضوئي. ويتم إنتاج كمية قليلة من الجلوكوز الحر في النباتات، وترتبط وحدات الجلوكوز بتكوين النشا أو ترتبط بالفركتوز، وهو سكر آخر يعتبر الأساس لتكوين السكروز .

لا يتم إنتاج المكونات العضوية للأنسجة الخضراء فقط من الكربوهيدرات كماكان يعتقد سابقاً، بل أيضاً من الأحماض الأمينية والبروتينات والدهون والأصباغ وغيرها، خلال عملية البناء الضوئي.

خطوات عملية البناء الضوئي

امتصاص الطاقة الضوئية

يحدث التمثيل الضوئي في النباتات عندما تصطدم أشعة الشمس بالكلوروفيل الموجود في الثايلاكويدات الخضراء للخلايا النباتية، وتتم هذه العملية في البلاستيدات الخضراء .

تتم الاستفادة من ثاني أكسيد الكربون من خلال الثغرات (الفتحات المجهرية في الأنسجة) في النباتات للاستخدام في عملية البناء الضوئي، ومن ثم تقوم النباتات بإنتاج الأكسجين في الهواء والمحيط .

تحويل الطاقة

بعد امتصاص الطاقة المشعة من أشعة الشمس، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية يتم استخدامها لتغذية خلايا النبات .

أثناء التفاعلات التي تعتمد على الضوء في المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي، تفرز الإلكترونات وتنفصل عن جزيئات الماء مما يؤدي إلى إنتاج الأكسجين كمنتج ثانوي، وينتقل الإلكترون في جزيء الماء إلى مركز التفاعل في جزيء الكلوروفيل.

في مركز التفاعل، ينتقل الإلكترون عبر سلسلة النقل بمساعدة إنزيم ATP، وينخفض مستوى طاقته إلى مستويات منخفضة، ثم يتم نقل الطاقة من الإلكترونات إلى جزيئات أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP).

تخزين الطاقة الضوئية

تسمى المرحلة الأخيرة من عملية التمثيل الضوئي بدورة كالفن-بنسون، حيث يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي والماء من التربة لتحويل ATP و NADPH، وتتم التفاعلات الكيميائية التي تشكل دورة كالفن-بنسون في البلاستيدات الخضراء.

هذه المرحلة من عملية التمثيل الضوئي مستقلة عن الضوء ويمكن أن تحدث حتى في الليل.

يتميز ATP و NADPH بعمر قصير، ويجب تحويلهما وتخزينهما لتوليد السكر والأحماض الدهنية والجليسرين في المرحلة الثالثة من عملية التمثيل الضوئي. وتتمثل أهمية تخزين الطاقة في استخدامها في وقت لاحق.