كيف يعمل التمثيل الضوئي؟

عملية التمثيل الضوئي ، حيث تقوم النباتات والأشجار بتحويل ضوء الشمس إلى مادة غذائية الطاقة ، قد تبدو في البداية مثل السحر ، ولكن بشكل مباشر وغير مباشر ، هذه العملية تحافظ على الكل العالمية. عندما تصل النباتات الخضراء إلى الضوء ، تلتقط أوراقها طاقة الشمس باستخدام مواد كيميائية ماصة للضوء أو أصباغ خاصة لإنتاج الغذاء من ثاني أكسيد الكربون والماء المسحوب من الغلاف الجوي. تطلق هذه العملية الأكسجين كمنتج ثانوي مرة أخرى في الغلاف الجوي ، وهو مكون في الهواء مطلوب لجميع الكائنات الحية التي تتنفس.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

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

تعتبر الأشياء الخضراء المتنامية ضرورية لجميع أشكال الحياة على هذا الكوكب ، ليس فقط كغذاء للحيوانات العاشبة والحيوانات آكلة اللحوم ، ولكن لكي يتنفس الأكسجين. عملية التمثيل الضوئي هي الطريقة الأساسية التي يدخل بها الأكسجين إلى الغلاف الجوي. إنها الوسيلة البيولوجية الوحيدة على الكوكب التي تلتقط طاقة الشمس الضوئية ، وتحولها إلى سكريات وكربوهيدرات توفر العناصر الغذائية للنباتات أثناء إطلاق الأكسجين.

فكر في الأمر: يمكن للنباتات والأشجار أن تسحب بشكل أساسي الطاقة التي تبدأ في الامتدادات الخارجية للفضاء ، في شكل من ضوء الشمس ، حوله إلى طعام ، وفي هذه العملية ، أطلق الهواء الذي تحتاجه الكائنات الحية النماء. يمكنك القول أن جميع النباتات والأشجار المنتجة للأكسجين لها علاقة تكافلية مع جميع الكائنات الحية التي تتنفس الأكسجين. يزود الإنسان والحيوان النباتات بثاني أكسيد الكربون ، وتوصيل الأكسجين في المقابل. يسمي علماء الأحياء هذه العلاقة التكافلية المتبادلة لأن جميع الأطراف في العلاقة تستفيد.

في نظام تصنيف ليني ، تصنيف وترتيب جميع الكائنات الحية والنباتات ، الطحالب ونوع من البكتيريا يسمى البكتيريا الزرقاء هي الكائنات الحية الوحيدة التي تنتج الغذاء منها ضوء الشمس. يبدو أن الحجة الداعية إلى قطع الغابات وإزالة النباتات من أجل التنمية تأتي بنتائج عكسية لم يبق بشر ليعيشوا في تلك التطورات لأنه لم يتبق من النباتات والأشجار لتكوين الأكسجين.

النباتات والأشجار ذاتية التغذية ، كائنات حية تصنع طعامها. لأنهم يفعلون ذلك باستخدام الطاقة الضوئية من الشمس ، يسميهم علماء الأحياء بالتغذية الضوئية. معظم النباتات والأشجار على هذا الكوكب هي ضوئية التغذية.

يحدث تحويل ضوء الشمس إلى طعام على المستوى الخلوي داخل أوراق النباتات في عضية موجودة في الخلايا النباتية ، وهي بنية تسمى البلاستيدات الخضراء. بينما تتكون الأوراق من عدة طبقات ، يحدث التمثيل الضوئي في الطبقة الوسطى ، الطبقة الوسطى. تتحكم الفتحات الدقيقة الصغيرة الموجودة على الجانب السفلي من الأوراق التي تسمى الثغور في تدفق ثاني أكسيد الكربون والأكسجين من وإلى النبات ، مما يؤدي إلى التحكم في تبادل الغازات في النبات وتوازن المياه في النبات.

