تمثيل ضوئي
ذاتي التغذية
تعتمد جميع الكائنات الحية على الأرض تقريبا على عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تحول طاقة ضوء الشمس إلى سكر بسيط يسمى الجلوكوز. يم…
هل تساءلت يوما عن سبب تغير أوراق الخريف كل شيء على الأشجار من الأخضر إلى ظلال الأصفر والبرتقالي والأحمر؟ ما الذي يعطي الأوراق ألوانها الزاهية في المقام الأول؟ تكمن الإجابة في العضيات النباتية التي تسمى البلاستيدات الخضراء والتي تحتوي على أصباغ تمتص أطوال موجية معينة في ضوء الشمس وتعكس أطوال موجية أخرى. صبغة واحدة معينة ، الكلوروفيل ، هي الأكثر وفرة في الصيف. يمتص الأطوال الموجية عالية الطاقة والأرجواني والأزرق والأحمر من أشعة الشمس ، ويعكس الأطوال الموجية الخضراء مما يعطي الأوراق مظهرها الأخضر. هناك أصباغ أخرى في الأوراق ، مثل الكاروتينات ، والتي تعكس الضوء الأحمر والأصفر. في الخريف تتوقف الأوراق عن تجديد أصباغها. نظرا لأن الكلوروفيل يتحلل بشكل أسرع من الأصباغ الأخرى ، فإن ألوان هذه الكاروتينات مكشوفة.
يمكن إثبات وجود أصباغ مختلفة في ورقة خضراء باستخدام ورق الكروماتوغرافيا ، وهو بوليمر محب للماء يفصل الجزيئات بناء على قابليتها للذوبان في مذيب معين. أولا ، يتم تحميل مستخلص الأوراق على الورق. عندما يتم غمس الورق في مذيب عضوي كاره للماء ، ينتقل المذيب على طول الورق بسبب العمل الشعري وعلى طول الطريق يفصل أصباغ مختلفة في مستخلص الأوراق. يتم نقل الأصباغ الأكثر كارهة للماء إلى أعلى الورقة. في حين أن الأصباغ المحبة للماء ترتبط بالسليلوز الذي يعيق حركتها. بعد فرز جميع الأصباغ حسب كرهتها للماء ، يمكننا حساب عامل الاستبقاء أو قيم الترددات اللاسلكية. قيمة الترددات اللاسلكية هي نسبة المسافة التي تقطعها الصبغة إلى المسافة التي يقطعها المذيب. كل صبغة لها قيمة RF فريدة ويمكننا بسهولة تحديد الأصباغ من خلال مقارنة القيم المحسوبة بالمعايير. يتم إجراء عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تقوم بها النباتات بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وأكسجين ، بشكل أساسي في أوراق النبات ، ويلعب الكلوروفيل دورا مهما في هذه العملية. تحتوي البلاستيدات الخضراء على العشرات من جزيئات الكلوروفيل ، كل منها يؤدي مهمة محددة ويتفاعل بطرق معقدة. في النهاية ، تتسبب الطاقة الضوئية في تخلي جزيئات الكلوروفيل عن الإلكترونات التي تستخدم في عمليات التمثيل الغذائي الأخرى. لذلك ، يحتاج الكلوروفيل إلى إمداد مستمر من الإلكترونات لتحل محل الإلكترونات التي يفقدها. تأتي هذه الإلكترونات البديلة من تقسيم جزيئات الماء إلى بروتونات وإلكترونات وجزيئات أكسجين. بمعدلات عالية من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تقسيم الماء بشكل أسرع لتجديد الإلكترونات ويتم توليد الأكسجين بسرعة.
تساعدنا هذه الظاهرة على تقييم معدل عملية التمثيل الضوئي في المختبر ببساطة عن طريق تعليق أقراص الأوراق في محلول بيكربونات حيث يعمل البيكربونات كمصدر غني للكربون. في بداية تجربة قرص الأوراق ، يتم إجبار الغازات على الخروج من أقراص الأوراق عن طريق تطبيق ضغط سلبي بفراغ في حقنة. تصبح أقراص الأوراق مع طردها أثقل وتغرق في قاع محلول البيكربونات عند نقلها إلى دورق عندما يحدث التمثيل الضوئي ، يتم تقسيم الماء في البيئة من أجل تجديد إلكترونات الكلوروفيل. الأكسجين الناتج يجعل الأقراص أخف وزنا مما يجعلها تطفو على السطح بمرور الوقت. تحتوي البيئات التي تسمح بمعدلات أعلى من عملية التمثيل الضوئي على أقراص تطفو بشكل أسرع.
