تعتبر الغابات "رئتا الكوكب الخضراء" لا تذهب سدى. ما هو التمثيل الضوئي وكيف تحدث هذه العملية ، سننظر بالتفصيل.

ما هو التمثيل الضوئي؟

البناء الضوئي - عملية كيميائية حيوية تنشأ خلالها العضويات باستخدام أصباغ نباتية خاصة وطاقة خفيفة من مواد غير عضوية (ثاني أكسيد الكربون والماء). هذه واحدة من أهم العمليات التي ظهرت بسببها غالبية الكائنات الحية ولا تزال موجودة على هذا الكوكب.

حقيقة مثيرة للاهتمام: النباتات الأرضية ، وكذلك الطحالب الخضراء ، قادرة على التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، تنتج الطحالب (العوالق النباتية) 80٪ من الأكسجين.

أهمية البناء الضوئي للحياة على الأرض

بدون التركيب الضوئي ، بدلاً من العديد من الكائنات الحية ، لن توجد البكتيريا إلا على كوكبنا. إن الطاقة التي تم الحصول عليها نتيجة لهذه العملية الكيميائية هي التي سمحت بتطور البكتيريا.

أي عمليات طبيعية تحتاج إلى طاقة. إنها تأتي من الشمس. لكن ضوء الشمس لا يتشكل إلا بعد أن تتحول النباتات.

تستخدم النباتات جزءًا فقط من الطاقة ، والباقي تتراكم في نفسها. يأكلون الحيوانات العاشبة ، وهي غذاء للحيوانات المفترسة. في سياق السلسلة ، يتلقى كل رابط المواد والطاقة الضرورية الضرورية.

الأكسجين الناتج أثناء التفاعل ضروري لجميع المخلوقات للتنفس. التنفس هو عكس عملية التمثيل الضوئي. في هذه الحالة ، تتأكسد المواد العضوية ، وتتلف. تستخدم الكائنات الحية الطاقة الناتجة لأداء مهام حيوية مختلفة.

أثناء وجود الكوكب ، عندما كان هناك عدد قليل من النباتات ، كان الأكسجين غائبًا تقريبًا. تلقت أشكال الحياة البدائية الحد الأدنى من الطاقة بطرق أخرى. كان القليل جدا للتنمية. لذلك ، فتح التنفس بسبب الأكسجين فرصًا أكثر.

وظيفة أخرى لعملية التمثيل الضوئي هي حماية الكائنات الحية من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. نحن نتحدث عن طبقة الأوزون الموجودة في الستراتوسفير على ارتفاع حوالي 20-25 كم. يتكون بسبب الأكسجين الذي يتحول إلى أوزون تحت تأثير أشعة الشمس. بدون هذه الحماية ، ستقتصر الحياة على الأرض فقط على الكائنات الحية تحت الماء.

تطلق الكائنات الحية ثاني أكسيد الكربون أثناء التنفس. إنه عنصر أساسي لعملية التمثيل الضوئي. خلاف ذلك ، فإن ثاني أكسيد الكربون سوف يتراكم ببساطة في الغلاف الجوي العلوي ، مما يعزز بشكل كبير من تأثير الاحتباس الحراري.

هذه مشكلة بيئية خطيرة ، وجوهرها زيادة درجة حرارة الغلاف الجوي مع عواقب سلبية. وهي تشمل تغير المناخ (الاحترار العالمي) ، وذوبان الأنهار الجليدية ، وارتفاع منسوب مياه البحار ، إلخ.

وظائف البناء الضوئي:

• تطور الأكسجين
• تشكيل الطاقة
• تكوين المغذيات
• إنشاء طبقة الأوزون.

تعريف وصيغة البناء الضوئي

يأتي مصطلح "التمثيل الضوئي" من مزيج من كلمتين: الصورة والتوليف. ترجم من اليونانية القديمة ، يعني "الضوء" و "اتصال" ، على التوالي. وهكذا ، يتم تحويل طاقة الضوء إلى طاقة روابط المواد العضوية.

