كيف يعمل التمثيل الضوئي؟

المحتوى

• TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم يقرأ)
• التمثيل الضوئي: ضروري لكل الحياة
• التمثيل الضوئي يأخذ مكان في الأوراق
• الطاقة من الشمس: خطوات التمثيل الضوئي
• الكلوروفيل ، امتصاص الضوء وخلق الطاقة
• التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي
• الاحترار العالمي وردود الفعل الضوئي

إن عملية التمثيل الضوئي ، التي تحول فيها النباتات والأشجار الضوء من الشمس إلى طاقة غذائية ، قد تبدو في البداية عملية سحرية ، ولكن بشكل مباشر وغير مباشر ، فإن هذه العملية تدعم العالم بأسره. مع وصول النباتات الخضراء للضوء ، تلتقط أوراقها طاقة الشمس باستخدام مواد كيميائية ماصة للضوء أو أصباغ خاصة لصنع الطعام من ثاني أكسيد الكربون والماء الذي يتم سحبه من الغلاف الجوي. هذه العملية تطلق الأكسجين كمنتج ثانوي في الغلاف الجوي ، وهو عنصر في الهواء مطلوب لجميع الكائنات التي تتنفس.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم يقرأ)

معادلة بسيطة لعملية التمثيل الضوئي هي ثاني أكسيد الكربون + الماء + الطاقة الضوئية = الجلوكوز + الأكسجين. نظرًا لأن الكيانات الموجودة داخل المملكة النباتية تستهلك ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي ، فإنها تطلق الأكسجين مرة أخرى في الجو ليتمكن الناس من التنفس ؛ الأشجار والنباتات الخضراء (على اليابسة وفي البحر) هي المسؤولة بشكل أساسي عن الأكسجين داخل الغلاف الجوي ، وبدونها ، قد لا توجد الحيوانات والبشر ، وكذلك أشكال الحياة الأخرى ، كما هي اليوم.

التمثيل الضوئي: ضروري لكل الحياة

تعتبر الأشياء الخضراء المتنامية ضرورية لكل أشكال الحياة على كوكب الأرض ، ليس فقط كغذاء للحيوانات العاشبة وللحيوانات آكلة اللحوم ، ولكن للأكسجين للتنفس. عملية التمثيل الضوئي هي الطريقة الأساسية لدخول الأكسجين إلى الغلاف الجوي. إنها الوسيلة البيولوجية الوحيدة على الكوكب التي تلتقط طاقة ضوء الشمس ، وتحوّلها إلى سكريات وكربوهيدرات توفر المواد المغذية للنباتات أثناء إطلاق الأكسجين.

فكر في الأمر: يمكن للنباتات والأشجار أن تسحب الطاقة التي تبدأ في الروافد الخارجية للفضاء ، في شكل أشعة الشمس ، وتحولها إلى طعام ، وفي نفس الوقت ، تطلق الهواء اللازم الذي تحتاجه الكائنات الحية لتزدهر. يمكنك القول أن جميع النباتات والأشجار المنتجة للأكسجين لها علاقة تكافلية مع جميع الكائنات التي تتنفس الأكسجين. يوفر البشر والحيوانات ثاني أكسيد الكربون للنباتات ، ويقومون بتسليم الأكسجين في المقابل. يطلق علماء الأحياء على هذه العلاقة التكافلية المتبادلة لأن كل الأطراف في العلاقة تستفيد.

في نظام التصنيف Linnaean ، يعتبر تصنيف وتصنيف جميع الكائنات الحية والنباتات والطحالب ونوع من البكتيريا تسمى البكتيريا الزرقاء هي الكيانات الحية الوحيدة التي تنتج الغذاء من ضوء الشمس. يبدو أن الحجة الداعية إلى قطع الغابات وإزالة النباتات من أجل التنمية تأتي بنتائج عكسية إذا لم يتبق من البشر العيش في تلك التطورات لأنه لا توجد نباتات وأشجار متبقية لصنع الأكسجين.

