عملية البناء الضوئي: كيف تحدث؟ وما أهميتها؟

تُعرف النباتات بأنها كائنات ذاتية التغذية (Autotrophs) لأن لديها القدرة على صنع غذائها بنفسها باستخدام الطاقة المستمدة من ضوء أشعة الشمس، وذلك من خلال عملية تُسمى بالبناء الضوئي (Photosynthesis)؛ وهي عملية تتم في جميع أنواع النباتات، والطحالب، وبعض الكائنات الحية الدقيقة، وعادةً ما تتم هذه العملية في أوراق النباتات الخضراء، فما هي عملية البناء الضوئي؟^[١]

عملية البناء الضوئي

فيما يلي ما يتعلق بعملية البناء الضوئي:

• تعرف عملية البناء الضوئي (Photosynthesis) أيضًا باسم عملية التمثيل الضوئي، أو التركيب الضوئي، وهي عبارة عن عملية طبيعية تعمل على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
• تعد عملية البناء الضوئي من أساسيات وجود الحياة على سطح الأرض، فمن دونها ستنعدم الحياة، حيث تساعد هذه العملية في توفير الطاقة اللازمة للتفاعلات الأيضية التي تلزم جميع الكائنات الحية للنمو، والتطور، والتكاثر؛ وذلك لأن الكائنات الحية لا تتمكن من استخدام الطاقة الضوئية مباشرة لتغذية احتياجاتها الأيضية، لذلك يتطلب تحويل هذه الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية عن طريق عملية البناء الضوئي.^[٢]
• المعادلة التي تمثل عملية البناء الضوئي هي؛ 6CO2 + 6H2O + Sun energy = C6H12O6 + 6O2.^[٢]

كيف تحدث عملية البناء الضوئي؟

شروط حدوث عملية البناء الضوئي

توجد العديد من الشروط الهامة لحدوث عملية البناء الضوئي، ودون هذه الشروط لا يمكن أن تتم هذه العملية، وتتمثل في؛ شدة الضوء، ودرجة الحرارة، ومستويات غاز ثاني أكسيد الكربون، وفيما يأتي تفصيل لهذه الشروط، ودورها في عملية البناء الضوئي:^[٣]

• شدة الضوء: الضوء هو العامل الأساسي والرئيسي لحدوث البناء الضوئي، إذ يقوم النبات بامتصاص الضوء من خلال صبغات الكلوروفيل الموجودة في الأوراق الخضراء، وعندما تعرض الأوراق إلى أشعة الشمس يزداد معدل البناء الضوئي، وعند مستوى معين من شدة إضاءة الشمس يتوقف معدل البناء الضوئي عن الزيادة، وعند تعرض النباتات إلى ضوء ذو شدة عالية فذلك يمكنه أن يتسبب في تلف خلايا النبات واحتراقها، ولهذا السبب تحتاج بعض أنواع النباتات إلى التعرض لأشعة الشمس بنسب مختلفة عن النباتات الأخرى.
• درجة الحرارة: تستخدم جميع المخلوقات الحية الهرمونات والإنزيمات لتحفيز المعادلات الكيميائية التي تحدث بداخلها، إذ تحتاج الإنزيمات لدرجة حرارة مناسبة لها لكي تعمل بكفاءة عالية وبشكل صحيح، ويصل متوسط درجات الحرارة الملائمة للنباتات ما بين 10-20 درجة مئوية، وذلك بالتأكيد يختلف بحسب نوع النبات، وفي درجات الحرارة المنخفضة جدًا لا تستطيع الإنزيمات القيام بعملها، وهذا يؤدي إلى التقليل من معدل البناء الضوئي، ويمكن أن تتلف هذه الإنزيمات أو تتعطل تمامًا في درجات الحرارة المرتفعة، مما يقلل من معدل التمثيل الحيوي بشكل حاد.
• مستويات ثاني أكسيد الكربون: يحتاج النبات إلى وجود ثاني أكسيد الكربون مع الماء لكي يقوم بصنع الجلوكوز، لذلك فمن المهم أن يكون مستوى ثاني أكسيد الكربون معتدلًا، ومن الجدير بالذكر أنه كلما زاد مستوى ثاني أكسيد الكربون يزداد معدل البناء الضوئي، وعلى العكس من درجة الحرارة أو أشعة الشمس فلا تتسبب الزيادة في مستويات ثاني أكسيد الكربون أيّ أضرار للنبات، فيأخذ النبات منه فقط بقدر ما يحتاجه، ولكنه يمكن أن يتسبب فقط بعدم القدرة على معالجة الجزيئات بشكل أسرع.

