طريقة صنع الغذاء في النبات
تصنع النباتات غذاءها بواسطة عملية التمثيل الضوئي أو ما تعرف باسم البناء الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis)، وتحدُث هذه العملية من خلال التقاط أوراق النبات للطاقة الضوئية التي مصدرها أشعة الشمس، إذ تمتص جذور النبات الماء وغاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء ومن خلال الطاقة الشمسية تتحول جزيئات الماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكريات الغلوكوز، والتي بدورها تشكّل مصدر الغذاء عند النباتات.
ويُشار إلى أنّ جميع مراحل عمليّة البناء الضوئي تحدث في أجزاء محددة، وهي عبارة عن عضيّات متخصصة تُدعى البلاستيدات الخضراء (بالإنجليزية: Chloroplast) والتي تحتوي أغشيتها على مادة الكلوروفيل (بالإنجليزية: Chlorophylls)، وفيما يأتي مراحل حدوث عمليّة البناء الضوئي عند النبات بالترتيب:
مرحلة امتصاص الضوء من الشمس
وذلك بواسطة صبغة الكلوروفيل الخضراء والتي تتصل ببروتينات أغشية الثايلاكويد؛ وهي الأغشية الموجودة في البلاستيدات الخضراء، بحيث يُستخدم ضوء الشمس في إزالة الإلكترونات من جزيء الماء وإنتاج الأكسجين وذلك حسب المعادلة الكيميائيّة الآتية:
⁻2H2O→O2 4H⁺ 4e
مرحلة انتقال الإلكترونات
إذ تنتقل الإلكترونات خلال سلسلة متخصصة بنقل الإلكترونات في غشاء الثايلاكويد، بحيث يُختزل جزيء NADP إلى مركب NADPH، و يُشار إلى أنّ انتقال الإلكترونات مرتبط بحركة البروتونات من منطقة السدى (بالإنجليزية: stroma)؛ وهي الحيز المحيط بأغشية الثايلاكويد إلى داخل غشاء الثايلاكويد.
وفيما يأتي المعادلة الكيميائيّة التي توضح التفاعل الحاصل في مرحلة امتصاص الضوء ومرحلة نقل الإلكترونات معًا بواسطة ضوء الشمس:
2H2O 2NADP⁺→2H⁺ 2NADPH O2
مرحلة توليد جزيئات الطاقة (ATP)
تنتج جزيئات الطاقة من حركة البروتونات أسفل مناطق تركيزها من غشاء الثايلاكويد إلى السدى بواسطة مركب F0F1؛ الذي يربط حركة البروتون بعملية إنتاج جزيئات ATP من جزيئات أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) وPi.
مرحلة تثبيت الكربون
حيثُ توفر جزيئات ATP⁻⁴ وNADPH الطاقة والإلكترونات التي تتطلبُها عمليّة تشكيل البوليمرات السكريّة التي تتكون من الماء وثاني أكسيد الكربون، وبذلك تتم مرحلة تثبيت الكربون، وذلك حسب المعادلة الكيميائيّة الآتية:
⁺6CO2 18ATP⁻⁴ 12NADPH 12H2O→ C6H12O6 18ADP⁻³ 18Pi⁻ ² 12NADP⁺ 6H
أنواع عملية البناء الضوئي
تنقسم عملية البناء الضوئي إلى نوعين رئيسيين وفقًا لاستخدام الأكسجين، وهما البناء الضوئي الأكسجيني والبناء الضوئي غير الأكسجيني، وفيما يأتي تفصيل لكل منهما:
البناء الضوئي الأكسجيني
يُنتِج هذا النوع مركبات الكربوهيدرات نتيجة تحوّل جزيئات الماء إلى ثاني أكسيد الكربون بواسطة الطاقة الضوئية، إذ يُختزل ثاني أكسيد الكربون بكسب الإلكترونات، ويتأكسد جزيء الماء بفقد الإلكترونات. ويعتبر هذا النوع الأكثر انتشارًا بين النباتات، ويتميز البناء الضوئي الأكسجيني بدوره الهام في موازنة دورة التنفس في الحياة، وذلك بامتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون من الهواء وإطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي، ومن الأمثلة على الكائنات الحية التي تقوم بهذا النوع من البناء الضوئي؛ الطحالب، والبكتيريا الزرقاء.
البناء الضوئي غير الأكسجيني
يُعرف هذا النوع بمسمى البناء الضوئي غير المؤكسد، والذي يختلف عن البناء الضوئي المؤكسد بكونه يكتسب الإلكترونات من مصادر أخرى غير الماء، ويتميز بأنه لا يُنتِج الأكسجين، إذ يعتمد ما ينتُجه هذا النوع على المصادر التي تمنح الإلكترونات.