التمثيل الضوئي يأخذ مكان في الأوراق

النباتات والأشجار هي autotrophs ، الكائنات الحية التي تصنع طعامها. لأنهم يفعلون ذلك باستخدام الطاقة الضوئية من الشمس ، يسميهم علماء الأحياء أوتووتروف. معظم النباتات والأشجار على هذا الكوكب هي photototrophs.

يحدث تحويل ضوء الشمس إلى طعام على مستوى خلوي داخل أوراق النباتات الموجودة في عضية موجودة في الخلايا النباتية ، وهي بنية تسمى البلاستيدات الخضراء. بينما تتكون الأوراق من عدة طبقات ، يحدث التمثيل الضوئي في الطبقة الوسطى. تتحكم الفتحات الصغيرة الصغيرة الموجودة على الجانب السفلي للأوراق المسماة stomata في تدفق ثاني أكسيد الكربون والأكسجين من وإلى المصنع ، مما يسيطر على تبادل غازات النباتات والتوازن المائي للنباتات.

توجد الثغور في قاع الأوراق ، في مواجهة الشمس ، لتقليل فقد الماء. تتحكم خلايا الحراسة الصغيرة المحيطة بالفتحة في فتح وإغلاق هذه الفتحات الشبيهة بالفم عن طريق التورم أو الانكماش استجابةً لكمية الماء في الجو. عندما تغلق المعدة ، لا يمكن أن يحدث التمثيل الضوئي ، حيث أن النبات لا يمكن أن يأخذ ثاني أكسيد الكربون. هذا يؤدي إلى انخفاض مستويات ثاني أكسيد الكربون في المصنع. عندما تصبح ساعات النهار حارة وجافة جدًا ، تغلق الرواسب للحفاظ على الرطوبة.

ككائن عضوي أو بنية على المستوى الخلوي في أوراق النبات ، فإن البلاستيدات الخضراء لها غشاء خارجي وداخلي يحيط بها. داخل هذه الأغشية هي هياكل على شكل طبق يسمى thylakoids. غشاء الثايلاكويد هو المكان الذي تخزن فيه النباتات والأشجار الكلوروفيل ، الصباغ الأخضر المسؤول عن امتصاص الطاقة الضوئية من الشمس. هذا هو المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الأولية التي تعتمد على الضوء حيث تشكل العديد من البروتينات سلسلة النقل لحمل الطاقة التي يتم سحبها من الشمس إلى حيث تحتاج إلى الانتقال داخل المصنع.

الطاقة من الشمس: خطوات التمثيل الضوئي

عملية التمثيل الضوئي هي عملية متعددة المراحل على مرحلتين. المرحلة الأولى من التمثيل الضوئي تبدأ مع ردود الفعل الخفيفة، المعروف أيضا باسم عملية تعتمد على الضوء ويتطلب طاقة ضوئية من الشمس. المرحلة الثانية رد فعل الظلام المرحلة ، وتسمى أيضا دورة كالفينهي العملية التي يصنع بها النبات السكر بمساعدة NADPH و ATP من مرحلة تفاعل الضوء.

ال رد فعل الضوء مرحلة التمثيل الضوئي تتضمن الخطوات التالية:

كل هذا يحدث على المستوى الخلوي داخل نباتات الثايلاكويد ، الحويصلات المسطحة الفردية ، مرتبة في جرانا أو أكوام داخل البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية أو خلايا الأشجار.

ال دورة كالفين ، سميت باسم عالم الكيمياء الحيوية في بيركلي ، ملفين كالفين (1911-1997) ، الحاصل على جائزة نوبل في الكيمياء لعام 1961 لاكتشاف مرحلة رد الفعل المظلمة ، هي العملية التي ينتج بها المصنع السكر بمساعدة NADPH و ATP من مرحلة تفاعل الضوء. أثناء دورة Calvin ، يتم تنفيذ الخطوات التالية:

الكلوروفيل ، امتصاص الضوء وخلق الطاقة

يوجد في نظام غشاء الثايلاكويد نظامان لالتقاط الضوء: يتكون النظام الضوئي الأول والنظام الضوئي الثاني من بروتينات متعددة تشبه الهوائي ، حيث تترك النباتات تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. يوفر Photosystem I مصدرًا لناقلات الإلكترون منخفضة الطاقة بينما يقدم الآخر الجزيئات النشطة حيث يحتاجون إلى الذهاب.

