5.1: نظرة عامة على التمثيل الضوئي

Last updated
Save as PDF

Page ID: 191555

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

تتكون جميع الكائنات الحية على الأرض من خلية واحدة أو أكثر. تعمل كل خلية على الطاقة الكيميائية الموجودة أساسًا في جزيئات الكربوهيدرات (الطعام)، ويتم إنتاج غالبية هذه الجزيئات من خلال عملية واحدة: التمثيل الضوئي. من خلال عملية التمثيل الضوئي، تقوم بعض الكائنات الحية بتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية، والتي يتم استخدامها بعد ذلك لبناء جزيئات الكربوهيدرات. يتم إطلاق الطاقة المستخدمة لتثبيت هذه الجزيئات معًا عندما يقوم الكائن الحي بتكسير الطعام. ثم تستخدم الخلايا هذه الطاقة لأداء العمل، مثل التنفس الخلوي.

تدخل الطاقة التي يتم تسخيرها من عملية التمثيل الضوئي النظم البيئية لكوكبنا باستمرار ويتم نقلها من كائن حي إلى آخر. لذلك، بشكل مباشر أو غير مباشر، توفر عملية التمثيل الضوئي معظم الطاقة التي تتطلبها الكائنات الحية على الأرض. يؤدي التمثيل الضوئي أيضًا إلى إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. باختصار، في تناول الطعام والتنفس، يعتمد البشر بشكل شبه كامل على الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

مفهوم في العمل

انقر فوق الارتباط التالي لمعرفة المزيد عن التمثيل الضوئي.

الاعتماد على الطاقة الشمسية وإنتاج الغذاء

يمكن لبعض الكائنات الحية إجراء عملية التمثيل الضوئي، بينما لا يستطيع البعض الآخر ذلك. الأوتوتروف هو كائن حي يمكنه إنتاج طعامه الخاص. تعني الجذور اليونانية لكلمة autotroph «self» (auto) «وحدة التغذية» (troph). النباتات هي أشهر النباتات الذاتية، ولكن توجد أنواع أخرى، بما في ذلك أنواع معينة من البكتيريا والطحالب (الشكل\(\PageIndex{1}\)). تساهم الطحالب المحيطية بكميات هائلة من الغذاء والأكسجين في سلاسل الغذاء العالمية. النباتات هي أيضًا فوتوتوتروفات، وهو نوع من الأوتوتروف يستخدم ضوء الشمس والكربون من ثاني أكسيد الكربون لتجميع الطاقة الكيميائية في شكل كربوهيدرات. تتطلب جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ضوء الشمس.

تظهر الصورة a ورقة السرخس الخضراء. تُظهر الصورة ب رصيفًا بارزًا في جسم كبير من الماء الساكن؛ والمياه القريبة من الرصيف ملونة باللون الأخضر مع الطحالب المرئية. الصورة c عبارة عن صورة مجهرية للبكتيريا الزرقاء. — **الشكل\(\PageIndex{1}\):** (أ) النباتات، (ب) الطحالب، و (ج) بكتيريا معينة، تسمى البكتيريا الزرقاء، هي عبارة عن فوتوتوتروفات يمكنها إجراء عملية التمثيل الضوئي. يمكن أن تنمو الطحالب على مساحات شاسعة من الماء، وفي بعض الأحيان تغطي السطح بالكامل. (المصدر: ستيف هيلبراند، دائرة الأسماك والحياة البرية في الولايات المتحدة؛ المرجع ب: «التغذية بالمغذيات ونقص الأكسجة» /فليكر؛ الائتمان ج: وكالة ناسا؛ بيانات المقياس من مات راسل)

