فهم أهمية ودور البلاستيدات الخضراء والكلوروفيل والجرانا وأغشية الثايلاكويد والسدى في عملية التمثيل الضوئي. موقع وأهمية وآليات التمثيل الضوئي. دراسة أدوار البلاستيدات الخضراء والكلوروفيل والجرانا وأغشية الثايلاكويد والسدى في عملية التمثيل الضوئي. Encyclopædia Britannica، Inc. شاهد كل الفيديوهات لهذا المقال
البناء الضوئي ، وهي العملية التي يتم من خلالها اللون الأخضر النباتات وبعض الكائنات الحية الأخرى تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء ، يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها للتحويل ماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين وعضوي غني بالطاقة مجمعات سكنية .
التمثيل الضوئي رسم تخطيطي لعملية التمثيل الضوئي يوضح كيفية امتصاص النبات للماء والضوء وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأكسجين والسكريات والمزيد من ثاني أكسيد الكربون. Encyclopædia Britannica، Inc.
التمثيل الضوئي أمر بالغ الأهمية لوجود الغالبية العظمى من الحياة على الأرض. إنها الطريقة التي تصبح بها كل الطاقة الموجودة في المحيط الحيوي متاحة للكائنات الحية. كمنتجين أساسيين ، تشكل الكائنات الحية الضوئية قاعدة الشبكات الغذائية للأرض ويتم استهلاكها بشكل مباشر أو غير مباشر من قبل جميع أشكال الحياة الأعلى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معظم الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي يرجع إلى عملية التمثيل الضوئي. إذا توقف التمثيل الضوئي ، فسرعان ما سيكون هناك القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض ، وستختفي معظم الكائنات الحية ، وسيصبح الغلاف الجوي للأرض في النهاية خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي.
تتم كتابة عملية التمثيل الضوئي بشكل عام على النحو التالي: 6COاثنين+ 6 حاثنينO → C.6ح12أو6+ 6Oاثنين. هذا يعني أن المواد المتفاعلة ، ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات ماء ، يتم تحويلها بواسطة الطاقة الضوئية التي يلتقطها الكلوروفيل (ضمنيًا بالسهم) إلى جزيء سكر وستة جزيئات أكسجين ، المنتجات. يستخدم الجسم السكر ، ويتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي.
تم العثور على القدرة على التمثيل الضوئي في كليهما حقيقيات النوى والكائنات بدائية النواة. وأشهر الأمثلة على ذلك هي النباتات ، حيث تحتوي جميع الأنواع الطفيلية أو المغذية الفطرية باستثناء عدد قليل جدًا منها على الكلوروفيل وتنتج طعامها. الطحالب هي المجموعة المهيمنة الأخرى من الكائنات الحية حقيقية النواة. تعد جميع الطحالب ، التي تشمل عشب البحر الضخمة والمشكولات الدقيقة ، منتجين أساسيين مهمين. البكتيريا الزرقاء وبعض بكتيريا الكبريت هي بدائيات النوى الضوئية ، والتي تطورت فيها عملية التمثيل الضوئي. لا يُعتقد أن أي حيوان قادر بشكل مستقل على التمثيل الضوئي ، على الرغم من أن البزاقة البحرية الخضراء الزمردية يمكن أن تدمج مؤقتًا الطحالب الخضراء في جسمها لإنتاج الغذاء.
حقيقيات النوى اعرف المزيد عن حقيقيات النوى. بدائيات النوى اعرف المزيد عن بدائيات النوى.سيكون من المستحيل المبالغة في تقدير أهمية التمثيل الضوئي في الحفاظ على الحياة على الأرض. إذا توقف التمثيل الضوئي ، فسرعان ما سيكون هناك القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض. ستختفي معظم الكائنات الحية ، وبمرور الوقت سيصبح الغلاف الجوي للأرض خاليًا تقريبًا من الأكسجين الغازي. الكائنات الحية الوحيدة القادرة على الوجود في ظل هذه الظروف هي البكتيريا التخليقية الكيميائية ، والتي يمكن أن تستخدم الطاقة الكيميائية لبعض المركبات غير العضوية وبالتالي لا تعتمد على تحويل الطاقة الضوئية.