مخطط:

ثاني أكسيد الكربون + الماء + الضوء = الكربوهيدرات + الأكسجين.

الصيغة العلمية لعملية التمثيل الضوئي:

6CO₂ + 6 ح₂O → C.₆ن₁₂حول₆ + 6O_2.

يحدث التمثيل الضوئي بحيث يكون الاتصال المباشر بالماء و CO₂ غير مرئية.

أهمية التمثيل الضوئي للنباتات

تتطلب النباتات مادة عضوية وطاقة للنمو والتنمية. بفضل عملية التمثيل الضوئي ، يزودون هذه المكونات. إن إنشاء المواد العضوية هو الهدف الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي للنباتات ، ويعتبر إطلاق الأكسجين رد فعل جانبي.

حقيقة مثيرة للاهتمام: النباتات فريدة لأنها لا تحتاج إلى كائنات أخرى للحصول على الطاقة.لذلك ، يشكلون مجموعة منفصلة - autotrophs (مترجمة من اللغة اليونانية القديمة "أنا آكل نفسي").

كيف يحدث التمثيل الضوئي؟

يحدث التمثيل الضوئي مباشرة في الأجزاء الخضراء من النباتات - البلاستيدات الخضراء. هم جزء من الخلايا النباتية. تحتوي البلاستيدات الخضراء على مادة - الكلوروفيل. هذا هو الصباغ الضوئي الرئيسي ، وبفضله يحدث رد الفعل بأكمله. بالإضافة إلى ذلك ، يحدد الكلوروفيل اللون الأخضر للنباتات.

يتميز هذا الصباغ بالقدرة على امتصاص الضوء. وفي خلايا النبات ، يتم إطلاق "مختبر" حقيقي للكيمياء الحيوية ، حيث الماء وثاني أكسيد الكربون₂ تتحول إلى الأكسجين والكربوهيدرات.

يدخل الماء من خلال نظام الجذر في النبات ، ويخترق الغاز مباشرة في الأوراق. يعمل الضوء كمصدر للطاقة. عندما يعمل جسيم خفيف على جزيء الكلوروفيل ، يحدث تنشيطه. في جزيء الماء H₂O الأكسجين (O) لا يزال غير مطلوب. وبالتالي ، يصبح منتجًا ثانويًا للنباتات ، ولكنه مهم جدًا بالنسبة لنا ، منتج رد فعل.

مراحل البناء الضوئي

ينقسم التمثيل الضوئي إلى مرحلتين: النور والظلام. تحدث في وقت واحد ، ولكن في أجزاء مختلفة من البلاستيدات الخضراء. اسم كل مرحلة يتحدث عن نفسه. يحدث الطور أو الضوء الذي يعتمد على الضوء فقط بمشاركة جزيئات الضوء. في المرحلة المظلمة أو غير المتطايرة ، لا يلزم الضوء.

قبل فحص كل مرحلة بمزيد من التفصيل ، يجدر فهم بنية البلاستيدات الخضراء ، لأنها تحدد جوهر ومكان المراحل. البلاستيدات الخضراء هي مجموعة متنوعة من البلاستيدات وتقع داخل الخلية بشكل منفصل عن مكوناتها الأخرى. لها شكل بذرة.

مكونات البلاستيدات الخضراء المشاركة في عملية التمثيل الضوئي:

• 2 غشاء
• سدى (سائل داخلي) ؛
• ثيلاكويدس.
• شمعة (فجوات داخل ثيلاكويدس).

المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي

يتدفق على ثيلاكويدس ، بشكل أكثر دقة ، أغشيتها. عندما يضربها الضوء ، يتم تحرير الإلكترونات المشحونة سلبًا وتراكمها. وبالتالي ، تفقد أصباغ التمثيل الضوئي جميع الإلكترونات ، وبعد ذلك يكون دور جزيئات الماء في التحلل:

ح₂O → H + + OH-

في هذه الحالة ، تحتوي بروتونات الهيدروجين المشكلة على شحنة موجبة وتتراكم على غشاء ثايلاكويد الداخلي. ونتيجة لذلك ، يتم فصل البروتونات ذات الشحنة الزائدة والإلكترونات ذات الشحنة ناقص بواسطة غشاء فقط.

