كل شيء عن عملية التمثيل الضوئي باختصار. التمثيل الضوئي: مرحلة الضوء والظلام

تحصل النباتات على الماء والمعادن من جذورها. توفر الأوراق التغذية العضوية للنباتات. على عكس الجذور، فهي ليست في التربة، ولكن في بيئة الهواءلذلك لا يقومون بتغذية التربة بل بالهواء.

من تاريخ دراسة التغذية الهوائية للنباتات

تراكمت المعرفة حول تغذية النبات تدريجياً.

منذ حوالي 350 عامًا، أجرى العالم الهولندي جان هيلمونت أول تجربة في دراسة تغذية النبات. قام بزراعة الصفصاف في وعاء من الطين مملوء بالتربة، مع إضافة الماء فقط. قام العالم بوزن الأوراق المتساقطة بعناية. وبعد خمس سنوات زادت كتلة الصفصاف مع الأوراق المتساقطة بمقدار 74.5 كجم، وانخفضت كتلة التربة بمقدار 57 جرامًا فقط، وبناءً على ذلك توصل هيلمونت إلى أن جميع المواد الموجودة في النبات لا تتشكل من التربة. ولكن من الماء. استمر الرأي القائل بأن حجم النبات يزداد فقط بسبب الماء حتى نهاية القرن الثامن عشر.

في عام 1771، درس الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي ثاني أكسيد الكربون، أو كما أسماه "الهواء الفاسد" وقام باكتشاف رائع. إذا أشعلت شمعة وغطتها غطاء زجاجيثم بعد أن يحترق قليلاً سوف ينطفئ.

يبدأ الفأر تحت هذا الغطاء بالاختناق. ومع ذلك، إذا قمت بوضع فرع النعناع تحت الغطاء بالماوس، فإن الماوس لا يختنق ويستمر في العيش. وهذا يعني أن النباتات "تصحح" الهواء المفسد بسبب تنفس الحيوانات، أي أنها تحول ثاني أكسيد الكربون إلى أكسجين.

في عام 1862، أثبت عالم النبات الألماني يوليوس ساكس من خلال التجارب أن النباتات الخضراء لا تبعث الأكسجين فحسب، بل تنتج أيضًا المواد العضوية، بمثابة غذاء لجميع الكائنات الحية الأخرى.

البناء الضوئي

الفرق الرئيسي بين النباتات الخضراء والكائنات الحية الأخرى هو وجود البلاستيدات الخضراء التي تحتوي على الكلوروفيل في خلاياها. يتمتع الكلوروفيل بخاصية التقاط الأشعة الشمسية التي تعتبر طاقتها ضرورية لإنتاج المواد العضوية. عملية تكوين المادة العضوية من ثاني أكسيد الكربونواستخدام الماء طاقة شمسيةتسمى عملية التمثيل الضوئي (باليونانية pbo1oz light). أثناء عملية التمثيل الضوئي، لا يتم تشكيل المواد العضوية فقط - السكريات، ولكن يتم إطلاق الأكسجين أيضًا.

ومن الناحية التخطيطية، يمكن تصوير عملية التمثيل الضوئي على النحو التالي:

تمتص الجذور الماء ويتحرك عبر النظام الموصل للجذور وينبع إلى الأوراق. ثاني أكسيد الكربون - عنصرهواء. يدخل الأوراق من خلال الثغور المفتوحة. يتم تسهيل امتصاص ثاني أكسيد الكربون من خلال بنية الورقة: السطح المسطح لشفرات الورقة، مما يزيد من مساحة التلامس مع الهواء، ووجود عدد كبيرالثغور في الجلد.

يتم تحويل السكريات المتكونة نتيجة لعملية التمثيل الضوئي إلى نشا. النشا مادة عضوية لا تذوب في الماء. يمكن اكتشاف Kgo بسهولة باستخدام محلول اليود.

دليل على تكوين النشا في الأوراق المعرضة للضوء

دعونا نثبت أن النشا في الأوراق الخضراء للنباتات يتكون من ثاني أكسيد الكربون والماء. وللقيام بذلك، فكر في تجربة أجراها يوليوس ساكس ذات مرة.

يتم الاحتفاظ بالنباتات المنزلية (إبرة الراعي أو زهرة الربيع) في الظلام لمدة يومين حتى يتم استخدام كل النشا في العمليات الحيوية. ثم يتم تغطية عدة أوراق من الجانبين بورق أسود بحيث لا يتم تغطية سوى جزء منها. خلال النهار، يتعرض النبات للضوء، وفي الليل يتم إضاءته بشكل إضافي باستخدام مصباح الطاولة.

بعد يوم يتم قطع الأوراق قيد الدراسة. لمعرفة الجزء الذي يتكون فيه النشا من الورقة، يتم غلي الأوراق في الماء (لتنتفخ حبيبات النشا) ثم تحفظ في الكحول الساخن (يذوب الكلوروفيل ويتغير لون الورقة). ثم يتم غسل الأوراق بالماء والعمل عليها حل ضعيفيودا. وهكذا فإن مساحات الأوراق التي تعرضت للضوء تكتسب لونًا أزرقًا نتيجة عمل اليود. وهذا يعني أن النشا قد تشكل في خلايا الجزء المضيء من الورقة. لذلك، تتم عملية التمثيل الضوئي فقط في الضوء.

دليل على الحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون لعملية التمثيل الضوئي

لإثبات أن ثاني أكسيد الكربون ضروري لتكوين النشا في الأوراق، نبات داخليمكيفة مسبقًا أيضًا في الظلام. ثم يتم وضع إحدى الأوراق في قارورة بها كمية كبيرةماء جير. القارورة مغلقة بقطعة قطن. تعرض النبات للضوء . يمتص ماء الجير ثاني أكسيد الكربون، لذلك لن يكون في القارورة. يتم قطع الورقة وفحصها للتأكد من وجود النشا، كما في التجربة السابقة. عمره في الماء الساخنوالكحول، ويعالج بمحلول اليود. ومع ذلك، في هذه الحالة، ستكون نتيجة التجربة مختلفة: لم يتم رسم الورقة لون ازرق، لأن لا يحتوي على النشا. لذلك، لتكوين النشا، بالإضافة إلى الضوء والماء، هناك حاجة إلى ثاني أكسيد الكربون.

وهكذا أجبنا على سؤال ما هو الغذاء الذي يستقبله النبات من الهواء. وقد أظهرت التجربة أنه ثاني أكسيد الكربون. وهو ضروري لتكوين المادة العضوية.

تسمى الكائنات الحية التي تنتج مواد عضوية بشكل مستقل لبناء أجسامها بـ autotrophamnes (السيارات اليونانية - نفسها ، الكأس - الغذاء).

دليل على إنتاج الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي

لإثبات ذلك خلال عملية التمثيل الضوئي للنباتات بيئة خارجيةأطلق الأكسجين، فكر في التجربة النباتات المائيةإلوديا. تُغمس براعم Elodea في وعاء من الماء وتُغطى بقمع في الأعلى. ضع أنبوب اختبار مملوء بالماء في نهاية القمع. يتعرض النبات للضوء لمدة يومين إلى ثلاثة أيام. في الضوء، تنتج إلوديا فقاعات غازية. تتراكم في الجزء العلوي من أنبوب الاختبار، مما يؤدي إلى إزاحة الماء. من أجل معرفة نوع الغاز، تتم إزالة أنبوب الاختبار بعناية وإدخال شظية مشتعلة فيه. يومض الشظية بشكل مشرق. وهذا يعني أن الأكسجين قد تراكم في القارورة، مما يدعم الاحتراق.