الكلوروفيل هو صبغة ممتصة للضوء ، داخل أوراق النباتات والأشجار ، والتي تبدأ عملية التمثيل الضوئي. باعتباره صبغة عضوية داخل ثايلاكويد البلاستيدات الخضراء ، فإن الكلوروفيل لا يمتص الطاقة إلا ضمن نطاق ضيق من الطيف الكهرومغناطيسي ينتج عن الشمس داخل نطاق الطول الموجي البالغ 700 نانومتر (نانومتر) إلى 400 نانومتر. يُطلق على الشريط الإشعاعي النشط ضوئيًا ، ويجلس الأخضر في وسط طيف الضوء المرئي الذي يفصل بين الطاقة المنخفضة ، ولكنه أطول طولًا أحمر وأصفر وأصفر برتقالي من الطاقة العالية وطول الموجة الأقصر والأزرق والأنيجو والأرجواني.

مثل الكلوروفيل تمتص فوتون واحد أو خامد حزمة من الطاقة الضوئية ، فإنه يسبب هذه الجزيئات تصبح متحمس. بمجرد أن يصبح جزيء النبات متحمسًا ، تتضمن بقية الخطوات في العملية إدخال هذا الجزيء المتحمس في نظام نقل الطاقة عبر حامل الطاقة الذي يدعى nicotinamide adenine dinucleotide phosphate أو NADPH ، للتسليم إلى المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي أو دورة كالفين.

بعد دخول سلسلة نقل الإلكترونتقوم العملية باستخلاص أيونات الهيدروجين من الماء الذي يتم إدخالها وتسليمها إلى داخل الثايلاكويد ، حيث تتراكم أيونات الهيدروجين هذه. تمر الأيونات عبر غشاء شبه مسامي من الجانب اللحمي إلى تجويف الثايلاكويد ، مما يفقد بعض الطاقة في العملية ، أثناء انتقالها عبر البروتينات الموجودة بين النظامين الضوئي. تتجمع أيونات الهيدروجين في تجويف الثايلاكويد حيث تنتظر إعادة التنشيط قبل المشاركة في العملية التي تجعل أدينوسين ثلاثي الفوسفات أو ATP ، عملة الطاقة للخلية.

تمتص بروتينات الهوائي الموجودة في النظام الضوئي 1 فوتونًا آخر ، حيث تنقله إلى مركز تفاعل PS1 المسمى P700. مركز مؤكسد ، P700 s خارج الإلكترون عالي الطاقة إلى النيكوتين أميد أدينين فوسفات النوكليوتيد أو NADP + ويقلل من ذلك لتشكيل NADPH و ATP. هذا هو المكان الذي تحول فيه الخلية النباتية الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

ينسق البلاستيدات الخضراء مرحلتي التمثيل الضوئي لاستخدام الطاقة الضوئية في صنع السكر. تمثل الثايلاكويدات داخل البلاستيدات الخضراء مواقع تفاعلات الضوء ، بينما تحدث دورة كالفين في السدى.

التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي

يحدث التنفس الخلوي ، المرتبط بعملية التمثيل الضوئي ، داخل الخلية النباتية حيث يأخذ في الطاقة الضوئية ، ويحولها إلى طاقة كيميائية ويطلق الأكسجين مرة أخرى في الغلاف الجوي. يحدث التنفس داخل الخلية النباتية عندما تتحد السكريات المنتجة أثناء عملية التمثيل الضوئي مع الأكسجين لتوليد الطاقة للخلية ، مكونًا ثاني أكسيد الكربون والماء كمنتجين ثانويين للتنفس. معادلة بسيطة للتنفس هي عكس التمثيل الضوئي: الجلوكوز + الأكسجين = الطاقة + ثاني أكسيد الكربون + الطاقة الضوئية.

