تعريف عملية البناء الضوئي
تُعرف عملية البناء الضوئي بأنها العملية التي تقوم من خلالها النباتات وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، وهو الأمر الذي يسهم في الحفاظ على الحياة على كوكب الأرض.
ببساطة، تتضمن هذه العملية استخدام الطاقة الضوئية لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة. وبالتالي، فإن غياب البناء الضوئي سوف يؤدي إلى تحول الأرض إلى كوكب خالٍ من الأكسجين، مما يجعل الحياة غير ممكنة ويفتقر إلى الغذاء.
أماكن حدوث البناء الضوئي
تتكون عملية البناء الضوئي من مجموعة من التفاعلات التي تعتمد بعضها على الضوء، بينما تعتمد أخرى على ظروف معينة لا تشمل الضوء. داخل النباتات، تتم التفاعلات المعتمدة على الضوء في بنية تُعرف بثايلاكويدات البلاستيدات الخضراء، والتي تحتوي على أصباغ الكلوروفيل.
أما التفاعلات غير المعتمدة على الضوء، فتحدث في سداة البلاستيدات الخضراء، حيث يتم إرسال النتائج إلى أجزاء أخرى من الخلية، بما في ذلك الميتوكوندريا، حيث تُكسّر للحصول على المزيد من الجزيئات الحاملة للطاقة، وفقًا لما تحتاجه الخلية من طاقة.
أهمية البناء الضوئي
تتجاوز أهمية عملية البناء الضوئي إنتاج الأكسجين فقط؛ فهي ترتبط بإنتاج الطاقة بشكل عام. ومن النقاط الرئيسية التي توضح أهمية البناء الضوئي ما يلي:
- تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
تعتبر هذه الوظيفة الأساسية لعملية البناء الضوئي، حيث تُخزن الطاقة الكيميائية في أشكال عضوية مثل الجلوكوز لاستخدامها لاحقًا. تضمن هذه العملية استمرار الحياة على كوكب الأرض، حيث تكون الطاقة المخزنة في الأغذية والوقود، مثل الحطب، المصدر الأساسي للتمثيل الغذائي.
- إنتاج الجلوكوز
تمتص النباتات الخضراء الكربون والهيدروجين والأكسجين من جزيئات الماء وثاني أكسيد الكربون، حيث تُعيد ترتيب تلك العناصر لتكوين الجلوكوز مع توفر ضوء الشمس. يعتبر الجلوكوز مصدر الطاقة الرئيسي لمعظم الكائنات الحية.
- دعم التنفس في الكائنات الحية
يقوم التنفس، الذي يحدث في خلايا معظم الكائنات الحية، بإتمام الأنشطة الأيضية. ولحدوث ذلك، يحتاج الأمر إلى الأكسجين المنتج من عملية البناء الضوئي، حيث يُنتج الأكسجين كمنتج ثانوي، بينما يُنتج ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي للتنفس.
- مصدر الوقود الأحفوري
تُعتبر النباتات العامل الرئيس في تكوين الوقود الأحفوري، مما يجعلها المصدر الأساسي للطاقة المستخدمة حاليًا من قِبَل البشرية.
أنواع البناء الضوئي
تنقسم عمليات البناء الضوئي إلى نوعين رئيسيين، كما هو موضح أدناه:
- البناء الضوئي بوجود الأكسجين
هذا النوع هو الأكثر شيوعًا، حيث تسهم الطاقة الضوئية في تحرير الإلكترونات من الماء لتتفاعل مع ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الكربوهيدرات. في هذا السياق، يُعتبر الماء مؤكسدًا ويفقد الإلكترونات، مما يؤدي إلى إنتاج الأكسجين والكربوهيدرات. وعادةً ما يحدث هذا النوع في معظم النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء.
- البناء الضوئي بغياب الأكسجين
يحدث هذا النوع في أنواع معينة من البكتيريا، مثل البكتيريا الأرجوانية والبكتيريا الخضراء الكبريتية، والتي تعيش في بيئات مائية مختلفة، ولا ينتج عن هذا النوع الأكسجين، بل يعتمد على نوع المادة التي تحصل منها على الإلكترون اللازم لعملية البناء الضوئي. وقد تنتج بعض التفاعلات غاز سلفات الهيدروجين، المعروف برائحته المشابهة لرائحة البيض الفاسد.