الدور الكوني للنباتات

النباتات التي تحتوي على الكلوروفيل قادرة على امتصاص الطاقة الشمسية. لذلك ك. وصف تيميريازيف دورهم على الأرض بأنه كوني. يمكن تخزين بعض الطاقة الشمسية المخزنة في المواد العضوية لفترة طويلة. يتكون الفحم والجفت والزيت من مواد كانت تنتجها النباتات الخضراء في العصور الجيولوجية القديمة وتمتص طاقة الشمس. ومن خلال حرق المواد الطبيعية القابلة للاحتراق، يطلق الإنسان الطاقة المخزنة منذ ملايين السنين بواسطة النباتات الخضراء.

التمثيل الضوئي (الاختبارات)

1. الكائنات التي تتكون منها مواد عضوية فقط من مواد عضوية:

1.غيرية التغذية

2.التغذية الذاتية

3.التغذية الكيميائية

4. ميكسوتروف

2. أثناء المرحلة الضوئية لعملية البناء الضوئي يحدث ما يلي:

1. تشكيل ATP

2. تكوين الجلوكوز

3.انبعاث ثاني أكسيد الكربون

4. تكوين الكربوهيدرات

3. أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتكون الأكسجين، والذي يتم إطلاقه في هذه العملية:

1. التخليق الحيوي للبروتين

2. التحلل الضوئي

3. إثارة جزيء الكلوروفيل

4.مركبات ثاني أكسيد الكربون والماء

4. نتيجة لعملية البناء الضوئي تتحول الطاقة الضوئية إلى:

1. الطاقة الحرارية

2. الطاقة الكيميائية للمركبات غير العضوية

3. طاقة كهربائيةطاقة حرارية

4. الطاقة الكيميائية للمركبات العضوية

5. يحدث التنفس في اللاهوائيات في الكائنات الحية في العملية:

1. أكسدة الأكسجين

2. التمثيل الضوئي

3. التخمير

4. التخليق الكيميائي

6. المنتجات النهائية لأكسدة الكربوهيدرات في الخلية هي:

1.ADP والماء

2. الأمونيا وثاني أكسيد الكربون

3. الماء وثاني أكسيد الكربون

4. الأمونيا وثاني أكسيد الكربون والماء

7. على المرحلة التحضيريةيحدث التحلل المائي عندما يتم تكسير الكربوهيدرات:

1. السليلوز إلى الجلوكوز

2. البروتينات إلى أحماض أمينية

3.DNA إلى النيوكليوتيدات

4.الدهون إلى الجلسرين والأحماض الكربوكسيلية

8. الإنزيمات توفر أكسدة الأكسجين:

1. الجهاز الهضمي والجسيمات الحالة

2. السيتوبلازم

3. الميتوكوندريا

4. بلاستيد

9. أثناء تحلل السكر، يتم تخزين 3 مول من الجلوكوز على شكل ATP:

10. خضع مولان من الجلوكوز لأكسدة كاملة في الخلية الحيوانية، وتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون:

11. في عملية التخليق الكيميائي، تقوم الكائنات الحية بتحويل الطاقة المؤكسدة:

1. المركبات الكبريتية

2. المركبات العضوية

3. النشا

12. جين واحد يتوافق مع معلومات حول الجزيء:

1. الأحماض الأمينية

2. النشا

4. النوكليوتيدات

13. تتكون الشفرة الوراثية من ثلاث نيوكليوتيدات أي:

1. محددة

2. زائدة عن الحاجة

3. عالمي

4.ثلاثي

14. في الشفرة الوراثية، يتوافق الحمض الأميني الواحد مع 2-6 توائم ثلاثية، ويتجلى ذلك في:

1.الاستمرارية

2. التكرار

3. تعدد الاستخدامات

4.الخصوصية

15. إذا كان تكوين النوكليوتيدات في الحمض النووي هو ATT-CHC-TAT، فإن تكوين النوكليوتيدات في i-RNA هو:
1.TAA-TsGTs-UTA

2.UAA-GTG-AUA

3.UAA-CHTs-AUA

4.UAA-TsGTs-ATA

16. لا يحدث تخليق البروتين على الريبوسومات الخاصة به في:

1.فيروس فسيفساء التبغ

2. ذبابة الفاكهة

3. النمل

4. ضمة الكوليرا

17. المضادات الحيوية :

1. يعد بروتينًا واقيًا للدم

2. يصنع بروتينًا جديدًا في الجسم

3. هو العامل الممرض الضعيف

4. يقمع تخليق البروتين من مسببات الأمراض

18. الجزء من جزيء الحمض النووي الذي يحدث فيه التكاثر يحتوي على 30.000 نيوكليوتيدات (كلا الشريطين). للنسخ المتماثل سوف تحتاج:

19. كم عدد الأحماض الأمينية المختلفة التي يمكن لـ t-RNA أن ينقلها:

1. دائما واحد

2. دائما اثنين

3.دائما ثلاثة

4. يمكن للبعض نقل واحد، ويمكن للبعض نقل عدة.

20. يحتوي الجزء من الحمض النووي الذي يحدث منه النسخ على 153 نيوكليوتيدات، هذه المنطقةعديد الببتيد المشفر من:

1.153 أحماض أمينية

2.51 أحماض أمينية

3.49 أحماض أمينية

4,459 حمض أميني

21. أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتم إنتاج الأكسجين نتيجة لذلك

1. المياه الضوئية

2.​ تحلل غاز الكربون

3. اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز

4. تركيب ATP

خلال عملية التمثيل الضوئي يحدث

1. تخليق الكربوهيدرات وإطلاق الأكسجين

2.​ تبخر الماء وامتصاص الأكسجين

3. تبادل الغازات وتخليق الدهون

4. إطلاق ثاني أكسيد الكربون وتخليق البروتين

23. خلال المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، يتم استخدام طاقة ضوء الشمس لتركيب الجزيئات

1. الدهون

2. البروتينات

3.الحمض النووي

24. تحت تأثير الطاقة من ضوء الشمس، يرتفع الإلكترون إلى مستوى طاقة أعلى في الجزيء

1. السنجاب

2. الجلوكوز

3. الكلوروفيل

4. التخليق الحيوي للبروتين

25. الخلية النباتية، مثل الخلية الحيوانية، تتلقى الطاقة في هذه العملية. .

1. أكسدة المواد العضوية

2. التخليق الحيوي للبروتين

3. تخليق الدهون

4. تركيب الحمض النووي

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية. تحتوي البلاستيدات الخضراء على صبغة الكلوروفيل التي تشارك في عملية التمثيل الضوئي وتعطي النباتات اللون الاخضر. ويترتب على ذلك أن عملية التمثيل الضوئي تحدث فقط في الأجزاء الخضراء من النباتات.

التمثيل الضوئي هو عملية تكوين المواد العضوية من المواد غير العضوية. وعلى وجه الخصوص، المادة العضوية هي الجلوكوز، والمواد غير العضوية هي الماء وثاني أكسيد الكربون.

ضوء الشمس مهم أيضًا لحدوث عملية التمثيل الضوئي. يتم تخزين الطاقة الضوئية في الروابط الكيميائية للمواد العضوية. هذه هي النقطة الرئيسية لعملية التمثيل الضوئي: ربط الطاقة التي سيتم استخدامها لاحقًا لدعم حياة النبات أو الحيوانات التي تأكل هذا النبات. تعمل المادة العضوية فقط كشكل وطريقة لتخزين الطاقة الشمسية.