توجد الثغور في قاع الأوراق ، بعيدًا عن الشمس ، لتقليل فقد الماء. تتحكم خلايا الحراسة الصغيرة المحيطة بالثغور في فتح وإغلاق هذه الفتحات الشبيهة بالفم عن طريق التورم أو الانكماش استجابة لكمية الماء في الغلاف الجوي. عندما تنغلق الثغور ، لا يمكن أن يحدث التمثيل الضوئي ، حيث لا يمكن للنبات أن يأخذ ثاني أكسيد الكربون. يؤدي هذا إلى انخفاض مستويات ثاني أكسيد الكربون في النبات. عندما تصبح ساعات النهار شديدة الحرارة والجفاف ، يتم إغلاق السدى للحفاظ على الرطوبة.

كعضية أو بنية على المستوى الخلوي في أوراق النبات ، تحتوي البلاستيدات الخضراء على غشاء خارجي وداخلي يحيط بها. يوجد داخل هذه الأغشية هياكل على شكل طبق تسمى ثايلاكويدات. غشاء الثايلاكويد هو المكان الذي يخزن فيه النبات والأشجار الكلوروفيل ، الصبغة الخضراء المسؤولة عن امتصاص الطاقة الضوئية من الشمس. هذا هو المكان الذي تحدث فيه التفاعلات الأولية المعتمدة على الضوء حيث تشكل العديد من البروتينات سلسلة النقل لنقل الطاقة المسحوبة من الشمس إلى حيث تحتاج إلى الانتقال داخل النبات.

عملية التمثيل الضوئي هي عملية من مرحلتين ومتعددة الخطوات. تبدأ المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي بـ تفاعلات ضوئية، المعروف أيضًا باسم عملية تعتمد على الضوء ويتطلب طاقة ضوئية من الشمس. المرحلة الثانية رد فعل مظلم المرحلة ، وتسمى أيضًا دورة كالفين، هي العملية التي يصنع بها النبات السكر بمساعدة NADPH و ATP من مرحلة تفاعل الضوء.

ال رد فعل خفيف تتضمن مرحلة التمثيل الضوئي الخطوات التالية:

• جمع ثاني أكسيد الكربون والماء من الغلاف الجوي من خلال أوراق النبات أو الشجرة.
• تعمل الأصباغ الخضراء الممتصة للضوء في النباتات أو الأشجار على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة.
• تنشط الإنزيمات النباتية بالضوء ، حيث تنقل الطاقة عند الحاجة قبل إطلاقها لتبدأ من جديد.
  

كل هذا يحدث على المستوى الخلوي داخل ثايلاكويدات النبات ، الأكياس الفردية المسطحة ، مرتبة في جرانا أو مداخن داخل البلاستيدات الخضراء للنبات أو خلايا الأشجار.

ال دورة كالفين ، سمي على اسم عالم الكيمياء الحيوية في بيركلي ميلفن كالفين (1911-1997) ، الحائز على جائزة نوبل في الكيمياء عام 1961 لاكتشافه مرحلة رد الفعل المظلم ، هي العملية التي يصنع بها النبات السكر بمساعدة NADPH و ATP من تفاعل الضوء المسرح. أثناء دورة كالفن ، يتم تنفيذ الخطوات التالية:

• تثبيت الكربون حيث تقوم النباتات بتوصيل الكربون بالمواد الكيميائية النباتية (RuBP) من أجل التمثيل الضوئي.
• مرحلة التخفيض حيث تتفاعل المواد الكيميائية النباتية والطاقة لإنتاج السكريات النباتية.
• تكوين الكربوهيدرات كمغذيات نباتية.
• مرحلة التجديد حيث يتعاون السكر والطاقة لتكوين جزيء RuBP ، والذي يسمح للدورة بالبدء من جديد.

يوجد داخل غشاء الثايلاكويد نظامان لالتقاط الضوء: نظام ضوئي I ونظام ضوئي II يتكون من عدة بروتينات تشبه الهوائي حيث تحول أوراق النبات طاقة الضوء إلى مادة كيميائية طاقة. يوفر نظام الصور الأول إمدادًا بحاملات الإلكترون منخفضة الطاقة بينما يقوم الآخر بتوصيل الجزيئات النشطة إلى حيث يحتاجون إلى الذهاب.