المعادلات الكيميائية للبناء الضوئي
توجد نوعان من المعادلات الكيميائية لعملية البناء الضوئي، وذلك بالاعتماد على وجود الأكسجين كما يلي:
- معادلة البناء الضوئي بوجود الأكسجين
الماء + الأكسجين + الجلوكوز → الطاقة الضوئية + الماء + ثاني أكسيد الكربون 6CO2 + 12H2O + Light Energy → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O
- معادلة البناء الضوئي بغياب الأكسجين
الماء + عنصر المركب الهيدروجيني + الميثانال → الطاقة الضوئية + مركب هيدروجيني + ثاني أكسيد الكربون CO2 + 2H2A + Light Energy → [CH2O] + 2A + H2O
مراحل عملية البناء الضوئي
تتكون عملية البناء الضوئي من ثلاث مراحل رئيسية، تبدأ بامتصاص أشعة الشمس وتنتهي بإنتاج الجلوكوز، كما يلي:
امتصاص الطاقة الشمسية
عندما تسلط أشعة الشمس على نبات أخضر، تبدأ عملية البناء الضوئي في البلاستيدات الخضراء، حيث تُمتص الفوتونات من خلال صبغة الكلوروفيل. تأخذ النباتات ثاني أكسيد الكربون من خلال ثغور صغيرة في أنسجتها وتحرر الأكسجين إلى الهواء.
تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
يقوم النبات بتحويل الطاقة الضوئية الم absorbed من الشمس إلى طاقة كيميائية لتزويد خلاياه بالطاقة. تتسبب هذه الخطوة في تأين جزيئات الماء وفقدانها للإلكترونات، مما يتيح إنتاج الأكسجين كمنتج جانبي، ثم تتفاعل الإلكترونات المكشوفة مع الكلوروفيل لتشكيل الكربوهيدرات.
إنتاج الغذاء اللازم للنبات
تُعرف هذه المرحلة باسم دورة كالفن، حيث يستخدم النبات فيها ثاني أكسيد الكربون والماء لإنتاج الغذاء من فوسفات ثنائي النوكليوتيد الأديني وأميد النيكوتين.
تحدث جميع التفاعلات الكيميائية داخل البلاستيدات الخضراء. نظرًا لأن التفاعل يبدأ بمراحله الأولى، فإن العملية لا تكون مرتبطة بوقت معين، حيث يتم امتصاص الطاقة الشمسية خلال النهار. تحتاج المواد الناتجة من التفاعل إلى التخزين لاستخدامها لاحقًا.
نتائج عملية البناء الضوئي
يُعتبر كل من الأكسجين والجلوكوز نواتج رئيسية لعملية البناء الضوئي، كما يلي:
الأكسجين
يُعتبر الأكسجين ناتجًا ثانويًا لعملية البناء الضوئي. على الرغم من أن ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء تُستخدم في التفاعلات، إلا أن الأكسجين يُطلق كغاز في النهاية.
الأكسجين ضروري لجميع الكائنات الحية، بما في ذلك البشر والحيوانات والنباتات. تستخدم الأخيرة الأكسجين في عملية التنفس الخلوي، بينما تستعمل التفاعلات المستقلة عن الضوء إنزيمات لتكسير جزيئات ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الجلوكوز.
الجلوكوز
تستخدم الميتوكوندريا في خلايا النباتات التنفس الخلوي لتكسير الجلوكوز إلى شكل يستخدم بشكل فعال كطاقة. بعد انتهاء التفاعلات غير المعتمدة على الضوء، غالبًا ما يتحول الجلوكوز إلى سكريات أكبر مثل السكروز أو إلى كربوهيدرات مثل النشا أو السليلوز.
تغادر السكريات الأوراق عبر ~លقنوات الغذائية وتنتقل إلى الجذور للتخزين أو إلى أجزاء أخرى من النبات، حيث تُستخدم كطاقة للقيام بأنشطتها المختلفة.
