كيف تتم عملية البناء الضوئي؟

عملية البناء الضوئي (Photosynthesis)

تدعى أيضا بعملية التمثيل الضوئي وهي عملية كيميائية تقوم بها جميع النباتات والطحالب بالإضافة إلى بعض الكائنات الحية الدقيقة لتحويل الطاقة الضوئية المستمدة من الشمس إلى طاقة كيميائية وهذه الطاقة الكيميائية تتحول إلى غذاء لها.

تقوم النباتات بتحويل الماء وغاز ثاني أوكسيد الكربون إلى مركبات عضوية خلال عملية البناء الضوئي باستخدام طاقة الشمس الضوئية، وهذه المركبات العضوية هي جزيئات السكر وغاز الأكسجين.

تسمح هذه العملية للكائنات الحية بتغيير طاقة الشمس الضوئية التي تتعرض لها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة المفيدة لها، كالطاقة الكيميائية التي تتمثل بالسكريات الموجودة في جميع النباتات والتي يمكن لخلاياها أن تخزنها وتستخدمها في عمليات النمو، بحيث يتم نقل هذه الطاقة الكيميائية الموجودة في النباتات إلى الحيوانات التي تأكلها ومن ثم إلى الحيوانات التي تفترس الحيوانات الأخرى.

أهمية عملية البناء الضوئي

تعتبر عملية البناء الضوئي ذات أهمية كبيرة جدا للحياة على الأرض، إذ أن لها دورا مباشرا وغير مباشر في الهواء الذي نتنفسه والأطعمة التي نتناولها، حيث يتم إطلاق الأكسجين الناتج من عملية البناء الضوئي في الغلاف الجوي في حالة الكائنات البرية، أما في حالة الكائنات المائية، فيكون إطلاق الأكسجين في بيئتها المائية وتستخدمه الكائنات الحية للتنفس الخلوي، وفي حال غياب عملية البناء الضوئي فإنَ الإمدادات الغذائية الأساسية للأرض لن تتجدد، وستختفي معظم الكائنات الحية في حال ندرة الطعام وسيصبح الكوكب خاليًا من غاز الأكسجين.

ما هي العوامل التي تؤثر على عملية البناء الضوئي؟

توجد ثلاثة عوامل أساسية تؤثر على عملية البناء الضوئي وهي:

درجة حرارة

يوجد العديد من الأنزيمات التي تعمل في تفاعلات التمثيل الضوئي، وجميعها تقوم بدورها بشكل أفضل عند درجات الحرارة المُثلى في بيئتها المناسبة، حيث تتمتع النباتات الاستوائية بدرجة حرارة مثالية أعلى من تلك التي تتكيف مع المناخ المعتدل، فإذا انخفضت درجات الحرارة للغاية، يصبح هناك القليل من الطاقة الحركية، وبالتالي ينخفض معدل التفاعل، أما إذا كانت درجات الحرارة مرتفعة للغاية، فإنَ الأنزيمات تفقد قدرتها الطبيعية ويتوقف تحفيز تفاعل التمثيل الضوئي، لذلك من المهم أن تحافظ البيوت البلاستيكية الزراعية على درجة حرارة مثالية كي تحقق نموا صحيا وطبيعيا للنباتات.

كمية الضوء وشدته

في حال كانت أشعة الشمس الضوئية التي تتعرض لها النبات قليلة، فإنَ التفاعلات الكيميائية التي تعتمد على الضوء لن تحصل كما يجب، وبالتالي فإنَ التحلل الضوئي لن يحدث بسرعة، والذي يؤدي بدوره إلى قلة إنتاج ناقل الإلكترون (NADPH) وناقل الطاقة (ATP)، وهذا النقص في الطاقة الضوئية يؤدي إلى تفاعلات مستقلة عن الضوء.

إنَ شدة الضوء المطلوبة يتم فحصها بسهولة في النباتات المائية مثل أعشاب البرك، عن طريق حساب فقاعات الأكسجين المنبعثة أو قياس حجمها، ومن خلال تغيير المسافة بين النبات والضوء، وفي حال قلت كمية الضوء نقوم بتغيير شدته إذا أمكن ذلك، ويمكن استخدام الإضاءة الصناعية في الظلام لرفع معدل البناء الضوئي، وهذا التغيير في شدة الضوء يؤثر على التغير في معدل البناء الضوئي.

