ما هو التمثيل الضوئي أو لماذا العشب أخضر؟ تاريخ دراسة التمثيل الضوئي. باختصار لماذا تكون معظم الأوراق عريضة ومسطحة

التمثيل الضوئي هو عملية تستخدمها النباتات والطحالب وبعض البكتيريا لتسخير الطاقة من ضوء الشمس وتحويلها إلى طاقة كيميائية. توضح هذه المقالة المبادئ العامة لعملية التمثيل الضوئي وتطبيق التمثيل الضوئي لتطوير أنواع الوقود النظيف ومصادر الطاقة المتجددة.

هناك نوعان من عمليات التمثيل الضوئي: أكسجين البناء الضوئيو غير مؤكسد البناء الضوئي... المبادئ العامة لعملية التمثيل الضوئي غير المؤكسدة والأكسجين متشابهة للغاية ، ولكن الأكثر شيوعًا هو التمثيل الضوئي الأكسجين ، والذي لوحظ في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء.

أثناء عملية التمثيل الضوئي للأكسجين ، تسهل الطاقة الضوئية نقل الإلكترونات من الماء (H 2 O) إلى ثاني أكسيد الكربون (CO 2). ينتج التفاعل الأكسجين والهيدروكربونات.

التمثيل الضوئي الأكسجينيمكن أن يطلق عليها عملية معاكسة للتنفس يتم فيها امتصاص ثاني أكسيد الكربون الذي تنتجه جميع الكائنات الحية التي تتنفس ، وإطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.

من ناحية أخرى ، لا يتم استخدام الماء كمانح للإلكترون في عملية التمثيل الضوئي غير المؤكسدة. تُشاهد هذه العملية بشكل شائع في البكتيريا مثل البكتيريا الأرجواني وبكتيريا الكبريت الخضراء ، والتي توجد بشكل أساسي في البيئات المائية المختلفة.

مع التمثيل الضوئي غير المؤكسد ، لا يتم إنتاج الأكسجين ، ومن هنا جاء الاسم. تعتمد نتيجة التفاعل على المتبرع بالإلكترون. على سبيل المثال ، تستخدم العديد من البكتيريا كبريتيد الهيدروجين كمانح ، ونتيجة لعملية التمثيل الضوئي هذه ، يتشكل الكبريت الصلب.

على الرغم من أن كلا النوعين من التمثيل الضوئي عبارة عن عمليات معقدة ومتعددة الخطوات ، إلا أنه يمكن تمثيلها تقريبًا في شكل المعادلات الكيميائية أدناه.

التمثيل الضوئي الأكسجينمكتوب على النحو التالي:

6CO 2 + 12H 2 O + طاقة ضوئية → C 6 H 12 O 6 + 6O 2 + 6H 2 O

هنا ، تتحد ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع 12 جزيءًا من الماء (H2O) باستخدام الطاقة الضوئية. نتيجة للتفاعل ، يتم تكوين جزيء كربوهيدرات واحد (C6H12O6 أو جلوكوز) وستة جزيئات أكسجين وستة جزيئات ماء.

ردود فعل مختلفة بالمثل التمثيل الضوئي غير المؤكسديمكن تقديمها في شكل صيغة واحدة معممة:

CO 2 + 2H 2 A + طاقة ضوئية → + 2A + H 2 O

الحرف A في المعادلة متغير ويمثل H 2 A مانحًا محتملاً للإلكترون. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون A عبارة عن كبريت في كبريتيد الهيدروجين (H 2S).

جهاز التمثيل الضوئي

فيما يلي المكونات الخلوية المطلوبة لعملية التمثيل الضوئي.

أصباغ

أصباغهي جزيئات تعطي لونًا للنباتات والطحالب والبكتيريا ، ولكنها أيضًا مسؤولة عن التقاط أشعة الشمس بكفاءة. تمتص أصباغ بألوان مختلفة أطوال موجية مختلفة من الضوء. يتم عرض ثلاث مجموعات رئيسية أدناه.

• الكلوروفيلهي أصباغ خضراء قادرة على حبس الضوء الأزرق والأحمر. تحتوي الكلوروفيل على ثلاثة أنواع فرعية تسمى الكلوروفيل أ ، والكلوروفيل ب ، والكلوروفيل ج. يوجد الكلوروفيل أ في جميع نباتات التمثيل الضوئي. هناك أيضًا نوع بكتيري ، وهو الكلوروفيل البكتيري ، والذي يمتص الأشعة تحت الحمراء. توجد هذه الصبغة بشكل أساسي في بكتيريا الكبريت الأرجواني والأخضر ، والتي تقوم بعملية التمثيل الضوئي غير المؤكسدة.
• الكاروتيناتهي أصباغ حمراء أو برتقالية أو صفراء تمتص الضوء الأزرق والأخضر. من أمثلة الكاروتينات الزانثوفيل (الأصفر) والكاروتين (البرتقالي) ، مما يعطي الجزر لونه.
• فيكوبيلينهي أصباغ حمراء أو زرقاء تمتص أطوال موجية طويلة من الضوء لا يتم امتصاصها جيدًا بواسطة الكلوروفيل والكاروتينات. يمكن رؤيتها في البكتيريا الزرقاء والطحالب الحمراء.