الكلوروفيل هو صبغة ماصة للضوء ، داخل أوراق النباتات والأشجار ، والتي تبدأ عملية التمثيل الضوئي. بصفته صبغة عضوية داخل ثايلاكويد البلاستيدات الخضراء ، فإن الكلوروفيل يمتص الطاقة فقط داخل نطاق ضيق من الطيف الكهرومغناطيسي الذي تنتجه الشمس ضمن نطاق الطول الموجي من 700 نانومتر (نانومتر) إلى 400 نانومتر. يسمى نطاق الإشعاع النشط ضوئيًا ، ويجلس اللون الأخضر في منتصف طيف الضوء المرئي الذي يفصل بين طاقة أقل ، ولكن الطول الموجي الأطول هو الأحمر والأصفر والبرتقالي من الطاقة العالية وطول الموجة الأقصر والأزرق والنيدي و البنفسج.

مثل تمتص الكلوروفيل فوتون واحد أو خامد حزمة من الطاقة الضوئية ، فإنها تسبب إثارة هذه الجزيئات. بمجرد أن يصبح جزيء النبات متحمسًا ، فإن باقي الخطوات في العملية تتضمن إدخال هذا الجزيء المثير إلى نظام نقل الطاقة عبر الطاقة مادة حاملة تسمى نيكوتيناميد فوسفات الأدينين ثنائي النوكليوتيد أو NADPH ، لتسليمها إلى المرحلة الثانية من التمثيل الضوئي ، أو مرحلة رد الفعل المظلم أو كالفين دورة.

بعد دخول سلسلة نقل الإلكترون، تستخلص العملية أيونات الهيدروجين من الماء المأخوذ وتسلمه إلى داخل الثايلاكويد ، حيث تتراكم أيونات الهيدروجين. تمر الأيونات عبر غشاء شبه مسامي من الجانب اللحمي إلى تجويف الثايلاكويد ، مما يؤدي إلى فقدان بعض من الطاقة في هذه العملية ، حيث تنتقل عبر البروتينات الموجودة بين نظامي الصور. تتجمع أيونات الهيدروجين في تجويف الثايلاكويد حيث تنتظر إعادة التنشيط قبل المشاركة في العملية التي تجعل الأدينوزين ثلاثي الفوسفات أو ATP ، عملة الطاقة في الخلية.

تمتص بروتينات الهوائي في النظام الضوئي 1 فوتونًا آخر ، وتنقله إلى مركز تفاعل PS1 المسمى P700. مركز مؤكسد ، P700 يرسل إلكترونًا عالي الطاقة إلى فوسفات النيكوتين أميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد أو NADP + ويقلل من تكوين NADPH و ATP. هذا هو المكان الذي تقوم فيه الخلية النباتية بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

تقوم البلاستيدات الخضراء بتنسيق مرحلتي التمثيل الضوئي لاستخدام الطاقة الضوئية لصنع السكر. تمثل الثايلاكويدات الموجودة داخل البلاستيدات الخضراء مواقع تفاعلات الضوء ، بينما تحدث دورة كالفين في السدى.

يحدث التنفس الخلوي ، المرتبط بعملية التمثيل الضوئي ، داخل الخلية النباتية لأنه يأخذ الطاقة الضوئية ويحولها إلى طاقة كيميائية ويطلق الأكسجين مرة أخرى في الغلاف الجوي. يحدث التنفس داخل الخلية النباتية عندما يتم إنتاج السكريات أثناء عملية التمثيل الضوئي يتحد مع الأكسجين لتوليد الطاقة للخلية ، مكونًا ثاني أكسيد الكربون والماء كمنتجات ثانوية لـ التنفس. معادلة التنفس البسيطة هي معادلة معادلة التمثيل الضوئي: الجلوكوز + الأكسجين = الطاقة + ثاني أكسيد الكربون + الطاقة الضوئية.