مستويات ثاني أوكسيد الكربون

يُستخدم ثاني أكسيد الكربون في التفاعلات المستقلة عن الضوء، حيث يندمج مع ناقل الإلكترون (NADPH) وناقل الطاقة (ATP)، والعديد من المواد الكيميائية الأخرى لتكوين الجلوكوز، لذلك إذا لم تتوفر كمية كافية من ثاني أوكسيد الكربون فإنَ ناقل الإلكترون (NADPH) وناقل الطاقة (ATP) يتراكمان ولن يتم تكوين جلوكوز كافٍ.

ما هي تفاعلات ومراحل عمليّة البناء الضوئي؟

تفاعلات البناء الضوئي

يتم امتصاص الأشعة الشمسية من قبل مادة الكلوروفيل الموجودة في النبات، لذلك يكتسب الإلكترون طاقةً تحفزه وتساعده لينتقل إلى جزيء آخر، ويسمى هنا هذا الإلكترون بالمستقبل الأساسي، ويعتبر الكلوروفيل متأكسدا في هذه الحالة لأنه خسر أحد الإلكترونات ويمتلك أيضا شحنةً موجبةً، وتتضمن العملية الكيميائية ما يلي:

تفاعلات التكثيف

وهي التي تقسم جزيئات الماء، بالإضافة إلى تقسيمها المجموعة الفوسفاتية إلى مركب عضوي.

تفاعلات الأكسدة

هي التفاعلات التي تعمل على نقل الإلكترون.

مراحل البناء الضوئي

تمر عملية البناء الضوئي في مرحلتين:

تفاعلات الضوء

هي التفاعلات التي تحدث في النهار وتعتمد على الضوء، بحيث تتطلب طاقة الشمس المباشرة لصنع جزيئات ناقلة للطاقة.

تفاعلات الظلام

هذه التفاعلات تحدث أثناء الليل، وتكون مستقلة ولا تعتمد على الضوء المباشر، وهي عبارة عن عدة تفاعلات متسلسلة خفيفة تحدث في سدادة البلاستيدات الخضراء.

معادلة البناء الضوئي

يحدث البناء الضوئي عن طريق الطاقة الضوئية من الشمس التي تُسبب سلسلة من التفاعلات الكيميائية بين ثاني أوكسيد الكربون والماء، والتي تكون السكر البسيط (الغلوكوز) وغاز الأكسجين كنواتج نهائية لعملية البناء الضوئي، ويمكن التعبير عن العملية الشاملة بالمعادلة التالية:

غاز (co2) + ماء + طاقة ضوئية ← غلوكوز + غاز (o2).

يحتاج هذا التفاعل إلى وجود مادة اليخضور (الكلوروفيل)، وهي مادة صبغية لونها أخضر، تتواجد في جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، ويؤدي اليخضور دورًا هاما في امتصاص الطاقة من ضوء الشمس الوارد وينقلها إلى المركبات الكيميائية التي تشارك في عملية التمثيل الضوئي.

وتستمر عملية التمثيل الضوئي من خلال عدة خطوات بشكل متسلسل، حيث يدخل الماء إلى النباتات عن طريق الجذور ثم ينتقل إلى الأوراق، ويدخل غاز (co2) إلى الأوراق من خلال المسام الصغيرة التي تدعى بالثغور، ثم يمتص اليخضور الطاقة من الأشعة الشمسية وتؤدي هذه الطاقة بعد ذلك إلى عدة تفاعلات كيميائية متسلسلة تتحول إلى غلوكوز وأكسجين.

بعد ذلك يتم إطلاق غاز الأكسجين الناتج عن عملية التمثيل الضوئي في الهواء كمنتج نهائي وقد يحرق النبات بعض جزيئات الغلوكوز ليحصل على الطاقة التي تنشط عمل الخلايا.

كما يمكن أن تتحول بعض جزيئات الغلوكوز إلى سكريات أخرى مثل السكروز أو الفركتوز أو يتم ربطها معا ليتكون السللوز، ويعتبر السللوز كربوهيدرات ضرورية لإصلاح وبناء جدران الخلايا.

يرتبط معظم الغلوكوز الناتج عن عملية التمثيل الضوئي معا ليتكون النشاء، وهو كربوهيدرات معقدة أيضا تخزنه النباتات في أنسجتها وتقوم بتقسيمه إلى جزيئات غلوكوز عندما تحتاج إلى الطاقة.