أي نوع من التفاعل هو التمثيل الضوئي؟

بدون سلسلة التفاعلات الكيميائية المعروفة مجتمعة باسم التمثيل الضوئي ، لن تكون هنا ولا أي شخص آخر تعرفه. قد يصدمك هذا باعتباره ادعاءً غريبًا إذا عرفت أن التمثيل الضوئي يقتصر على النباتات وعدد قليل من الكائنات الحية الدقيقة ، وأنه لا توجد خلية واحدة في جسمك أو أي حيوان لديها الجهاز لتنفيذ هذه المجموعة الأنيقة من ردود الفعل. ما يعطي؟

ببساطة ، الحياة النباتية والحيوانية تكافيان تمامًا تقريبًا ، مما يعني أن الطريقة التي تعمل بها النباتات في تلبية احتياجاتها الأيضية هي ذات فائدة قصوى للحيوانات والعكس صحيح. بعبارات أبسط ، تأخذ الحيوانات غاز الأكسجين (O₂) لاشتقاق الطاقة من مصادر الكربون غير الغازية وإفراز غاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) والماء (H₂س) في العملية ، بينما تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون₂ و ح₂يا لصنع الطعام والافراج عن O₂ على البيئة. بالإضافة إلى ذلك ، يُستمد حوالي 87 في المائة من طاقة العالم حاليًا من حرق الوقود الأحفوري ، والذي يعد في النهاية نتاج عملية التمثيل الضوئي أيضًا.

يقال أحيانًا أن "التمثيل الضوئي هو بالنسبة للنباتات ما يعنيه التنفس للحيوانات" ، لكن هذا تشبيه خاطئ لأن النباتات تستفيد من كليهما ، بينما تستخدم الحيوانات التنفس فقط. فكر في التمثيل الضوئي على أنه الطريقة التي تستهلك بها النباتات الكربون وهضمه ، بالاعتماد على الضوء بدلاً من الحركة وفعل الأكل لوضع الكربون في شكل يمكن أن تستخدمه الآلات الخلوية الدقيقة.

يمكن أن يكون التمثيل الضوئي ، على الرغم من عدم استخدامه مباشرة من قبل جزء كبير من الكائنات الحية يُنظر إليها بشكل معقول على أنها العملية الكيميائية الوحيدة المسؤولة عن ضمان استمرار وجود الحياة الأرض نفسها. تأخذ خلايا التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون₂ و ح₂يجمع O بواسطة الكائن الحي من البيئة ويستخدم الطاقة من ضوء الشمس لتشغيل تخليق الجلوكوز (C₆ح₁₂ا₆) ، وإطلاق O₂ كمنتج نفايات. ثم تتم معالجة هذا الجلوكوز بواسطة خلايا مختلفة في النبات بنفس الطريقة التي يستخدم بها الحيوان الجلوكوز الخلايا: تخضع للتنفس لإطلاق الطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) وإطلاقها كو₂ كمنتج نفايات. (تستفيد العوالق النباتية والبكتيريا الزرقاء أيضًا من التمثيل الضوئي ، ولكن لأغراض هذه المناقشة ، يشار إلى الكائنات الحية التي تحتوي على خلايا التمثيل الضوئي بشكل عام باسم "النباتات".)

الكائنات التي تستخدم التمثيل الضوئي لصنع الجلوكوز تسمى autotrophs ، والتي تترجم بشكل فضفاض من اليونانية إلى "الطعام الذاتي". أي أن النباتات لا تعتمد على كائنات أخرى مباشرة في الغذاء. من ناحية أخرى ، تعتبر الحيوانات غيرية التغذية ("طعام آخر") لأنه يتعين عليها تناول الكربون من مصادر حية أخرى من أجل النمو والبقاء على قيد الحياة.