الكائنات غير المتجانسة هي كائنات حية غير قادرة على التمثيل الضوئي وبالتالي يجب أن تحصل على الطاقة والكربون من الطعام عن طريق استهلاك كائنات حية أخرى. تعني الجذور اليونانية لكلمة heterotroph «أخرى» (hetero) «مغذي» (تروف)، مما يعني أن طعامها يأتي من كائنات حية أخرى. حتى لو كان الكائن الغذائي حيوانًا آخر، فإن هذا الطعام يرجع أصوله إلى الأوتوتروفات وعملية التمثيل الضوئي. البشر كائنات متغايرة، وكذلك جميع الحيوانات. تعتمد الأشكال غير المتجانسة على الأوتوتروفات، إما بشكل مباشر أو غير مباشر. الغزلان والذئاب هي كائنات غير متجانسة. يحصل الغزلان على الطاقة من خلال تناول النباتات. يحصل الذئب الذي يأكل غزالًا على الطاقة التي جاءت في الأصل من النباتات التي يأكلها هذا الغزلان. جاءت الطاقة في النبات من عملية التمثيل الضوئي، وبالتالي فهي الأوتوتروف الوحيدة في هذا المثال (الشكل\(\PageIndex{2}\)). باستخدام هذا المنطق، ترتبط جميع الأطعمة التي يتناولها البشر أيضًا بالأوتوتروفات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

تُظهر هذه الصورة غزالًا يركض عبر العشب الطويل على حافة الغابة. — **الشكل\(\PageIndex{2}\):** تمر الطاقة المخزنة في جزيئات الكربوهيدرات من عملية التمثيل الضوئي عبر السلسلة الغذائية. يحصل المفترس الذي يأكل هذه الغزلان على الطاقة التي نشأت في نباتات التمثيل الضوئي التي استهلكتها الغزلان. (تصوير: ستيف فان ريبر، خدمة الأسماك والحياة البرية الأمريكية)

علم الأحياء أثناء العمل: التمثيل الضوئي في متجر البقالة

يتم تنظيم متاجر البقالة الرئيسية في الولايات المتحدة في أقسام، مثل منتجات الألبان واللحوم والمنتجات والخبز والحبوب وما إلى ذلك. يحتوي كل ممر على المئات، إن لم يكن الآلاف، من المنتجات المختلفة للعملاء لشرائها واستهلاكها (الشكل\(\PageIndex{3}\)).

تُظهر هذه الصورة أشخاصًا يتسوقون في متجر بقالة — **الشكل\(\PageIndex{3}\):** التمثيل الضوئي هو أصل المنتجات التي تشكل العناصر الرئيسية للنظام الغذائي البشري. (مصدر: الرابطة البرازيلية للسوبر ميركادوس)

على الرغم من وجود تنوع كبير، فإن كل عنصر يرتبط مرة أخرى بعملية التمثيل الضوئي. ترتبط اللحوم ومنتجات الألبان بعملية التمثيل الضوئي لأن الحيوانات كانت تتغذى على الأطعمة النباتية. تأتي أنواع الخبز والحبوب والمعكرونة إلى حد كبير من الحبوب، وهي بذور نباتات التمثيل الضوئي. ماذا عن الحلويات والمشروبات؟ تحتوي جميع هذه المنتجات على السكر - جزيء الكربوهيدرات الأساسي الذي يتم إنتاجه مباشرة من عملية التمثيل الضوئي. تنطبق علاقة التمثيل الضوئي على كل وجبة وكل طعام يستهلكه الشخص.

الهياكل الرئيسية وملخص التمثيل الضوئي

يتطلب التمثيل الضوئي ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء كتفاعلات أولية (الشكل\(\PageIndex{4}\)). بعد اكتمال العملية، تطلق عملية التمثيل الضوئي الأكسجين وتنتج جزيئات الكربوهيدرات، وهي الأكثر شيوعًا الجلوكوز. تحتوي جزيئات السكر هذه على الطاقة التي تحتاجها الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة.

تُظهر هذه الصورة شجرة. تشير السهام إلى أن الشجرة تستخدم ثاني أكسيد الكربون والماء وضوء الشمس لصنع السكريات وإطلاق الأكسجين. — **الشكل\(\PageIndex{4}\):** يستخدم التمثيل الضوئي الطاقة الشمسية وثاني أكسيد الكربون والماء لإطلاق الأكسجين وإنتاج جزيئات السكر المخزنة للطاقة.

يمكن تلخيص التفاعلات المعقدة لعملية التمثيل الضوئي بالمعادلة الكيميائية الموضحة في الشكل\(\PageIndex{5}\).