في هذا المختبر ، ستقوم أولا بفصل وتحديد الأصباغ في أوراق السبانخ باستخدام ورق الكروماتوغرافيا. ثم ستقوم بتقييم معدل عملية التمثيل الضوئي في الماء وفي محلول البيكربونات من خلال تجربة قرص الأوراق.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
هل تساءلت يوما عن سبب تغير أوراق الخريف كل شيء على الأشجار من الأخضر إلى ظلال الأصفر والبرتقالي والأحمر؟ ما الذي يعطي الأوراق ألوانها الزاهية في المقام الأول؟ تكمن الإجابة في العضيات النباتية التي تسمى البلاستيدات الخضراء والتي تحتوي على أصباغ تمتص أطوال موجية معينة في ضوء الشمس وتعكس أطوال موجية أخرى. صبغة واحدة معينة ، الكلوروفيل ، هي الأكثر وفرة في الصيف. يمتص الأطوال الموجية عالية الطاقة والأرجواني والأزرق والأحمر من أشعة الشمس ، ويعكس الأطوال الموجية الخضراء مما يعطي الأوراق مظهرها الأخضر. هناك أصباغ أخرى في الأوراق ، مثل الكاروتينات ، والتي تعكس الضوء الأحمر والأصفر. في الخريف تتوقف الأوراق عن تجديد أصباغها. نظرا لأن الكلوروفيل يتحلل بشكل أسرع من الأصباغ الأخرى ، فإن ألوان هذه الكاروتينات مكشوفة.
يمكن إثبات وجود أصباغ مختلفة في ورقة خضراء باستخدام ورق الكروماتوغرافيا ، وهو بوليمر محب للماء يفصل الجزيئات بناء على قابليتها للذوبان في مذيب معين. أولا ، يتم تحميل مستخلص الأوراق على الورق. عندما يتم غمس الورق في مذيب عضوي كاره للماء ، ينتقل المذيب على طول الورق بسبب العمل الشعري وعلى طول الطريق يفصل أصباغ مختلفة في مستخلص الأوراق. يتم نقل الأصباغ الأكثر كارهة للماء إلى أعلى الورقة. في حين أن الأصباغ المحبة للماء ترتبط بالسليلوز الذي يعيق حركتها. بعد فرز جميع الأصباغ حسب كرهتها للماء ، يمكننا حساب عامل الاستبقاء أو قيم الترددات اللاسلكية. قيمة الترددات اللاسلكية هي نسبة المسافة التي تقطعها الصبغة إلى المسافة التي يقطعها المذيب. كل صبغة لها قيمة RF فريدة ويمكننا بسهولة تحديد الأصباغ من خلال مقارنة القيم المحسوبة بالمعايير. يتم إجراء عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تقوم بها النباتات بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وأكسجين ، بشكل أساسي في أوراق النبات ، ويلعب الكلوروفيل دورا مهما في هذه العملية. تحتوي البلاستيدات الخضراء على العشرات من جزيئات الكلوروفيل ، كل منها يؤدي مهمة محددة ويتفاعل بطرق معقدة. في النهاية ، تتسبب الطاقة الضوئية في تخلي جزيئات الكلوروفيل عن الإلكترونات التي تستخدم في عمليات التمثيل الغذائي الأخرى. لذلك ، يحتاج الكلوروفيل إلى إمداد مستمر من الإلكترونات لتحل محل الإلكترونات التي يفقدها. تأتي هذه الإلكترونات البديلة من تقسيم جزيئات الماء إلى بروتونات وإلكترونات وجزيئات أكسجين. بمعدلات عالية من عملية التمثيل الضوئي ، يتم تقسيم الماء بشكل أسرع لتجديد الإلكترونات ويتم توليد الأكسجين بسرعة.