صانعة

تحتوي كائنات حقيقية النواة التمثيل الضوئي على عضيات في السيتوبلازم تسمى البلاستيدات... تعتبر البلاستيدات التي تحتوي على غشاءين في النباتات والطحالب بلاستيدات أولية ، وتسمى البلاستيدات ذات الأغشية المتعددة الموجودة في العوالق بالبلاستيدات الثانوية ، وفقًا لمقال نشر في Nature Education بواسطة المؤلفين Chong Xin Chan و Debashish Bhattacharya ، وهما باحثان في جامعة روتجرز في نيوجيرسي.

تحتوي البلاستيدات عادة على أصباغ أو يمكنها تخزين العناصر الغذائية. تخزن كريات الدم البيضاء عديمة اللون وغير المصطبغة الدهون والنشا ، بينما تحتوي البلاستيدات الملونة على الكاروتينات والبلاستيدات الخضراء تحتوي على الكلوروفيل.

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ؛ على وجه الخصوص ، في مناطق الجرانا والسدى. جرانا عبارة عن حويصلات أو أغشية مسطحة مكدسة تسمى ثايلاكويدات. تم العثور على جميع الهياكل الضوئية في الحبيبات. هذا هو المكان الذي يحدث فيه نقل الإلكترونات. تشكل المساحات الفارغة بين أعمدة الجرانا السدى.

تشبه البلاستيدات الخضراء الميتوكوندريا ، مراكز الطاقة في الخلايا ، من حيث أن لديها جينومها الخاص ، أو مجموعة من الجينات الموجودة في الحمض النووي الدوري. هذه الجينات ترمز للبروتينات اللازمة للعضية والتمثيل الضوئي. مثل الميتوكوندريا ، يُعتقد أن البلاستيدات الخضراء قد تطورت من خلايا بكتيرية بدائية من خلال التعايش الداخلي.

الهوائيات

ترتبط جزيئات الصباغ بالبروتينات ، مما يسمح لها بالتحرك في اتجاه الضوء وباتجاه بعضها البعض. وفقًا لإصدار Wim Vermaas ، الأستاذ بجامعة ولاية أريزونا ، فإن مجموعة من 100-5000 جزيء صبغ هي " الهوائيات". تلتقط هذه الهياكل الطاقة الضوئية من الشمس على شكل فوتونات.

في النهاية ، يجب نقل الطاقة الضوئية إلى مركب البروتين الصباغ ، والذي يمكنه تحويلها إلى طاقة كيميائية على شكل إلكترونات. في النباتات ، على سبيل المثال ، يتم نقل الطاقة الضوئية إلى أصباغ الكلوروفيل. يحدث التحول إلى الطاقة الكيميائية عندما تزيح صبغة الكلوروفيل إلكترونًا ، والذي يمكن بعد ذلك نقله إلى المستلم المناسب.

مراكز رد الفعل

تُعرف الأصباغ والبروتينات التي تحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وتبدأ عملية نقل الإلكترون مراكز التفاعل.

عملية التمثيل الضوئي

تنقسم تفاعلات التمثيل الضوئي للنباتات إلى تفاعلات تتطلب وجود ضوء الشمس ولا تتطلب ذلك. يحدث كلا النوعين من التفاعلات في البلاستيدات الخضراء: تفاعلات تعتمد على الضوء في الثايلاكويدات وتفاعلات مستقلة عن الضوء في السدى.

تفاعلات تعتمد على الضوء (تفاعلات ضوئية)عندما يضرب فوتون من الضوء مركز التفاعل ويطلق جزيء الصباغ مثل الكلوروفيل إلكترونًا. في هذه الحالة ، لا ينبغي أن يعود الإلكترون إلى موضعه الأصلي ، وهذا ليس من السهل تجنبه ، لأن الكلوروفيل الآن به "ثقب إلكترون" يجذب الإلكترونات القريبة.

ينجح الإلكترون المحرر في "الهروب" من خلال التحرك على طول سلسلة النقل الإلكترونية ، والتي تولد الطاقة اللازمة للحصول على ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات ، وهو مصدر للطاقة الكيميائية للخلايا) و NADP. تمتلئ "فتحة الإلكترون" في صبغة الكلوروفيل الأصلية بالإلكترونات من الماء. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي.

ردود فعل مظلمة(وهي مستقلة عن وجود الضوء وتُعرف أيضًا باسم دورة كالفين). خلال التفاعلات المظلمة ، يتم إنتاج ATP و NADP ، وهما مصدران للطاقة. تتكون دورة كالفين من ثلاث مراحل من التفاعل الكيميائي: تثبيت الكربون والاختزال والتجديد. تستخدم هذه التفاعلات الماء والمواد الحفازة. تكون ذرات الكربون من ثاني أكسيد الكربون "ثابتة" عندما يتم دمجها في جزيئات عضوية ، والتي تشكل في النهاية كربوهيدرات ثلاثية الكربون (سكريات خفيفة). ثم تُستخدم هذه السكريات لصنع الجلوكوز أو يُعاد تدويرها لإعادة بدء دورة كالفين.