يتم إنتاج الأكسجين كمنتج ثانوي:

4OH → O₂ + 2 ح₂يا

في لحظة معينة ، تصبح أطوار الإلكترونات وبروتونات الهيدروجين كثيرة جدًا. ثم يدخل إنزيم ATP سينسيز في العمل. وتتمثل مهمتها في نقل بروتونات الهيدروجين من غشاء ثايلاكويد إلى وسط سائل البلاستيدات الخضراء - السدى.

في هذه المرحلة ، يكون الهيدروجين تحت تصرف ناقل آخر - NADP (اختصار لـ nicotinamidine nucleotide phosphate). وهو أيضًا نوع من الإنزيم يسرع التفاعلات التأكسدية في الخلايا. في هذه الحالة ، تتمثل وظيفته في نقل بروتونات الهيدروجين في تفاعل الكربوهيدرات.

في هذه المرحلة ، تحدث عملية الفسفرة الضوئية ، والتي يتم خلالها توليد كمية هائلة من الطاقة. مصدره هو ATP - حمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك.

عرض موجز:

1. إصابة كمية من الضوء على الكلوروفيل.
2. اختيار الإلكترونات.
3. تطور الأكسجين.
4. تشكيل NADPH أوكسيديز.
5. إنتاج الطاقة ATP.

حقيقة مثيرة للاهتمام: هناك نبات مدعو يسمى Velvichia ينمو على الساحل الأفريقي للمحيط الأطلسي. هذا هو الممثل الوحيد من نوع مع الحد الأدنى من الأوراق القادرة على التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، فإن عمر Velvich يصل إلى حوالي 2000 سنة.

المرحلة المظلمة من التمثيل الضوئي

تحدث المرحلة المستقلة عن الضوء مباشرة في السدى. وهو يمثل سلسلة من التفاعلات الإنزيمية. يمتص ثاني أكسيد الكربون في المرحلة الخفيفة المذابة في الماء ، وفي هذه المرحلة يتم اختزاله إلى الجلوكوز. كما يتم إنتاج المواد العضوية المعقدة.

تنقسم ردود فعل المرحلة المظلمة إلى ثلاثة أنواع رئيسية وتعتمد على نوع النباتات (بتعبير أدق ، استقلابها) ، في الخلايا التي يحدث فيها التمثيل الضوئي:

• مع₃-النباتات.
• مع₄-النباتات.
• نباتات كام.

ك₃- تشمل النباتات معظم المحاصيل الزراعية التي تنمو في المناخات المعتدلة. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يصبح ثاني أكسيد الكربون حمض الفسفوجليسريك.

تنتمي الأنواع شبه الاستوائية والمدارية ، والأعشاب بشكل رئيسي ، إلى نباتات C4. وتتميز بتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسالات أكسالات. نباتات CAM هي فئة من النباتات التي تفتقر إلى الرطوبة. وهي تختلف في نوع خاص من التمثيل الضوئي - CAM.

مع3-البناء الضوئي

الأكثر شيوعًا هو C₃-التصوير الضوئي ، الذي يسمى أيضًا دورة كالفن - تكريمًا للعالم الأمريكي ملفين كالفن ، الذي قدم مساهمة كبيرة في دراسة هذه التفاعلات وحصل على جائزة نوبل لهذا.

تسمى النباتات C₃ يرجع ذلك إلى حقيقة أنه خلال تفاعلات جزيئات الكربون 3-المرحلة المظلمة لحمض 3-phosphoglyceric - 3-PGA تتشكل. تشارك الانزيمات المختلفة مباشرة.