تساعدنا هذه الظاهرة على تقييم معدل عملية التمثيل الضوئي في المختبر ببساطة عن طريق تعليق أقراص الأوراق في محلول بيكربونات حيث يعمل البيكربونات كمصدر غني للكربون. في بداية تجربة قرص الأوراق ، يتم إجبار الغازات على الخروج من أقراص الأوراق عن طريق تطبيق ضغط سلبي بفراغ في حقنة. تصبح أقراص الأوراق مع طردها أثقل وتغرق في قاع محلول البيكربونات عند نقلها إلى دورق عندما يحدث التمثيل الضوئي ، يتم تقسيم الماء في البيئة من أجل تجديد إلكترونات الكلوروفيل. الأكسجين الناتج يجعل الأقراص أخف وزنا مما يجعلها تطفو على السطح بمرور الوقت. تحتوي البيئات التي تسمح بمعدلات أعلى من عملية التمثيل الضوئي على أقراص تطفو بشكل أسرع.
في هذا المختبر ، ستقوم أولا بفصل وتحديد الأصباغ في أوراق السبانخ باستخدام ورق الكروماتوغرافيا. ثم ستقوم بتقييم معدل عملية التمثيل الضوئي في الماء وفي محلول البيكربونات من خلال تجربة قرص الأوراق.
View the full transcript and gain access to JoVE Lab Manual videos
Q1: Why do leaves change color in autumn?
Leaves change color because chlorophyll, the dominant green pigment, degrades faster than other pigments like carotenoids in autumn. As chlorophyll breaks down, the yellow and red wavelengths reflected by carotenoids become visible. In summer, chlorophyll absorbs high-energy blue and red wavelengths while reflecting green light, masking these other pigments.
Q2: What role does chlorophyll play in photosynthesis?
Chlorophyll absorbs light energy and uses it to excite electrons, which are then passed through an electron transport chain to generate energy-rich molecules like ATP and NADPH. When chlorophyll loses electrons during this process, they must be replaced by electrons from water splitting. This continuous electron cycling allows chlorophyll to repeatedly capture light energy for photosynthesis.
Q3: How does chromatography separate leaf pigments?
Chromatography paper is a hydrophilic polymer that separates pigments based on their solubility in an organic solvent. When leaf extract is loaded onto the paper and dipped in solvent, capillary action carries the solvent upward. Hydrophobic pigments travel farther, while hydrophilic pigments bind to cellulose and move slower, allowing identification by calculating retention factor (Rf) values.
Q4: What happens to leaf discs during photosynthesis in a bicarbonate solution?
Initially, leaf discs sink because gases are removed by vacuum pressure, making them heavier. During photosynthesis, water is split to replenish chlorophyll electrons, releasing oxygen gas. This oxygen accumulates in the leaf discs, making them lighter and causing them to float. Faster floating indicates higher photosynthesis rates, allowing researchers to studying photosynthesis leaf disc experiment procedures.
Q5: What is the relationship between photosynthesis and the carbon cycle?
Photosynthesis removes carbon dioxide from the atmosphere through carbon fixation, converting it into glucose and other biomolecules. This process is a critical step in the carbon cycle. Increased atmospheric CO2 from burning fossil fuels disrupts this balance, making forests and ocean algae essential for reducing CO2 levels and mitigating climate change.
Q6: How do light-dependent and light-independent reactions differ in location and function?
Light-dependent reactions occur in the thylakoid membrane and use sunlight to excite chlorophyll electrons, generating ATP and NADPH while splitting water. Light-independent reactions occur in the stroma and use the ATP and NADPH from light reactions to fix carbon dioxide into glucose. Together, they convert light energy into chemical energy stored in sugars.
Q7: What are autotrophs and why are they important to ecosystems?
Autotrophs are organisms that capture light energy through photosynthesis to produce glucose, serving as primary producers. They convert sunlight into chemical energy that flows through food chains to consumers. Diverse autotrophs including plants, algae, and cyanobacteria provide the foundational energy source for nearly all life on Earth.