ومن الكائنات الحية التي تقوم بهذا النوع من البناء الضوئي؛ البكتيريا الأرجوانية، وبكتيريا الكبريت الخضراء والتي ينتُج عنها الكبريت الصلب نتيجة استخدامها غاز كبريتيد الهيدروجين في عملية البناء الضوئي غير الأكسجيني.
يمثّل البناء الضوئي عمليّة معقدة تحدث في النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا والتي من خلالها تتمكن هذه الكائنات من تصنيع غذائها، وترتكز عملية التمثيل الضوئي على امتصاص النباتات لضوء الشمس الذي من خلاله يتفاعل الماء مع ثاني أكسيد الكربون فينتج الأكسجين وجزيئات الطاقة، وينقسم البناء الضوئي إلى نوعين رئيسيين هما؛ البناء الضوئي المؤكسد وغير المؤكسد.
أهمية عملية تصنيع الغذاء في النباتات
تعد عملية البناء الضوئي بالغة الأهمية لكافة أنواع الكائنات الحية ولكوكب الأرض بنحوٍ عام، وفيما يأتي أبرز فوائد واستخدامات عمليّة التمثيل الضوئي في النبات:
- يشكّل مصدرًا رئيسيًا للأكسجين في الغلاف الجوي.
- تحدث دورة الكربون بين مكونات الأنظمة البيئية بوجود عملية التمثيل الضوئي.
- يعزز العلاقات التكافلية بين الكائنات الحية.
- يعد مصدر الطاقة الرئيسي التي تتمكن من خلاله الأشجار والنباتات من البقاء على قيد الحياة.
أماكن تخزين النبات للغذاء
تتلقى النباتات كميات إضافية من الماء وثاني أكسيد الكربون، إذ يصبح هنالك زيادة في غذائها والذي يُخزّن في عدة أماكن تختلف باختلاف أنواع النباتات، وفيما يأتي معظم أماكن تخزين الغذاء في النبات:
- سيقان النباتات المختلفة: مثل؛ البصل، والزنجبيل، والكركم.
- ثمار النباتات: كالفاكهة مثل؛ التفاح، والبرتقال، والمانجا، والعنب، وكذلك في الزهور مثل؛ زهرة شجرة الموز، وأزهار اليقطين، وعباد الشمس، والياسمين.
- الجذور: مثل؛ الجزر، والفجل، والشمندر، والبطاطا الحلوة.
- الأوراق: مثل؛ الملفوف، والسبانخ، والخس.
- البذور: مثل؛ الأرز، والقمح، والذرة، والفاصولياء، وفول الصويا.
أسباب تجعل أوراق النبات مناسبة لحدوث عملية البناء الضوئي
تُعد أوراق النباتات الجزء المسؤول عن امتصاص الضوء من الشمس وثاني أكسيد الكربون من الهواء، وبالتالي حدوث عمليّة البناء الضوئي وإنتاج الغذاء، وفيما يأتي أبرز الأسباب التي تجعل الأوراق مناسبة لحدوث عملية التمثيل الضوئي:
- تتمتع الأوراق بمساحة سطح كبيرة بحيث يتم امتصاص الضوء بأعلى حد.
- تحتوي الأوراق على صبغة الكلوروفيل والتي بدورها تحتوي على عضيات البلاستيدات الخضراء المسؤولة عن عملية البناء الضوئي.
- تمتلك بُنية رقيقة، مما يوفر مسافات قصيرة يتطلبها توزيع غاز ثاني أكسيد الكربون بين خلايا النبات.
- تحتوي الأوراق على الثغور التي تسمح بعبور ثاني أكسيد الكربون إلى الداخل وخروج الأكسجين.
- يضم هيكل الورقة شبكة من العروق التي تدعم الورقة وتسهل عملية نقل المياه والأملاح المعدنية والسكريات.
تشكل عمليّة البناء الضوئي مصدرًا رئيسيًا لإنتاج الأكسجين والحفاظ على تبادل الغازات المتزن في الغلاف الجوي، ويشار إلى أنّ الغذاء الذي ينتُج عن البناء الضوئي يُخزّن في أجزاء مختلفة من النباتات بما فيها الأوراق والجذور والبذور وغيرها، كما تكيفت أوراق النباتات لتكون مسؤولة عن عمليّة البناء الضوئي لما لها من خصائص أبرزها مساحة سطحها واحتوائها على البلاستيدات الخضراء.
