كيف تحول النباتات أشعة الشمس إلى طاقة مخزنة في صورة سكريات؟

تقوم النباتات باستخدام الطاقة من الشمس لإنتاج الطاقة وتخزينها في صورة سكريات. حيث تعتبر النباتات الخضراء المصنع الأهم الذي يقوم بتحويل الطاقة الضوئية الصادرة عن الشمس إلى طاقة كيميائية. يتم تخزينها ضمن تركيبها الخلوي بصورة مركبات عضوية معقدة كالكربوهيدرات وغيرها.

وهي العملية الإحيائية الأهم على وجه الأرض، بسبب قدرتها على استغلال الطاقة المستمدة من الشمس (ياسين، 2001، ص267).

كيف تتم عملية التركيب الضوئي؟

هي عملية تحويل الطاقة الضوئية الشمسية إلى طاقة كيميائية في النباتات، التي تأخذ ثاني أكسيد الكربون من الجو وتستبدله بغاز الأكسجين الذي تطلقه في الغلاف الجوي.

علماً أن النباتات على البر تنتج 30% من نسبة الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي. بينما 70% الباقية تنتجها النباتات ووحيدات الخلية الموجودة في البحار والمحيطات بسبب امتلاكها لمادة الكلوروفيل (يحيى، 2004، ص 138).

وتتم هذه العملية بتوافر عوامل متعددة كالضوء الذي يختلف تأثيره تبعاً لمدة وشدة ومنحى سقوطه، بالإضافة لعدد من صبغات البناء الضوئي التي تقوم بامتصاص الطاقة الضوئية مثل الكلوروفيلات والفايكونبلينات وأشباه الكاروتين وغيرها (إبراهيم، 2017، ص22).

ما هي أنواع الأصباغ النباتية؟ أو صبغات التركيب الضوئي؟

أولاً – الكلوروفيل Chlorophylls (الضحاك وغضنفر، د - ت، ص6).

•  Chl a وتتواجد في النباتات القائمة بالبناء الضوئي ماعدا البكتريا القائمة به.
•  Chl b الأشنات الخضراء والنباتات الراقية.
•  Chl c الأشنات السمراء.
•  Chl d الأشنات الحمراء.
• Chl e وتتواجد في بعض النباتات.
•  Bacteriochlorophyll a , b – البكتريا القائمة بالبناء الضوئي.

ثانياً – الصبغات الثانوية Accessory Pigments وتتكون من:

1. الكاروتينات Carotenoids Pigments وهي مركبات دهنية ذات لون أصفر او احمر او برتقالي او اسمر، تتواجد في البلاستيدات الملونة والخضراء ضمن البكتريا.
2. صبغات Biliproteins وتوجد في الأشنات الخضراء او الزرقاء او الحمراء (حامد، د – ت، ص 3).

معادلة البناء الضوئي.

CO2 + H2O ----Sun light--→ C6H12O6 + O2 + H2O.

ما هو دور الصبغات اليخضورية في عملية البناء الضوئي؟

تعتبر الصبغات الخضرية، مثل الكلوروفيل، من العناصر الأساسية في عملية التمثيل الضوئي. فهي تمتص الطاقة من أشعة الشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية تستخدم في عملية تخزين الطاقة في النباتات وبناء الكربوهيدرات. ويعتبر الكلوروفيل من اهم الصبغات الفعالة في عملية التمثيل الضوئي (الضحاك وغضنفر، د - ت، ص6).

وتحدث هذه العملية في الخلايا النباتية التي تحتوي على صبغات خضرية، وتسمى بعملية التمثيل الضوئي. وتعتبر هذه العملية حاسمة لنمو النبات واستمرار حياته

ما هي مراحل عملية التركيب الضوئي؟

يمكن تلخيص عملية التمثيل الضوئي بالمراحل التالية:

- التفاعلات الضوئية.

تلتقط الأوراق الخضراء ضوء الشمس ليتم امتصاصه من قبل الصبغات الخضراء (الكلوروفيل) الموجودة في الخلايا النباتية. ويتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية بصورة مركبات NADPH وATP بهدف تخزين الطاقة.

لاستغلالها في المرحلة اللاحقة من تفاعلات الظلام. وتتضمن هذه العملية تخزين الطاقة في جزيئات السكر المتشكل من الماء وثاني أكسيد الكربون (حامد، د – ت، ص30).

- تفاعلات الظلام (حلقة كالفن).

وتحدث هذه التفاعلات خلال الليل في النباتات ذات الفلقيتين، أو في المركبات ثلاثية الكربون، وفي النباتات ذات الفلقة الواحدة. حيث تختزن الطاقة الكيميائية في المركبات العضوية ذات الطاقة العالية فتنتقل بعض من هذه الطاقة بواسطة جزيئات منخفضة الطاقة. فترتفع طاقتها ليتم توليد مركبين مرتفعي الطاقة وهما ATP وNADPH، يستخدمان لاختزال CO2 وتحويله في الفترة المظلمة إلى مواد غذائية وتكوين الجلوكوز (ريفن وآخرون، 2016، ص159).

كما يُستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة بين الإلكترونات لتفكيك جزيئات الماء(H2O) إلى أيونات الهيدروجين(H+) التي تدخل في العمليات الحيوية، لتنطلق منها أيونات الأكسجين(O2).

