Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
تعتمد جميع الكائنات الحية على الأرض تقريبا على عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية التي تحول طاقة ضوء الشمس إلى سكر بسيط يسمى الجلوكوز. يمكن استخدام هذا الجزيء كمصدر للطاقة على المدى القصير أو لبناء كربوهيدرات أكثر تعقيدا مثل النشويات لتخزين الطاقة على المدى الطويل. ذاتية التغذية هي كائنات تلتقط الطاقة الضوئية باستخدام عملية التمثيل الضوئي. تعرف أيضا باسم المنتجين الأساسيين ، فهي توفر الطاقة اللازمة للكائنات الحية التي تأكلها ، والتي تعرف باسم المستهلكين.
الكائنات الحية التي يمكنها التمثيل الضوئي متنوعة إلى حد ما ، بما في ذلك البكتيريا الزرقاء ، وبعض الطلائعيات مثل الطحالب ، وكذلك النباتات. في الخلايا حقيقية النواة ، يحدث التمثيل الضوئي في عضية تسمى البلاستيدات الخضراء ، والتي تظهر باللون الأخضر بسبب محتواها العالي من صبغة الكلوروفيل. الأصباغ هي جزيئات تمتص الضوء بأطوال موجية معينة. ينعكس الضوء الذي لا تمتصه الصبغة كضوء مرئي يمكن ملاحظته على أنه لون الصبغة. تنتج النباتات أصباغ متعددة ذات وظائف مختلفة تمتص الضوء من الشمس بأطوال موجية مختلفة. على سبيل المثال ، يمتص الكلوروفيل الضوء عند الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء بينما يعكس الأطوال الموجية التي تتوافق مع اللون الأخضر. عادة ما تعكس بعض الأصباغ الأخرى مثل الكاروتينات والأنثوسيانين والبيتالين الضوء بأطوال موجية منخفضة الطاقة تتراوح بين 600 و 800 نانومتر ، وبالتالي تظهر من الأصفر إلى الأحمر. في المناطق المعتدلة ، يكشف انخفاض الكلوروفيل في الخريف عن هذه الأصباغ عندما يتغير لون الأوراق إلى الأحمر والأصفر والبرتقالي.
الكلوروفيل هو الصبغة الأساسية في البلاستيدات الخضراء المستخدمة في عملية التمثيل الضوئي ، بينما تساعد الأصباغ الأخرى في توجيه الطاقة الضوئية إلى الكلوروفيل أو حماية الخلية من تلف الضوء. يتكون التمثيل الضوئي من مسارين ، يعرفان باسم التفاعلات المعتمدة على الضوء والمستقلة عن الضوء وتحدث في مواقع متميزة داخل البلاستيدات الخضراء. تحتوي هذه العضيات على ثلاثة أغشية: غشاء خارجي ، وغشاء داخلي ، وغشاء الثايلاكويد الأعمق ، والذي يشكل طيات طويلة على شكل قرص داخل البلاستيدات الخضراء. تسمى المساحة المملوءة بالسوائل بين الأغشية الداخلية وأغشية الثايلاكويد بالسدى. تبدأ التفاعلات المعتمدة على الضوء عندما تثير الطاقة الموجودة في ضوء الشمس إلكترونات أصباغ الكلوروفيل المضمنة في غشاء الثايلاكويد. ثم يتم تمرير هذه الإلكترونات عالية الطاقة من جزيء حامل إلكترون إلى آخر داخل غشاء الثايلاكويد ، المعروف مجتمعا باسم سلسلة نقل الإلكترون. كل عملية نقل داخل سلسلة نقل الإلكترون تأخذ الإلكترون إلى حالة طاقة أقل ، وبالتالي تطلق الطاقة. يتم تسخير بعض هذه الطاقة لتصنيع جزيئات صغيرة غنية بالطاقة مثل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ونيكوتيناميد ثنائي نوكليوتيد فوسفات (NADPH). يتم استبدال الإلكترون المفقود للكلوروفيل من خلال التحلل المائي (مما يعني تقسيم الماء) ، عندما يتم فصل ذرات الهيدروجين والأكسجين. تتبرع ذرات الهيدروجين الناتجة عن التحلل المائي بإلكتروناتها للكلوروفيل بينما يتم إطلاق جزيئات الأكسجين في الغلاف الجوي. يمكن تيار الإلكترونات من خلال التحلل المائي أصباغ الكلوروفيل من امتصاص الطاقة الضوئية باستمرار عن طريق إثارة إلكترونات جديدة بشكل متكرر وتمريرها عبر سلسلة نقل الإلكترون.
