النبات .. دورة حياة النبات ... عملية التمثيل الضوئي في النبات

التمثيل الضوئي أو التخليق الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) : عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء و في صانعات اليخضور(الصانعات الخضراء) أو الكلوروبلاست (chloroplast) في كل من الطحالب و النباتات العليا; حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز وفق المعادلة التالية :

6CO2 + 6H2O + light + chloroplasts = C6H12O6 + 6O2

ومن أهم نواتج هذه المعادلة هو :

* الاكسجين ; وكل جزيئة من CO2 تدخل في المعادلة يقابلها جزيئة من الاكسجين O2 ناتجة من التفاعل .
* مركبات سكريات حاوية على طاقة عالية .

ورغم بساطة هذه المعادلة في وضعها السابق ولكنها تتم في خطوات معقدة، و تتم هذه المعادلة في دورتين:

* الأولى تسمى تفاعلات الضوء (بالإنجليزية: light reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الضوء (بالإنجليزية: The light Dependent reactions) وهي تفاعلات تعتمد على وجود الضوء وتعمل عليه.

* الثانية تسمى تفاعلات الظلام (بالإنجليزية: Dark reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الظلام (بالإنجليزية: Independent reactions) أو تفاعلات دورة كالفن (بالإنجليزية: Calven cycle reactions) وهي تفاعلات تعمل ليلا وفي الظلام استغلالاً للمنتجات الصباحية (النهارية) التي أنتجت في الضوء.

وقد سميت تفاعلات الظلام باسم مكتشفها كالفن، وتعمل تفاعلات دورة كالفن في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot) أو (Dicotyledon) وهي مركبات ثلاثية الكربون ولذلك تسمى دورة الكربون الثلاثي. وهناك دورة هاتس سلاك (Hatch slak) وهي تعمل في النباتات ذوات الفلقة الواحدة (Monocotyledon) أو (Monocot).


عملية التمثيل الضوئي

* تبدأ عملية التمثيل الضوئي بسقوط الضوء على مجموعة من الخلايا النباتية المتجاورة مكونة لنظام ضوئي داخل البلاستيدات الخضراء.

* عندما تسقط فوتونات الضوء على جزيئة الكلوروفيل يصطدم الفوتون بألكترون من الكترونات الكلوروفيل عندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الاصلي , وهذه حالة غير ثابتة فيميل للعودة اللى مداره الاصلي (خلال جزء من الثانية) وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها ,يمكن ان تنطلق طاقة الالكترون على شكل حرارة أو ضوء أو فلورة , اما في التمثيل الضوئي فانها تعمل على تسيير تفاعل كيميائي .

ـ الطاقة الكيميائية تختزن في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ; ويتم ذلك بوجود (ADP) و الفوسفات كما في المعادلة : ADP + P + Energy = ATP

ـ تنتقل بعض هذه الطاقة الالكترونية عبر جزيئات (+NADP) منخفضة الطاقة ليعطي (NADPH) مرتفع الطاقة وبذلك يتكون مركبين مرتفعين في الطاقة هما (ATP) و(NADPH).

* حيث NADP تمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "
* و ATP تمثل "ادينوسين ثلاثي الفوسفات"

ـ يستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة إلى الالكترونات في شطر جزيئات الماء (H2O) إلى ايونات الهيدروجين وأيونات الأكسجين.

ـ يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين

ـ ولذلك فإن مصدر الأكسجين الناتج في عملية البناء الضوئي ناتج من الماء المشطور، أي أنه أكسجين الماء بعد نزع الهيدروجين منه، وبذلك يتحقق قول الله تعالى: وجعلنا من الماء كل شيء حي [الأنبياء] : 30.

ـ حيث أننا نتنفس أكسجين الماء، وتتنفسه الكائنات الحية هوائية التنفس (Aerobic respiration) علاوة على وظائف الماء الحيوية الأخرى في أجسام الكائنات الحية.

العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي

يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة , داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة .

العوامل الداخلية:

* تركيب الورقة : ويشمل سمك القشيرة والبشرة , وجود الأوبار على سطحها , تركيب النسيج المتوسط , موضع الجسيمات في الخلايا ,حجم المسام وتوزعها .
* نواتج التمثيل الضوئي : عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة اذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا.
* حالة المادة الحية البروتوبلازم و الانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم و اضطراب عمل الانزيمات .