التمثيل الضوئي في المستقبل. استخدام التمثيل الضوئي

تعد كائنات التمثيل الضوئي وسيلة محتملة لإنتاج وقود نظيف مثل الهيدروجين أو حتى الميثان. في الآونة الأخيرة ، طبقت مجموعة بحثية في جامعة توركو في فنلندا قدرة الطحالب الخضراء على إنتاج الهيدروجين. يمكن أن تنتج الطحالب الخضراء الهيدروجين في غضون ثوان إذا تعرضت لأول مرة لغياب الضوء والأكسجين ثم تعرضت للضوء. طور الفريق طريقة لتمديد إنتاج الهيدروجين من الطحالب لمدة تصل إلى ثلاثة أيام ، كما ورد في منشور عام 2018 في مجلة Energy & Environmental Science.

كما قطع العلماء خطوات واسعة في عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي. على سبيل المثال ، طورت مجموعة من الباحثين من جامعة كاليفورنيا في بيركلي نظامًا اصطناعيًا لالتقاط ثاني أكسيد الكربون باستخدام أسلاك نانوية شبه موصلة والبكتيريا. إن الجمع بين مجموعة من الأسلاك النانوية الماصة للضوء المتوافقة حيوياً مع مجموعة محددة من البكتيريا ، باستخدام طاقة ضوء الشمس ، يحول ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أو بوليمرات. نشر فريق من العلماء مشروعهم في عام 2015 في مجلة Nano Letters.

في عام 2016 ، نشر علماء من نفس المجموعة دراسة في مجلة Science ، والتي وصفت نظامًا آخر للبناء الضوئي الاصطناعي حيث تم استخدام بكتيريا تم إنشاؤها خصيصًا لإنتاج الوقود السائل باستخدام ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون. بشكل عام ، يمكن للنباتات استخدام 1٪ فقط من طاقة الشمس واستخدامها أثناء عملية التمثيل الضوئي لإنتاج مركبات عضوية. في المقابل ، تمكن نظام التمثيل الضوئي الاصطناعي من استخدام 10٪ من الطاقة الشمسية لإنتاج مركبات عضوية.

يساعد البحث عن العمليات الطبيعية مثل التمثيل الضوئي العلماء على تطوير طرق جديدة لتسخير مختلف مصادر الطاقة المتجددة. تستخدم النباتات والبكتيريا ضوء الشمس على نطاق واسع في عملية التمثيل الضوئي ، لذا فإن التمثيل الضوئي الاصطناعي يعد خطوة منطقية لإنشاء وقود صديق للبيئة.

استخدمت المقالة مواد من موقع Livescience.com

(شوهد 1663 | شاهد اليوم 1)

أفضل النباتات الداخلية التي تنقي الهواء

البناء الضوئيهي عملية تخليق مواد عضوية من مواد غير عضوية بسبب طاقة الضوء. في الغالبية العظمى من الحالات ، يتم إجراء التمثيل الضوئي بواسطة النباتات باستخدام عضيات الخلية مثل البلاستيدات الخضراءتحتوي على صبغة خضراء الكلوروفيل.

إذا لم تكن النباتات قادرة على تصنيع المواد العضوية ، فلن يكون لدى جميع الكائنات الحية الأخرى على الأرض تقريبًا ما تتغذى عليه ، لأن الحيوانات والفطريات والعديد من البكتيريا لا يمكنها تصنيع المواد العضوية من المواد غير العضوية. إنهم يمتصون فقط المواد الجاهزة ، ويقسمونها إلى أبسط ، ثم يجمعون منها مرة أخرى معقدة ، لكنهم يميزون أجسامهم بالفعل.

هذا هو الحال إذا تحدثنا عن التمثيل الضوئي ودوره باختصار شديد. لفهم عملية التمثيل الضوئي ، عليك أن تقول المزيد: ما هي المواد غير العضوية المحددة المستخدمة ، وكيف يتم التوليف؟

يتطلب التمثيل الضوئي مادتين غير عضويتين - ثاني أكسيد الكربون (CO 2) والماء (H 2 O). الأول يمتص من الهواء عن طريق الأجزاء الهوائية للنباتات بشكل رئيسي من خلال الثغور. الماء - من التربة ، حيث يتم إيصاله إلى خلايا التمثيل الضوئي عن طريق نظام توصيل النبات. أيضًا ، يتطلب التمثيل الضوئي طاقة الفوتونات (hν) ، لكن لا يمكن عزوها إلى المادة.

في المجموع ، ينتج التمثيل الضوئي مادة عضوية وأكسجين (O 2). عادةً ما يشار إلى المادة العضوية بالجلوكوز (C 6 H 12 O 6).

تتكون المركبات العضوية في الغالب من ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين. هم الموجودون في ثاني أكسيد الكربون والماء. ومع ذلك ، أثناء عملية التمثيل الضوئي ، يتم إطلاق الأكسجين. ذراته مأخوذة من الماء.

باختصار وبشكل عام ، عادة ما تتم كتابة معادلة تفاعل التمثيل الضوئي على النحو التالي:

6CO 2 + 6H 2 O → C 6 H 12 O 6 + 6O 2

لكن هذه المعادلة لا تعكس جوهر التمثيل الضوئي ، ولا تجعلها مفهومة. انظر ، على الرغم من أن المعادلة متوازنة ، إلا أنها تحتوي على 12 ذرة في الأكسجين الحر ، لكننا قلنا أنها تأتي من الماء ، وهناك 6 ذرات فقط.