يعتبر التمثيل الضوئي رد فعل الأكسدة والاختزال. الأكسدة والاختزال هي اختصار لـ "الأكسدة الاختزالية" ، والتي تصف ما يحدث على المستوى الذري في التفاعلات الكيميائية الحيوية المختلفة. الصيغة الكاملة والمتوازنة لسلسلة التفاعلات المسماة التمثيل الضوئي - والتي سيتم استكشاف مكوناتها قريبًا - هي:

6 ح₂O + ضوء + 6CO₂ → ج₆ح₁₂ا₆ + 6O₂

يمكنك التحقق بنفسك من أن عدد كل نوع من الذرات هو نفسه على جانبي السهم: ست ذرات كربون و 12 ذرة هيدروجين و 18 ذرة أكسجين.

الاختزال هو إزالة الإلكترونات من ذرة أو جزيء ، بينما الأكسدة هي اكتساب الإلكترونات. في المقابل ، تسمى المركبات التي تنتج الإلكترونات بسهولة لمركبات أخرى بالعوامل المؤكسدة ، بينما تسمى المركبات التي تميل إلى اكتساب الإلكترونات بالعوامل المختزلة. عادة ما تتضمن تفاعلات الأكسدة والاختزال إضافة الهيدروجين إلى المركب الذي يتم تقليله.

يمكن تلخيص الخطوة الأولى في عملية التمثيل الضوئي على أنها "فليكن نور". يضرب ضوء الشمس سطح النباتات ، مما يؤدي إلى تحريك العملية برمتها. قد تشك بالفعل في سبب ظهور العديد من النباتات بالطريقة التي تظهر بها: مساحة كبيرة من السطح على شكل أوراق و الفروع التي تدعمها والتي تبدو غير ضرورية (وإن كانت جذابة) إذا كنت لا تعرف سبب تكوين هذه الكائنات من هنا. يتمثل "الهدف" من النبات في تعريض أكبر قدر ممكن من نفسه لأشعة الشمس - مما يجعل الأقصر والأصغر النباتات في أي نظام بيئي تشبه إلى حد ما روافع فضلات الحيوانات حيث يكافح كلاهما للحصول على ما يكفي طاقة. ليس من المستغرب أن تكون الأوراق كثيفة للغاية في خلايا التمثيل الضوئي.

هذه الخلايا غنية بالكائنات الحية التي تسمى البلاستيدات الخضراء ، حيث يتم عمل التمثيل الضوئي ، تمامًا مثل الميتوكوندريا هي العضيات التي يحدث فيها التنفس. في الواقع ، تعتبر البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا متشابهة تمامًا من الناحية الهيكلية ، وهي حقيقة ، مثل كل شيء عمليًا في عالم الأحياء ، يمكن يمكن إرجاعها إلى روائع التطور.) تحتوي البلاستيدات الخضراء على أصباغ متخصصة تمتص الطاقة الضوئية على النحو الأمثل بدلاً من الانعكاس هو - هي. يحدث ما ينعكس بدلاً من امتصاصه في نطاق من الأطوال الموجية التي تفسرها العين والدماغ البشري على أنها لون معين (تلميح: يبدأ بـ "g"). يُعرف الصباغ الرئيسي المستخدم لهذا الغرض بالكلوروفيل.

البلاستيدات الخضراء محاطة بغشاء بلازما مزدوج ، كما هو الحال مع جميع الخلايا الحية وكذلك العضيات التي تحتويها. ومع ذلك ، في النباتات ، يوجد غشاء ثالث داخلي في طبقة البلازما الثنائية ، يسمى غشاء الثايلاكويد. يتم طي هذا الغشاء على نطاق واسع للغاية بحيث تظهر الهياكل المكدسة فوق بعضها البعض ، على عكس مجموعة من النعناع. تحتوي هياكل الثايلاكويد هذه على الكلوروفيل. يُطلق على الفراغ بين غشاء البلاستيدات الخضراء الداخلي وغشاء الثايلاكويد اسم السدى.