يحدث التنفس الخلوي في جميع الخلايا الحية للنبات ، ليس فقط في الأوراق ، ولكن أيضًا في جذور النبات أو الشجرة. نظرًا لأن التنفس الخلوي لا يحتاج إلى طاقة ضوئية ، فيمكن أن يحدث في النهار أو الليل. لكن الإفراط في ري النباتات في التربة ذات الصرف السيئ يسبب مشكلة في التنفس الخلوي ، مثل غمرها لا تستطيع النباتات امتصاص ما يكفي من الأكسجين من خلال جذورها وتحويل الجلوكوز لدعم عملية التمثيل الغذائي للخلية العمليات. إذا تلقى النبات الكثير من الماء لفترة طويلة جدًا ، يمكن حرمان جذوره من الأكسجين ، والذي يمكن أن يوقف التنفس الخلوي ويقتل النبات.

أشار البروفيسور إليوت كامبل وفريقه من الباحثين في جامعة كاليفورنيا ميرسيد في مقال نُشر في أبريل 2017 في "الطبيعة" ، وهي مجلة علمية دولية ، أن عملية التمثيل الضوئي زادت بشكل كبير خلال القرن العشرين مئة عام. اكتشف فريق البحث سجلاً عالميًا لعملية التمثيل الضوئي التي امتدت لمائتي عام.

قادهم ذلك إلى استنتاج أن إجمالي عمليات التمثيل الضوئي للنباتات على الكوكب قد نما بنسبة 30 في المائة خلال السنوات التي بحثوا فيها. في حين أن البحث لم يحدد على وجه التحديد سبب الزيادة الطفيفة في عملية التمثيل الضوئي على مستوى العالم ، إلا أن الفريق تقترح نماذج الكمبيوتر عدة عمليات ، عند دمجها ، يمكن أن تؤدي إلى مثل هذه الزيادة الكبيرة في المصنع العالمي نمو.

أظهرت النماذج أن الأسباب الرئيسية لزيادة التمثيل الضوئي تشمل زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي (ويرجع ذلك أساسًا إلى الإنسان الأنشطة) ، مواسم نمو أطول بسبب الاحتباس الحراري بسبب هذه الانبعاثات وزيادة تلوث النيتروجين الناجم عن الزراعة الجماعية والوقود الأحفوري الإحتراق. الأنشطة البشرية التي أدت إلى هذه النتائج لها آثار إيجابية وسلبية على الكوكب.

وأشار البروفيسور كامبل إلى أنه في حين أن زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تحفز إنتاج المحاصيل ، فإنها تحفز أيضًا نمو الحشائش غير المرغوب فيها والأنواع الغازية. وأشار إلى أن زيادة انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تسبب بشكل مباشر تغير المناخ مما يؤدي إلى مزيد من الفيضانات على طول الساحل المناطق ، والظروف الجوية القاسية وزيادة تحمض المحيطات ، وكلها لها آثار مضاعفة عالميا.

على الرغم من زيادة التمثيل الضوئي خلال القرن العشرين ، إلا أنه تسبب أيضًا في قيام النباتات بتخزين المزيد من الكربون في النظم البيئية حول العالم ، مما أدى إلى تحولها إلى مصادر للكربون بدلاً من مصارف الكربون. حتى مع زيادة التمثيل الضوئي ، فإن الزيادة لا يمكن أن تعوض عن احتراق الوقود الأحفوري ، مثل تميل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن احتراق الوقود الأحفوري إلى التغلب على قدرة النبات على الامتصاص ثاني أكسيد الكربون.

حلل الباحثون بيانات الجليد في القطب الجنوبي التي جمعتها الإدارة الوطنية للمحيطات والغلاف الجوي لتطوير النتائج التي توصلوا إليها. من خلال دراسة الغاز المخزن في عينات الجليد ، راجع الباحثون الغلاف الجوي العالمي في الماضي.