في الواقع ، يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين. الأول يسمى ضوءوالثاني هو داكن... ترجع هذه الأسماء إلى حقيقة أن الضوء مطلوب فقط لمرحلة الضوء ، فإن المرحلة المظلمة مستقلة عن وجودها ، لكن هذا لا يعني أنها تذهب في الظلام. تحدث المرحلة الضوئية على أغشية البلاستيدات الخضراء ، المرحلة المظلمة - في سدى البلاستيدات الخضراء.

في مرحلة الضوء ، لا يحدث أي ارتباط بـ CO 2. لا يوجد سوى التقاط الطاقة الشمسية بواسطة مجمعات الكلوروفيل ، وتخزينها في ATP ، واستخدام الطاقة لتقليل NADP إلى NADP * H 2. يتم توفير تدفق الطاقة من الكلوروفيل الذي يثيره الضوء عن طريق الإلكترونات التي تنتقل عبر سلسلة نقل الإلكترون من الإنزيمات المضمنة في أغشية الثايلاكويد.

يتم أخذ الهيدروجين لـ NADP من الماء ، والذي يتحلل تحت تأثير أشعة الشمس إلى ذرات الأكسجين وبروتونات الهيدروجين والإلكترونات. هذه العملية تسمى التحلل الضوئي... الأكسجين من الماء ليس ضروريًا لعملية التمثيل الضوئي. تتحد ذرات الأكسجين من جزيئين من الماء لتكوين الأكسجين الجزيئي. معادلة التفاعل لمرحلة الضوء من التمثيل الضوئي هي باختصار كما يلي:

H 2 O + (ADP + F) + NADP → ATP + NADP * H 2 + ½O 2

وبالتالي ، يتم إطلاق الأكسجين أثناء المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي. يمكن أن يختلف عدد جزيئات ATP المُصنَّعة من ADP وحمض الفوسفوريك لكل تحلل ضوئي لجزيء ماء واحد: واحد أو اثنان.

لذلك ، يدخل ATP و NADP * H 2 في المرحلة المظلمة من مرحلة الضوء. هنا يتم إنفاق طاقة الأول والقوة المختزلة للثاني على ارتباط ثاني أكسيد الكربون. لا يمكن تفسير هذه المرحلة من التمثيل الضوئي ببساطة وإيجازًا ، لأنها لا تسير بالطريقة التي تتحد بها ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون مع الهيدروجين المنطلق من جزيئات NADP * H 2 لتكوين الجلوكوز:

6CO 2 + 6 NADP * H 2 → C 6 H 12 O 6 + 6 NADP
(يستمر التفاعل مع إنفاق طاقة ATP ، والتي تتحلل إلى ADP وحمض الفوسفوريك).

رد الفعل أعلاه ليس سوى تبسيط مفرط لتسهيل الفهم. في الواقع ، ترتبط جزيئات ثاني أكسيد الكربون واحدة تلو الأخرى ، وترتبط بالمادة العضوية الجاهزة المكونة من خمسة كربون. يتم تكوين مادة عضوية غير مستقرة من ستة كربون ، والتي تتحلل إلى جزيئات كربوهيدرات ثلاثية الكربون. تُستخدم بعض هذه الجزيئات لإعادة تركيب مادة الخمسة كربون الأصلية لربط ثاني أكسيد الكربون. يتم توفير إعادة التركيب هذه دورة كالفين... تغادر أقلية من جزيئات الكربوهيدرات ثلاثية الكربون الدورة. يتم تصنيع جميع المواد العضوية الأخرى (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات) منها ومن مواد أخرى.

في الواقع ، يتم إطلاق سكريات ثلاثية الكربون ، وليس الجلوكوز ، من المرحلة المظلمة لعملية التمثيل الضوئي.

حياة الإنسان ، مثل كل أشكال الحياة على الأرض ، مستحيلة بدون التنفس. نستنشق الأكسجين من الهواء ونخرج ثاني أكسيد الكربون. لكن لماذا لا ينفد الأكسجين؟ اتضح أن الهواء في الغلاف الجوي يتغذى باستمرار بالأكسجين. ويحدث هذا التشبع على وجه التحديد بسبب التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي بسيط ومباشر!

الجميع ملزمون بفهم ما هو التمثيل الضوئي. للقيام بذلك ، لا تحتاج إلى كتابة صيغ معقدة على الإطلاق ، يكفي أن تفهم أهمية وسحر هذه العملية.

تلعب النباتات الدور الرئيسي في عملية التمثيل الضوئي - العشب والأشجار والشجيرات. في أوراق النباتات ، حدث تحول مذهل لثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين منذ ملايين السنين ، وهو أمر ضروري جدًا للحياة لأولئك الذين يحبون التنفس. دعنا نحاول تفكيك عملية التمثيل الضوئي بأكملها بالترتيب.

1. تأخذ النباتات الماء من التربة مع المعادن المذابة فيها - النيتروجين والفوسفور والمنغنيز والبوتاسيوم والأملاح المختلفة - أكثر من 50 عنصرًا كيميائيًا مختلفًا في المجموع. تحتاجه النباتات للتغذية. لكن من الأرض ، تتلقى النباتات 1/5 فقط من المواد الضرورية. البقية 4/5 يخرجون من فراغ!

2. تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الهواء. نفس ثاني أكسيد الكربون الذي نتنفسه كل ثانية. تتنفس النباتات ثاني أكسيد الكربون مثلك تمامًا وأنا أتنفس الأكسجين. لكن هذا لا يكفى.

3. عنصر لا غنى عنه في المختبر الطبيعي هو ضوء الشمس. تثير أشعة الشمس في أوراق النباتات تفاعلًا كيميائيًا غير عادي. كيف يحدث هذا؟

4. توجد مادة مدهشة في أوراق النباتات- الكلوروفيل... الكلوروفيل قادر على التقاط تيارات أشعة الشمس ومعالجة المياه الناتجة بلا كلل ، والعناصر النزرة ، وثاني أكسيد الكربون إلى مادة عضوية ضرورية لكل كائن حي على كوكبنا. في هذه اللحظة ، تطلق النباتات الأكسجين في الغلاف الجوي! هذا هو عمل الكلوروفيل الذي يسميه العلماء كلمة معقدة - البناء الضوئي.

يمكن تحميل عرض تقديمي حول موضوع التمثيل الضوئي على البوابة التعليمية

فلماذا العشب أخضر؟

الآن بعد أن علمنا أن الخلايا النباتية تحتوي على الكلوروفيل ، من السهل جدًا الإجابة على هذا السؤال. ليس من دون سبب أن يُترجم الكلوروفيل من اللغة اليونانية القديمة إلى "الورقة الخضراء". بالنسبة لعملية التمثيل الضوئي ، يستخدم الكلوروفيل جميع أشعة الشمس ماعدا اللون الأخضر. نرى العشب وأوراق النبات خضراء على وجه التحديد لأن الكلوروفيل يتحول إلى اللون الأخضر.

أهمية التمثيل الضوئي.

لا يمكن المبالغة في تقدير أهمية التمثيل الضوئي - فبدون عملية التمثيل الضوئي ، سيتراكم الكثير من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي لكوكبنا ، ولن تتمكن معظم الكائنات الحية ببساطة من التنفس وستموت. ستتحول أرضنا إلى كوكب هامد. من أجل منع حدوث ذلك ، يجب على كل شخص على كوكب الأرض أن يتذكر أننا مدينون جدًا للنباتات.

هذا هو السبب في أهمية إنشاء أكبر عدد ممكن من المتنزهات والمساحات الخضراء في المدن. حماية التايغا والغابة من الدمار. أو مجرد زرع شجرة بجوار منزلك. أو عدم كسر الفروع. فقط مشاركة كل شخص على كوكب الأرض ستساعد في الحفاظ على الحياة على كوكب الأرض.

لكن أهمية التمثيل الضوئي لا تقتصر على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين. نتيجة لعملية التمثيل الضوئي تشكلت طبقة الأوزون في الغلاف الجوي ، والتي تحمي الكوكب من الأشعة فوق البنفسجية الضارة. النباتات هي غذاء لمعظم الكائنات الحية على الأرض. الغذاء الضروري والصحي. تعتبر القيمة الغذائية للنباتات أيضًا ميزة لعملية التمثيل الضوئي.

في الآونة الأخيرة ، تم استخدام الكلوروفيل بنشاط في الطب. لقد عرف البشر منذ زمن طويل أن الحيوانات المريضة تأكل غريزيًا الأوراق الخضراء للشفاء. وجد العلماء أن الكلوروفيل مشابه لمادة في خلايا الدم البشرية وقادر على صنع المعجزات.

تحصل النباتات من البيئة على كل ما تحتاجه للنمو والتطور. هذه هي الطريقة التي تختلف بها عن الكائنات الحية الأخرى. من أجل تطويرها بشكل جيد ، هناك حاجة إلى تربة خصبة وري طبيعي أو صناعي وإضاءة جيدة. لن ينمو شيء في الظلام.

التربة هي مصدر للمياه والمكونات العضوية المغذية والعناصر النزرة. لكن الأشجار والزهور والأعشاب تحتاج أيضًا إلى الطاقة الشمسية. تحت تأثير أشعة الشمس تحدث تفاعلات معينة ، ونتيجة لذلك يتحول ثاني أكسيد الكربون ، الممتص من الهواء ، إلى أكسجين. هذه العملية تسمى التمثيل الضوئي. ينتج التفاعل الكيميائي الذي يحدث عند التعرض لأشعة الشمس أيضًا الجلوكوز والماء. هذه المواد حيوية لنمو النبات.

بلغة الكيميائيين ، يبدو التفاعل كما يلي: 6CO2 + 12H2O + light = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O. شكل مبسط للمعادلة: ثاني أكسيد الكربون + ماء + ضوء = جلوكوز + أكسجين + ماء.

تتم ترجمة "التمثيل الضوئي" حرفيًا على أنه "مع الضوء". تتكون هذه الكلمة من كلمتين بسيطتين "الصورة" و "التركيب". الشمس مصدر قوي جدا للطاقة. يستخدمه الناس لتوليد الكهرباء وعزل المنازل وتسخين المياه. تحتاج النباتات أيضًا إلى الطاقة من الشمس للحفاظ على الحياة. الجلوكوز الناتج عن عملية التمثيل الضوئي هو سكر بسيط يعد أحد أهم العناصر الغذائية. تستخدمه النباتات للنمو والتطور ، ويترسب الفائض في الأوراق والبذور والفواكه. لا يبقى كل الجلوكوز دون تغيير في الأجزاء الخضراء من النباتات والفواكه. تميل السكريات البسيطة إلى التحول إلى أنواع أكثر تعقيدًا ، والتي تشمل النشا. يتم استهلاك احتياطيات النباتات هذه خلال فترات نقص العناصر الغذائية. هم الذين يحددون القيمة الغذائية للأعشاب والفواكه والزهور والأوراق للحيوانات والأشخاص الذين يأكلون الأطعمة النباتية.

