ما هو البناء الضوئي؟

التركيب الضوئي هو العملية التي تستخدمها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتسخير الطاقة من ضوء الشمس وتحويلها إلى طاقة كيميائية. نصف هنا المبادئ العامة لعملية التمثيل الضوئي ونسلط الضوء على كيفية قيام العلماء بدراسة هذه العملية الطبيعية للمساعدة في تطوير أنواع الوقود ومصادر الطاقة المتجددة النظيفة.

أنواع البناء الضوئي

هناك نوعان من عمليات التمثيل الضوئي: التمثيل الضوئي الأكسجين والتمثيل الضوئي غير المؤكسج. تتشابه المبادئ العامة لعملية التمثيل الضوئي غير المؤكسج والأكسجين إلى حد كبير ، ولكن التمثيل الضوئي الأكسجيني هو الأكثر شيوعًا ويمكن رؤيته في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء.

أثناء عملية التمثيل الضوئي الأكسجيني ، تنقل الطاقة الضوئية الإلكترونات من الماء (H₂O) لثاني أكسيد الكربون (CO₂) ، لإنتاج الكربوهيدرات. في هذا التحويل ، CO₂ يتم "تقليل" أو استقبال الإلكترونات ، ويصبح الماء "مؤكسدًا" أو يفقد الإلكترونات. في النهاية ، يتم إنتاج الأكسجين مع الكربوهيدرات.

يعمل التمثيل الضوئي بالأكسجين كموازنة للتنفس من خلال امتصاص ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه جميع الكائنات الحية وإعادة إدخال الأكسجين إلى الغلاف الجوي.

من ناحية أخرى ، يستخدم التمثيل الضوئي غير المؤكسج مانحين إلكترونيين غير الماء. تحدث العملية عادة في البكتيريا مثل البكتيريا الأرجواني وبكتيريا الكبريت الأخضر ، والتي توجد بشكل أساسي في الموائل المائية المختلفة.

قال ديفيد بوم ، أستاذ علم النبات في جامعة ويسكونسن ماديسون: "التمثيل الضوئي غير المؤكسج لا ينتج الأكسجين - ومن هنا جاء الاسم". "ما يتم إنتاجه يعتمد على مانح الإلكترون. على سبيل المثال ، تستخدم العديد من البكتيريا غاز كبريتيد الهيدروجين ذو الرائحة الكريهة ، وتنتج كبريت صلب كمنتج ثانوي".

على الرغم من أن كلا النوعين من عملية التمثيل الضوئي معقدة وشؤون متعددة الخطوات ، يمكن تلخيص العملية الشاملة بدقة كمعادلة كيميائية.

تتم كتابة عملية التمثيل الضوئي الأكسجين على النحو التالي:

6CO₂ +12 ساعة₂O + طاقة خفيفة → C₆ح₁₂يا₆ + 6O₂ + 6 ح₂يا

هنا ، ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO₂) يتحد مع 12 جزيء من الماء (H₂س) استخدام الطاقة الضوئية. والنتيجة النهائية هي تكوين جزيء كربوهيدرات واحد (C₆ح₁₂يا₆، أو الجلوكوز) إلى جانب ستة جزيئات لكل من الأكسجين القابل للتنفس والماء.

وبالمثل ، يمكن تمثيل تفاعلات التمثيل الضوئي المختلفة الأكسجين كصيغة واحدة معممة:

CO₂ + 2 ح₂A + طاقة خفيفة → + 2A + H₂يا

الحرف A في المعادلة متغير و H₂يمثل A المانح الإلكتروني المحتمل. على سبيل المثال ، قد يمثل A الكبريت في كبريتيد الهيدروجين المانح للإلكترون (H₂S) ، أوضح جوفيندجي وجون ويتمارش ، علماء الأحياء النباتية في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين ، في كتاب "مفاهيم في علم الأحياء: التمثيل الضوئي والتكوين الضوئي" (Narosa Publishers and Kluwer Academic ، 1999).

جهاز التمثيل الضوئي

فيما يلي المكونات الخلوية الأساسية لعملية التمثيل الضوئي.

أصباغ

الأصباغ هي جزيئات تمنح اللون للنباتات والطحالب والبكتيريا ، ولكنها مسؤولة أيضًا عن حبس ضوء الشمس بشكل فعال. أصباغ بألوان مختلفة تمتص أطوال موجية مختلفة من الضوء. فيما يلي المجموعات الرئيسية الثلاث.