حيث يتم استخدام أيونات الهيدروجين المتولدة من تحليل الماء لإنتاج الأحماض العضوية مثل ثنائي فوسفات الأدينوسين (ADP) وثلاثي فوسفات الأدينوسين (ATP) والمستخدمين لتخزين الطاقة الضوئية في صورة السكريات المركبة كالغلوكوز. والتي تستخدم بدورها لتصنيع المواد العضوية الأخرى في النبات كالبروتينات والدهون والفيتامينات. ثم يتم إطلاق غاز الأكسجين كناتج جانبي (الفقيه، 2022).

كيف تعود الخلية لاستخلاص الطاقة من السكريات؟

تعود الخلية لاستخلاص الطاقة من السكريات كمايلي: (الفنش، 2021)

تستخلص الخلية الطاقة الضرورية لها في بعض الكائنات غير المتجانسة – التي لا تستطيع تحويل المواد غير العضوية إلى مواد مكونة من جزيئات حيوية – عن طريق تكسير الروابط الكيميائية في مركبات الكربون الناتجة من الكائنات ذاتية التغذية، وتعمل على جمع الطاقة منها، بعملية تدعى بالتنفس الخلوي.

والتي تحدث في الخلايا الحيوانية والنباتية، حيث يُكسّر السكر في عملية التنفس الخلوي للحصول على الطاقة. وبالتالي يحصل تجديد مركب الطاقة (ATP) من ثنائي فوسفات الأدينوسين (ADP). ومن الجدير بالذكر أنّه يوجد نوعان من التنفس الخلوي، وهما: التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي.

يتم إنتاج الطاقة في التنفس الهوائي من خلال تفاعل الجلوكوز مع الأكسجين (O2) لينتج (ATP) ثلاثي فوسفات الأدينوسين و(CO2) و(H2O). وبالتالي يمكن أكسدة الجلوكوز عن طريق مجموعة من التفاعلات حيث يتكسر جزيء الجلوكوز. 

فينتج (ATP) بعد دخول جزي ثلاثي الكربون ضمن دورة حامض الستريك. ومن ثم إنتاج عدد كبير من جزيئات (ATP) بعملية الفسفرة المؤكسدة. لينتج في النهاية غاز(CO2) والماء.

بينما في التنفس اللاهوائي يمكن الحصول على الطاقة من السكريات من خلال عملية التخمير. والتي تحدث في الكائنات الحية التي تعيش في أماكن لا يتوافر فيها الأكسجين. فتستقبل تلك الكائنات مستقبلات غير عضوية مثل الكبريت أو النترات عوضاً عن الأكسجين. فتبدأ عملية التخمر بتحلل الجلوكوز وتحويله إلى (ATP)، وكميات قليلة من الطاقة.

في الختام 👈 نجد أن عملية تفاعلات التركيب الضوئي في البلاستيدات الخضراء تمر بمرحلتين هما تفاعلات الضوء حيث يتم تحويل الضوء إلى طاقة كيميائية. وتفاعلات الظلام والتي تحدث فيها عملية تثبيت ثاني أوكسيد الكربون. وتكوين السكر بالإضافة لمركبات كربوهيدراتية أخرى ومركبات عضوية متنوعة.

المراجع.

1. الضحاك، ليلى وغضنفر، مرعي. (د - ت). التمثيل الضوئي. فيسيولوجيا النبات. الجلسة التاسعة. ملف pdf. جامعة حماة. تم الاسترجاع من الرابط https://hama-univ.edu.sy/newsites/agricultural/wp-content/uploads/2019/12/%D8%A7%D9%84%D8%AC%D9%84%D8%B3%D8%A9-%D8%A7%D9%84%D8%AA%D8%A7%D8%B3%D8%B9%D8%A9-%D9%81%D8%B3%D9%8A%D9%88%D9%84%D9%88%D8%AC%D9%8A%D8%A7-%D9%86%D8%A8%D8%A7%D8%AA-1.pdf
2. الفقيه، تسنيم. (2022). تعريف التركيب الضوئي. موقع موضوع. متاح على الرابط https://2u.pw/VuSHCPR.
3. الفنش، تماضر. (2021). كيف تحصل الخلية على الطاقة اللازمة للقيام بأنشطتها. موضوع. متاح على الرابط https://2u.pw/wNUvP.
4. إبراهيم، بشير عبد الله. (2017). مدخل لدراسة علم فسيولوجيا النبات. المحاضرة الأولى. فسلجة النبات. قسم المحاصيل الحقلية. كلية الزراعة. العراق: جامعة بغداد.
5. حامد، ملاذ عبد اللطيف. (د – ت). محاضرات مادة فسلجة النبات. قسم العلوم العامة. كلية التربية الأساسية. العراق: جامعة الأنبار.
6. ريفن، بيتر هـ و جونسون، جورج ب و لوسلوس، جوناثان ب وماسون، كينيث أ وسنجر، سوزان ر. (2016). علم الأحياء – الأساس الجزيئي للحياة. سلسلة الكتب الجامعية المترجمة. وزارة التعليم العالي. الجزء الأول. الطبعة الثامنة. المملكة العربية السعودية: العبيكان للنشر.
7. ياسين، بسام طه. (2001). أساسيات فسيولوجيا النبات. قسم العلوم البيولوجية. كلية العلوم. قطر: جامعة قطر.
8. يحيى، هارون. (2004). المعجزة الخضراء – التمثيل الضوئي. ترجمة مصطفى أنور. بيروت، لبنان: مؤسسة الرسالة – مروان رضوان دعبول.