كيف تمتص النباتات الضوء

عملية التمثيل الضوئي معقدة للغاية ، ولكن يمكن وصفها بإيجاز بحيث تصبح مفهومة حتى بالنسبة للأطفال في سن المدرسة. أحد الأسئلة الأكثر شيوعًا يتعلق بآلية امتصاص الضوء. كيف تدخل الطاقة الضوئية إلى النباتات؟ تتم عملية التمثيل الضوئي في الأوراق. توجد في أوراق جميع النباتات خلايا خضراء - البلاستيدات الخضراء. تحتوي على مادة تسمى الكلوروفيل. الكلوروفيل هو الصباغ الذي يعطي الأوراق لونها الأخضر وهو مسؤول عن امتصاص الطاقة الضوئية. كثير من الناس لم يفكروا في سبب اتساع أوراق معظم النباتات واستواءها. اتضح أن الطبيعة قدمت هذا لسبب ما. يسمح لك السطح العريض بامتصاص المزيد من ضوء الشمس. للسبب نفسه ، يتم تصنيع الألواح الشمسية بشكل واسع ومسطّح.

الجزء العلوي من الأوراق محمي بطبقة شمعية (بشرة) من فقدان الماء والآثار الضارة للطقس والآفات. يطلق عليه الحاجز. إذا نظرت عن كثب إلى الورقة ، يمكنك أن ترى أن الجانب العلوي أكثر إشراقًا وأكثر سلاسة. يتم الحصول على لون غني بسبب وجود المزيد من البلاستيدات الخضراء في هذا الجزء. يمكن للضوء الزائد أن يقلل من قدرة النبات على إنتاج الأكسجين والجلوكوز. يتلف الكلوروفيل من خلال التعرض لأشعة الشمس الساطعة وهذا يبطئ عملية التمثيل الضوئي. يحدث التباطؤ أيضًا مع وصول الخريف ، عندما يقل الضوء ، وتبدأ الأوراق في التحول إلى اللون الأصفر بسبب تدمير البلاستيدات الخضراء فيها.

لا يمكن التقليل من دور الماء في التمثيل الضوئي وحياة النبات. الماء ضروري من أجل:

• إمداد النباتات بالمعادن المذابة فيها ؛
• الحفاظ على النغمة
• تبريد؛
• إمكانية التفاعلات الكيميائية والفيزيائية.

تمتص الأشجار والشجيرات والزهور الماء من التربة عن طريق الجذور ، ثم ترتفع الرطوبة على طول الساق ، وتمر في الأوراق على طول الأوردة ، والتي يمكن رؤيتها حتى بالعين المجردة.

يدخل ثاني أكسيد الكربون من خلال ثقوب صغيرة في الجزء السفلي من الورقة - الثغور. في الجزء السفلي من الورقة ، يتم ترتيب الخلايا بحيث يمكن لثاني أكسيد الكربون أن يتغلغل بعمق أكبر. كما أنه يسمح للأكسجين الناتج أثناء عملية التمثيل الضوئي بمغادرة الورقة بسهولة. مثل جميع الكائنات الحية ، تتمتع النباتات بالقدرة على التنفس. علاوة على ذلك ، على عكس الحيوانات والبشر ، فإنهم يمتصون ثاني أكسيد الكربون ويطلقون الأكسجين ، وليس العكس. حيث يوجد العديد من النباتات ، يكون الهواء نقيًا ومنعشًا جدًا. هذا هو السبب في أهمية العناية بالأشجار والشجيرات ووضع الساحات والحدائق في المدن الكبيرة.

مراحل الضوء والظلام لعملية التمثيل الضوئي

عملية التمثيل الضوئي معقدة وتتكون من مرحلتين - الضوء والظلام. مرحلة الضوء ممكنة فقط في وجود ضوء الشمس. تحت تأثير الضوء ، تتأين جزيئات الكلوروفيل ، مما يؤدي إلى تكوين الطاقة ، والتي تعمل كمحفز للتفاعل الكيميائي. يبدو ترتيب الأحداث في هذه المرحلة كما يلي:

• يضرب الضوء جزيء الكلوروفيل ، الذي يمتصه الصباغ الأخضر ويحوله إلى حالة مثارة ؛
• يحدث انقسام الماء.
• يتم تصنيع ATP ، وهو مركب للطاقة.

تحدث المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي دون مشاركة الطاقة الضوئية. في هذه المرحلة ، يتكون الجلوكوز والأكسجين. من المهم أن نفهم أن تكوين الجلوكوز والأكسجين يحدث على مدار الساعة ، وليس فقط في الليل. تسمى المرحلة المظلمة لأن وجود الضوء لم يعد ضروريًا لتدفقه. المحفز هو ATP ، والذي تم تصنيعه في وقت سابق.

