المواد الكيميائية التي تنتج عن البناء الضوئي

التمثيل الضوئي هي العملية التي تقوم بها النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، وأثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء، ويتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة .

المواد الكميائية والبناء الضوئي

تحتوي معظم النباتات على مادة كيميائية ملونة خاصة أو صبغة تسمى الكلوروفيل المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي، والكلوروفيل هو ما يمتص طاقة الشمس ويحولها إلى طاقة كيميائية، ولا يتم امتصاص كل الطاقة الضوئية من الشمس، وأشعة الشمس لديها العديد من الألوان المختلفة في ذلك، والكلوروفيل يمتص عادة الضوء الأحمر والأزرق من الشمس ويعكس الضوء الأخضر، إنه الضوء الأخضر الذي يجعل بعض الأوراق تبدو خضراء في الخريف، وتتوقف بعض النباتات عن إنتاج الكلوروفيل ونرى أن الأوراق تتغير لونها، ومع ذهاب الكلوروفيل لم ينعكس الضوء الأخضر بعد الآن .

وتستخدم النباتات عملية تسمى التمثيل الضوئي لصنع الطعام، وأثناء عملية التمثيل الضوئي تقوم المصائد بتحبس الطاقة الضوئية بأوراقها، وتستخدم النباتات طاقة الشمس لتغيير الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكر يسمى الجلوكوز، ويتم استخدام الجلوكوز بواسطة النباتات للحصول على الطاقة وصنع مواد أخرى مثل السليلوز والنشا، والسليلوز يستخدم في بناء جدران الخلايا، ويتم تخزين النشا في البذور وأجزاء النبات الأخرى كمصدر للغذاء، ولهذا السبب فإن بعض الأطعمة التي نتناولها، مثل الأرز والحبوب المليئة بالنشا .

الخصائص العامة للبناء الضوئي

بدأت دراسة التمثيل الضوئي في عام 1771 مع ملاحظات أدلى بها رجل الدين الإنجليزي والعالم جوزيف بريستلي، وكان بريستلي قد أحرق شمعة في حاوية مغلقة حتى لم يعد الهواء داخل الحاوية يدعم الاحتراق، ثم وضع غصنا من نبات النعناع في الحاوية واكتشف أنه بعد عدة أيام أنتج النعناع بعض المواد (المعروفة لاحقًا باسم الأكسجين) الذي مكن الهواء المحبوس من دعم الاحتراق مرة أخرى، وفي عام 1779 توسع الطبيب الهولندي يان إنغنوز في أعمال بريستلي، موضحا أن المصنع يجب أن يتعرض للضوء إذا كانت المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين) ستستعاد، كما أوضح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء للنبات .

وفي عام 1782 تم إثبات أن الغاز الداعم للاحتراق (الأكسجين) تم تشكيله على حساب غاز آخر، أو “هواء ثابت” والذي تم تحديده في العام السابق على أنه ثاني أكسيد الكربون، وأظهرت تجارب تبادل الغاز في عام 1804 أن الزيادة في وزن النبات الذي يزرع في وعاء تم وزنه بعناية نتجت عن امتصاص الكربون، والذي جاء بالكامل من ثاني أكسيد الكربون الممتص، والماء الذي تمتلكه جذور النباتات ، والتوازن هو الأكسجين الذي صدر مرة أخرى إلى الغلاف الجوي، ومر ما يقرب من نصف قرن قبل تطور مفهوم الطاقة الكيميائية بما فيه الكفاية للسماح باكتشاف (في عام 1845)، كما أن الطاقة الضوئية من الشمس يتم تخزينها كطاقة كيميائية في المنتجات التي تشكلت خلال عملية التمثيل الضوئي .

ردود أفعال التمثيل الضوئي

من الناحية الكيميائية فإن عملية التمثيل الضوئي هي عملية للحد من أكسدة الضوء، وتشير الأكسدة إلى إزالة الإلكترونات من جزيء، ويشير الاختزال إلى اكتساب الإلكترونات بواسطة جزيء، وفي عملية التمثيل الضوئي النباتي تستخدم طاقة الضوء لدفع أكسدة الماء (H2O) ، وإنتاج غاز الأكسجين (O2) ، أيونات الهيدروجين (H +) ، والإلكترونات، ويتم نقل معظم الإلكترونات وإيونات الهيدروجين التي تمت إزالتها في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، والذي يتم اختزاله إلى المنتجات العضوية، وتستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين الأخرى لتخفيض النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمينية والسلفيدريل في الأحماض الأمينية، والتي هي لبنات بناء البروتينات، وفي معظم الخلايا الخضراء تعتبر الكربوهيدرات خاصة النشا والسكر هي المنتجات العضوية المباشرة الرئيسية لعملية التمثيل الضوئي، ويمكن أن يكون رد الفعل الكلي الذي تظهر به الكربوهيدرات ممثلة بالصيغة العامة (CH2O) – ويتم تشكيله خلال عملية التمثيل الضوئي للنبات بواسطة المعادلة التالية: Co2+2H2O>(CH2O)+ O2+ H2O .

وهذه المعادلة هي مجرد عبارة موجزة لعملية التمثيل الضوئي في الواقع تنطوي على ردود فعل عديدة تحفزها الإنزيمات (المحفزات العضوية)، وتحدث هذه التفاعلات على مرحلتين، المرحلة “الخفيفة”، والتي تتكون من تفاعلات كيميائية ضوئية (أي التقاط الضوء)، ووالمرحلة “المظلمة” وتشمل التفاعلات الكيميائية التي تسيطر عليها الإنزيمات، وخلال المرحلة الأولى يتم امتصاص طاقة الضوء واستخدامها في دفع سلسلة من عمليات نقل الإلكترون، مما ينتج عنه تخليق ATP وفوسفات النيكوتين أدنين ثنائي النوكليوتيد المخفض من الجهات المانحة الإلكتروني، وخلال المرحلة المظلمة يتم استخدام ATP و NADPH المتشكلة في تفاعلات التقاط الضوء لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات الكربون العضوية، وهذا الاستيعاب للكربون غير العضوي في المركبات العضوية يسمى تثبيت الكربون، وخلال القرن العشرين قدمت مقارنات بين عمليات التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء وبعض بكتيريا الكبريت الضوئي، ومعلومات مهمة عن آلية التمثيل الضوئي، وتستخدم بكتيريا الكبريت كبريتيد الهيدروجين (H2S) كمصدر لذرات الهيدروجين وتنتج الكبريت بدلا من ذلك.