الطاقة التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي التي تقوم بها النباتات منذ ملايين السنين هي المسؤولة عن الوقود الأحفوري (أي الفحم ، نفط ، والغاز) التي تدعم المجتمع الصناعي. في العصور الماضية ، زادت النباتات الخضراء والكائنات الحية الصغيرة التي تتغذى على النباتات بشكل أسرع من استهلاكها ، وترسبت بقاياها في قشرة الأرض عن طريق الترسيب والعمليات الجيولوجية الأخرى. هناك محمي من أكسدة ، تم تحويل هذه البقايا العضوية ببطء إلى وقود أحفوري. لا توفر هذه الأنواع من الوقود الكثير من الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل ووسائل النقل فحسب ، بل تعمل أيضًا كمواد خام للبلاستيك وغيرها. اصطناعي منتجات. لسوء الحظ ، استهلكت الحضارة الحديثة في بضعة قرون فائض إنتاج التمثيل الضوئي المتراكم على مدى ملايين السنين. وبالتالي ، فإن ثاني أكسيد الكربون الذي تمت إزالته من الهواء لصنع الكربوهيدرات في عملية التمثيل الضوئي على مدى ملايين السنين يتم إرجاعه بمعدل سريع بشكل لا يصدق. يرتفع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأسرع ما كان عليه في تاريخ الأرض ، ومن المتوقع أن يكون لهذه الظاهرة أهمية كبرى تداعيات على الأرض مناخ .
متطلبات الغذاء والمواد والطاقة في عالم أين بشري خلق النمو السكاني السريع الحاجة إلى زيادة كل من كمية التمثيل الضوئي و نجاعة لتحويل ناتج التمثيل الضوئي إلى منتجات مفيدة للناس. استجابة واحدة لتلك الاحتياجات - ما يسمى ب الثورة الخضراء ، التي بدأت في منتصف القرن العشرين - حققت تحسينات هائلة في المحصول الزراعي من خلال استخدام الأسمدة الكيماوية ومكافحة الآفات وأمراض النبات وتربية النباتات والحراثة الآلية والحصاد ومعالجة المحاصيل. أدى هذا الجهد إلى الحد من المجاعات الشديدة في مناطق قليلة من العالم على الرغم من النمو السكاني السريع ، لكنه لم يقضي على انتشار سوء التغذية. علاوة على ذلك ، ابتداء من أوائل التسعينيات ، بدأ معدل زيادة غلات المحاصيل الرئيسية في الانخفاض. كان هذا صحيحًا بشكل خاص بالنسبة للأرز في آسيا. كما أن ارتفاع التكاليف المرتبطة بالحفاظ على معدلات عالية من الإنتاج الزراعي ، والتي تتطلب مدخلات متزايدة باستمرار من الأسمدة ومبيدات الآفات والتطوير المستمر لأنواع نباتية جديدة ، أصبحت مشكلة للمزارعين في العديد من البلدان.
ثورة زراعية ثانية تعتمد على النبات الهندسة الوراثية ، كان من المتوقع أن يؤدي إلى زيادة في إنتاجية المصنع وبالتالي جزئيًا خفف سوء التغذية. منذ سبعينيات القرن الماضي ، امتلك علماء الأحياء الجزيئية وسائل لتغيير المادة الوراثية للنبات (حمض الديوكسي ريبونوكلييك ، أو الحمض النووي) بهدف تحقيق تحسينات في مقاومة الأمراض والجفاف ، وإنتاجية المنتج وجودته ، ومقاومة الصقيع ، وغيرها من الخصائص المرغوبة. ومع ذلك ، فإن هذه السمات معقدة بطبيعتها ، وقد تبين أن عملية إجراء تغييرات على نباتات المحاصيل من خلال الهندسة الوراثية أكثر تعقيدًا مما كان متوقعًا. في المستقبل ، قد تؤدي مثل هذه الهندسة الوراثية إلى تحسينات في عملية التمثيل الضوئي ، ولكن بحلول العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين ، لم تثبت بعد أنها يمكن أن تزيد بشكل كبير من غلة المحاصيل.