• الكلوروفيل: هذه الأصباغ الخضراء قادرة على حبس الضوء الأزرق والأحمر. يحتوي الكلوروفيل على ثلاثة أنواع فرعية ، يطلق عليها الكلوروفيل أ ، والكلوروفيل ب والكلوروفيل ج. وفقًا لـ Eugene Rabinowitch و Govindjee في كتابهما "التمثيل الضوئي" (Wiley ، 1969) ، تم العثور على الكلوروفيل أ في جميع النباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي. هناك أيضًا متغير بكتيري يسمى البكتيريا الكلوروفيل ، وهو يمتص ضوء الأشعة تحت الحمراء. يظهر هذا الصباغ بشكل رئيسي في البكتيريا الأرجوانية والخضراء ، التي تؤدي عملية التمثيل الضوئي غير المؤكسجة.
• الكاروتينات: تمتص هذه الأصباغ الحمراء أو البرتقالية أو الصفراء الضوء الأخضر المزرق. أمثلة على الكاروتينات هي الزانثوفيل (الأصفر) والكاروتين (البرتقالي) الذي يحصل منه الجزر على لونه.
• Phycobilins: تمتص هذه الأصباغ الحمراء أو الزرقاء أطوال موجية من الضوء لا يتم امتصاصها جيدًا بالكلوروفيل والكاروتينات. ويمكن رؤيتها في البكتيريا الزرقاء والطحالب الحمراء.

البلاستيدات

تحتوي الكائنات الحية حقيقية النواة الضوئي على عضيات تسمى البلاستيدات في سيتوبلازمها. يشار إلى البلاستيدات ذات الأغشية المزدوجة في النباتات والطحالب باسم البلاستيدات الأولية ، في حين أن الصنف متعدد الأغشية الموجود في العوالق يسمى بلاستيدات ثانوية ، وفقًا لمقال في مجلة Nature Education بقلم Cheong Xin Chan و Debashish Bhattacharya ، الباحثين في جامعة روتجرز في نيو جيرسي.

تحتوي البلاستيدات عمومًا على أصباغ أو يمكنها تخزين العناصر الغذائية. تخزن الأرومات البيضاء عديمة اللون وغير المصطبغة الدهون والنشا ، بينما تحتوي الأرومات الصبغية على الكاروتينات والبلاستيدات الخضراء تحتوي على الكلوروفيل ، كما هو موضح في كتاب جيفري كوبر ، "الخلية: نهج جزيئي" (Sinauer Associates ، 2000).

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ؛ على وجه التحديد ، في مناطق الجرانة والسدى. جرانا هي الجزء الأعمق من العضية. مجموعة من الأغشية على شكل قرص ، مكدسة في أعمدة مثل لوحات. تسمى الأقراص الفردية thylakoids. هنا يتم نقل الإلكترونات. تشكل الفراغات بين أعمدة جرانا السدى.

تتشابه البلاستيدات الخضراء مع الميتوكوندريا ، وهي مراكز الطاقة للخلايا ، من حيث أنها تحتوي على جينوم خاص بها ، أو مجموعة من الجينات ، الموجودة في الحمض النووي الدائري. تشفر هذه الجينات البروتينات الضرورية للعضوية وللتركيب الضوئي. مثل الميتوكوندريا ، يُعتقد أيضًا أن البلاستيدات الخضراء نشأت من الخلايا البكتيرية البدائية من خلال عملية تكامل الأوعية الدموية.

وقال بوم لعلوم الحياة: "نشأت البلاستيدات من بكتيريا اصطناعية مبتلعة اكتسبتها خلية حقيقية النواة أحادية الخلية قبل أكثر من مليار عام". وأوضح بوم أن تحليل جينات البلاستيدات الخضراء يظهر أنها كانت في السابق عضوًا في مجموعة البكتيريا الزرقاء ، وهي "مجموعة البكتيريا الواحدة التي يمكنها تحقيق التمثيل الضوئي الأكسجيني".

في مقالهم لعام 2010 ، أشار تشان وبهاتشاريا إلى أن تكوين البلاستيدات الثانوية لا يمكن تفسيره جيدًا من خلال داء بطانة الجراثيم الزرقاء ، وأن أصول هذه الفئة من البلاستيدات لا تزال موضع جدل.

قرون استشعار

ترتبط جزيئات الصبغات بالبروتينات ، مما يسمح لها بالمرونة للتحرك نحو الضوء ونحو بعضها البعض. تشكل مجموعة كبيرة من 100 إلى 5000 من جزيئات الصبغات "هوائيات" ، وفقًا لمقالة كتبها ويم فيرماس ، الأستاذ في جامعة ولاية أريزونا. تلتقط هذه الهياكل بشكل فعال طاقة الضوء من الشمس ، في شكل فوتونات.

في نهاية المطاف ، يجب نقل الطاقة الضوئية إلى مركب بروتين صبغي يمكنه تحويله إلى طاقة كيميائية ، على شكل إلكترونات. في النباتات ، على سبيل المثال ، يتم نقل الطاقة الضوئية إلى أصباغ الكلوروفيل. يتم التحويل إلى طاقة كيميائية عندما يطرد صبغة الكلوروفيل إلكترونًا ، والذي يمكن أن ينتقل بعد ذلك إلى مستلم مناسب.

مراكز رد الفعل

تُعرف الأصباغ والبروتينات ، التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وتبدأ عملية نقل الإلكترون ، بمراكز التفاعل.

