تعريف التركيب الضوئي
يُعرف التركيب الضوئي أو البناء الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) بأنه عملية كيميائية معقدة تُنفذها النباتات وبعض الكائنات الحية الأخرى، تهدف إلى تحويل الطاقة الضوئية الملتقطة إلى طاقة كيميائية. وتُعبر المعادلة التالية عن هذه العملية:
CO2 + 2H2O → (CH2O) + O2 + H2O
يُصنف التركيب الضوئي ضمن تفاعلات الأكسدة والاختزال، حيث يتم أكسدة الماء في وجود الضوء لإنتاج الأكسجين وأيونات الهيدروجين والإلكترونات. وتُستخدم هذه الأيونات والإلكترونات في اختزال ثاني أكسيد الكربون، وتحويله إلى مواد عضوية.
العوامل المؤثرة في عملية التركيب الضوئي
تتأثر عملية التركيب الضوئي بمجموعة من العوامل التي يمكن تقسيمها إلى عوامل داخلية وأخرى خارجية:
العوامل الداخلية
تشمل العوامل الداخلية خصائص ورقة النبات، مثل السمك ووجود شعيرات على السطح، وحجم المسام وتوزيعها، وتركيب النسيج الوسطي، بالإضافة إلى موقع الجسيمات داخل خلايا النبات.
كما تلعب نواتج التركيب الضوئي دورًا مهمًا؛ حيث أن ارتفاع تركيز هذه النواتج في الخلايا الخضراء يؤدي إلى انخفاض معدل التفاعل، خصوصًا إذا كان الانتقال بطيئًا. وتعتمد العملية أيضًا على الحالة العامة للمادة الحية، كالإنزيمات والبروتوبلازم، وخصوصًا في حالات جفاف البروتوبلازم وتأثر عمل الإنزيمات.
العوامل الخارجية
تتأثر عملية التركيب الضوئي بمجموعة متنوعة من العوامل الخارجية، ومنها:
شدة الضوء
ترتبط سرعة حدوث التركيب الضوئي بشكل مباشر بشدة الضوء، حيث تزداد سرعة العملية بوجود ضوء كاف، بينما تصبح بطيئة جدًا في حالة عدم توفر مصدر ضوء.
ثاني أكسيد الكربون
يعتبر غاز ثاني أكسيد الكربون من العوامل الخارجية التي تؤثر بشكل مباشر على عملية التركيب الضوئي، حيث يزداد معدل التركيب الضوئي بزيادة تركيز غاز ثاني أكسيد الكربون.
درجة الحرارة
تؤثر درجة الحرارة أيضًا على النباتات، حيث يقل معدل التركيب الضوئي في الأجواء الباردة ويحدث ببطء، في حين تزداد سرعة وكفاءة العملية في الأجواء الحارة.
مراحل عملية التركيب الضوئي
تتم عملية التركيب الضوئي على مرحلتين رئيسيتين:
التفاعلات الضوئية
تبدأ هذه التفاعلات بوجود ضوء الشمس. عندما يسقط الضوء على خلايا نباتية متعددة، يتشكل نظام ضوئي داخل البلاستيدات الخضراء، وعند انخفاض فوتونات الضوء على جزيئات الكلوروفيل، يحدث تصادم يُثير أحد إلكترونات الكلوروفيل، مما يؤدي إلى قفزه من مداره الأصلي ومحاولته العودة إليه، حيث يطلق الطاقة المكتسبة، والتي يمكن أن تظهر على شكل ضوء أو حرارة، وتساعد في الحاجة للتفاعل الكيميائي.
تفاعلات دورة كالفン
تُعرف تفاعلات الظلام أو دورة كالفن، التي تحدث أثناء الليل، نسبةً لمكتشفها كالفن. تحدث هذه التفاعلات في النباتات ذات الفلقتين أو في المركبات ثلاثية الكربون، وتُعرف أيضًا بدورة الكربون الثلاثي. هناك أيضًا دورة هاتس سلاك التي تحدث في النباتات ذات الفلقة الواحدة.
تُخزن الطاقة الكيميائية في المركبات العضوية الغنية بالطاقة، حيث تُنقل بعضٌ من هذه الطاقة الإلكترونية عبر جزيئات منخفضة الطاقة، مما يؤدي إلى إنتاج مركبين عالَيي الطاقة وهما ATP وNADPH. يتم استغلال جزء من هذه الطاقة في تحطيم جزيئات الماء إلى أيونات أكسجين وأيونات هيدروجين، حيث يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية، وينطلق الأكسجين.
وبذلك، يتضح أن الأكسجين يُنتج نتيجة تحطيم الماء في عملية التركيب الضوئي بعد إزالة الهيدروجين منه.
ناتج عملية التركيب الضوئي
تسفر عملية التركيب الضوئي عن مجموعة من المنتجات، منها:
- الكربوهيدرات مثل سكر الجلوكوز، ورمزه الكيميائي C6H12O6، أو السكروز.
- الأحماض الأمينية.
- البروتينات.
- الدهون.
- الأصباغ الخاصة بالأجزاء الخضراء.
أهمية عملية التركيب الضوئي
يعتبر التركيب الضوئي أحد العمليات الكيميائية والحيوية الأساسية في الطبيعة، ويمكن تلخيص أهميته من خلال النقاط التالية:
- يوفر التركيب الضوئي كمية كبيرة من الأكسجين المكون للغلاف الجوي.
- يلعب التركيب الضوئي دورًا محوريًا في دورة الكربون ضمن النظام البيئي.
- يساعد التركيب الضوئي على إنشاء علاقات تكافلية بين النباتات والبشر.
- يؤثر التركيب الضوئي بشكل مباشر أو غير مباشر على الحياة على كوكب الأرض، من خلال إمداد الكائنات الحية بالأكسجين والغذاء الناتج عن النباتات.
- يوفر التركيب الضوئي الطاقة الأولية اللازمة لنمو الأشجار والنباتات.