مجال آخر مثير للاهتمام في دراسة التمثيل الضوئي هو اكتشاف أن بعض الحيوانات قادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. سبيكة البحر الزمرد الأخضر ( إليسيا كلوروتيكا ) ، على سبيل المثال ، الجينات والبلاستيدات الخضراء من Vauchena حصى ، و طحلب يستهلك ، مما يمنحه قدرة محدودة على إنتاج الكلوروفيل. عندما تكون البلاستيدات الخضراء كافية مندمج ، قد تتخلى البزاقة عن تناول الطعام. من البازلاء ( Acyrthosiphon pisum ) يمكن تسخير الضوء لتصنيع الطاقة الغنية مجمع أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) ؛ وقد تم ربط هذه القدرة بتصنيع المن من أصباغ كاروتينويد.
بدأت دراسة التمثيل الضوئي في عام 1771 بملاحظات قام بها رجل الدين الإنجليزي والعالم جوزيف بريستلي. أحرق بريستلي شمعة في وعاء مغلق حتى لم يعد الهواء داخل الحاوية قادرًا على تحمله الإحتراق . ثم وضع غصن مثل في الحاوية واكتشفت أنه بعد عدة أيام ، أنتج النعناع بعض المواد (التي تم التعرف عليها لاحقًا على أنها أكسجين) والتي مكنت الهواء المحصور من دعم الاحتراق مرة أخرى. في عام 1779 ، توسع الطبيب الهولندي يان إنجينهاوس في عمل بريستلي ، موضحًا أنه يجب تعريض النبات للضوء إذا كان من المقرر استعادة المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين). كما أوضح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء للنبات.
في عام 1782 ، تم إثبات أن الغاز الداعم للاحتراق (الأكسجين) يتكون على حساب غاز آخر ، أو هواء ثابت ، والذي تم تحديده في العام السابق على أنه ثاني أكسيد الكربون. أظهرت تجارب تبادل الغازات في عام 1804 أن الزيادة في وزن نبات نمت في إناء وزنه بعناية نتجت عن امتصاص الكربون ، والذي جاء بالكامل من ثاني أكسيد الكربون الممتص ، والماء الذي تمتصه جذور النبات ؛ التوازن هو الأكسجين ، الذي يتم إطلاقه مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. مر ما يقرب من نصف قرن قبل أن يتطور مفهوم الطاقة الكيميائية بشكل كافٍ للسماح باكتشاف (في عام 1845) أن الطاقة الضوئية من الشمس يتم تخزينها كطاقة كيميائية في المنتجات التي تشكلت أثناء عملية التمثيل الضوئي.