تظهر معادلة التمثيل الضوئي. وفقًا لهذه المعادلة، تنتج ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات ماء جزيء سكر واحد وجزيء أكسجين واحد. يتكون جزيء السكر من 6 كربونات و 12 هيدروجين و 6 أكسجين. يستخدم ضوء الشمس كمصدر للطاقة. — **الشكل\(\PageIndex{5}\):** يمكن تمثيل عملية التمثيل الضوئي بمعادلة، حيث ينتج ثاني أكسيد الكربون والماء السكر والأكسجين باستخدام الطاقة من أشعة الشمس.

على الرغم من أن المعادلة تبدو بسيطة، إلا أن الخطوات العديدة التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي معقدة للغاية في الواقع، كما هو الحال في الطريقة التي يمثل بها التفاعل الذي يلخص التنفس الخلوي العديد من التفاعلات الفردية. قبل معرفة تفاصيل كيفية تحويل الفوتوتروفات الضوئية لضوء الشمس إلى طعام، من المهم التعرف على الهياكل المادية المعنية.

في النباتات، تتم عملية التمثيل الضوئي بشكل أساسي في الأوراق، والتي تتكون من طبقات عديدة من الخلايا ولها جوانب علوية وسفلية متباينة. لا تحدث عملية التمثيل الضوئي على الطبقات السطحية للورقة، بل في طبقة وسطى تسمى الميزوفيل (الشكل\(\PageIndex{6}\)). يحدث التبادل الغازي لثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال فتحات صغيرة منظمة تسمى الثغور.

في جميع حقيقيات النواة ذاتية التغذية، تتم عملية التمثيل الضوئي داخل عضية تسمى الكلوروبلاست. في النباتات، توجد خلايا تحتوي على الكلوروبلاست في الميزوفيل. تحتوي البلاستيدات الخضراء على غشاء مزدوج (داخلي وخارجي). يوجد داخل الكلوروبلاست غشاء ثالث يشكل هياكل مكدسة على شكل قرص تسمى ثيلاكويدات. يوجد في غشاء ثيلاكويد جزيئات الكلوروفيل، وهي صبغة (جزيء يمتص الضوء) تبدأ من خلالها عملية التمثيل الضوئي بأكملها. الكلوروفيل مسؤول عن اللون الأخضر للنباتات. يحيط غشاء الثيلاكويد بمساحة داخلية تسمى مساحة الثيلاكويد. تشارك أنواع أخرى من الأصباغ أيضًا في عملية التمثيل الضوئي، لكن الكلوروفيل هو الأكثر أهمية إلى حد بعيد. كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{6}\)، يُطلق على كومة من الثيلاكويدات اسم الغرانوم، والمساحة المحيطة بالجرانوم تسمى السدى (لا ينبغي الخلط بينها وبين الثغور، والفتحات الموجودة على الأوراق).

آرت كونيكشن

يُظهر الجزء العلوي من هذا الرسم التوضيحي مقطع عرضي للأوراق. في المقطع العرضي، يقع الميزوفيل بين البشرة العلوية والبشرة السفلية. يحتوي الميزوفيل على جزء علوي بخلايا مستطيلة محاذية في صف واحد، وجزء سفلي بخلايا بيضاوية الشكل. توجد فتحة تسمى الثغور في البشرة السفلية. يُظهر الجزء الأوسط من هذا الرسم التوضيحي خلية نباتية بها فجوة مركزية بارزة ونواة وريبوسومات وميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء. يُظهر الجزء السفلي من هذا الرسم الإيضاحي البلاستيدات المكلورة، التي تحتوي بداخلها على أكوام من الأغشية تشبه الفطائر. — **الشكل\(\PageIndex{6}\):** لا تقوم جميع خلايا الورقة بعملية التمثيل الضوئي. تحتوي الخلايا الموجودة داخل الطبقة الوسطى من الورقة على البلاستيدات الخضراء التي تحتوي على جهاز التمثيل الضوئي. (ورقة الائتمان: تعديل عمل كوري زانكر)

في يوم حار وجاف، تغلق النباتات ثقومها للحفاظ على المياه. ما تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟

الجزءان من عملية التمثيل الضوئي

تتم عملية التمثيل الضوئي على مرحلتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء ودورة Calvin. في التفاعلات المعتمدة على الضوء، والتي تحدث في غشاء ثيلاكويد، 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 Calvin، التي تحدث في السدى، تؤدي الطاقة الكيميائية المشتقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى التقاط الكربون في جزيئات ثاني أكسيد الكربون والتجميع اللاحق لجزيئات السكر. يستخدم التفاعلان الجزيئات الحاملة لنقل الطاقة من واحدة إلى أخرى. يمكن اعتبار الناقلات التي تنقل الطاقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى تفاعلات دورة Calvin على أنها «ممتلئة» لأنها تجلب الطاقة. بعد إطلاق الطاقة، تعود حاملات الطاقة «الفارغة» إلى التفاعلات المعتمدة على الضوء للحصول على المزيد من الطاقة.

ملخص

أدت عملية التمثيل الضوئي إلى تغيير الحياة على الأرض. من خلال تسخير الطاقة من الشمس، سمح التمثيل الضوئي للكائنات الحية بالوصول إلى كميات هائلة من الطاقة. بسبب التمثيل الضوئي، حصلت الكائنات الحية على إمكانية الوصول إلى الطاقة الكافية، مما سمح لها بتطوير هياكل جديدة وتحقيق التنوع البيولوجي الواضح اليوم.

يمكن فقط لكائنات معينة، تسمى الأوتوتروفس، إجراء عملية التمثيل الضوئي؛ فهي تتطلب وجود الكلوروفيل، وهو صبغة متخصصة يمكنها امتصاص الضوء وتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لتجميع جزيئات الكربوهيدرات (عادة الجلوكوز) وإطلاق الأكسجين في الهواء. تحتوي الكائنات الذاتية حقيقية النواة، مثل النباتات والطحالب، على عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء التي تتم فيها عملية التمثيل الضوئي.

اتصالات فنية

الشكل\(\PageIndex{6}\): في يوم حار وجاف، تغلق النباتات ثقومها للحفاظ على المياه. ما تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟

إجابة: ستنخفض مستويات ثاني أكسيد الكربون (مادة متفاعلة)، وسترتفع مستويات الأكسجين (المنتج). ونتيجة لذلك، سيتباطأ معدل التمثيل الضوئي.

مسرد المصطلحات

أوتوتروف: كائن حي قادر على إنتاج طعامه الخاص

كلوروفيل: الصبغة الخضراء التي تلتقط الطاقة الضوئية التي تدفع تفاعلات التمثيل الضوئي

كلوروبلاست: العضية التي تتم فيها عملية التمثيل الضوئي

غرانوم: كومة من الثيلاكويدات الموجودة داخل كلوروبلاست

عدم التغاير: كائن حي يستهلك كائنات حية أخرى من أجل الغذاء

رد فعل يعتمد على الضوء: المرحلة الأولى من التمثيل الضوئي حيث يتم امتصاص الضوء المرئي لتشكيل جزيئين حاملين للطاقة (ATP و NADPH)

الميزوفيل: الطبقة الوسطى من الخلايا في الورقة

فوتوتوتروف: كائن حي قادر على تصنيع جزيئات الطعام الخاصة به (تخزين الطاقة)، باستخدام طاقة الضوء

صبغ: جزيء قادر على امتصاص الطاقة الضوئية

ستوما: الفتحة التي تنظم تبادل الغازات وتنظيم المياه بين الأوراق والبيئة؛ صيغة الجمع: الثغور

سدى: المساحة المليئة بالسوائل المحيطة بالجرانا داخل البلاستيدات الخضراء حيث تحدث تفاعلات دورة كالفن لعملية التمثيل الضوئي

ثيلاكويد: هيكل غشائي على شكل قرص داخل البلاستيدات الخضراء حيث تحدث تفاعلات التمثيل الضوئي المعتمدة على الضوء باستخدام الكلوروفيل المضمن في الأغشية

المساهمون والصفات

Template:ContribOpenStaxConcepts