عندما يحدث التمثيل الضوئي في الخلايا، تحدث تفاعلات مختلفة في البلاستيدات الخضراء وعلى أغشيتها.

ليس كلهم ​​​​يحتاجون إلى الضوء. ولذلك، هناك مرحلتين من عملية التمثيل الضوئي: الضوء والظلام. المرحلة المظلمة لا تتطلب الضوء ويمكن أن تحدث في الليل.

يدخل ثاني أكسيد الكربون الخلايا من الهواء عبر سطح النبات. الماء قادممن الجذور على طول الساق.

نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، لا يتم تشكيل المواد العضوية فقط، ولكن أيضا الأكسجين. يتم إطلاق الأكسجين في الهواء من خلال سطح النبات.

يتم نقل الجلوكوز المتكون نتيجة عملية التمثيل الضوئي إلى خلايا أخرى، وتحويله إلى نشا (مخزن)، ويستخدم في العمليات الحيوية.

العضو الرئيسي الذي يحدث فيه التمثيل الضوئي في معظم النباتات هو الورقة. يوجد في الأوراق العديد من خلايا التمثيل الضوئي التي تشكل أنسجة التمثيل الضوئي.

نظرا لأهميته في عملية التمثيل الضوئي ضوء الشمس، وعادة ما يكون للأوراق سطح كبير. وبعبارة أخرى، فهي مسطحة ورقيقة. للتأكد من وصول الضوء إلى جميع أوراق النباتات، يتم وضعها بحيث لا تظلل بعضها البعض تقريبًا.

لذلك، لكي تتم عملية التمثيل الضوئي، تحتاج ثاني أكسيد الكربون والماء والضوء. منتجات عملية البناء الضوئي هي المواد العضوية (الجلوكوز) والأكسجين. يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء، والتي تكون أكثر وفرة في الأوراق.

يحدث التمثيل الضوئي في النباتات (بشكل رئيسي في أوراقها) في الضوء. هي عملية تتكون فيها المادة العضوية الجلوكوز (أحد أنواع السكريات) من ثاني أكسيد الكربون والماء. بعد ذلك، يتم تحويل الجلوكوز الموجود في الخلايا إلى مادة أكثر تعقيدًا، وهي النشا. كل من الجلوكوز والنشا عبارة عن كربوهيدرات.

لا تنتج عملية التمثيل الضوئي مادة عضوية فحسب، بل تنتج أيضًا الأكسجين كمنتج ثانوي.

ثاني أكسيد الكربون والماء مواد غير عضوية، في حين أن الجلوكوز والنشا مواد عضوية.

ولذلك، كثيرا ما يقال أن عملية التمثيل الضوئي هي عملية تكوين المواد العضوية من المواد غير العضوية في الضوء. فقط النباتات، وبعض حقيقيات النوى وحيدة الخلية، وبعض البكتيريا قادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي. ولا توجد مثل هذه العملية في خلايا الحيوانات والفطريات، لذلك تضطر إلى الامتصاص منها بيئةمواد عضوية. في هذا الصدد، تسمى النباتات ذاتية التغذية، وتسمى الحيوانات والفطريات متغايرة التغذية.

تحدث عملية التمثيل الضوئي في النباتات في البلاستيدات الخضراء التي تحتوي على صبغة الكلوروفيل الخضراء.

لذلك، لكي تتم عملية التمثيل الضوئي، تحتاج إلى:

الكلوروفيل،

ثاني أكسيد الكربون.

أثناء عملية البناء الضوئي يتكون ما يلي:

المواد العضوية،

الأكسجين.

تتكيف النباتات لالتقاط الضوء.للكثير النباتات العشبيةيتم جمع الأوراق في ما يسمى بالوردة القاعدية، عندما لا تظلل الأوراق بعضها البعض. تتميز الأشجار بفسيفساء الأوراق، حيث تنمو الأوراق بطريقة تجعل بعضها يظلل بأقل قدر ممكن. في النباتات، يمكن أن تتجه شفرات الأوراق نحو الضوء بسبب انحناء أعناق الأوراق. مع كل هذا هناك نباتات محبة للظلوالتي لا يمكن أن تنمو إلا في الظل.

ماءلعملية التمثيل الضوئييصلفي الأوراقمن الجذورعلى طول الجذع. لذلك، من المهم أن يستقبل النبات كمية كافيةرُطُوبَة. مع قلة الماء وبعض المعادنيتم تثبيط عملية التمثيل الضوئي.

ثاني أكسيد الكربونتؤخذ لعملية التمثيل الضوئيمباشرةنفذ من الهواء الرفيعأوراق. على العكس من ذلك، يتم إطلاق الأكسجين، الذي ينتجه النبات أثناء عملية التمثيل الضوئي، في الهواء. يتم تسهيل تبادل الغازات عن طريق المساحات بين الخلايا (المسافات بين الخلايا).

تُستخدم المواد العضوية التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي جزئيًا في الأوراق نفسها، ولكنها تتدفق بشكل أساسي إلى جميع الأعضاء الأخرى وتتحول إلى مواد عضوية أخرى، وتستخدم في استقلاب الطاقة، ويتم تحويلها إلى مغذيات احتياطية.

البناء الضوئي

البناء الضوئي- عملية تركيب المواد العضوية باستخدام الطاقة الضوئية. تسمى الكائنات الحية القادرة على تصنيع المواد العضوية من المركبات غير العضوية ذاتية التغذية. التمثيل الضوئي هو سمة فقط من خلايا الكائنات ذاتية التغذية. الكائنات غير المتجانسة غير قادرة على تصنيع المواد العضوية من المركبات غير العضوية.
تحتوي خلايا النباتات الخضراء وبعض البكتيريا على هياكل ومجمعات خاصة المواد الكيميائية، والتي تسمح لهم بالتقاط الطاقة من ضوء الشمس.

دور البلاستيدات الخضراء في عملية التمثيل الضوئي

تحتوي الخلايا النباتية على تكوينات مجهرية - البلاستيدات الخضراء. هذه هي العضيات التي يتم فيها امتصاص الطاقة والضوء وتحويلها إلى طاقة ATP والجزيئات الأخرى - حاملات الطاقة. تحتوي جرانا البلاستيدات الخضراء على الكلوروفيل، وهي مادة عضوية معقدة. يلتقط الكلوروفيل الطاقة الضوئية لاستخدامها في التخليق الحيوي للجلوكوز والمواد العضوية الأخرى. توجد أيضًا الإنزيمات اللازمة لتخليق الجلوكوز في البلاستيدات الخضراء.

المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي

كمية من الضوء الأحمر يمتصها الكلوروفيل تنقل الإلكترون إلى حالة مثارة. يكتسب الإلكترون المثار بالضوء كمية كبيرة من الطاقة، ونتيجة لذلك ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. يمكن مقارنة الإلكترون المثار بالضوء بحجر مرفوع إلى ارتفاع، والذي يكتسب أيضًا طاقة كامنة. يخسره بالسقوط من ارتفاع. يتحرك الإلكترون المثار، كما لو كان في خطوات، على طول سلسلة من المركبات العضوية المعقدة المدمجة في البلاستيدات الخضراء. عند الانتقال من خطوة إلى أخرى، يفقد الإلكترون الطاقة التي تستخدم في تخليق ATP. يعود الإلكترون الذي أهدر الطاقة إلى الكلوروفيل. يقوم جزء جديد من الطاقة الضوئية بإثارة إلكترون الكلوروفيل مرة أخرى. ويتبع مرة أخرى نفس المسار، حيث ينفق الطاقة على تكوين جزيئات ATP.
تتشكل أيونات الهيدروجين والإلكترونات اللازمة لاستعادة الجزيئات الحاملة للطاقة عن طريق تقسيم جزيئات الماء. يتم تكسير جزيئات الماء في البلاستيدات الخضراء بواسطة بروتين خاص تحت تأثير الضوء. هذه العملية تسمى التحلل الضوئي للماء.
وبالتالي فإن طاقة ضوء الشمس تستخدم مباشرة من قبل الخلية النباتية من أجل:
1. إثارة إلكترونات الكلوروفيل، التي يتم إنفاق طاقتها بشكل أكبر على تكوين ATP والجزيئات الأخرى الحاملة للطاقة؛
2. التحلل الضوئي للمياه، وتزويد أيونات الهيدروجين والإلكترونات إلى المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي.
يؤدي هذا إلى إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي لتفاعلات التحلل الضوئي.

المرحلة التي تتشكل فيها المركبات الغنية بالطاقة بسبب طاقة الضوء - ATP والجزيئات الحاملة للطاقة،مُسَمًّى المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي.

المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي

تحتوي البلاستيدات الخضراء على سكريات خماسية الكربون، واحدة منها ريبولوز ثنائي الفوسفات، وهو متقبل لثاني أكسيد الكربون. يربط إنزيم خاص السكر الخماسي الكربون بثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء. في هذه الحالة، يتم تشكيل المركبات التي، باستخدام طاقة ATP والجزيئات الأخرى الحاملة للطاقة، يتم اختزالها إلى جزيء جلوكوز سداسي الكربون.

وبالتالي، يتم استخدام الطاقة الضوئية التي يتم تحويلها خلال مرحلة الضوء إلى طاقة ATP والجزيئات الأخرى الحاملة للطاقة في تخليق الجلوكوز.

يمكن أن تتم هذه العمليات في الظلام.
من زرع الخلاياكان من الممكن عزل البلاستيدات الخضراء، والتي في أنبوب الاختبار، تحت تأثير الضوء، قامت بعملية التمثيل الضوئي - شكلت جزيئات الجلوكوز الجديدة، مع امتصاص ثاني أكسيد الكربون. إذا توقفت إضاءة البلاستيدات الخضراء، توقف أيضًا تخليق الجلوكوز. ومع ذلك، إذا تمت إضافة ATP وجزيئات حاملة منخفضة الطاقة إلى البلاستيدات الخضراء، فسيتم استئناف تخليق الجلوكوز ويمكن أن يستمر في الظلام. وهذا يعني أن الضوء ضروري فقط لتصنيع ATP وشحن الجزيئات الحاملة للطاقة. امتصاص ثاني أكسيد الكربون وتكوين الجلوكوز في النباتاتمُسَمًّى المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئيلأنها تستطيع المشي في الظلام.
تؤدي الإضاءة المكثفة وزيادة محتوى ثاني أكسيد الكربون في الهواء إلى زيادة نشاط عملية التمثيل الضوئي.

ملاحظات أخرى في علم الأحياء

مقالات أكثر إثارة للاهتمام:

التمثيل الضوئي هو عملية معقدة تتضمن نظامًا كاملاً من التفاعلات الكيميائية. يمتد مع مرور الوقت ويتكون من مرحلتين. المرحلة الأولى تحدث فقط في الضوء وتسمى مرحلة الضوء. المرحلة الثانية، المظلمة، لا تعتمد على الطاقة الضوئية وتحدث في الضوء والظلام.

في ضوء

تبدأ المرحلة الضوئية بضرب الكمات الضوئية بجزيئات الكلوروفيل الموجودة داخل الثايلاكويدات - وهي صهاريج غشائية مسطحة على شكل قرص.

أرز. 1. هيكل البلاستيدات الخضراء.

في هذه الحالة، تدخل جزيئات الكلوروفيل في حالة مثارة وتفقد الإلكترونات. وبدلاً من الإلكترونات المفقودة، فإنها تكتسب إلكترونات من جزيئات H₂O أو أيونات OH¯.

يحدث تحلل الماء (التحلل الضوئي) وإطلاق غاز الأكسجين، بمبادرة من الكلوروفيل. يتكون جزيء أكسجين واحد من جزيئين ماء.

2Н₂О → 4Н⁺ + 4е¯ + О₂

أعلى 4 مقالاتالذين يقرؤون جنبا إلى جنب مع هذا

تمر الإلكترونات الحرة والهيدروجين عبر سلسلة معقدة من المواد الحاملة ويتم تثبيتها في جزيئات NADPH₂.

أرز. 2. مخطط المرحلة الضوئية لعملية التمثيل الضوئي.

بسبب طاقة الإلكترونات المثارة، يحدث أيضًا تخليق جزيئات ATP من ADP وحمض الفوسفوريك.

إذا اعتبر الأكسجين منتجًا ثانويًا لمرحلة الضوء، فيمكن اعتبار ATP هو المنتج الرئيسي، حيث سيتم إنفاق طاقته على تكوين المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون في المرحلة المظلمة.

وهكذا تتحول طاقة الضوء إلى طاقة الروابط الكيميائيةاعبي التنس المحترفين.

في النور وفي الظلام

تحدث تفاعلات الطور الداكن خارج الثايلاكويدات، في سدى البلاستيدات الخضراء، وهي غروانية حيوية في خصائصها.

جوهر عمليات هذه المرحلة هو تحويل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى مواد عضوية مختلفة.

نباتات C₃ وC₄

هناك طريقتان لعملية التمثيل الضوئي مميزة أنواع مختلفةالنباتات. تنتمي معظم الأنواع إلى نباتات C₃. وهذا يعني أنه في المرحلة الأولى من المرحلة المظلمة، يتم تشكيل الهيدروكربونات الثلاثية:

CO₂ + ثنائي فوسفات الريبولوز (RDP) + H₂O → 2 جزيئات من حمض الفوسفوجليسريك (PGA).

RDF: 5 ذرات C. FGK: 3 ذرات C.

لا تتشكل المواد العضوية عن طريق إضافة جزيئات ثاني أكسيد الكربون، ولكن عن طريق إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى الكربوهيدرات الموجودة.

وبالتالي، يبدو أن ثاني أكسيد الكربون يشارك في عملية التمثيل الغذائي داخل الخلايا في النبات.

في نباتات C₄، تتشكل الأحماض الرباعية الذرات:

• تفاحة؛
• أوكسالاسيتيك.
• الأسبارتيك.

₄ – النباتات من أصل استوائي وهي محبة للضوء للغاية. وهي الذرة الرفيعة والدخن والذرة وقصب السكر وما إلى ذلك.

تخضع منتجات المرحلة الأولى لدورة من التفاعلات، لتشكل العديد من المواد التي تستخدمها الخلية.

في جميع النباتات، تنتهي المرحلة المظلمة بتكوين الجلوكوز والفركتوز والكربوهيدرات السداسية الأخرى.

لقد ثبت أن عملية التمثيل الضوئي تقوم أيضًا بتركيب البروتينات والمنتجات الأخرى.