يحدث التنفس الخلوي في جميع الخلايا الحية للنباتات ، ليس فقط في الأوراق ، ولكن أيضًا في جذور النبات أو الشجرة. بما أن التنفس الخلوي لا يحتاج إلى طاقة ضوئية لكي يحدث ، فقد يحدث في النهار أو الليل. لكن النباتات التي تغمرها المياه في التربة ذات الصرف السيئ تسبب مشكلة في التنفس الخلوي ، حيث لا يمكن للنباتات المغمورة تناول كمية كافية من الأكسجين من خلال جذورها وتحويل الجلوكوز لدعم عمليات التمثيل الغذائي للخلايا. إذا كان النبات يستقبل الكثير من الماء لفترة طويلة ، يمكن حرمان جذوره من الأكسجين ، والذي يمكن أن يوقف التنفس الخلوي ويقتل النبات.

الاحترار العالمي وردود الفعل الضوئي

لاحظ البروفسور إليوت كامبل ، الأستاذ بجامعة كاليفورنيا وفريقه من الباحثين في مقالة نشرت في أبريل / نيسان 2017 في مجلة "Nature" ، وهي مجلة عالمية للعلوم ، أن عملية التمثيل الضوئي زادت بشكل كبير خلال القرن العشرين. اكتشف فريق البحث رقما قياسيا عالميا من عملية التمثيل الضوئي التي تمتد مائتي سنة.

وقد دفعهم ذلك إلى استنتاج أن إجمالي عملية التمثيل الضوئي للنبات على الكوكب قد نمت بنسبة 30 في المائة خلال السنوات التي بحثوا فيها. في حين أن البحث لم يحدد على وجه التحديد سبب حدوث زيادة في عملية التمثيل الضوئي على الصعيد العالمي ، فإن النماذج الحاسوبية للفرق تقترح العديد من العمليات ، عند الجمع بينها ، والتي يمكن أن تؤدي إلى مثل هذه الزيادة الكبيرة في نمو النبات العالمي.

أظهرت النماذج أن الأسباب الرئيسية لزيادة التمثيل الضوئي تشمل زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (بسبب الأنشطة البشرية في المقام الأول) ، ومواسم النمو الطويلة بسبب الاحتباس الحراري الناتج عن هذه الانبعاثات وزيادة تلوث النيتروجين الناتج عن الزراعة الجماعية واحتراق الوقود الأحفوري. الأنشطة البشرية التي أدت إلى هذه النتائج لها آثار إيجابية وسلبية على هذا الكوكب.

وأشار البروفيسور كامبل إلى أنه على الرغم من زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون التي تحفز إنتاج المحاصيل ، فإنها تحفز أيضًا نمو الأعشاب الضارة والأنواع الغازية. وأشار إلى أن زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تسبب مباشرة تغير المناخ مما يؤدي إلى مزيد من الفيضانات على طول المناطق الساحلية ، والظروف الجوية القاسية وزيادة في تحمض المحيطات ، والتي لها آثار مضاعفة في جميع أنحاء العالم.

في حين أن التمثيل الضوئي زاد خلال القرن العشرين ، فقد تسبب أيضًا في أن تقوم النباتات بتخزين المزيد من الكربون في النظم البيئية في جميع أنحاء العالم ، مما أدى إلى أن تصبح مصادر للكربون بدلاً من مصارف الكربون. حتى مع الزيادة في التمثيل الضوئي ، لا يمكن للزيادة أن تعوض احتراق الوقود الأحفوري ، حيث إن انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري تميل إلى التغلب على قدرة المصانع على امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

حلل الباحثون بيانات الثلوج في القطب الجنوبي التي جمعتها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي لتطوير نتائجهم. من خلال دراسة الغاز المخزن في عينات الجليد ، استعرض الباحثون أجواء الماضي العالمية.