ينقسم التمثيل الضوئي إلى مجموعة من التفاعلات المعتمدة على الضوء والمستقلة عن الضوء ، والتي تسمى عادةً تفاعلات الضوء والظلام ويتم وصفها بالتفصيل لاحقًا. كما قد تكون قد استنتجت ، تحدث تفاعلات الضوء أولاً.

عندما يضرب ضوء الشمس الكلوروفيل والأصباغ الأخرى داخل الثايلاكويدات ، فإنه ينفجر بشكل أساسي الإلكترونات والبروتونات من ذرات الكلوروفيل وترفعها إلى مستوى طاقة أعلى ، مما يجعلها أكثر حرية يهاجر. يتم تحويل الإلكترونات إلى تفاعلات سلسلة نقل الإلكترون التي تتكشف على غشاء الثايلاكويد نفسه. هنا ، تستقبل متقبلات الإلكترون مثل NADP بعض هذه الإلكترونات ، والتي تُستخدم أيضًا لدفع تخليق ATP. ATP هو أساسًا للخلايا ما يمثله الدولار بالنسبة للنظام المالي الأمريكي: إنه "عملة الطاقة" التي يتم من خلالها تقريبًا تنفيذ جميع عمليات التمثيل الغذائي في النهاية.

أثناء حدوث ذلك ، وجدت جزيئات الكلوروفيل التي تغمر أشعة الشمس نفسها فجأة تفتقر إلى الإلكترونات. هذا هو المكان الذي يدخل فيه الماء إلى المعركة ويساهم في استبدال الإلكترونات في شكل هيدروجين ، وبالتالي تقليل الكلوروفيل. مع اختفاء الهيدروجين ، ما كان في يوم من الأيام ماء أصبح الآن الأكسجين الجزيئي - O₂. ينتشر هذا الأكسجين خارج الخلية وخارج النبات تمامًا ، وقد تمكن البعض منه من شق طريقه إلى رئتيك في هذه اللحظة بالضبط.

يُطلق على البناء الضوئي تفاعل endergonic لأنه يتطلب مدخلات من الطاقة من أجل المضي قدمًا. الشمس هي المصدر النهائي لجميع الطاقة على هذا الكوكب (حقيقة ربما يفهمها المتنوعون على مستوى ما ثقافات العصور القديمة التي اعتبرت الشمس إلهًا في حد ذاتها) والنباتات هي أول من اعترضها من أجلها استخدام مثمر. بدون هذه الطاقة ، لن تكون هناك طريقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون ، وهو جزيء صغير وبسيط ، إلى جلوكوز ، وهو جزيء أكبر بكثير وأكثر تعقيدًا. تخيل نفسك تصعد درجًا بينما لا تستهلك أي طاقة بطريقة ما ، ويمكنك أن ترى المشكلة التي تواجهها النباتات.

من الناحية الحسابية ، التفاعلات الداخلية هي تلك التي يكون فيها للمنتجات مستوى طاقة أعلى من المواد المتفاعلة. ويطلق على نقيض هذه التفاعلات ، من منظور الطاقة ، اسم `` exergonic '' ، حيث يكون للمنتجات طاقة أقل من التفاعلات ويتم تحرير الطاقة أثناء التفاعل. (غالبًا ما يكون هذا على شكل حرارة - مرة أخرى ، هل تصبح أكثر دفئًا أم أنك تزداد برودة مع ممارسة الرياضة؟) يتم التعبير عن هذا من حيث الطاقة الحرة ΔG ° للتفاعل ، والتي بالنسبة لعملية التمثيل الضوئي هي +479 kJ مول^-1 أو 479 جول من الطاقة لكل مول. تشير العلامة الإيجابية إلى تفاعل ماص للحرارة ، بينما تشير العلامة السلبية إلى عملية طاردة للحرارة.

في تفاعلات الضوء ، يتفكك الماء بفعل ضوء الشمس ، بينما في التفاعلات المظلمة ، تنكسر البروتونات (H⁺) والإلكترونات (على سبيل المثال⁻) المحررة في ضوء التفاعلات لتجميع الجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى من ثاني أكسيد الكربون₂.