الشخص المصاب بالأعضاء التناسلية الذكرية والأنثوية
من الناحية الكيميائية ، فإن عملية التمثيل الضوئي هي طاقة ضوئية عملية الأكسدة والاختزال . (تشير الأكسدة إلى إزالة الإلكترونات من الجزيء ؛ والاختزال يشير إلى اكتساب الإلكترونات بواسطة الجزيء.) في عملية التمثيل الضوئي للنبات ، تُستخدم طاقة الضوء لدفع أكسدة الماء (HاثنينO) ، ينتج غاز الأكسجين (Oاثنين) ، أيونات الهيدروجين (H+) والإلكترونات. يتم نقل معظم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين المزالة في النهاية إلى ثاني أكسيد الكربون (COاثنين) ، والتي يتم اختزالها إلى منتجات عضوية. تُستخدم الإلكترونات وأيونات الهيدروجين الأخرى لتقليل النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمينية والسلفهيدريل في الأحماض الأمينية ، والتي تعد اللبنات الأساسية للبروتينات. في معظم الخلايا الخضراء ، الكربوهيدرات - وخاصة النشا و السكر السكروز - هو أهم المنتجات العضوية المباشرة لعملية التمثيل الضوئي. التفاعل الكلي الذي يتم تمثيل الكربوهيدرات فيه بالصيغة العامة (CHاثنينO) - تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي للنبات يمكن الإشارة إليها بالمعادلة التالية:
هذه المعادلة هي مجرد بيان موجز ، لأن عملية التمثيل الضوئي تتضمن في الواقع العديد من التفاعلات المحفزة بواسطة الإنزيمات (المحفزات العضوية). تحدث هذه التفاعلات على مرحلتين: مرحلة الضوء ، وتتكون من تفاعلات ضوئية (أي التقاط الضوء) ؛ والمرحلة المظلمة ، تضم التفاعلات الكيميائية التي تسيطر عليها الإنزيمات. خلال المرحلة الأولى ، يتم امتصاص طاقة الضوء واستخدامها لدفع سلسلة من عمليات نقل الإلكترون ، مما يؤدي إلى تخليق ATP والفوسفات ثنائي النوكليوتيد الأدينين النيكوتين المانح للإلكترون (NADPH). خلال المرحلة المظلمة ، يتم استخدام ATP و NADPH المتكونين في تفاعلات التقاط الضوء لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات الكربون العضوية. يسمى هذا الاستيعاب للكربون غير العضوي في المركبات العضوية بتثبيت الكربون.
خلال القرن العشرين ، قدمت المقارنات بين عمليات التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء وفي بعض بكتيريا الكبريت الضوئية معلومات مهمة حول آلية التمثيل الضوئي. تستخدم بكتيريا الكبريت كبريتيد الهيدروجين (HاثنينS) كمصدر لذرات الهيدروجين وينتج الكبريت بدلاً من الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي. رد الفعل العام
في الثلاثينيات من القرن الماضي ، أدرك عالم الأحياء الهولندي كورنيليس فان نيل أن استخدام ثاني أكسيد الكربون لتكوين مركبات عضوية كان مشابهًا في نوعي كائنات التمثيل الضوئي. اقترح أن الاختلافات موجودة في المرحلة المعتمدة على الضوء وفي طبيعة المركبات المستخدمة كمصدر لذرات الهيدروجين ، واقترح أن الهيدروجين قد تم نقله من كبريتيد الهيدروجين (في البكتيريا) أو الماء (في النباتات الخضراء) إلى متقبل غير معروف ( تسمى A) ، والتي تم تخفيضها إلى H.اثنينأ خلال التفاعلات المظلمة ، والتي تكون متشابهة في كل من البكتيريا والنباتات الخضراء ، فإن المتقبل المختزل (Hاثنينأ) تفاعل مع ثاني أكسيد الكربون (COاثنين) لتشكيل الكربوهيدرات (CHاثنينO) وأكسدة متقبل مجهول ل A. هذا المفترض يمكن تمثيل التفاعل على النحو التالي:
كان اقتراح Van Niel مهمًا لأن النظرية الشائعة (ولكن غير الصحيحة) كانت أن الأكسجين تمت إزالته من ثاني أكسيد الكربون (بدلاً من الهيدروجين من الماء ، مما يؤدي إلى إطلاق الأكسجين) ثم دمج الكربون مع الماء لتكوين الكربوهيدرات (بدلاً من الهيدروجين من تجميع الماء. مع COاثنينلتشكيل CHاثنينأو).
بحلول عام 1940 ، كان الكيميائيون يستخدمون نظائر ثقيلة لمتابعة تفاعلات التمثيل الضوئي. ماء مميز بنظير الأكسجين (18O) تم استخدامه في التجارب المبكرة. النباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي في وجود الماء الذي يحتوي على Hاثنين18أنتجت O غاز الأكسجين المحتوي على18يا تلك التي تم تمثيلها ضوئيًا في وجود الماء العادي أنتجت غاز الأكسجين العادي. قدمت هذه النتائج دعمًا نهائيًا لنظرية فان نيل القائلة بأن غاز الأكسجين الناتج أثناء عملية التمثيل الضوئي مشتق من الماء.