أرز. 3. مخطط المرحلة المظلمة لعملية التمثيل الضوئي.

ويعرض الجدول علامات مراحل عملية التمثيل الضوئي، وكذلك نتائج العمليات التي تحدث في كلا المرحلتين:

ماذا تعلمنا؟

بعد أن أمضى الخصائص المقارنةمرحلتين من عملية التمثيل الضوئي، قررنا ذلك مرحلة الضوءهو تحضيري. خلال مرحلة الضوء: يتكون الأكسجين، ويتم تخزين الطاقة على شكل ATP، ويتراكم الهيدروجين. تستخدم المرحلة المظلمة الموارد التي تم الحصول عليها خلال مرحلة الضوء وتنتهي بتكوين مجموعة متنوعة من المركبات العضوية.

اختبار حول الموضوع

تقييم التقرير

متوسط ​​تقييم: 4.6. إجمالي التقييمات المستلمة: 80.

إن تاريخ اكتشاف ظاهرة مذهلة وذات أهمية حيوية مثل عملية التمثيل الضوئي له جذور عميقة في الماضي. منذ أكثر من أربعة قرون في عام 1600، طرح العالم البلجيكي جان فان هيلمونت أبسط تجربة. وضع غصينًا من الصفصاف في كيس يحتوي على 80 كجم من التراب. سجل العالم الوزن الأولي للصفصاف، ثم قام بسقي النبات بمياه الأمطار حصريًا لمدة خمس سنوات. تخيل مفاجأة جان فان هيلمونت عندما أعاد وزن الصفصاف. زاد وزن النبات بمقدار 65 كجم، وانخفضت كتلة الأرض بمقدار 50 جرامًا فقط! من أين حصل النبات على 64 كجم 950 جم العناصر الغذائيةبقي لغزا للعالم!

التجربة المهمة التالية على طريق اكتشاف عملية التمثيل الضوئي كانت مملوكة للكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي. وضع العالم فأرًا تحت غطاء المحرك، وبعد خمس ساعات مات القارض. عندما وضع بريستلي غصنًا من النعناع مع الفأر وغطى القارض أيضًا بغطاء، بقي الفأر على قيد الحياة. قادت هذه التجربة العالم إلى فكرة وجود عملية معاكسة للتنفس. أثبت جان إنجينهاوس في عام 1779 حقيقة أن الأجزاء الخضراء فقط من النباتات هي القادرة على إطلاق الأكسجين. وبعد ثلاث سنوات، أثبت العالم السويسري جان سينبير أن ثاني أكسيد الكربون، تحت تأثيره أشعة الشمس، تتحلل في عضيات النباتات الخضراء. بعد خمس سنوات فقط، اكتشف العالم الفرنسي جاك بوسينغولت، أثناء إجراء أبحاث معملية، حقيقة أن امتصاص النباتات للمياه يحدث أيضًا أثناء تخليق المواد العضوية. تم هذا الاكتشاف التاريخي في عام 1864 من قبل عالم النبات الألماني يوليوس ساكس. لقد كان قادرًا على إثبات أن حجم ثاني أكسيد الكربون المستهلك والأكسجين المنطلق يحدث بنسبة 1:1.

يعد التمثيل الضوئي أحد أهم العمليات البيولوجية

من الناحية العلمية، التمثيل الضوئي (من اليونانية القديمة φῶς - الضوء و σύνθεσις - الاتصال والربط) هو عملية تتشكل فيها المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء في الضوء. الدور الرئيسي في هذه العملية ينتمي إلى شرائح التمثيل الضوئي.

من الناحية المجازية، يمكن مقارنة ورقة النبات بالمختبر الذي تطل نوافذه جانب مشرق. وفيه يحدث تكوين المواد العضوية. هذه العملية هي أساس وجود كل أشكال الحياة على الأرض.

سوف يطرح الكثيرون السؤال بشكل معقول: ماذا يتنفس الأشخاص الذين يعيشون في مدينة، حيث لا يمكنك حتى العثور على شجرة أو قطعة من العشب أثناء النهار بالنار؟ الجواب بسيط جدا. والحقيقة هي أن حصة نباتات ارضيةيمثل 20٪ فقط من الأكسجين الذي تطلقه النباتات. تلعب الأعشاب البحرية دورًا رائدًا في إنتاج الأكسجين في الغلاف الجوي. أنها تمثل 80 ٪ من الأكسجين المنتج. بلغة الأرقام، تطلق كل من النباتات والطحالب سنويًا 145 مليار طن (!) من الأكسجين في الغلاف الجوي! ليس من قبيل الصدفة أن يطلق على محيطات العالم اسم "رئتي الكوكب".

صيغة عامةتبدو عملية التمثيل الضوئي كما يلي:

الماء + ثاني أكسيد الكربون + الضوء ← الكربوهيدرات + الأكسجين

لماذا تحتاج النباتات لعملية التمثيل الضوئي؟

كما تعلمنا، فإن عملية التمثيل الضوئي هي شرط ضروريوجود الإنسان على الأرض. ومع ذلك، ليس هذا هو السبب الوحيد وراء إنتاج الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي الإنتاج النشطالأكسجين في الغلاف الجوي. والحقيقة هي أن الطحالب والنباتات تشكل سنويًا أكثر من 100 مليار مادة عضوية (!) والتي تشكل أساس نشاط حياتهم. عندما نتذكر تجربة جان فان هيلمونت، نفهم أن عملية التمثيل الضوئي هي أساس تغذية النبات. لقد ثبت علميا أن 95% من المحصول يتم تحديده من خلال المواد العضوية التي يحصل عليها النبات أثناء عملية البناء الضوئي، و 5% من تلك المواد الأسمدة المعدنيةالذي يضيفه البستاني إلى التربة.

يولي سكان الصيف المعاصرون الاهتمام الرئيسي لتغذية النباتات في التربة ، متناسين تغذية الهواء. من غير المعروف ما هو نوع الحصاد الذي يمكن أن يحصل عليه البستانيون إذا كانوا حذرين بشأن عملية التمثيل الضوئي.

ومع ذلك، لا يمكن للنباتات ولا الطحالب أن تنتج الأكسجين والكربوهيدرات بنشاط كبير إذا لم يكن لديهم صبغة خضراء مذهلة - الكلوروفيل.

سر الصباغ الأخضر

الفرق الرئيسي بين الخلايا النباتية وخلايا الكائنات الحية الأخرى هو وجود الكلوروفيل. بالمناسبة، هو المسؤول عن حقيقة أن أوراق النبات ملونة باللون الأخضر. هذا المركب العضوي المعقد لديه واحد خاصية مذهلة: يمكن أن تمتص أشعة الشمس! وبفضل الكلوروفيل، تصبح عملية التمثيل الضوئي ممكنة أيضًا.

مرحلتين من عملية التمثيل الضوئي

تكلم بلغة بسيطةالتمثيل الضوئي هو عملية يمتص فيها النبات الماء وثاني أكسيد الكربون في الضوء بمساعدة الكلوروفيل ليشكل السكر والأكسجين. وبهذه الطريقة، تتحول المواد غير العضوية بشكل مدهش إلى مواد عضوية. السكر الذي يتم الحصول عليه نتيجة التحويل هو مصدر للطاقة للنباتات.

تتم عملية التمثيل الضوئي على مرحلتين: الضوء والظلام.

المرحلة الخفيفة من عملية التمثيل الضوئي

يتم تنفيذه على أغشية الثايلاكويد.