يتم إعطاء تفاعلات الضوء بواسطة الصيغة:

2 ح₂O + ضوء → O₂ + 4 ح⁺ + 4 هـ⁻(ΔG ° = +317 كيلوجول ⋅ مول⁻¹)

وردود الفعل المظلمة تعطى من خلال:

كو₂ + 4 ح⁺ + 4 هـ⁻ → CH₂O + H₂O (ΔG ° = +162 كيلوجول ⋅ مول⁻¹)

بشكل عام ، ينتج عن هذا المعادلة الكاملة الموضحة أعلاه:

ح₂O + ضوء + CO₂ → CH₂O + O₂(ΔG ° = +479 كيلوجول ⋅ مول⁻¹)

يمكنك أن ترى أن كلا المجموعتين من ردود الأفعال متفاعلة ، وأن تفاعلات الضوء أقوى من ذلك.

يعني اقتران الطاقة في الأنظمة الحية استخدام الطاقة التي يتم توفيرها من عملية واحدة لدفع العمليات الأخرى التي لم تكن لتحدث لولا ذلك. يعمل المجتمع نفسه بهذه الطريقة: غالبًا ما تضطر الشركات إلى اقتراض مبالغ كبيرة من المال مسبقًا من أجل التخلص من على أرض الواقع ، ولكن في النهاية تصبح بعض هذه الشركات مربحة للغاية ويمكنها إتاحة الأموال للشركات الناشئة الأخرى شركات.

يمثل التمثيل الضوئي مثالًا جيدًا على اقتران الطاقة ، حيث تقترن الطاقة من ضوء الشمس بتفاعلات في البلاستيدات الخضراء بحيث يمكن أن تتكشف التفاعلات. يكافئ المصنع في النهاية دورة الكربون العالمية عن طريق تصنيع الجلوكوز ومركبات الكربون الأخرى التي يمكن أن تقترن بتفاعلات أخرى ، على الفور أو في المستقبل. على سبيل المثال ، تنتج نباتات القمح النشا ، وتستخدم في جميع أنحاء العالم كمصدر رئيسي للأغذية للإنسان والحيوانات الأخرى. ولكن لا يتم تخزين كل الجلوكوز الذي تنتجه النباتات ؛ ينتقل بعضها إلى أجزاء مختلفة من الخلايا النباتية ، حيث تقترن الطاقة المحررة في تحلل السكر في النهاية بتفاعلات في الميتوكوندريا النباتية تؤدي إلى تكوين ATP. بينما تمثل النباتات الجزء السفلي من السلسلة الغذائية وينظر إليها على نطاق واسع على أنها طاقة سلبية وأكسجين المتبرعون ، لديهم احتياجات التمثيل الغذائي الخاصة بهم ، وعليهم أن يكبروا ويتكاثروا مثل الآخرين الكائنات الحية.

جانبا ، غالبًا ما يواجه الطلاب صعوبة في تعلم موازنة التفاعلات الكيميائية إذا لم يتم توفيرها في شكل متوازن. نتيجة لذلك ، أثناء إجراء الترقيع ، قد يميل الطلاب إلى تغيير قيم الرموز في الجزيئات في التفاعل من أجل تحقيق نتيجة متوازنة. قد ينشأ هذا الالتباس من معرفة أنه يجوز تغيير الأرقام الموجودة أمام الجزيئات من أجل موازنة التفاعلات. يؤدي تغيير الرمز السفلي لأي جزيء إلى تحويل ذلك الجزيء إلى جزيء مختلف تمامًا. على سبيل المثال ، تغيير O₂ جدا₃ لا يضيف فقط 50 في المائة أكثر من الأكسجين من حيث الكتلة ؛ يحول غاز الأكسجين إلى أوزون ، والذي لن يشارك في التفاعل قيد الدراسة بطريقة مماثلة عن بعد.