تعريف عملية التمثيل الضوئي

كل الكائنات الحية تحتاج إلى الغذاء من أجل استمرارها، فالإنسان يعتمد على الحيوان والنبات حتى يعيش، والنباتات تعتمد على عملية البناء الضوئي أو ما تسمى بعملية التمثيل الضوئي.

وتشير عملية البناء الضوئي إلى العملية الغذائية للنبات والتي تحتاج إلى عدة عوامل حتى تنجح، وتحدث عملية البناء الضوئي في البلاستيدات الخضراء. وذلك من خلال تجميع العناصر الغذائية باستخدام ثاني أكسيد الكربون والماء وأشعة الشمس، حيث يكون الناتج الثانوي لهذه العملية هو الأكسجين.

عملية التمثيل الضوئي

تحدث عملية التمثيل الضوئي عندما تقوم النباتات باستخدام الطاقة الضوئية بهدف تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين.

حيث تحتوي أوراق النباتات على عضيات خلوية تعرف باسم البلاستيدات الخضراء، وتضم كل بلاستيدة صبغة خضراء اللون تسمى الكلوروفيل. تمتص جزيئات الكلوروفيل الطاقة الضوئية بينما يدخل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال المسام الدقيقة في الأوراق، وينتج السكريات مثل الجلوكوز والفركتوز.

تستخدم النباتات هذه السكريات كمصدر للطاقة، فترسلها إلى الجذور والسيقان والأوراق، مما يساعدها على النمو. ثم تتحد جزيئات السكر هذه مع بعضها البعض لتكوين كربوهيدرات أكثر تعقيدًا مثل السليلوز والنشا.

العوامل المؤثرة في التمثيل الضوئي

حتى يقوم النبات بعملية البناء الضوئي، يحتاج إلى شروط وهي العوامل المؤثرة في العملية كما يلي:

شدة الضوء

حيث أن شدة الضوء المتزايدة تؤدي إلى معدل أعلى من التمثيل الضوئي. كما ينتج عن شدة الإضاءة المنخفضة معدل أقل من التمثيل الضوئي.

تركيز ثاني أكسيد الكربون

فالتركيز العالي لثاني أكسيد الكربون يساعد في زيادة معدل التمثيل الضوئي.

درجة الحرارة

وهي من أهم العوامل المؤثرة في التمثيل الضوئي، لذلك فمن المهم أن تكون درجة الحرارة بين 25 درجة مئوية إلى 35 درجة مئوية.

الماء

الماء من أهم العوامل في عملية البناء الضوئي، ومن الممكن أن يؤدي نقصه إلى مشاكل في امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

التلوث

قد تترسب الملوثات الصناعية والجسيمات الأخرى على سطح اوراق النبات في سد مسام الثغور مما يجعل من الصعب امتصاص ثاني أكسيد الكربون.

معادلة التمثيل الضوئي

يتضمن تفاعل التمثيل الضوئي اثنين من المتفاعلات، وثاني أكسيد الكربون والماء. حيث ينتج المتفاعلان منتجان ثانويا وهما؛ الأكسجين والجلوكوز. ويكون التفاعل ماص للحرارة حيث تتم صياغة تفاعل عملية التمثيل الضوئي كما يلي:

6CO2 + 6H2O -> C6H12O6 + 6O2

خطوات عملية البناء الضوئي

• يدخل ثاني أكسيد الكربون من خلال الثغور
• تقوم شعيرات الجذور بامتصاص الماء ثم نقله إلى الأوراق من خلال أوعية نسيج الخشب.
• يمتص الكلوروفيل الطاقة الضوئية من الشمس لتقسيم جزيئات الماء إلى هيدروجين وأكسجين.
• يستخدم الهيدروجين من جزيئات الماء وثاني أكسيد الكربون الممتص من الهواء في إنتاج الجلوكوز.
• يتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي من خلال الأوراق كمنتج نفايات.
• يعتبر الجلوكوز هو مصدر غذاء للنباتات التي توفر الطاقة للنمو والتطور، بينما يتم تخزين الباقي في الجذور والأوراق والفواكه لاستخدامها لاحقًا.

وبذلك نرى أن عملية البناء الضوئي تحدث على مرحلتين:

رد فعل يعتمد على الضوء

حيث يبدأ التمثيل الضوئي بتفاعل الضوء الذي يتم فقط خلال النهار في وجود ضوء الشمس. وفي النباتات، يحدث التفاعل المعتمد على الضوء في أغشية الثايلاكويد للبلاستيدات الخضراء.

تعمل أكياس Grana المرتبطة بالغشاء مثل الهياكل الموجودة داخل الثايلاكويد عن طريق تجميع الضوء وتسمى أنظمة الصور.

تجتوي هذه الأنظمة الضوئية على مجمعات كبيرة من جزيئات الصبغ والبروتينات الموجودة داخل الخلايا النباتية، والتي تلعب الدور الأساسي أثناء عملية تفاعلات الضوء لعملية التمثيل الضوئي.

ويمكن اختزال المعادلة الكيميائية في تفاعل الضوء لعملية التمثيل الضوئي إلى:

2H2O + 2NADP + + 3ADP + 3Pi → O2 + 2NADPH + 3ATP

رد فعل مستقل للضوء

او التفاعل المظلم الذي يسمى تفاعل تثبيت الكربون، وهي عملية مستقلة عن الضوء تتشكل فيها جزيئات السكر من جزيئات الماء وثاني أكسيد الكربون.

يحدث التفاعل الداكن في سدى البلاستيدات الخضراء حيث يستخدمون نواتج NADPH و ATP لتفاعل الضوء. وتقوم النباتات بالتقاط ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي من خلال الثغور ثم تنتقل إلى دورة التمثيل الضوئي لكالفين.

في دورة كالفين، يتشكل ATP و NADPH أثناء تفاعل الضوء يدفع التفاعل ويحول 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون إلى جزيء سكر أو جلوكوز. ويمكن اختزال المعادلة الكيميائية للتفاعل المظلم إلى:

3CO2 + 6 NADPH + 5H2O + 9ATP → G3P + 2H + 6 NADP + + 9 ADP + 8 Pi