مفهوم البناء الضوئي
البناء الضوئي هو عملية تقوم من خلالها النباتات وبعض أنواع الكائنات الحية الأخرى باستغلال الطاقة الضوئية للحصول على طاقة كيميائية، وذلك لضمان استمرار الحياة على سطح الأرض.
بعبارةٍ أخرى استخدام الطاقة الضوئية لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة، ما يعني أنه بدون البناء الضوئي سيصبح الأرض كوكبًا خاليًا من الأكسجين، أي غير صالح للحياة ولا يحتوي إلا على القليل فقط من الطعام.
أين يحدث البناء الضوئي
ينتج البناء الضوئي من مجموعة تفاعلات يعتمد بعضها على الضوء في حين أن بعضها الآخر لا يعتمد عليه، ويُشار إلى أنه في النباتات تحدث تفاعلات البناء الضوئي المعتمدة على الضوء داخل ما يُسمى بثايلاكويدات البلاستيدات الخضراء، وهو ذلك الجزء من النبات الذي توجد فيه أصباغ الكلوروفيل .
أما التفاعلات التي لا تعتمد عن الضوء فتحدث في سداة البلاستيدات الخضراء، حيث تنتج مجموعة من التفاعلات التي تُنقل إلى أجزاء أخرى من الخلية، بما في ذلك الميتوكوندريا التي تتفكك لصنع المزيد من الجزيئات الحاملة للطاقة، استجابةً لمتطلبات التمثيل الغذائي للخلية.
أهمية البناء الضوئي
لا تقتصر أهمية عملية البناء الضوئي على إنتاج الأكسجين فحسب، بل يتعلق الأمر بإنتاج الطاقة عمومًا، ويُمكن حصر أهمية البناء الضوئي في النقاط الآتية:
- تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية
تُعد هذه الوظيفة الأساسية لعملية البناء الضوئي، حيث يجري تخزين الطاقة الكيميائية الناتجة في مادة عضوية كالجلوكوز لاستخدامها فيما بعد، وتضمن هذه العملية سير الأنظمة الحية على كوكب الأرض في مسارها الصحيح، فالطاقة المخزنة في أنواع الطعام والوقود مثل الحطب مصدرها الأساسي التمثيل الغذائي.
تأخذ النباتات الخضراء الكربون والهيدروجين والأكسجين من جزيئات ثاني أكسيد الكربون والماء، وتُعيد تجميعها في جزيء جديد يُسمى الجلوكوز في وجود ضوء الشمس، وتكمن أهمية الجلوكوز في أنه مصدر الطاقة الرئيس لمعظم الكائنات الحية.
- مساعدة الكائنات الحية على التنفس
يحدث التنفس في خلايا جميع الكائنات الحية تقريبًا، والتنفس يُؤدي مختلف الأنشطة الأيضية، ولكي يحدث التنفس لا بد من وجود الأكسجين الذي ينتج من خلال عملية البناء الضوئي، وينتج الأكسجين كناتج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي، بينما ينتج ثاني أكسيد الكربون كناتج ثانوي لعملية التنفس.
من المعروف أن النباتات هي أساس تشكيل الوقود الأحفوري، وبالتالي مصدر لمعظم الطاقة التي يعتمد عليها البشر في الوقت الحاضر.
أنواع عملية البناء الضوئيّ
هناك نوعان من عمليات البناء الضوئي؛ كما هو موضح أدناه:
- البناء الضوئي بوجود الأكسجين
النوع الأكثر شيوعًا، حيث تقوم الطاقة الضوئية بالتسبب في إطلاق الإلكترونات من الماء إلى ثاني أكسيد الكربون لإنتاج الكربوهيدرات، بحيث يُصبح الماء هنا مادة مؤكسدة فيفقد الإلكترونات، وينتج عن هذا التفاعل الأكسجين والكربوهيدرات، وعادةً ما يحصل هذا النوع في معظم النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء تحديدًا.
- البناء الضوئي بغياب الأكسجين
يحدث هذا النوع في أنواع معينة من البكتيريا، مثل البكتيريا الأرجوانية وبكتيريا الكبريت الخضراء، والتي توجد في الكثير من البيئات المائية، ولا يكون الناتج عنها الأكسجين، بل تعتمد على نوع المادة التي تحصل منها على الإلكترون الضروري لإتمام التفاعل، فبعض التفاعلات تُنتج غاز سلفات الهيدروجين والذي له رائحة البيض الفاسد.
