عندما تشعر بالجوع؛ فإن أول ما تفعله عادةً هو تناول وجبة خفيفة من خزانة طعامك أو ثلاجتك.
ولكن هل تساءلت يومًا: ماذا تفعل النباتات عندما تشعر بالجوع؟
ربما تكون على دراية بأن نمو النباتات بحاجة إلى ضوء الشمس، والماء، وتُربة مناسبة، ولكن فعليًّا كيف يحصل النبات على غذائه؟
في الواقع إنه يصنعه بنفسه! ولكن، كيفية ذلك؟

هذا ما سنتعرف عليه:

تُدعَى النباتات بأنها كائنات ذاتية التغذية؛ وذلك لأنها تستطيع استخدام الطاقة الناجمة من الضوء في تخليق أو تصنيع مصدر غذائي خاص بها.

يعتقد الكثير من الناس بأنهم يُطعمون النبات بمجرد وضعه في تربة مناسبة، أو إمداده بالماء، أو تعريضه لضوء الشمس، لكن لا يعتبر أيٌّ من تلك الأشياء غذاءً للنبات؛ فالنباتات تَستخدم ضوء الشمس، والماء، وبعض الغازات الموجودة بالهواء في تصنيع (الجلوكوز-glucose)؛ والذي يعتبر نوعًا من السكريات التي تحتاجها النباتات لتبقى على قيد الحياة.

تحتاج جميع الكائنات الحية بما في ذلك البشر إلى الطاقة لاستخدامها في عمليات التمثيل الغذائي من نمو، وتطور، وتكاثر.

لكن لا تستطيع الكائنات الحية استخدام طاقة الشمس بشكل مباشر لتلبية احتياجاتها الأيضية؛ وعِوَضًا عن ذلك، يجب أن تتحول أولًا لطاقة كيميائية، وهذا ما يحدث خلال عملية البناء الضوئي في النباتات، ومثلك تمامًا يحتاج النبات إلى استنشاق الغازات لكي يحيا؛ حيث تستنشق الحيوانات الأكسجين من خلال عملية التنفس، بينما تمتص النباتات غاز ثاني أكسيد الكربون لاستخدامه في عملية البناء الضوئي^(2)(1).

أهمية عملية البناء الضوئي

 

عملية (البناء الضوئي-photosynthesis)، هي العملية التي تتحول بها طاقة الضوء إلى طاقة كيمائية، وتحدث داخل النباتات الخضراء، والطحالب، وحتى بعض الكائنات الحية الدقيقة، حيث خلالها تمتص النباتات ضوء الشمس وتستخدمه لتحويل الماء، وغاز ثاني أكسيد الكربون، والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة.

وعملية البناء الضوئي لها دور بالغ الأهمية في تواجد الغالبية العظمى للحياة على سطح الأرض، فهىي الطريقة الفعلية التي تصبح من خلالها أغلب الطاقة الموجودة بالمحيط الجوي متوفرة للكائنات الحية.

كمُنتجين أوليين؛ تُشكل الكائنات التي تقوم بعملية البناء الضوئي قاعدة الشبكة الغذائية على سطح الأرض، حيث يتم استهلاكهم بشكل مباشر أو غير مباشر بواسطة الكائنات العليا.

بالإضافة لذلك، فإن معظم الأكسجين المتواجد بالغلاف الجوي يتكون بفعل عملية البناء الضوئي، فإذا توقفت عملية البناء الضوئي؛ سيتواجد فقط القليل من الطعام، أو قلة من المواد العضوية الأخرى على سطح الأرض، وسيكون الاختفاء هو مصير أغلب الكائنات الحية، كما سيصبح الغلاف الجوي للأرض تقرييا خاليًا من غاز الأكسجين^(3)(2).

البناء الضوئي، والوقود الحفري:

تعتبر الطاقة التي تنتجها عملية البناء الضوئي بواسطة النباتات منذ ملايين السنين، مسؤولة عن الوقود الحفري، مثل: (الفحم، والنفط، والغاز) الذي يمد المجتمع الصناعي بالطاقة.

في العصور السابقة، كانت تزاداد النباتات الخضراء والكائنات الحية الدقيقة التي كانت تتغذى على النباتات بشكل أسرع من معدلات استهلاكها، وكانت تترسب بقاياها في القشرة الأرضية عن طريق عملية الترسيب والعمليات الجيولوجية الأخرى، حيث تكون محمية في القشرة الأرضية من عمليات الأكسدة، وبمرور الوقت تحولت تلك البقايا العضوية ببطء إلى وقود حفري؛ هذا الوقود لا يمدنا فقط بأغلب الطاقة المستخدمة في المصانع، والمنازل، ووسائل المواصلات، ولكن أيضًا يُعد المادة الخام للبلاستيك والمنتجات الصناعية الأخرى.

ولسوء الحظ، تستهلك الحضارة الحديثة الآن -ومنذ قرون قليلة- الفائض المتراكم من نواتج عمليات البناء الضوئي عبر ملايين السنين؛ وتبعًا لذلك، بدأ غاز ثاني أكسيد الكربون العودة بمعدلات سريعة للغاية بعدما تم إزالته من الهواء لصناعة الكربوهيدرات في عملية البناء الضوئي عبر ملايين السنين، ويُعَد ذلك المعدل الخاص بارتفاع تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي هو الأسرع في تاريخ الأرض؛ وبالتالي يُتوقع أن يكون لتلك الظاهرة آثار كبيرة على المناخ الأرضي^(3).

الثورة الخضراء:

خلقت متطلبات الحياة من غذاء، ومواد، وطاقة في عالم تنمو فيه الكثافة السكانية بأسرع ما يمكن ؛ وذلك للحاجة إلى زيادة كل من كمية وكفاءة نواتج عمليات البناء الضوئي وتحويلها إلى منتجات مفيدة للناس.

وكانت (الثورة الخضراء-Green Revolution) إحدى الاستجابات لتلك المتطلبات، حيث بدأت في منتصف (القرن العشرين)، وحققت بالفعل تطورات هائلة في المجال الزراعي من خلال استخدام الأسمدة الكيميائية، وتطور طرق مكافحة الآفات والأمراض النباتية، وتحسين الأنواع النباتية، وحراثة وحصاد المحاصيل بشكل آلي.

وكان من المتوقع أن تقوم ثورة زراعية أخرى قائمة على الهندسة الوراثية النباتية؛ تزيد من إنتاجية النبات، وبالتالي تقلل من معدلات سوء التغذية العالمي؛ حيث في سبعينيات القرن الماضي، امتلك علماء الأحياء الجزيئية الوسائل للتغيير في المادة الوراثية للنبات بهدف تحسين قدرتها على مقاومة الجفاف، والصقيع والأمراض، وزيادة كمية وجودة المحاصيل، وبعض الخصائص الأخرى المرغوبة، ولكن اتضح أن إجراء مثل تلك التغييرات أكثر تعقيدًا مما كان متوقع؛ ومع ذلك في المستقبل، يتوقع العلماء أن تقوم الهندسة الوراثية بتحسينات في عملية البناء الضوئي، وبالتالى زيادة كمية وجودة المحاصيل الزراعية بشكل هائل.

ومَرَّ نصف قرن تقريبًا، قبل تطور مفهوم الطاقة الكيميائية الذي سمح بشكل كافٍ لاكتشاف عام (1845) أن الطاقة الضوئية الصادرة من الشمس تُخزن كطاقة كيميائية في المواد الناتجة من عملية البناء الضوئي^(3).

اكتشاف عملية البناء الضوئي:

في عام (1771) بدأت دراسة عملية البناء الضوئي بملاحظات دُونت بواسطة رجل الدين، والعالم الإنجليزي (جوزيف بريستلي-Joseph Priestley)، حيث قام (بريستلي) بإشعال شمعة في وعاء مغلق، حتى فُقِد الهواء بداخل الوعاء، وفَقدَ القدرة على دعم عملية الاشتعال، ثم وضع غصنين من نبات النعناع في الوعاء؛ واكتشف بعد عدة أيام أن النعناع أنتج بعض المواد (والتي عُرفت فيما بعد بالأكسجين) التي مكنت الهواء المحصور بداخل الوعاء من استعادة قدرته على دعم عملية الاحتراق مرة أخرى.

وفي عام (1779) أضاف الطبيب الهولندي (يان إينخنهاوسز-Jan Ingenhousz) على تجربة بريستلي، أن النبات يجب أن يتعرض للضوء لكي تُستعاد المادة التي تساعد على الاشتعال (أي: الأكسجين)، كما وضح أيضًا أن هذه العملية تستلزم وجود الأنسجة الخضراء من النبات.

أما في عام (1782) تم إثبات أن المادة التي تساعد على الاشتعال هي غاز الأكسجين، والذي يتكَون على حساب غاز آخر وهو غار ثاني أكسيد الكربون.

وبعام (1804) أظهرت تجارب تبادل الغازات أن الزيادة في وزن النبات تكون نتيجة لامتصاص الكربون، الذي يأتي بشكل كامل من ثاني أكسيد الكربون الممتص من الهواء، والماء الممتص بواسطة جذور النباتات، وفي مقابل ذلك يخرج النبات غاز الأكسجين إلى الغلاف الجوي^(3).

عملية البناء الضوئي كيميائيًا:

يُعد البناء الضوئي عملية أكسدة واختزال تنشط بالضوء؛ حيث يُقصد بالأكسدة (oxidation) عملية فقدان الجزيء إلكترونات، أما الاختزال (reduction) هو عملية اكتساب الجزيء لإلكترونات.

في عملية البناء الضوئي تُستخدم طاقة الضوء في أكسدة الماء (H₂O)؛ منتجة بذلك غاز الأكسجين (O₂)، وأيونات هيدروجين (⁺H)، وإلكترونات، معظم تلك الإلكترونات وأيونات الهيدروجين تنتقل بشكل نهائي إلى غاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂)، والذي يتم اختزاله لمركبات عضوية، بينما تستخدم بقية تلك الإلكترونات والأيونات لاختزال النترات والكبريتات إلى مجموعات الأمين (NH₂-) والثيول (SH-) بالأحماض الأمينية؛ التي تُعد المكون الأساسي للبروتينات، وفي أغلب الخلايا الخضراء تعتبر الكربوهيدرات -خاصةً النشا وسكر السكروز- من أهم النواتج العضوية الرئيسية لعملية البناء الضوئي⁽³⁾.

ولا تتمثل عملية البناء الضوئي في تفاعل كيميائي واحد فقط، بل هي عبارة عن مجموعة من التفاعلات الكيمائية؛ يمكن إيجازها بالمعادلة الآتية⁽⁴⁾:

6CO₂ + 6H₂O + light → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

 

البلاستيدات الخضراء:

 

تحدث تفاعلات عملية التمثيل الضوئي في مناطق مختلفة من البلاستيدات الخضراء (chloroplast)؛ حيث يوجد الكلوروفيل، وتتواجد البلاستيدات الخضراء في (النسيج الوسطي-mesophyll) لأوراق النباتات، ويوجد عادة حوالي (30-40) بلاستيدة لكل خلية بالنسيج الوسطي، وتمتلك البلاستيدة الخضراء غلافًا خارجيًّا وداخليًّا، وبينهما مساحة فارغة، ويوجد بداخل البلاستيدة مجموعات من (الثايلاكويد -thylakoids) تسمى: (جرانا-grana)؛ ويحتوي الثايلاكويد على الكلوروفيل اللازم لعملية البناء الضوئي، وتمتلك البلاستيدة أيضًا سائلًا داخليًّا كثيفًا يدعى النخاع أو (ستروما-stroma)؛ يتواجد بداخله الريبوسومات، والإنزيمات، والحمض النووي للبلاستيدات الخضراء^(6).