كيفية حدوث البناء الضوئي

فيما يأتي كيفية حدوث عملية البناء الضوئي:^[٤]

• بعد توفر المواد اللازمة لعملية البناء الضوئي، يدخل ثاني أكسيد الكربون من خلال فتحات صغيرة الحجم في أوراق النباتات، ويقوم بامتصاص الماء والمعادن من خلال الجذور للوصول إلى مصنع الغذاء وهو الورقة.
• ثم يتم استعمال الطاقة الموجودة في ضوء الشمس لتحويل هذه المواد والمدخلات إلى سكر، إذ يتم تقسيمه بواسطة الميتوكوندريا إلى طاقة يمكن استخدامها للنمو والغذاء عبر معادلة كيميائية معقدة ينتج منها الأكسجين الذي يتم إطلاقه من نفس الثقوب الصغيرة التي يدخل منها ثاني أكسيد الكربون، ومن الجدير بالذكر أنه من الممكن تخزين السكر الناتج من عملية البناء الضوئي في الثمار لاستخدامها لاحقاً.

نتائج عملية البناء الضوئي

إن غاز الأكسجين الذي تُطلقه النباتات إلى الخارج يعتبر أهم نتاج عملية البناء الضوئي، والكربوهيدرات التي تُعد مصدر طاقة النبات، كما تعد بعض المركبات الكربونية المعقدة ضرورية لنمو النبات وبقائه على قيد الحياة.^[٥]

تفاعلات البناء الضوئي

تتم عملية البناء الضوئي بمجموعتين من التفاعلات وهما؛ تفاعلات تعتمد بشكل مباشر على الضوء، ومجموعة أخرى لا تعتمد على الضوء، وعلى الرغم من ذلك إلا أن المجموعة التي لا تعتمد على الضوء سوف تتوقف عن عملها في حال لم تتعرض النبتة للضوء لفترة طويلة، ويعود السبب في ذلك إلى اعتمادها على نواتج تفاعلات الضوء، وفيما يأتي سيتم الحديث عن تفاعلات الضوء الظلام بالتفصيل:^[٦]

تفاعلات الضوء

تعتمد هذه التفاعلات على الأصباغ المختلفة التي تقوم بالتقاط طاقة الضوء؛ والتي تشمل كلًّا من أصباغ الكلوروفيل الخضراء، وأصباغ الكاروتينات الصفراء أو البرتقالية، حيث تقوم الكاروتينات بالتقاط الأمواج الطولية التي لا تتمكن أصباغ الكلوروفيل من التقاطها، ثم تقوم بنقلها إلى الكلوروفيل المسؤول عن التفاعلات الضوئية، وتتواجد هذه الأصباغ في أغشية الثايلاكويد مع عدد من البروتينات وناقلات الإلكترونات مشكلةً الأنظمة الضوئية من النوع الأول أو الثاني، بحيث يتكون وسط كل نظام من جزيء كلوروفيل يعرف بمركز التفاعل، وتقوم جميع الأصباغ الأخرى بجمع الطاقة وتمريرها إليه، وفيما يأتي الخطوات التي تمر بها الطاقة الضوئية في هذا النوع من التفاعلات:^[٦]