عملية التمثيل الضوئي

تنقسم تفاعلات التمثيل الضوئي للنبات إلى تلك التي تتطلب وجود ضوء الشمس وتلك التي لا تتطلب ذلك. يحدث كلا النوعين من التفاعلات في البلاستيدات الخضراء: تفاعلات تعتمد على الضوء في ثايلاكويد وتفاعلات مستقلة عن الضوء في السدى.

تفاعلات تعتمد على الضوء (وتسمى أيضًا تفاعلات الضوء): عندما يضرب فوتون الفوتون مركز التفاعل ، يطلق جزيء الصبغ مثل الكلوروفيل إلكترونًا.

وصرح باوم لـ Live Science بأن "حيلة القيام بعمل مفيد ، هي منع هذا الإلكترون من العثور على طريق العودة إلى منزله الأصلي". "لا يمكن تجنب ذلك بسهولة ، لأن الكلوروفيل لديه الآن" ثقب إلكتروني "يميل إلى سحب الإلكترونات القريبة."

تمكن الإلكترون الذي تم إطلاقه من الفرار بالسفر عبر سلسلة نقل الإلكترون ، والتي تولد الطاقة اللازمة لإنتاج ATP (أدينوزين ثلاثي الفوسفات ، مصدر للطاقة الكيميائية للخلايا) و NADPH. يتم ملء "ثقب الإلكترون" في صبغة الكلوروفيل الأصلية عن طريق أخذ إلكترون من الماء. ونتيجة لذلك ، يتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.

ردود فعل مستقلة عن الضوء (وتسمى أيضًا التفاعلات المظلمة والمعروفة باسم دورة كالفين): تنتج التفاعلات الضوئية ATP و NADPH ، وهي مصادر الطاقة الغنية التي تدفع التفاعلات المظلمة. تشكل ثلاث خطوات للتفاعل الكيميائي دورة كالفين: تثبيت الكربون وتقليله وتجديده. تستخدم هذه التفاعلات الماء والمحفزات. تكون ذرات الكربون من ثاني أكسيد الكربون "ثابتة" عندما يتم دمجها في جزيئات عضوية تشكل في النهاية سكريات من ثلاثة كربون. ثم يتم استخدام هذه السكريات لصنع الجلوكوز أو إعادة تدويرها لبدء دورة كالفين مرة أخرى.

البناء الضوئي في المستقبل

تعد الكائنات الحية الضوئية وسيلة محتملة لتوليد وقود نظيف يحترق مثل الهيدروجين أو حتى الميثان. في الآونة الأخيرة ، استفادت مجموعة بحثية في جامعة توركو في فنلندا من قدرة الطحالب الخضراء على إنتاج الهيدروجين. يمكن أن تنتج الطحالب الخضراء الهيدروجين لبضع ثوان إذا تعرضت لأول مرة للظروف المظلمة واللاهوائية (الخالية من الأكسجين) ثم تعرضت للضوء ابتكر الفريق طريقة لتمديد إنتاج هيدروجين الطحالب الخضراء لمدة تصل إلى ثلاثة أيام ، كما ورد في نُشرت دراسة 2018 في مجلة Energy & Environmental Science.

حقق العلماء أيضًا تقدمًا في مجال التمثيل الضوئي الاصطناعي. على سبيل المثال ، طورت مجموعة من الباحثين من جامعة كاليفورنيا ، بيركلي ، نظامًا اصطناعيًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون باستخدام الأسلاك النانوية ، أو الأسلاك التي يبلغ قطرها بضعة مليارات من الأمتار من المتر. تتغذى الأسلاك في نظام الميكروبات التي تقلل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أو بوليمرات باستخدام الطاقة من ضوء الشمس. نشر الفريق تصميمه في عام 2015 في مجلة Nano Letters.

في عام 2016 ، نشر أعضاء هذه المجموعة نفسها دراسة في مجلة Science التي وصفت نظامًا اصطناعيًا ضوئيًا آخر تم فيه استخدام البكتيريا المهندسة خصيصًا لإنتاج الوقود السائل باستخدام ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون. بشكل عام ، النباتات قادرة على تسخير حوالي واحد بالمائة من الطاقة الشمسية واستخدامها لإنتاج المركبات العضوية أثناء عملية التمثيل الضوئي. في المقابل ، تمكن النظام الاصطناعي للباحثين من تسخير 10 في المائة من الطاقة الشمسية لإنتاج مركبات عضوية.

البحث المستمر عن العمليات الطبيعية ، مثل التمثيل الضوئي ، يساعد العلماء في تطوير طرق جديدة للاستفادة من مصادر الطاقة المتجددة المختلفة. بالنظر إلى ضوء الشمس ، فإن النباتات والبكتيريا كلها موجودة في كل مكان ، والاستفادة من قوة البناء الضوئي هي خطوة منطقية لإنشاء وقود محترق نظيف ومحايدة الكربون.

مصادر إضافية: