الاعتماد على الشمس وإنتاج الغذاء

يمكن لبعض الكائنات الحية أن تقوم بالتمثيل الضوئي، بينما لا تستطيع أخرى ذلك. ذاتي التغذية (autotroph) هو كائن حي يمكنه إنتاج غذائه بنفسه. الجذور اليونانية لكلمة autotroph تعني "ذاتي" (auto) "التغذية" (troph). النباتات هي أشهر ذاتيات التغذية، ولكن توجد كائنات أخرى، بما في ذلك أنواع معينة من البكتيريا والطحالب (شكل 5.2). تساهم الطحالب المحيطية بكميات هائلة من الغذاء والأكسجين في السلاسل الغذائية العالمية. النباتات هي أيضًا ذاتيات التغذية الضوئية (photoautotrophs)، وهي نوع من ذاتيات التغذية يستخدم ضوء الشمس والكربون من ثاني أكسيد الكربون لتخليق الطاقة الكيميائية على شكل كربوهيدرات. تتطلب جميع الكائنات الحية التي تقوم بالتمثيل الضوئي ضوء الشمس.

شكل 5.2 (أ) النباتات، (ب) الطحالب، و (ج) أنواع معينة من البكتيريا، تسمى البكتيريا الزرقاء، هي ذاتيات تغذية ضوئية يمكنها القيام بالتمثيل الضوئي. يمكن للطحالب أن تنمو على مساحات شاسعة في الماء، وتغطي السطح بالكامل في بعض الأحيان. (المصدر أ: ستيف هيليبراند، خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية؛ المصدر ب: "eutrophication&hypoxia"/Flickr؛ المصدر ج: NASA؛ بيانات شريط القياس من مات راسل)

غيريات التغذية (heterotrophs) هي كائنات حية غير قادرة على التمثيل الضوئي، وبالتالي يجب أن تحصل على الطاقة والكربون من الغذاء عن طريق استهلاك كائنات حية أخرى. الجذور اليونانية لكلمة heterotroph تعني "آخر" (hetero) "التغذية" (troph)، مما يعني أن غذاءها يأتي من كائنات حية أخرى. حتى لو كان الكائن الحي الذي يُستهلك حيوانًا آخر، فإن هذا الغذاء يعود في أصوله إلى ذاتيات التغذية وعملية التمثيل الضوئي. البشر من غيريات التغذية، وكذلك جميع الحيوانات. تعتمد غيريات التغذية على ذاتيات التغذية، إما بشكل مباشر أو غير مباشر. الغزلان والذئاب من غيريات التغذية. يحصل الغزال على الطاقة عن طريق أكل النباتات. يحصل الذئب الذي يأكل غزالًا على طاقة جاءت في الأصل من النباتات التي أكلها ذلك الغزال. جاءت الطاقة في النبات من التمثيل الضوئي، وبالتالي فهو ذاتي التغذية الوحيد في هذا المثال (شكل 5.3). باستخدام هذا المنطق، فإن جميع الأطعمة التي يتناولها البشر ترتبط أيضًا بذاتيات التغذية التي تقوم بالتمثيل الضوئي.

شكل 5.3 تنتقل الطاقة المخزنة في جزيئات الكربوهيدرات الناتجة عن التمثيل الضوئي عبر السلسلة الغذائية. يحصل المفترس الذي يأكل هذه الغزلان على طاقة نشأت في الغطاء النباتي الضوئي الذي استهلكته الغزلان. (المصدر: ستيف فانرايبر، خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية)

ربط بالحياة اليومية

التمثيل الضوئي في متجر البقالة

شكل 5.4 التمثيل الضوئي هو أصل المنتجات التي تشكل العناصر الرئيسية للنظام الغذائي البشري. (المصدر: Associação Brasileira de Supermercados)

تُنظَّم متاجر البقالة الكبرى في الولايات المتحدة في أقسام، مثل الألبان واللحوم والمنتجات الطازجة والخبز والحبوب وما إلى ذلك. يحتوي كل ممر على مئات، إن لم يكن آلاف، المنتجات المختلفة ليشتريها المستهلكون ويستهلكوها (شكل 5.4).

على الرغم من التنوع الكبير، فإن كل عنصر يرتبط بالتمثيل الضوئي. ترتبط اللحوم ومنتجات الألبان بالتمثيل الضوئي لأن الحيوانات تغذت على أطعمة نباتية. تأتي الخبز والحبوب والمعكرونة إلى حد كبير من الحبوب، وهي بذور النباتات الضوئية. ماذا عن الحلويات والمشروبات؟ تحتوي جميع هذه المنتجات على السكر - جزيء الكربوهيدرات الأساسي الذي ينتج مباشرة من التمثيل الضوئي. ينطبق ارتباط التمثيل الضوئي على كل وجبة وكل طعام يتناوله الشخص.

التراكيب الرئيسية وملخص التمثيل الضوئي

يتطلب التمثيل الضوئي ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء كمتفاعلات أولية (شكل 5.5). بعد اكتمال العملية، يطلق التمثيل الضوئي الأكسجين وينتج جزيئات الكربوهيدرات، وأكثرها شيوعًا هو الجلوكوز. تحتوي جزيئات السكر هذه على الطاقة التي تحتاجها الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة.

شكل 5.5 يستخدم التمثيل الضوئي الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون والماء لإطلاق الأكسجين وإنتاج جزيئات السكر المخزنة للطاقة.

يمكن تلخيص التفاعلات المعقدة للتمثيل الضوئي بالمعادلة الكيميائية الموضحة في شكل 5.6.

شكل 5.6 يمكن تمثيل عملية التمثيل الضوئي بمعادلة، حيث ينتج ثاني أكسيد الكربون والماء السكر والأكسجين باستخدام الطاقة من ضوء الشمس.

على الرغم من أن المعادلة تبدو بسيطة، إلا أن الخطوات العديدة التي تحدث أثناء التمثيل الضوئي معقدة للغاية في الواقع، تمامًا كما مثلت المعادلة التي تلخص التنفس الخلوي العديد من التفاعلات الفردية. قبل تعلم تفاصيل كيفية تحويل ذاتيات التغذية الضوئية ضوء الشمس إلى غذاء، من المهم التعرف على التراكيب الفيزيائية المعنية.

في النباتات، يحدث التمثيل الضوئي بشكل أساسي في الأوراق، التي تتكون من عدة طبقات من الخلايا ولها جوانب علوية وسفلية متمايزة. لا تحدث عملية التمثيل الضوئي على الطبقات السطحية للورقة، بل في طبقة وسطى تسمى النسيج المتوسط (الميزوفيل) (شكل 5.7). يحدث تبادل الغازات لثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال فتحات صغيرة ومنظمة تسمى الثغور (stomata).

في جميع حقيقيات النواة ذاتية التغذية، يحدث التمثيل الضوئي داخل عضية تسمى البلاستيدة الخضراء (chloroplast). في النباتات، توجد الخلايا التي تحتوي على البلاستيدات الخضراء في النسيج المتوسط. تحتوي البلاستيدات الخضراء على غشاء مزدوج (داخلي وخارجي). داخل البلاستيدة الخضراء يوجد غشاء ثالث يشكل تراكيب مكدسة على شكل أقراص تسمى الثايلاكويدات (thylakoids). توجد جزيئات الكلوروفيل (chlorophyll)، وهي صبغة (pigment) (جزيء يمتص الضوء) تبدأ من خلالها عملية التمثيل الضوئي بأكملها، مطمورة في غشاء الثايلاكويد. الكلوروفيل مسؤول عن اللون الأخضر للنباتات. يحيط غشاء الثايلاكويد بمساحة داخلية تسمى فراغ الثايلاكويد. تشارك أنواع أخرى من الأصباغ أيضًا في التمثيل الضوئي، لكن الكلوروفيل هو الأهم بلا منازع. كما هو موضح في شكل 5.7، تسمى كومة الثايلاكويدات حبيبة (غرانوم) (granum)، وتسمى المساحة المحيطة بالحبيبة اللُّحمة (ستروما) (stroma) (لا يجب الخلط بينها وبين الثغور، وهي الفتحات الموجودة على الأوراق).

ربط بصري

شكل 5.7 لا تقوم جميع خلايا الورقة بالتمثيل الضوئي. تحتوي الخلايا الموجودة داخل الطبقة الوسطى من الورقة على بلاستيدات خضراء، والتي تحتوي على جهاز التمثيل الضوئي. (المصدر "ورقة": تعديل لعمل كوري زانكر)

في يوم حار وجاف، تغلق النباتات ثغورها للحفاظ على الماء. ما هو تأثير ذلك على التمثيل الضوئي؟

جزئي التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء ودورة كالفن. في التفاعلات الضوئية (light-dependent reactions)، التي تحدث عند غشاء الثايلاكويد، يمتص الكلوروفيل الطاقة من ضوء الشمس ثم يحولها إلى طاقة كيميائية باستخدام الماء. تطلق التفاعلات المعتمدة على الضوء الأكسجين من التحلل المائي للماء كمنتج ثانوي. في دورة كالفن، التي تحدث في اللُّحمة (ستروما)، تدفع الطاقة الكيميائية المشتقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء كلاً من التقاط الكربون في جزيئات ثاني أكسيد الكربون والتجميع اللاحق لجزيئات السكر. تستخدم التفاعلان جزيئات حاملة لنقل الطاقة من أحدهما إلى الآخر. يمكن اعتبار الحوامل التي تنقل الطاقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى تفاعلات دورة كالفن "ممتلئة" لأنها تجلب الطاقة. بعد إطلاق الطاقة، تعود حوامل الطاقة "الفارغة" إلى التفاعلات المعتمدة على الضوء للحصول على المزيد من الطاقة. اكتشفت عملية التمثيل الضوئي ذات المرحلتين والموقعين جوان ماري أندرسون، التي قدم عملها المستمر على مدى العقود اللاحقة الكثير من فهمنا للعملية والأغشية والمواد الكيميائية المعنية.