تحدث ردود الفعل المستقلة عن الضوء في السدى. تستخدم هذه العملية الطاقة الضوئية بشكل غير مباشر من خلال استخدام الطاقة من جزيئات ATP و NADPH الناتجة عن التفاعلات المعتمدة على الضوء. خلال هذا المسار ، يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) لبناء سكر ثلاثي الكربون ، والذي يمكن تحويله بعد ذلك إلى جلوكوز أو جزيئات حيوية أخرى. تعرف هذه العملية أيضا باسم تثبيت الكربون أو عزل الكربون ، لأن الكربون يتم عزله من الغلاف الجوي وتثبيته في الجزيئات الحيوية.
يعد عزل الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي خطوة مهمة في دورة الكربون ، حيث يتدفق ثاني أكسيد الكربون 2 من خزان إلى آخر بوتيرة ثابتة نسبيا. يمكن للتغيرات في معدل تدفق ثاني أكسيد الكربون 2 أن تحول توازنها بين الخزانات. والأهم من ذلك ، نظرا لأن CO 2 هو أحد غازات الاحتباس الحراري ، فإن الزيادات في تركيزه في الغلاف الجوي تساهم في ارتفاع درجات الحرارة. ينبعث معظم ثاني أكسيد الكربون 2 عن طريق حرق الوقود الأحفوري ، وبالتالي يعيد ثاني أكسيد الكربون الذي تم عزله عن طريق عملية التمثيل الضوئي منذ مئات الملايين من السنين إلى الغلاف الجوي بمعدل غير مسبوق. لذلك ، فإن الغابات وطحالب المحيطات ضرورية أكثر من أي وقت مضى في تبريد الأرض عن طريق تقليل مستويات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة 2 1 . هذا هو أحد الأسباب العديدة التي تجعل إزالة الغابات مصدر قلق خطير في مناخ متغير.
يشبه إلى حد كبير كيفية استخدام النباتات لعملية التمثيل الضوئي لالتقاط الطاقة الضوئية في الجزيئات الحيوية ، يبحث الباحثون في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعية لإنشاء وقود حيوي محايد للكربون كبديل للوقود الأحفوري. على غرار الألواح الشمسية ، تحصل طرق التمثيل الضوئي الاصطناعي على الطاقة من الشمس ، وتخزنها كطاقة كيميائية ، يمكن تخزين بعضها لفترات طويلة من الزمن ، بدلا من تحويلها مباشرة إلى كهرباء 2. تمكن العلماء أيضا من إنتاج السكريات البسيطة وحمض اللاكتيك باستخدام بكتيريا التمثيل الضوئي 3. هذا النهج له تطبيقات واسعة في تصنيع الجزيئات الحيوية والوقود الحيوي وحتى البلاستيك القابل للتحلل مع انبعاثات ضارة قليلة أو معدومة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام هذا النهج لإزالة ثاني أكسيد الكربون الزائد 2 من الغلاف الجوي. يتم تطبيق مفهوم مماثل في المجال الطبي ، حيث يتم استخدام بكتيريا التمثيل الضوئي لإنتاج مواد وأدوية نشطة فسيولوجيا ، والتي تم تطبيق بعضها على تشخيص السرطان وعلاجه 4 . قد تزيد الأبحاث المستقبلية من كفاءة إنتاج جزيئات مستدامة ومحايدة للكربون مع معالجة تأثيرات زيادة مستويات ثاني أكسيد الكربون 2 في الغلاف الجوي.
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.