الثايلاكويدات هي هياكل محاطة بغشاء. وهي تقع في سدى البلاستيدات الخضراء.

ترتيب الأحداث في المرحلة الضوئية لعملية البناء الضوئي هو:

1. يضرب الضوء جزيء الكلوروفيل، الذي يمتصه الصبغ الأخضر ويسبب استثارته. يتم نقل الإلكترون الذي هو جزء من جزيء إلى أكثر مستوى عال، يشارك في عملية التوليف.
2. انقسام الماء، حيث تتحول البروتونات إلى ذرات هيدروجين تحت تأثير الإلكترونات. وبعد ذلك، يتم إنفاقها على تخليق الكربوهيدرات.
3. في المرحلة النهائية من مرحلة الضوء، يتم تصنيع ATP (ثلاثي فوسفات الأدينوسين). هذه مادة عضوية تلعب دور تراكم الطاقة العالمي في النظم البيولوجية.

المرحلة المظلمة من عملية التمثيل الضوئي

المكان الذي تحدث فيه المرحلة المظلمة هو سدى البلاستيدات الخضراء. خلال المرحلة المظلمة يتم إطلاق الأكسجين ويتم تصنيع الجلوكوز. سوف يظن الكثيرون أن هذه المرحلة حصلت على هذا الاسم لأن العملية التي تحدث داخل هذه المرحلة تحدث حصرا في الليل. في الواقع، هذا ليس صحيحا تماما. يحدث تخليق الجلوكوز على مدار الساعة. النقطة المهمة هي أنه قيد التشغيل في هذه المرحلةلم تعد الطاقة الضوئية تُستهلك، مما يعني ببساطة أنها ليست هناك حاجة إليها.

أهمية عملية البناء الضوئي للنباتات

لقد حددنا بالفعل حقيقة أن النباتات تحتاج إلى عملية التمثيل الضوئي بما لا يقل عما نحتاجه. من السهل جدًا التحدث عن حجم عملية التمثيل الضوئي من حيث الأرقام. لقد حسب العلماء أن النباتات الأرضية وحدها تخزن قدرًا من الطاقة الشمسية بقدر ما يمكن أن تستهلكه 100 مدينة كبرى خلال 100 عام!

تنفس النبات هو العملية المعاكسة لعملية التمثيل الضوئي. ومعنى تنفس النبات هو إطلاق الطاقة أثناء عملية البناء الضوئي وتوجيهها نحو احتياجات النباتات. بعبارات بسيطة، الناتج هو الفرق بين عملية التمثيل الضوئي والتنفس. كلما زادت عملية التمثيل الضوئي وقل التنفس، زاد الحصاد، والعكس صحيح!

عملية التمثيل الضوئي هي عملية مذهلة الحياة الممكنةعلى الأرض!

الأكثر أهمية عملية عضويةوالتي بدونها سيكون وجود جميع الكائنات الحية على كوكبنا موضع شك، هو التمثيل الضوئي. ما هو التمثيل الضوئي؟ الجميع يعرف ذلك من المدرسة. بشكل تقريبي، هذه هي عملية تكوين المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء، والتي تحدث في الضوء ويصاحبها إطلاق الأكسجين. التعريف الأكثر تعقيدًا هو كما يلي: التمثيل الضوئي هو عملية تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة الروابط الكيميائية للمواد ذات الأصل العضوي بمشاركة أصباغ التمثيل الضوئي. في الممارسة الحديثةيُفهم التمثيل الضوئي عادة على أنه مجموعة من عمليات امتصاص وتخليق واستخدام الضوء في سلسلة من التفاعلات المولدة للطاقة، أحدها هو تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد عضوية. الآن دعونا نتعرف بمزيد من التفصيل على كيفية حدوث عملية التمثيل الضوئي وما هي المراحل التي تنقسم إليها هذه العملية!

الخصائص العامة

البلاستيدات الخضراء، الموجودة في كل نبات، هي المسؤولة عن عملية التمثيل الضوئي. ما هي البلاستيدات الخضراء؟ وهي بلاستيدات بيضاوية تحتوي على صبغة مثل الكلوروفيل. الكلوروفيل هو الذي يحدد اللون الأخضر للنباتات. في الطحالب، يوجد هذا الصباغ في الكروماتوفور - الخلايا العاكسة للضوء التي تحتوي على الصباغ أشكال مختلفة. الطحالب البنية والحمراء، التي تعيش في أعماق كبيرة حيث لا تصل أشعة الشمس بشكل جيد، لها أصباغ مختلفة.

تعد مواد التمثيل الضوئي جزءًا من الكائنات ذاتية التغذية - وهي كائنات قادرة على تصنيع المواد العضوية من مواد غير عضوية. وهي أدنى مستوى في الهرم الغذائي، ولذلك فهي تدخل في النظام الغذائي لجميع الكائنات الحية على كوكب الأرض.

فوائد عملية التمثيل الضوئي

لماذا هناك حاجة لعملية التمثيل الضوئي؟ يدخل الأكسجين المنطلق من النباتات أثناء عملية التمثيل الضوئي إلى الغلاف الجوي. وبارتفاعه إلى طبقاته العليا يشكل الأوزون الذي يحمي سطح الأرض من الإشعاع الشمسي القوي. بفضل شاشة الأوزون، يمكن للكائنات الحية البقاء بشكل مريح على الأرض. بالإضافة إلى ذلك، كما تعلمون، هناك حاجة إلى الأكسجين لتنفس الكائنات الحية.

التقدم المحرز في العملية

يبدأ كل شيء بدخول الضوء إلى البلاستيدات الخضراء. تحت تأثيرها، تقوم العضيات بسحب الماء من التربة وتقسيمه أيضًا إلى هيدروجين وأكسجين. وبالتالي، تحدث عمليتان. يبدأ التمثيل الضوئي للنبات في اللحظة التي امتصت فيها الأوراق الماء وثاني أكسيد الكربون بالفعل. تتراكم الطاقة الضوئية في الثايلاكويدات - وهي حجرات خاصة من البلاستيدات الخضراء، وتقسم جزيء الماء إلى مكونين. يذهب جزء من الأكسجين إلى تنفس النبات، والباقي يذهب إلى الغلاف الجوي.

ثم يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى البيرينويدات - حبيبات البروتين المحاطة بالنشا. يأتي الهيدروجين هنا أيضًا. عند خلط هذه المواد مع بعضها البعض، فإنها تشكل السكر. يحدث هذا التفاعل أيضًا مع إطلاق الأكسجين. عندما يختلط السكر (الاسم العام للكربوهيدرات البسيطة) مع النيتروجين والكبريت والفوسفور التي تدخل النبات من التربة، يتكون النشا (الكربوهيدرات المعقدة) والبروتينات والدهون والفيتامينات وغيرها من المواد الضرورية لحياة النبات. في الغالبية العظمى من الحالات، تتم عملية التمثيل الضوئي في ظل ظروف الإضاءة الطبيعية. لكن إضاءة اصطناعيةويمكن أيضا أن تشارك فيه.

حتى ستينيات القرن العشرين، كان العلم يعرف آلية واحدة لاختزال ثاني أكسيد الكربون - عبر مسار فوسفات البنتوز C3. في الآونة الأخيرة، أثبت العلماء الأستراليون أن هذه العملية يمكن أن تحدث في بعض أنواع النباتات من خلال دورة حمض ثنائي الكربوكسيل C4.