لتكوين جزيء جلوكوز كامل ، يجب أن تمر 6 دورات من تفاعلات المرحلة المستقلة للضوء. الكربوهيدرات هي المنتج الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي في دورة كالفن ، ولكن بالإضافة إلى ذلك ، يتم إنتاج الأحماض الدهنية والأمينية ، وكذلك الجليكوليبيدات. ج₃ يحدث التمثيل الضوئي للنبات حصريًا في خلايا الميزوفيل.

العيب الرئيسي لـ C3البناء الضوئي

نباتات المجموعة ج₃تتميز بعيب واحد كبير. إذا كان هناك رطوبة غير كافية في البيئة ، فإن القدرة على التمثيل الضوئي تنخفض بشكل كبير. هذا بسبب التنفس الضوئي.

والحقيقة هي أنه مع تركيز منخفض من ثاني أكسيد الكربون في البلاستيدات الخضراء (أقل من 50: 1000000) ، يتم تثبيت الأكسجين بدلاً من تثبيت الكربون. تتباطأ الإنزيمات الخاصة بشكل كبير وتبدد الطاقة الشمسية.

في الوقت نفسه ، يتباطأ نمو وتطور النبات ، لأنه يفتقر إلى المواد العضوية. أيضا ، لا يوجد إطلاق للأكسجين في الغلاف الجوي.

حقيقة مثيرة للاهتمام: إن البزاق البحرية Elysia chlorotica هي حيوان فريد يقوم بعملية التمثيل الضوئي مثل النباتات. يتغذى على الطحالب ، حيث تخترق البلاستيدات الخضراء خلايا الجهاز الهضمي وتمثيلها الضوئي لأشهر. تخدم الكربوهيدرات المنتجة البزاق كغذاء.

البناء الضوئي C4

على عكس C₃- التركيب ، هنا يتم تنفيذ تفاعلات تثبيت ثاني أكسيد الكربون في الخلايا النباتية المختلفة. هذه الأنواع من النباتات قادرة على التعامل مع مشكلة التنفس الضوئي ، وهي تفعل ذلك بدورة من مرحلتين.

من ناحية ، يتم الحفاظ على مستوى عال من ثاني أكسيد الكربون ، ومن ناحية أخرى ، يتم التحكم في مستوى منخفض من الأكسجين في البلاستيدات الخضراء. يسمح هذا التكتيك للنباتات C4 بتجنب التنفس الضوئي والصعوبات المرتبطة به. ممثلو نباتات هذه المجموعة هم قصب السكر والذرة والدخن ، إلخ.

مقارنة بالنباتات C₃ إنهم قادرون على إجراء عمليات التمثيل الضوئي بشكل أكثر كثافة تحت ظروف درجة الحرارة العالية ونقص الرطوبة. في المرحلة الأولى ، يتم إصلاح ثاني أكسيد الكربون في خلايا الميزوفيل ، حيث يتكون حمض الكربونيك 4. ثم يمر الحامض في القشرة ويتحلل هناك إلى مركب 3-الكربون وثاني أكسيد الكربون.

في المرحلة الثانية ، يبدأ ثاني أكسيد الكربون الذي تم الحصول عليه في العمل في دورة كالفين ، حيث يتم إنتاج glyceraldehyde-3-phosphate و carbohydrates ، وهي ضرورية لاستقلاب الطاقة.

نظرًا لعملية التمثيل الضوئي المكونة من خطوتين في مصانع C4 ، يتم تكوين كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون لدورة كلفن. لذلك ، تعمل الإنزيمات بكامل قوتها ولا تهدر الطاقة عبثا.

لكن هذا النظام له عيوبه. على وجه الخصوص ، يتم استهلاك كمية أكبر من طاقة ATP - من الضروري تحويل أحماض الكربون 4 إلى أحماض الكربون 3 وفي الاتجاه المعاكس. إذن C₃- يعد التمثيل الضوئي دائمًا أكثر إنتاجية من C4 بكمية مناسبة من الماء والضوء.

ما الذي يؤثر على معدل التمثيل الضوئي؟

يمكن أن يحدث التركيب الضوئي بسرعات مختلفة. تعتمد هذه العملية على الظروف البيئية:

• ماء؛
• الطول الموجي للضوء
• نشبع؛
• درجة الحرارة.