المعادلة الكيميائية للبناء الضوئي
هناك نوعان من المعادلات الكيميائية للبناء الضوئي، ويعتمد نوع المعادلة على وجود الأكسجين من عدمه كالآتي:
- معادلة البناء الضوئي بوجود الأكسجين
الماء الأكسجين الجلوكوز → الطاقة الضوئية الماء ثاني أكسيد الكربون 6CO 2 12H 2 O Light Energy → C 6 H 12 O 6 6O 2 6H 2 O
- معادلة البناء الضوئي بغير وجود الأكسجين
الماء عنصر المركب الهيدروجيني الميثانال → الطاقة الضوئية مركب هيدروجيني ثاني أكسيد الكربون CO 2 2H 2 A Light Energy → [CH 2 O] 2A H 2 O
مراحل عملية البناء الضوئي
إن البناء الضوئي هو عملية معقدة تتكون من 3 مراحل تبدأ بامتصاص أشعة الشمس وتنتهي بإنتاج الجلوكوز كالآتي:
امتصاص الطاقة الشمسية
عندما يضرب شعاع من ضوء الشمس نباتًا أخضرًا مورقًا، تبدأ عملية البناء الضوئي التي تحدث في البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية، حيث تُمتص الفوتونات الضوئية عن طريق صبغة الكلوروفيل، وتأخذ النباتات ثاني أكسيد الكربون من خلال ثغرات مجهرية في أنسجتها لاستخدامها في عملية التمثيل الضوئي، ثم ترشح الأكسجين في الهواء وتجدده.
تحويل الطاقة الشمسية لكيميائية
يُحول النبات الطاقة الضوئية التي قام بامتصاصها من الأشعة الشمسية إلى طاقة كيميائية؛ لتزويد خلاياه بالطاقة، عندها تتأين جزيئات الماء بفقدها الإلكترونات، وينتج الأكسجين كمنتج جانبي للتفاعل، ثم تتفاعل إلكترونات الهيدروجين المتبقية من جزيء الماء مع الكلوروفيل وتتشكل الكربوهيدرات.
إنتاج الغذاء اللازم للنبات
تُعرف هذه المرحلة باسم حلقة كالفن، وهي المرحلة الأخيرة من عملية البناء الضوئي، حيث يستخدم النبات فيها ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء والماء لإنتاج الغذاء المكون من فوسفات ثنائي نيوكليوتيد الأدينين، وأميد النيكوتين.
وتحدث جميع التفاعلات الكيميائية في البلاستيدات الخضراء، ولأن التفاعل يكون قد بدأ فعلًا بمراحله الأولية، لا ترتبط العملية بوقت معين؛ كون التفاعل يكون قد أخذ حاجته من الطاقة الشمسية أثناء النهار، ولهذه المواد الناتجة من التفاعل صلاحية قصيرة، حيث يجب على النبات تخزينها لوقت الحاجة لها.
نواتج عملية البناء الضوئي
يُعد كلًا من الأكسجين والجلوكوز نواتج عملية البناء الضوئي الرئيسية، كما هو موضح أدناه:
الأكسجين
الأكسجين في الواقع هو ُبمثابة مخلفات ثانوية لعملية البناء الضوئي، فعلى الرغم من أن ذرات الهيدروجين الموجودة في جزيئات الماء تُستخدم في تفاعلات عملية البناء الضوئي، إلا أن جزيئات الأكسجين تُطلق في صورة غاز أكسجين.
الأكسجين مهم جدًا لكل الكائنات الحية بما فيها البشر والحيوانات وحتى النباتات نفسها، لأن الأخيرة تستخدم الأكسجين للقيام بالتنفس الخلوي، في حين تُستخدم التفاعلات المستقلة عن الضوء في عملية البناء الضوئي إنزيمات لتحطيم جزيئات ثاني أكسيد الكربون وإنتاج الجلوكوز.
الجلوكوز
تُستخدم الميتوكوندريا الموجودة في خلايا النبات التنفس الخلوي من أجل تكسير الجلوكوز إلى شكل من أشكال الطاقة القابلة للاستخدام، وبعد انتهاء التفاعلات المستقلة عن الضوء، غالبًا ما يُحول الجلوكوز إلى سكريات أكبر مثل السكروز أو إلى كربوهيدرات كالنشا أو السليلوز.
تترك السكريات الورقة من خلال اللحاء وتنتقل إلى الجذور لتخزينها، أو إلى أجزاء أخرى من النبات حيث يستخدمها النبات كطاقة للقيام بأنشطته المختلفة.
