ما هي عملية التركيب الضوئي
عملية التركيب الضوئي، المعروفة أيضا بالبناء الضوئي والمسماة باللغة الإنجليزية Photosynthesis، هي عملية كيميائية معقدة. تحدث هذه العملية في النباتات الخضراء والتي تتميز بالتغذية الذاتية، بالإضافة إلى بعض أنواع البكتيريا الزرقاء المحددة والكلوروبلاست الموجودة في الطحالب والنباتات العليا. يتم تنفيذ عملية التركيب الضوئي باستخدام الطاقة المتواجدة في ضوء الشمس، حيث يتم تحويلها من طاقة كهرومغناطيسية في شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية يتم تخزينها في روابط سكر الجلوكوز.
فهنا نجد أن عملية التركيب الضوئي تتمثل باستخدام النباتات والطحالب بالإضافة إلى أنواع محددة من البكتيريا لطاقة الشمس حتى يتم الحصول على طاقة كيميائية تتم عن طريق البلاستيدات الخضراء والتي تحتوي على الكلوروفيل .
ما هو الكلوروفيل
يعتبر “الكلوروفيل” جزيءا معقدا، وهناك أنواع كثيرة من الكلورفيل وتختلف هذه الأنواع حسب النباتات والكائنات الحية الأخرى، ومع العلم أن جميع الكائنات الضوئية تحتوي على الكلوروفيل وهو صبغ يقوم بامتصاص الطاقة اللازمة من الطول الموجي البنفسجي بالإضافة إلى الأزرق المحمر، ولكنه لا يمتص الأطوال الموجية المتوسطة والتي تتجلى ألوانها في الطيف الضوئي في الأخضر والأصفر والبرتقالي.
من نواتج عملية البناء الضوئي
نجد أن عملية البناء الضوئي الحيوي ليست ذات أهمية فقط للكائنات الحية، بل تمتد أيضاً للأنظمة البيئية المحيطة، لأنها تعتمد على امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي لإتمام هذه العملية، وتنتج عدة مخرجات منها
- يتم تحويل غاز ثاني أكسيد الكربون والماء إلى أوكسجين باستخدام غاز الأوكسجين، ويتم إطلاقه من الثغور في الجانب السفلي للورقة، ويحدث توازن بينه وبين غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي عندما يتم إطلاقه في الجو.
- الماء
- سكر الجلوكوز هو طعام النباتات ومصدرها للطاقة، حيث ينقل في أجزاء النبات عبر الأوعية اللحائية. تعتبر عملية التركيب الضوئي مسؤولة عن تحويل طاقة أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية للغذاء. يعتمد النظام البيئي بأكمله على السكريات والكربوهيدرات التي تنتجها النباتات بواسطة عملية التركيب الضوئي، بما في ذلك النباتات والحيوانات.
مراحل عملية البناء الضوئي
إن لعملية التركيب الضوئي مرحلتين تتجليان في :
- يتم البدء في المرحلة الأولى بتفاعلات الضوء، حيث يعتمد ذلك على توافر الضوء واستخدام إنزيمات محددة لتحفيز التفاعلات. يتم في هذه المرحلة تحويل الطاقة الضوئية التي تم امتصاصها بواسطة الكلوروفيل إلى طاقة كيميائية. يتم استخدام هذه الطاقة لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين، وتستخدم الطاقة الكيميائية في صنع ATP وتخزينها. ثم يتم نقل الهيدروجين والـ ATP إلى المرحلة الثانية. قد يستخدم بعض الأوكسجين الناتج في التنفس الهوائي بواسطة الميتوكوندريا في الخلايا النباتية. يتم إطلاق الأوكسجين من الخلايا النباتية ويخرج عبر الأوراق من خلال ثغورها. والتأثير الرئيسي لعملية التركيب الضوئي هو إمداد الغلاف الجوي بالأوكسجين.
- المرحلة الثانية هي تثبيت الكربون حيث أنها تحتاج إلى طاقة والتي يتم توفيرها بواسطة ATP بواسطة التفاعلات الضوئية، ويتم كسر الـ ATP حتى يتم إطلاق الطاقة التي ستعمل على دمج الهيدروجين مع غاز ثاني أوكسيد الكربون حتى يتم إنتاج السكر، وإن التحكم في تفاعلات تثبيت الكربون تتم عن طريق إنزيمات معينة.
التفاعلات الضوئية في عملية البناء الضوئي
تتمثل التفاعلات الضوئية التي تحدث في عملية التركيب الضوئي في مجموعة من التفاعلات التي تحدث في أغشية أقراص الجرانا الموجودة داخل البلاستيدة الخضراء، والتي تحتوي على أصباغ الكلوروفيل. يعتبر الضوء العامل الأساسي الذي يحدد سرعة هذه التفاعلات، وتتم هذه العملية من خلال:
- يتم في البلاستيدة الخضراء تحويل الطاقة الضوئية التي يتم جمعها من أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية، وتُخزن هذه الطاقة مؤقتًا على شكل مركبين هما ATP و NADPH، واللذان يستخدمهما النبات ولا يحدث تكوين أي مادة كربوهيدراتية في هذه المرحلة.
- الطاقة التي تمتصها مادة الكلوروفيل تستخدم لتوليد الإلكترونات، وتلعب دورا في إنتاج المركبات ATP و NADPH في سلسلة من التفاعلات المعروفة بتفاعلات الضوء، حيث تحتاج إلى طاقة ضوئية.
- يعمل هذان المركبان على تقليل ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى فوسفوجليسيرات عن طريق سلسلة من التفاعلات المعروفة باسم دورة كالفن أو التفاعلات المظلمة.
خطوات مرحلة التفاعلات الضوئية
إن مرحلة التفاعلات الضوئية تتم في سلسلة من الخطوات وتتجلى في:
- يتم سقوط الضوء على الكلوروفيل المتواجد في أغشية الجرانا البلاستيدات الخضراء، حيث تتصادم فوتونات ضوء الشمس مع إلكترونات ذرات الكلوروفيل. يساهم هذا التصادم في منح الإلكترونات طاقة، مما يجعلها مثارة ومنفعلة، ثم تقفز من مستويات الطاقة الأدنى إلى مستويات أعلى. تعتبر هذه الحالة غير مستقرة للإلكترونات، وبالتالي تميل إلى العودة إلى مواقعها ومداراتها الأصلية قبل الاصطدام .
- يتم اختزان طاقة الضوء الحركية التي لعبت دوراً في تحريك الإلكترونات من مدار إلى آخر كطاقة كيميائية في إلكترون ذرة الكلورفيل، وهذا إن دل على شيء إنما يدل على أن الطاقة لا تفنى بل هي تكون في طور التحول من صورة إلى أخرى، وفي هذه الحالة يُطلق على جزيئات الكلوروفيل اسم الجزيئات المنشطة أو المثارة.
- بعد أن يذهب عامل الإثارة للإلكترون فهو يميل للعودة إلى مداره الأصلي وخلال عودته يقوم بإطلاق الطاقة التي اكتسبها وبهذه الحالة تتحرر الطاقة التي كانت مختزنة في الكلوروفيل ثم تنتقل إلى مكان آخر بدون مرافقة الإلكترون معها، وأما الإلكترونات فتهبط إلى مستوى طاقة أقل وبالتالي يغدو الكلورفيل غير منشط ويصبح جاهزاً ليمتص مزيداً من الضوء حتى يتم تنشيطه مرة أخرى.
- يتم استخدام جزء من الطاقة المحررة من الإلكترون في شطر جزيء الماء H2O لتحويله إلى ذرتي هيدروجين وذرة أوكسجين، ويتم استخدام الجزء المتبقي من هذه الطاقة لتكوين مركب ATP الذي يقوم بحمل الطاقة إلى الأنشطة الحيوية غير الضوئية.
أهمية البناء الضوئي
إن عملية التركيب الضوئي مهمة جداً للكائنات الحية لأنها تعتبر المصدر الأول الذي ينتج الأوكسجين في الغلاف الجوي، فلولا عملية البناء الضوئي لما حدثت دورة الكربون وبالتالي لم تكن الحياة ما زالت قائمة على كوكب الأرض التي تعتمد على وجود الأوكسجين، حيث أن النباتات الخضراء تستخدم عملية التركيب الضوئي حتى تنتج الغذاء عن طريق استخدام ضوء الشمس وثاني أوكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي بالإضافة إلى الماء، ونرى أن أهمية هذه العملية تكمن في :
- فهي تعتبر المصدر الرئيسي لإنتاج الأوكسجين في الغلاف الجوي.
- تساهم في دورة الكربون التي تحدث بين الأرض والمحيطات وبين النباتات والحيوانات.
- تشارك في إقامة العلاقة التكافلية التي تجمع بين النباتات والبشر، كما يحدث مع الحيوانات.
- تؤثر على الحياة على كوكب الأرض.
- تعد مصدر الطاقة الأولي لمعظم النباتات والأشجار على حد سواء.