• يمتص مركز التفاعل الطاقة أو يستقبلها من الجزيئات الأخرى ليصبح زوجًا من إلكتروناته في حالة إثارة.
• يحمل زوج الإلكترونات هذا الطاقة المستقبلة ويمررها إلى جزيء مستقبل للإلكترونات.
• يسلك هذا الزوج سلسلة نقل إلكترون قصيرة إذا كان أصله نظام ضوئي من النوع الأول، بحيث يتم اختزال +NADP إلى NADPH، بينما يسلك هذا الزوج سلسلة نقل إلكترون طويلة إذا كان أصله من النوع الثاني، بحيث يمر بنظام ضوئي من النوع الأول أثناء السلسلة.
• تستخدم الطاقة المنبعثة من الإلكترونات خلال سلسلة النقل لتصنيع جزيئات ATP عن طريق عملية شبيهة بما تقوم به الميتوكندريا.
• يستعيد مركز التفاعل للأنظمة الضوئية من النوع الأول إلكتروناته من النوع الثاني، بينما يستعيد المركز من النوع الثاني إلكتروناته عن طريق كسر جزيئات الماء وأخذ زوج من الإلكترونات، الأمر الذي يؤدي إلى إطلاق الأكسجين أثناء التفاعل.

تفاعلات الظلام

تشكل دورة كالفين الجزء الرئيس من التفاعلات الضوئية المستقلة؛ أي المظلمة، وتتكون هذه الدورة من 13 تفاعلًا كيميائيًا، وتحدث هذه التفاعلات باستخدام عدد من الإنزيمات، والتي يمكن تلخيصها بثلاث عمليات أساسية كالآتي:^[٦]

• تفاعلات إضافة مجموعة الكربوكسيل: يتم دمج جزيء من ثاني أكسيد الكربون مع جزيء ريبولوز ثنائي الفوسفات لإنتاج جزيئي فوسفوجليسيرات بواسطة إنزيم يعرف باسم روبيسكو (RuBISCO).
• تفاعلات الاختزال: يتم استخدام جزيئات ATP وNADPH لتحويل الفوسفوجليسيرات إلى كربوهيدات عالية الطاقة.
• إعادة التصنيع: تمر الكربوهيدرات الناتجة من الاختزال بعدد من التفاعلات لتتم إعادة تصنيع الريبولوز ثنائي الفوسفات الذي بدأ فيه التفاعل.

أهمية البناء الضوئي

تعتبر هذه العملية من أهم العمليات الحيوية التي يقوم بها النبات لصناعة غذائه ذاتيًا ودون أيّ مساعدة خارجية، ولا تكمن أهمية هذه العملية في كونها تساعد النبات على صناعة الغذاء بنفسه فقط، بل يتعدى ذلك، وفيما يلي أبرز فوائد عملية البناء الضوئي:^[٧]

• تعد عملية البناء الضوئي المصدر الأساسي للأكسجين داخل الغلاف الجوي للكرة الأرضية.
• تساهم عملية البناء الضوئي في دورة الكربون الطبيعية بين الأرض، والمحيطات، والحيوانات، والنباتات.
• تكوّن عملية البناء الضوئي علاقة تكافلية بين الإنسان، والحيوان، والنبات.

العوامل التي تؤثر على عملية البناء الضوئي

فيما يأتي بعض من أهم العوامل المؤثرة في عملية البناء الضوئي:

• الإنزيمات: تساعد الإنزيمات على تحرير ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء، كما لها العديد من الوظائف الأخرى، فعلى سبيل المثال يعد إنزيم روبيسكو هو الإنزيم الأكثر وفرة في العالم؛ وذلك لاحتواء جميع النباتات التي تخضع لعملية البناء الضوئي على هذا الإنزيم، ومن أهم الإنزيمات الأخرى التي تساعد في عملية البناء الضوئي إنزيم السيتوكروم، وإنزيم فيروكسين.^[٨]
• الماء: تتطلب عملية البناء الضوئي كميات محدودة من الماء للحصول على معدلات عالية من عملية البناء الضوئي، حيث تساعد المياه على إبقاء ثغور أوراق النباتات مفتوحة؛ وذلك ليتبخر الماء من الأوراق إلى الغلاف الجوي، كما تسمح هذه الثغور بامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.^[٩]
• الأكسجين: يعد الأكسجين أحد العوامل المؤثرة في البناء الضوئي، حيث تتطلب عملية البناء الضوئي مستويات معينة من الأكسجين، ففي حال زاد مستوى تركيز الأكسجين إلى مستويات أعلى من المطلوب، فسوف يؤدي ذلك إلى كبح البناء الضوئي.^[١٠]