الماء هو عامل أساسي ، لذلك عندما يكون هناك نقص ، تتباطأ التفاعلات. بالنسبة لعملية التمثيل الضوئي ، الأكثر ملاءمة هي موجات طيف الأحمر والأزرق البنفسجي. يفضل أيضًا درجة عالية من الإضاءة ، ولكن فقط لقيمة معينة - عند الوصول إليها ، تختفي العلاقة بين الإضاءة ومعدل التفاعل.

يوفر التركيز العالي لثاني أكسيد الكربون عمليات تصنيع ضوئي سريعة والعكس صحيح. درجات حرارة معينة مهمة للأنزيمات التي تسرع التفاعلات. الظروف المثالية لهم حوالي 25-30 ℃.

التنفس

تحتاج جميع الكائنات الحية إلى التنفس ، والنباتات ليست استثناء. ومع ذلك ، فإن هذه العملية تحدث بشكل مختلف قليلاً عن البشر والحيوانات ، ولهذا السبب يطلق عليها التنفس الضوئي.

عموما، نفس - عملية فيزيائية يتبادل خلالها الكائن الحي وبيئته الغازات. مثل جميع الكائنات الحية ، تحتاج النباتات إلى الأكسجين للتنفس. لكنهم يستهلكونها أقل بكثير مما ينتجونه.

أثناء عملية التمثيل الضوئي ، التي تحدث فقط في ضوء الشمس ، تخلق النباتات طعامًا لنفسها. أثناء التنفس الضوئي ، الذي يتم على مدار الساعة ، يتم امتصاص هذه العناصر الغذائية من أجل دعم عملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا.

حقيقة مثيرة للاهتمام: خلال يوم مشمس ، تستهلك قطعة أرض مساحتها 1 هكتار من 120 إلى 280 كجم من ثاني أكسيد الكربون وتنبعث من 180 إلى 200 كجم من الأكسجين.

يخترق الأكسجين (مثل ثاني أكسيد الكربون) الخلايا النباتية من خلال فتحات خاصة - الثغور. تقع في الجزء السفلي من الأوراق. يمكن وضع حوالي 1000 ثغور على ورقة واحدة.

تبادل الغازات للنباتات حسب الإضاءة

يتم عرض عملية تبادل الغازات في مختلف الإضاءة على النحو التالي:

1. ضوء ساطع. يستخدم ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية البناء الضوئي. تنتج النباتات الأكسجين أكثر مما تستهلك. فائضها يدخل الغلاف الجوي. يتم استهلاك ثاني أكسيد الكربون بشكل أسرع مما يطلقه التنفس. يتم تخزين الكربوهيدرات غير المستخدمة من قبل المصنع لاستخدامها في المستقبل.
2. ضوء ضعيف. لا يحدث تبادل الغازات مع البيئة ، حيث يستهلك النبات كل الأكسجين الذي ينتجه.
3. نقص الضوء. تحدث عمليات التنفس فقط. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون واستهلاك الأكسجين.

التخليق الكيميائي

بعض الكائنات الحية قادرة أيضًا على تكوين أحادي الكربوهيدرات من الماء وثاني أكسيد الكربون ، في حين أنها لا تحتاج إلى ضوء الشمس. وتشمل هذه البكتيريا ، وتسمى عملية تحويل الطاقة التخليق الكيميائي.

التخليق الكيميائي إنها عملية يتم خلالها تصنيع الجلوكوز ، ولكن يتم استخدام المواد الكيميائية بدلاً من الطاقة الشمسية. يتدفق في مناطق ذات درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية ، ومناسبة لتشغيل الإنزيمات ، وفي غياب الضوء. قد تكون هذه المناطق بالقرب من الينابيع الحرارية المائية ، وتسربات الميثان في أعماق البحر ، إلخ.