في النباتات التي تقلل ثاني أكسيد الكربون عبر مسار C 3، يحدث التمثيل الضوئي بشكل أفضل عند درجات حرارة معتدلة وإضاءة منخفضة، في الغابات أو الأماكن المظلمة. وهذه النباتات لها نصيب الأسد النباتات المزروعةوتقريباً جميع الخضروات التي تشكل أساس نظامنا الغذائي.

في الفئة الثانية من النباتات، يحدث التمثيل الضوئي بشكل أكثر نشاطًا في ظل الظروف درجة حرارة عاليةوالإضاءة القوية. وتضم هذه المجموعة النباتات التي تنمو في المناخات الاستوائية والدافئة، مثل الذرة، وقصب السكر، والذرة الرفيعة، وغيرها.

بالمناسبة ، تم اكتشاف عملية التمثيل الغذائي للنبات مؤخرًا. تمكن العلماء من اكتشاف أن بعض النباتات لديها أنسجة خاصة للحفاظ على إمدادات المياه. يتراكم فيها ثاني أكسيد الكربون على شكل أحماض عضوية ولا يتحول إلى كربوهيدرات إلا بعد 24 ساعة. تسمح هذه الآلية للنباتات بتوفير المياه.

كيف تعمل هذه العملية؟

نحن نعرف بالفعل في المخطط العامكيف تتم عملية التمثيل الضوئي وما نوع عملية التمثيل الضوئي التي تحدث، الآن دعونا نتعرف عليها بشكل أعمق.

يبدأ كل شيء بامتصاص النبات للضوء. ويساعدها في ذلك الكلوروفيل الذي يوجد على شكل البلاستيدات الخضراء في أوراق النبات وسيقانه وثماره. تتركز الكمية الرئيسية من هذه المادة في الأوراق. بيت القصيد هو أنه بفضل يبدو أن العمل العظيم، الورقة تجذب الكثير من الضوء. وكلما زاد الضوء، زادت الطاقة اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. وبالتالي، فإن الأوراق الموجودة في النبات تعمل كنوع من أجهزة تحديد المواقع التي تلتقط الضوء.

عندما يمتص الضوء، يكون الكلوروفيل في حالة مثارة. ينقل الطاقة إلى أعضاء النبات الأخرى التي تشارك في المرحلة التالية من عملية التمثيل الضوئي. المرحلة الثانية من العملية تحدث بدون مشاركة الضوء وتتكون من تفاعل كيميائيالتي تنطوي على الماء الذي يتم الحصول عليه من التربة وثاني أكسيد الكربون الذي يتم الحصول عليه من الهواء. في هذه المرحلة، يتم تصنيع الكربوهيدرات، وهي ضرورية لحياة أي كائن حي. في في هذه الحالةفهي لا تغذي النبات نفسه فحسب، بل تنتقل أيضًا إلى الحيوانات التي تأكله. ويحصل الناس أيضًا على هذه المواد عن طريق استهلاك المنتجات النباتية أو الحيوانية.

مراحل العملية

كونها جميلة عملية معقدةتنقسم عملية التمثيل الضوئي إلى مرحلتين: الضوء والظلام. وكما يوحي الاسم، تتطلب المرحلة الأولى وجود الإشعاع الشمسي، أما الثانية فلا. خلال مرحلة الضوء، يمتص الكلوروفيل كمية من الضوء، مكونًا جزيئات ATP وNADH، والتي بدونها يكون التمثيل الضوئي مستحيلًا. ما هو ATP و NADH؟

ATP (أدينوسي ثلاثي الفوسفات) هو أنزيم نووي يحتوي على روابط عالية الطاقة ويعمل كمصدر للطاقة في أي تحول عضوي. غالبًا ما يشار إلى الاقتران على أنه حلزوني نشط.

NADH (نيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد) هو مصدر للهيدروجين يستخدم لتخليق الكربوهيدرات بمشاركة ثاني أكسيد الكربون في المرحلة الثانية من عملية مثل التمثيل الضوئي.

مرحلة الضوء

تحتوي البلاستيدات الخضراء على العديد من جزيئات الكلوروفيل، كل منها يمتص الضوء. وتمتصه أصباغ أخرى أيضًا، ولكنها غير قادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي. تتم العملية فقط في جزء من جزيئات الكلوروفيل. تشكل الجزيئات المتبقية مجمعات الهوائي وحصاد الضوء (LHCs). فهي تجمع كميات من الإشعاع الضوئي وتنقلها إلى مراكز التفاعل، والتي تسمى أيضًا المصائد. توجد مراكز التفاعل في الأنظمة الضوئية، والتي يحتوي مصنع التمثيل الضوئي على اثنين منها. الأول يحتوي على جزيء الكلوروفيل القادر على امتصاص الضوء بطول موجة 700 نانومتر، والثاني - 680 نانومتر.

لذلك، يمتص نوعان من جزيئات الكلوروفيل الضوء ويصبحان متحمسين، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى. يتم تمزق الإلكترونات المثارة، التي تحتوي على كمية كبيرة من الطاقة، وتدخل سلسلة النقل الموجودة في أغشية الثايلاكويد (الهياكل الداخلية للبلاستيدات الخضراء).

التحول الإلكتروني

ينتقل إلكترون من النظام الضوئي الأول من الكلوروفيل P680 إلى بلاستوكينون، وينتقل إلكترون من النظام الثاني إلى فيريدوكسين. في هذه الحالة، في الموقع الذي تتم فيه إزالة الإلكترونات، يتم تشكيل مساحة حرة في جزيء الكلوروفيل.

لتعويض النقص، يقبل جزيء الكلوروفيل P680 الإلكترونات من الماء، مما يشكل أيونات الهيدروجين. ويقوم جزيء الكلوروفيل الثاني بتعويض النقص من خلال نظام حاملات من النظام الضوئي الأول.

هذه هي الطريقة التي تستمر بها المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، والتي يتمثل جوهرها في نقل الإلكترونات. بالتوازي مع نقل الإلكترون هي حركة أيونات الهيدروجين عبر الغشاء. وهذا يؤدي إلى تراكمها داخل الثايلاكويد. تتراكم في كميات كبيرةيتم إطلاقها للخارج بمساعدة عامل مترافق. نتيجة نقل الإلكترون هو تكوين المركب NADH. ويؤدي نقل أيونات الهيدروجين إلى تكوين عملة الطاقة ATP.

في نهاية مرحلة الضوء، يدخل الأكسجين إلى الغلاف الجوي، ويتشكل ATP و NADH داخل البتلة. ثم تبدأ المرحلة المظلمة لعملية التمثيل الضوئي.

المرحلة المظلمة

تتطلب هذه المرحلة من عملية التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون. يمتصه النبات باستمرار من الهواء. لهذا الغرض، توجد ثغور على سطح الورقة - وهي هياكل خاصة تمتص ثاني أكسيد الكربون عند فتحها. عند دخول الورقة يذوب في الماء ويشارك في عمليات الطور الضوئي.

خلال مرحلة الضوء في معظم النباتات، يرتبط ثاني أكسيد الكربون بمركب عضوي يحتوي على خمس ذرات كربون. والنتيجة هي زوج من جزيئات مركب ثلاثي الكربون يسمى حمض 3-فوسفوجليسريك. ولأن هذا المركب هو على وجه التحديد النتيجة الأولية للعملية، فإن النباتات التي تقوم بهذا النوع من التمثيل الضوئي تسمى نباتات C3.