أهمية التمثيل الضوئي في الطبيعة

يعتبر التمثيل الضوئي أحد أهم العمليات الطبيعية. من الضروري ليس فقط دعم الحياة النباتية ، ولكن أيضًا لجميع أشكال الحياة على هذا الكوكب. التمثيل الضوئي ضروري من أجل:

• تزويد الحيوانات والأشخاص بالطعام ؛
• إزالة ثاني أكسيد الكربون والأكسجين في الهواء ؛
• الحفاظ على دورة المغذيات.

تعتمد جميع النباتات على معدل التمثيل الضوئي. يمكن اعتبار الطاقة الشمسية عاملاً يحفز النمو أو يثبطه. على سبيل المثال ، يوجد الكثير في المناطق والمناطق الجنوبية من الشمس ويمكن أن تنمو النباتات طويلة جدًا. إذا نظرنا في كيفية حدوث العملية في النظم البيئية المائية ، على سطح البحار ، لا يوجد نقص في ضوء الشمس في المحيطات ويلاحظ نمو وفير للطحالب في هذه الطبقات. في الطبقات العميقة من المياه ، هناك نقص في الطاقة الشمسية ، مما يؤثر على معدل نمو النباتات المائية.

تساهم عملية التمثيل الضوئي في تكوين طبقة الأوزون في الغلاف الجوي. هذا مهم للغاية ، لأنه يساعد في حماية جميع أشكال الحياة على الكوكب من الآثار الضارة للأشعة فوق البنفسجية.

البناء الضوئيهو تخليق المركبات العضوية في أوراق النباتات الخضراء من الماء وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي باستخدام الطاقة الشمسية (الضوئية) التي يمتصها الكلوروفيل في البلاستيدات الخضراء.

بفضل عملية التمثيل الضوئي ، يتم التقاط طاقة الضوء المرئي وتحويلها إلى طاقة كيميائية ، ويتم تخزينها (تخزينها) في المواد العضوية المتكونة أثناء عملية التمثيل الضوئي.

يمكن اعتبار تاريخ اكتشاف عملية التمثيل الضوئي 1771. لفت العالم الإنجليزي ج. بريستلي الانتباه إلى التغيير في تكوين الهواء بسبب النشاط الحيوي للحيوانات. في وجود النباتات الخضراء ، أصبح الهواء مناسبًا للتنفس وللحرق. بعد ذلك ، وجد عمل عدد من العلماء (J. كانت هذه العملية في عام 1877 هي التي أطلق عليها العالم الألماني دبليو فيفر اسم التمثيل الضوئي. كان قانون حفظ الطاقة ، الذي صاغه ر.ماير ، ذا أهمية كبيرة للكشف عن جوهر التمثيل الضوئي. في عام 1845 ، طرح R. Mayer افتراضًا مفاده أن الطاقة التي تستخدمها النباتات هي طاقة الشمس ، والتي تحولها النباتات إلى طاقة كيميائية أثناء عملية التمثيل الضوئي. تم تطوير هذا الموقف وتأكيده تجريبياً في دراسات العالم الروسي الرائع K.A. Timiryazev.

الدور الرئيسي لكائنات التمثيل الضوئي:

1) تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة الروابط الكيميائية للمركبات العضوية ؛

2) تشبع الغلاف الجوي بالأكسجين ؛

نتيجة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم تكوين 150 مليار طن من المواد العضوية على الأرض ويتم إطلاق حوالي 200 مليار طن من الأكسجين الحر سنويًا. يمنع زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، ويمنع ارتفاع درجة حرارة الأرض (تأثير الاحتباس الحراري).

يحمي الغلاف الجوي الناتج عن عملية التمثيل الضوئي الكائنات الحية من الأشعة فوق البنفسجية قصيرة الموجة المدمرة (شاشة الأكسجين والأوزون في الغلاف الجوي).

يتم تحويل 1-2 ٪ فقط من الطاقة الشمسية إلى محصول النباتات الزراعية ؛ الخسائر بسبب عدم اكتمال امتصاص الضوء. لذلك ، هناك احتمال كبير لزيادة الغلة بسبب اختيار الأصناف ذات الكفاءة العالية في التمثيل الضوئي ، وإنشاء بنية محصول مواتية لامتصاص الضوء. في هذا الصدد ، أصبح تطوير الأسس النظرية للتحكم في التمثيل الضوئي أمرًا ملحًا بشكل خاص.

أهمية التمثيل الضوئي هائلة. دعنا نلاحظ فقط أنه يوفر الوقود (الطاقة) والأكسجين الجوي الضروري لوجود جميع الكائنات الحية. ومن ثم ، فإن دور التمثيل الضوئي هو دور كوكبي.

يتم تحديد الطبيعة الكوكبية لعملية التمثيل الضوئي أيضًا من خلال حقيقة أنه بفضل دوران الأكسجين والكربون (بشكل أساسي) يتم الحفاظ على التكوين الحديث للغلاف الجوي ، والذي بدوره يحدد الحفاظ على الحياة على الأرض. يمكن القول كذلك أن الطاقة المخزنة في منتجات التمثيل الضوئي هي في الأساس المصدر الرئيسي للطاقة التي تمتلكها البشرية الآن.