الكلوروفيل:

كان كُلٌّ من (جوزيف كافينتو-Joseph Bienaimé Caventou)، و(بيير جوزيف بيليتييه-Pierre Joseph Pelletier) أول من قاما بعزل وتسمية الكلوروفيل عام (1817).

ويعتبر (الكلوروفيل-Chlorophyll) هو العامل الرئيس في عملية البناء الضوئي، على الرغم من مشاركة الصبغات الكاروتينية الأخرى (carotenoid pigments)؛ حيث إنه يقوم بجمع الطاقة الشمسية اللازمة لعملية البناء الضوئي.

والكلوروفيل هو الاسم الذي يطلق على مجموعة من جزيئات الصبغة الخضراء التي توجد بالنباتات، والطحالب، والبكتيريا الزرقاء، وبعض الكائنات الحية الدقيقة الأخرى بما في ذلك الخلايا بدائية النواة.

ويُشتق مصطلح الكلوروفيل  من الكلمات اليونانية (chloros)، وتعني الأخضر، و(phyllon) وتعني الورقة.

ويُعد كُلٌّ من الكلوروفيل من النوع (a) عبارة عن إستر أزرق أسود اللون صيغته الكيميائية (C₅₅H₇₂MgN₄O₅)، والكلوروفيل من النوع (b)، وهو إستر أخضر داكن اللون صيغته الكيميائية (C₅₅H₇₀MgN₄O₆)؛ هما النوعان الأكثر شيوعًا في الكلوورفيل.

وهناك أنواع أخرى مثل: (c1، وc2، وd، وf)، وتمتلك أنواع الكلوروفيل المتعددة سلاسل جانبية، وروابط كيميائية مختلفة، لكن جميعها تشترك في وجود حلقة صبغة (الكلورين-chlorin) التي تحتوي على أيون الماغنسيوم في مركزها^(5)(4).

 

كيف تحدث عملية البناء الضوئي؟

• فى النباتات، تحدث عادة عملية البناء الضوئي في الأوراق؛ حيث تعتبر هي المكان المناسب الذي يتمكن فيه النبات من الحصول على المواد الخام اللازمة لعملية البناء الضوئي. فيدخل خلالها ثاني أكسيد الكربون، ويخرج منها الأكسجين من خلال فتحات تسمى (الثغور-stomata)، وأيضًا يصل إليها الماء من الجذور بواسطة (النظام الوعائي-vascular system) للنبات، بالإضافة لحصولها على ضوء الشمس الممتص من كلوروفيل البلاستيدات الخضراء.
• تنقسم عملية البناء الضوئي إلى جزئين رئيسَيْن هما: تفاعلات تعتمد على الضوء (التفاعلات الضوئية)، والتي تحدث عند امتصاص الطاقة الشمسية لصنع جزيء (أدينوسين ثلاثي الفوسفات-ATP)؛ وتفاعلات مظلمة لا يعتمد حدوثها على وجود الضوء (التفاعلات اللاضوئية)، حيث تحدث عند استخدام (ATP) لصناعة الجلوكوز، وهو ما يسمى (دورة كالفن-Calvin Cycle).
• يشكل الكلوروفيل والكاروتينات الأخرى ما يسمى بالمتراكبات الهوائية، أو الضوئية (antenna complexes)؛ التي تنقل الطاقة الضوئية إلى مركز أحد نوعي التفاعلات الضوئية الكيميائية بالنبات وهما: (P700) وهو جزء من النظام الضوئي الأول (Photosystem I)؛ أو (P680) وهو جزء من النظام الضوئي الثاني (Photosystem II)، وتقع مراكز تلك التفاعلات الضوئية الكيميائية على غشاء الثايلاكويد بالبلاستيدات الخضراء.
• تقوم التفاعلات اللاضوئية بإنتاج الكربوهيدرات باستخدام (ATP) و(NADPH) اللذان تنتجهما التفاعلات الضوئية^(4).