تاريخ اكتشاف التمثيل الضوئي

يعود تاريخ اكتشاف ودراسة التمثيل الضوئي إلى عام 1600 ، عندما قرر جان بابتيست فان هيلمونت فهم السؤال العاجل في ذلك الوقت: ما الذي تأكله النباتات ومن أين تحصل على مواد مفيدة؟

في ذلك الوقت ، كان يعتقد أن مصدر العناصر القيمة هو التربة. قام العالم بوضع غصن الصفصاف في وعاء مع الأرض ، لكنه كان يقيس وزنه مسبقًا. لمدة 5 سنوات ، اعتنى بالشجرة ، وسقيها ، وبعد ذلك قام مرة أخرى بإجراءات القياس.

اتضح أن وزن الأرض انخفض بمقدار 56 جم ، لكن الشجرة أصبحت أثقل بثلاثين مرة. دحض هذا الاكتشاف الرأي القائل بأن النباتات تتغذى على التربة وأدت إلى نظرية جديدة - تغذية المياه.

في المستقبل ، حاول العديد من العلماء دحضه.على سبيل المثال ، يعتقد لومونوسوف أن المكونات الهيكلية جزئيا تدخل النباتات من خلال الأوراق. وقد استرشد بالنباتات التي تنمو بنجاح في المناطق القاحلة. ومع ذلك ، لم يكن من الممكن إثبات هذا الإصدار.

كان أقرب شيء إلى الحالة الحقيقية للأشياء هو جوزيف بريستلي ، عالم كيميائي وكاهن بدوام جزئي. بمجرد اكتشافه فأرًا ميتًا في جرة مقلوبة ، وأجبرته هذه الحادثة على إجراء سلسلة من التجارب مع القوارض والشموع والحاويات في سبعينات القرن السابع عشر.

وجد بريستلي أن الشمعة تخرج دائمًا بسرعة إذا غطتها بعلبة في الأعلى. أيضا ، لا يمكن للكائن الحي أن يعيش. استنتج العالم أن هناك قوى معينة تجعل الهواء مناسبًا للحياة ، وحاول ربط هذه الظاهرة بالنباتات.

استمر في إعداد التجارب ، لكنه حاول هذه المرة وضع وعاء مع النعناع المتنامي تحت وعاء زجاجي. ولدهشة كبيرة ، استمر المصنع في التطور بنشاط. ثم وضع بريستلي نبتة وفأرة تحت جرة واحدة ، وحيوان فقط تحت الثاني. كانت النتيجة واضحة - تحت الدبابة الأولى ، بقي القارض سالماً.

أصبح تحقيق الكيميائي الدافع للعلماء الآخرين في جميع أنحاء العالم لتكرار التجربة. لكن المصيد هو أن الكاهن أجرى تجارب في وضح النهار. وعلى سبيل المثال ، الصيدلي كارل شيل - في الليل ، عندما كان هناك وقت فراغ. ونتيجة لذلك ، اتهم العالم بريستلي بالخداع ، لأن رعاياه التجريبيين لا يمكنهم تحمل التجربة مع النبات.

اندلعت مواجهة علمية حقيقية بين الكيميائيين ، جلبت فوائد كبيرة وجعلت من الممكن اكتشاف آخر - أن النباتات تحتاج إلى استعادة الهواء ، فإنها تحتاج إلى ضوء الشمس.

بالطبع ، لم يكن هناك من يطلق على هذه الظاهرة عملية التمثيل الضوئي ، وما زالت هناك أسئلة كثيرة. ومع ذلك ، في عام 1782 ، تمكن عالم النبات جان سينبير من إثبات أنه في وجود ضوء الشمس ، فإن النباتات قادرة على تحطيم ثاني أكسيد الكربون على المستوى الخلوي. وأخيرًا ، في عام 1864 ، ظهرت أدلة تجريبية على أن النباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون وتفرز الأكسجين. هذه هي ميزة العالم من ألمانيا - يوليوس ساكس.

شاهد الفيديو: عملية البناء الضوئي (شهر نوفمبر 2024).