رد الفعل الكلي لعملية التمثيل الضوئي

كو 2 + ح 2 O = (CH 2 O) + O 2 .

يتم وصف كيمياء التمثيل الضوئي بالمعادلات التالية:

التمثيل الضوئي - مجموعتان من ردود الفعل:

مرحلة الضوء (يعتمد على إضاءة)

المرحلة المظلمة (يعتمد على درجة الحرارة).

كلا المجموعتين من ردود الفعل تستمر في وقت واحد

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء للنباتات الخضراء.

يبدأ التمثيل الضوئي بالتقاط وامتصاص الضوء بواسطة صبغة الكلوروفيل ، الموجودة في البلاستيدات الخضراء لخلايا النباتات الخضراء.

هذا يكفي لتغيير طيف الامتصاص للجزيء.

يمتص جزيء الكلوروفيل الفوتونات في البنفسجي والأزرق ، ثم في الجزء الأحمر من الطيف ، ولا يتفاعل مع الفوتونات في الجزء الأخضر والأصفر من الطيف.

لذلك ، يبدو الكلوروفيل والنباتات خضراء - فهي ببساطة لا تستطيع استخدام الأشعة الخضراء بأي شكل من الأشكال وتتركها تمشي في العالم (مما يجعلها أكثر خضرة).

توجد أصباغ التمثيل الضوئي على الجانب الداخلي من غشاء الثايلاكويد.

يتم تنظيم الأصباغ في أنظمة الصور(مجالات هوائي لالتقاط الضوء) - تحتوي على 250-400 جزيء من أصباغ مختلفة.

يتكون نظام الصور من:

مركز رد الفعلأنظمة ضوئية (جزيء الكلوروفيل أ)،

جزيئات الهوائي

جميع الأصباغ في نظام الصور قادرة على نقل طاقة الحالة المثارة إلى بعضها البعض. يتم نقل طاقة الفوتون التي يمتصها جزيء صبغي واحد أو آخر إلى جزيء مجاور حتى تصل إلى مركز التفاعل. عندما يصبح نظام الرنين الخاص بمركز التفاعل متحمسًا ، فإنه ينقل إلكترونين متحمسين إلى جزيء المستقبل وبالتالي يتأكسد ويكتسب شحنة موجبة.

في النباتات:

نظام الصور 1(أقصى امتصاص للضوء بطول موجة 700 نانومتر - P700)

نظام الصور 2(أقصى امتصاص للضوء بطول موجة 680 نانومتر - P680

ترجع الاختلافات في الامتصاص الأمثل إلى اختلافات طفيفة في بنية الأصباغ.

يعمل النظامان جنبًا إلى جنب ، مثل ناقل من قطعتين يسمى الفسفرة الضوئية غير الدورية .

المعادلة الموجزة ل الفسفرة الضوئية غير الدورية:

Ф - تعيين رمزي لبقايا حمض الفوسفوريك

تبدأ الدورة بنظام الصور 2.

1) جزيئات الهوائي تلتقط فوتونًا وتنقل الإثارة إلى جزيء من المركز النشط P680 ؛

2) يعطي جزيء P680 المثير إلكترونين للعامل المساعد Q ، بينما يتأكسد ويكتسب شحنة موجبة ؛

العامل المساعد(العامل المساعد). الإنزيم أو أي مادة أخرى مطلوبة ليعمل الإنزيم

الإنزيمات المساعدة (الإنزيمات المساعدة)[من خط العرض. co (cum) - معًا والإنزيمات] ، مركبات عضوية ذات طبيعة غير بروتينية ، تشارك في التفاعل الإنزيمي كمستقبلات للذرات الفردية أو المجموعات الذرية ، مشقوقًا بواسطة الإنزيم من جزيء الركيزة ، أي لتنفيذ العمل التحفيزي للإنزيمات. هذه المواد ، على عكس مكون البروتين في الإنزيم (إنزيم) ، لها وزن جزيئي منخفض نسبيًا ، وكقاعدة عامة ، قابلة للحرارة. في بعض الأحيان ، تعني الإنزيمات المساعدة أي مواد منخفضة الجزيئات ، تكون مشاركتها ضرورية لإظهار العمل التحفيزي للإنزيم ، بما في ذلك الأيونات ، على سبيل المثال. K + و Mg 2+ و Mn 2+. العروض موجودة. في المركز النشط للإنزيم ومع الركيزة والمجموعات الوظيفية للمركز النشط تشكل معقدًا نشطًا.

من أجل إظهار النشاط التحفيزي ، تتطلب معظم الإنزيمات وجود إنزيم. الاستثناء هو الإنزيمات المتحللة للماء (على سبيل المثال ، البروتياز والليباز والريبونوكلياز) ، والتي تؤدي وظيفتها في غياب الإنزيم المساعد.

يتم تقليل الجزيء بواسطة P680 (بفعل الإنزيمات). في هذه الحالة ، يتفكك الماء إلى بروتونات و الأكسجين الجزيئي ،أولئك. الماء هو مانح للإلكترون يوفر تجديد الإلكترون في P 680.

التحلل الضوئي ماء- انقسام جزيء الماء ، ولا سيما أثناء عملية التمثيل الضوئي. بسبب التحلل الضوئي للماء ، يتكون الأكسجين ، الذي تطلقه النباتات الخضراء في الضوء.