التفاعلات الضوئية:

حيث يحول الضوء الممتص من الشمس، الماء إلى هيدروجين وأكسجين، كما يتضح بتلك المعادلة:

H₂O + light energy → ½ O₂ + 2H⁺ + 2 electrons

1. تستخدم الإلكترونات المثارة من النظام الضوئى الأول سلسلة نقل الإلكترون (electron transport chain) في اختزال المركز (P700) المؤكسَد، وتؤدي عملية التدفق الحلقي لتلك الإلكترونات، والتي تسمى الفسفرة الضوئية الحلقية (cyclic phosphorylation)، إلى إنتاج (ATP) و (P700).
2. تتدفق الإلكترونات المثارة من النظام الضوئي الأول إلى سلسلة نقل إلكترون مختلفة لإنتاج (NADPH) المستخدم في تخليق الكربوهيدرات، وتعتبر تلك العملية غير حلقية؛ حيث يُختزل فيها (P700) بواسطة إلكترون مثار من النظام الضوئي الثاني.
3. يتدفق إلكترون مثار في النظام الضوئي الثاني خلال سلسة نقل الإلكترونات في المركز (P680) المثار إلى الصورة المؤكسدة من (P700)؛ لتوليد قوة دفع بروتوني بين الستروما والثايلاكويدات لتخليق (ATP)، وتسمى تلك العملية الفسفرة الضوئية اللاحلقية.
4. يساهم الماء بالإلكترون المطلوب لاستعادة (P680) الذي تم اختزاله.
5. يُختزل كل جزيء من (⁺NADP) لتكوين (NADPH)؛ ويتم ذلك باستخدام إلكترونين وأربعة فوتونات، كما يتم أيضًا تكوين جزيئين (ATP م)^(4).

التفاعلات اللاضوئية:

لا تـتـطلب التفاعلات اللاضوئية أو المظلمة وجود الضوء، ولكن وجوده أيضًا لا يمنع حدوثها؛ حيث تحدث التفاعلات اللاضوئية لمعظم النباتات خلال فترة النهار، وتحدث تلك التفاعلات في ستروما البلاستيدات الخضراء، وتسمى هذه التفاعلات بدورة تثبيت الكربون (carbon fixation) أو دورة كالفن. في هذه التفاعلات، يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سكر باستخدام كُلٍّ من (ATP) و(NADPH)؛ حيث يشترك ثاني أكسيد الكربون مع سكر خماسي الكربون (سكر الريبوز) لتكوين سكر سداسي.

وينقسم السكر السداسي إلى جزئين من السكريات هما: الجلوكوز، والفركتوز؛ واللذان يمكن إستخدامهما لصناعة السكروز اللازم للنبات. ويستلزم هذا التفاعل (72) فوتون من الضوء⁽⁴⁾.

 

العوامل المؤثرة على كفاءة عملية البناء الضوئي

 