تعتبر العمليات الإضافية التي تحدث في البلاستيدات الخضراء معقدة للغاية بالنسبة للأشخاص عديمي الخبرة. والنتيجة النهائية هي مركب سداسي الكربون يقوم بتصنيع الكربوهيدرات البسيطة أو المعقدة. على شكل كربوهيدرات يتراكم النبات الطاقة. ويبقى جزء صغير من المواد في الورقة ويفي باحتياجاتها. يتم توزيع الكربوهيدرات المتبقية في جميع أنحاء النبات ويتم توصيلها إلى الأماكن التي تشتد الحاجة إليها.

التمثيل الضوئي في الشتاء

لقد تساءل الكثير من الناس مرة واحدة على الأقل في حياتهم عن مصدر الأكسجين خلال موسم البرد. أولا، يتم إنتاج الأكسجين ليس فقط عن طريق النباتات المتساقطة، ولكن أيضا عن طريق الصنوبريات والنباتات البحرية. و إذا النباتات المتساقطةتتجمد في الشتاء، وتستمر الصنوبريات في التنفس، وإن كان بشكل أقل كثافة. ثانيًا، لا يعتمد محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي على ما إذا كانت الأشجار قد تساقطت أوراقها أم لا. يحتل الأكسجين 21% من الغلاف الجوي في أي مكان على كوكبنا وفي أي وقت من السنة. هذه القيمة لا تتغير منذ ذلك الحين الكتل الهوائيةإنهم يتحركون بسرعة كبيرة، ولا يأتي الشتاء في نفس الوقت في جميع البلدان. حسنا، وثالثا، في فصل الشتاء، في الطبقات السفلى من الهواء، والتي نستنشقها، يكون محتوى الأكسجين أعلى مما كان عليه في الصيف. سبب هذه الظاهرة هو درجة حرارة منخفضة، مما يجعل الأكسجين أكثر كثافة.

خاتمة

تذكرنا اليوم ما هو التمثيل الضوئي وما هو الكلوروفيل وكيف تطلق النباتات الأكسجين عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون. وبطبيعة الحال، فإن عملية التمثيل الضوئي هي أهم عملية في حياتنا. إنه يذكرنا بالحاجة موقف دقيقإلى الطبيعة.

البناء الضوئي

من إجمالي كمية الإشعاع الشمسي الذي يضرب كوكبنا، يصل نصفه فقط إلى سطح الأرض، و1/8 فقط له طول موجي مناسب لعملية التمثيل الضوئي، وتستخدم النباتات 0.4% فقط من هذه الأشعة (حوالي 1% من إجمالي الطاقة) . كل أشكال الحياة على الأرض تعتمد على هذا الواحد بالمائة.

أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون مع الماء في وجود الكلوروفيل؛ هذا ينتج الجلوكوز ويطلق الأكسجين:
6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2.
سيكون التسجيل أكثر معرفة بالقراءة والكتابة
CO2 + 2H2O → + O2 + H2O،
مما يدل على أن الأكسجين المنطلق يتكون من الماء. تصف معادلة مماثلة التركيب الكيميائي لبكتيريا الكبريت:
ثاني أكسيد الكربون + 2H2S → + 2S + H2O،

وبالتالي فإن عملية التمثيل الضوئي تشمل مرحلتين:

إنتاج الهيدروجين (التحلل الضوئي) - في هذه الحالة، يتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي للتفاعل؛

الحصول على الجلوكوز (الانتعاش).

المرحلة الأولى من عملية التمثيل الضوئي تحدث في الضوء. الكميات الضوئية تعطي الإلكترونات الطاقة اللازمة لنقلها بعيدًا عن الكلوروفيل أو أي صبغة أخرى للتمثيل الضوئي. خلال المرحلة الأولى، يتم تصنيع ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات) من ADP (ثنائي فوسفات الأدينوزين) والفوسفات، ويتم تقليل NADP (فوسفات نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد) إلى NADP∙H2. يُطلق على تخليق ATP الناتج عن طاقة الكمات الضوئية اسم الفسفرة الضوئية. يمكن أن تكون هذه العملية دائرية (نفس الإلكترونات "تعمل" في التفاعل) وغير دائرية (تصل الإلكترونات في النهاية إلى NADP، وتتفاعل مع أيونات الهيدروجين، لتشكل NADP∙H2). يتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي للتفاعل فقط في الحالة الثانية.

تفاعلات المرحلة الثانية لا تتطلب الضوء. يحدث تقليل ثاني أكسيد الكربون بسبب طاقة ATP و NADP∙H2 المتراكم. يتحد ثاني أكسيد الكربون مع سكر الريبولوز ثنائي الفوسفات الخماسي الكربون لتكوين جزيئين من حمض الفوسفوجليسريك ثلاثي الكربون (PGA). وتسمى هذه العملية التمثيل الضوئي C3. تؤدي الدورة اللاحقة من التفاعلات (دورة كالفين) إلى تكوين السكر (على سبيل المثال، الجلوكوز) من PGA، وكذلك إعادة تركيب ثنائي فوسفات الريبولوز. في بعض النباتات (على سبيل المثال، قصب السكر، فول الصويا) لوحظ ما يسمى بعملية التمثيل الضوئي C4، في التفاعلات التي يتم فيها تقليل ثاني أكسيد الكربون، ويتم تضمينه في تركيبة الأحماض العضوية التي تحتوي على أربع ذرات كربون (على سبيل المثال، حمض الماليك). وفي الوقت نفسه، يصبح امتصاص ثاني أكسيد الكربون أكثر كفاءة، وتزداد إنتاجية النبات أيضًا.

يتأثر معدل التمثيل الضوئي بعدة عوامل. وأهمها شدة الضوء وتركيز الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ودرجة الحرارة المحيطة. تسمى الحالة التي يكون فيها معدل إطلاق الأكسجين من النبات مساويا لمعدل تنفسه بنقطة التعويض.

يمكن أن يعمل الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي كمثبط تنافسي من خلال التفاعل مع ثنائي فوسفات الريبولوز بدلاً من ثاني أكسيد الكربون. في هذه الحالة، يتم تشكيل جزيء واحد من PGA وphosphoglycolate، والذي يتحلل على الفور إلى جليكولات. لاستعادة جزء على الأقل من الكربون المحتجز في الجليكولات عديمة الفائدة، يقوم النبات بعملية تسمى التنفس الضوئي. هذا الاستهلاك المعتمد على الضوء للأكسجين مع إطلاق ثاني أكسيد الكربون، والذي يمكن ملاحظته فقط في النباتات C3، ليس له أي شيء مشترك مع التنفس الطبيعي. يحدث التنفس الضوئي بشكل عام مع امتصاص الطاقة؛ ونتيجة لذلك، يتكون الفوسفوغليسرات، ويفقد 25٪ من الكربون على شكل ثاني أكسيد الكربون. يشمل التنفس الضوئي البلاستيدات الخضراء والبيروكسيسومات والميتوكوندريا. لا تحتوي نباتات C4 عمليًا على تنفس ضوئي، وهذا هو السبب في زيادة إنتاجيتها.

وفيما يتعلق بمشكلة الطاقة، يحاول العلماء إجراء عمليات التمثيل الضوئي بشكل مصطنع، وخاصة مراحلها الأولى، عندما ينقسم الماء إلى أكسجين وهيدروجين تحت تأثير الإشعاع الشمسي. احتراق الهيدروجين (لتكوين الماء)