العوامل الخارجية:

* تشمل العوامل الخارجية : الحرارة , الضوء وشدته , تركيز ثاني أكسيد الكربون, الماء, العناصر المعدنية . وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى .

...

عمليات دورة كالفن "Calvin Cycle"

دورة كالفن هي إحدى الدورات الحيوية المهمة في عملية تثبيت الطاقة خاصة في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot plants) وفيها يتم تثبيت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون لتكوين أول مركب كربوهيدراتي ثابت أمكن فصله يسمى 3-فوسفوغليسيرات وهي تتم في حشوة (Stroma) البلاستيده الخضراء خارج التلاكويدات.

ـ وفيها يتم استغلال الطاقة سابقة التخزين في التفاعلات الضوئية في عملات الطاقة من جزيئات (ATP) و (NADPH).

ـ يبدأ ذلك باتحاد ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع ريبوليز ثنائي فوسفات وإنتاج مركب وسطي يتفكك تلقائيا إلى جزيئتي حمض فوسفوغليسيرك و يتوسط هذه الخطوة أنزيم ريبيولوز ثنيائي الفوسفات كاربوكسيلاز .

ـ يمكن استخدام (PGAL) لتخليق الجزيئات العضوية مثل الجلوكوز (Glucose) ويتحول (NADPH) إلى (NADP+).

ـ كما يتحول (ATP) إلى (ADP).

ـ وبذلك تخزن الطاقة الضوئية في الروابط الكيميائية بين ذرات المركبات الكربوهيدرائية الناتجة، ويثبت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون الجوي، كما يثبت الهيدروجين الموجود في الماء, وفي النهاية يتكون الجلوكوز (Glucose) الذي ينتقل إلى دورات تحرير الطاقة لتعاد دورة العناصر والمركبات والطاقة من جديد.

ـ أهم شيء في هذه الدورات هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون لتكوين الجلوكوز، وهذه العملية تتم في عمليات معقدة يمكن تيسيرها فيما يلي.

ـ تتفاعل كل ست جزيئات من (RUBP) مع ست جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) وست جزيئات من الماء (H2O) لتكوين 12 جزيء (PGA) وبذلك يثبت الكربون.

ـ تستغل طاقة (12) جزيء (ATP) والكترونات وهيدروجينات (12) جزيء NADPH2 لتحويل (12) جزيء من (PGA) إلى (12) جزيء (PGALs).

ـ تستغل طاقة (6) جزيئات (ATP) لإعادة ترتيب (10) جزيئات (PGALs) ليتكون (6) جزيئات (RUBPs)، وبذلك تتم دورة واحدة من دورات كالفن (أي دورة تثبيت الكربون الثلاثي).

ـ هناك دورة أخرى تسمى دورة هاتش ـ سلاك (Hatch slak pathway) لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في النباتات ذوات الفلقة الواحدة عن طريق الكربون الرباعي (C4).

ـ وبذلك تتم أهم عملية على سطح الكرة الأرضية وهي عملية تكوين المواد الكربوهيدراتية من ثاني أكسيد الكربون والماء وتخزن الطاقة الشمسية في الروابط الكيميائية في تلك المواد الكربوهيداتية وينطلق الأكسجين إلى الجو بعملية التمثيل الضوئي.

ـ بعد ذلك يحول النبات المواد الكوبوهيدراتية إلى مواد دهنية , ومواد بروتينية ، والمركبات النباتية الأخرى.

ـ يتغذى الحيوان والكائنات الحية الدقيقة الفطرية و البكتيريا على المنتجات النباتية.

ـ ويتغذى الإنسان على المنتجات النباتية, والمنتجات الحيوانية ، ومنتجات الكائنات الحية الدقيقة الصالحة للأكل البشري.

وهذه أضخم عملية في الطبيعة فكل:

ـ كربوهيدرات العالم تتكون بها.

ـ دهن العالم يتكون بها.

ـ بترول العالم يتكون بها..

ـ فحم العالم يتكون بها.

ـ أكسجين العالم ينتج منها.

ـ و خلصت الإنسان من النسب الزائدة والمحررة من ثاني أكسيد الكربون.