• الضوء، هو أحد أهم العوامل التي توثر على عملية البناء الضوئي من حيث:
  أ- شدة الضوء؛ فمع زيادته تزداد سرعة عملية البناء الضوئي حتى يحصل النبات على قدر حاجته من الضوء، بينما يصبح معدل عملية البناء الضوئي أبطأ مع انخفاض شدة الإضاءة.
  ب- جودة الضوء الذي يتعرض له النبات، حيث أثبتت التجارب أن الكلوروفيل يمتص الأطوال الموجية الحمراء والزرقاء بشكل أكثر كفاءة من الطَّيف الكامل للضوء؛ وبالتالي يبلغ معدل عملية البناء الضوئي أقصاه عندما يتعرض النبات لتلك الأطوال الموجية.
  ج- مدة التعرض للضوء، فكلما تعرَّض النبات للضوء لمدة أطول؛ أستمرت عملية البناء الضوئي لفترة أطول، وذلك في ظل ثبات درجة الحرارة.
• تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون، هو عامل آخر مهم يؤثر على كفاءة عملية البناء الضوئي. يتواجد عادةً ثاني أكسيد الكربون بتركيزات عالية في الهواء؛ لذلك تأثيره لا يبدو ملحوظًا جدًّا على عملية البناء الضوئي بإختلاف البيئات للنبات؛ ورغم ذلك، يعتبر تواجده ضروريًّا لإتمام العملية، ولكن بعد بلوغه تركيزًا معينًا في النبات، يبدأ بالتراكم داخله؛ مما يؤدى إلى إبطاء عملية البناء الضوئي. لذلك، الزيادة المفرطة من تركيزه يمكن أن تثبط من معدل عملية التمثيل الضوئي.
• درجة الحرارة، يوجد لكل تفاعل كيميائي وخاصة التفاعلات البيولوجية درجة حرارة مثالية؛ يصل التفاعل عندها لأعلى معدل ممكن.
  وتفاعلات عملية البناء الضوئي هي تفاعلات تحفزها الإنزيمات، وعندما تصل تلك الإنزيمات لدرجة الحرارة المثالية؛ يرتفع معدل عملية البناء الضوئي إلى أقصاه، ولكن ارتفاع درجات الحرارة عن تلك الدرجة المثالية، يمكن أن يؤدي إلى تحلل الإنزيمات؛ وبالتالي انخفاض معدل عملية البناء الضوئي، وربما توقفها نهائيًّا.
  لذلك؛ تعاني النباتات التي تنبت في الظروف القاسية من برودة عالية جدًّا، أو حرارة مرتفعة للغاية، ومع ذلك، فإن النباتات عادةً ما تستطيع التكيف مع الظُّروف المناخية المختلفة، وتحمل درجات الحرارة المتنوعة.
• الماء، يؤثر الماء أيضًا علََى عملية البناء الضوئي، ولكن تأثيره يعتبر بشكل غير مباشر أكثر منه مباشر.
  فعندما يقل منسوب المياه، يبدأ النبات في إغلاق ثغور أوراقه لتجنب فقد المياه أثناء عملية النتح (transpiration)، وبالتالي مع إغلاق ثغور النباتات سيتوقف امتصاص ثاني أكيد الكربون؛ مما سيؤثر على عملية البناء الضوئي.
• الأكسجين، حيث يؤثر أيضًا تواجده بتركيزات مثالية في زيادة كفاءة عملية البناء الضوئي^(10)(9)(8).

 

المصادر:

1. What is Photosynthesis [Internet]. Smithsonian Science Education Center. 2017 [cited 2020 May 5]. Available from: https://ssec.si.edu/stemvisions-blog/what-photosynthesis
2. Intro to photosynthesis (article) [Internet]. Khan Academy. [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.khanacademy.org/science/biology/photosynthesis-in-plants/introduction-to-stages-of-photosynthesis/a/intro-to-photosynthesis
3. photosynthesis | Importance, Process, Cycle, Reactions, & Facts | Britannica [Internet]. [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.britannica.com/science/photosynthesis
4. Learn All About Photosynthesis With This Study Guide [Internet]. ThoughtCo. [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.thoughtco.com/photosynthesis-basics-study-guide-608181
5. What Chlorophyll Is and Its Role in Photosynthesis [Internet]. ThoughtCo. [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.thoughtco.com/chlorophyll-definition-role-in-photosynthesis-4117432
6. Chloroplast: Definition, Structure, Function & Examples – Video & Lesson Transcript [Internet]. Study.com. [cited 2020 May 5]. Available from: https://study.com/academy/lesson/chloroplast-definition-structure-function-examples.html
7. What Thylakoids Are and How They Work [Internet]. ThoughtCo. [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.thoughtco.com/thylakoid-definition-and-function-4125710
8. Factors Affecting Photosynthesis: Blackman’s Principle, Questions, Videos [Internet]. Toppr-guides. 2018 [cited 2020 May 5]. Available from: https://www.toppr.com/guides/biology/photosynthesis-in-higher-plants/factors-affecting-photosynthesis/
9. Environmental Factors That Impact Photosynthesis – Video & Lesson Transcript | Study.com [Internet]. [cited 2020 May 5]. Available from: https://study.com/academy/lesson/environmental-factors-that-impact-photosynthesis.html
10. Rate of photosynthesis: limiting factors [Internet]. [cited 2020 May 5]. Available from: https://edu.rsc.org/download?ac=12620