عكس عملية البناء الضوئي. التعريف والخصائص العامة لعملية التمثيل الضوئي، ومعنى عملية التمثيل الضوئي
التمثيل الضوئي غير الكلوروفيل
التوطين المكاني
يحدث التمثيل الضوئي للنبات في البلاستيدات الخضراء: عضيات معزولة ذات غشاء مزدوج للخلية. يمكن العثور على البلاستيدات الخضراء في خلايا الفاكهة والسيقان، لكن العضو الرئيسي في عملية التمثيل الضوئي، والمكيف تشريحيًا لسلوكه، هو الورقة. في الورقة، يكون نسيج الحمة الحاجزية أغنى بالبلاستيدات الخضراء. في بعض النباتات العصارية ذات الأوراق المتحللة (مثل الصبار)، يرتبط نشاط التمثيل الضوئي الرئيسي بالساق.
يتم التقاط الضوء لعملية التمثيل الضوئي بشكل كامل بفضل شكل مسطحورقة، وتوفير سطح كبير لنسبة الحجم. يتم توصيل الماء من الجذر عبر شبكة متطورة من الأوعية (عروق الأوراق). يدخل ثاني أكسيد الكربون جزئيًا عن طريق الانتشار من خلال البشرة والبشرة، ولكن معظمه ينتشر إلى الورقة من خلال الثغور ومن خلال الورقة عبر الفضاء بين الخلايا. لقد طورت النباتات التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي CAM آليات خاصة لاستيعاب ثاني أكسيد الكربون بشكل فعال.
يمتلئ الفضاء الداخلي للبلاستيدات الخضراء بمحتويات عديمة اللون (ستروما) وتخترقها أغشية (صفائح)، والتي عند اتصالها ببعضها البعض تشكل ثايلاكويدات، والتي بدورها يتم تجميعها في مداخن تسمى جرانا. يتم فصل الفضاء داخل الثايلاكويد ولا يتواصل مع بقية السدى؛ ومن المفترض أيضًا أن المساحة الداخلية لجميع الثايلاكويد تتواصل مع بعضها البعض. تقتصر المراحل الضوئية لعملية التمثيل الضوئي على الأغشية، ويحدث التثبيت الذاتي لثاني أكسيد الكربون في السدى.
تحتوي البلاستيدات الخضراء على الحمض النووي، والحمض النووي الريبوزي (RNA)، والريبوسومات (نوع السبعينيات)، ويحدث تخليق البروتين (على الرغم من أن هذه العملية يتم التحكم فيها من النواة). ولا يتم تصنيعها مرة أخرى، ولكن يتم تشكيلها بتقسيم العناصر السابقة. كل هذا جعل من الممكن اعتبارهم من نسل البكتيريا الزرقاء الحرة التي أصبحت جزءًا من الخلية حقيقية النواة أثناء عملية التعايش.
النظام الضوئي I
يحتوي مجمع حصاد الضوء I على ما يقرب من 200 جزيء من الكلوروفيل.
يوجد في مركز التفاعل للنظام الضوئي الأول ثنائي كلوروفيل أ بحد أقصى للامتصاص عند 700 نانومتر (P700). بعد الإثارة بواسطة الكم الخفيف، فإنه يستعيد المستقبِل الأساسي - الكلوروفيل أ، الذي يستعيد المستقبل الثانوي (فيتامين K 1 أو فيلوكينون)، وبعد ذلك يتم نقل الإلكترون إلى فيريدوكسين، مما يقلل NADP باستخدام إنزيم فيريدوكسين-NADP المختزل.
يتم نقل بروتين البلاستوسيانين، المختزل في مركب b6f، إلى مركز التفاعل للنظام الضوئي الأول من الفضاء داخل الإثيلاكويد وينقل إلكترونًا إلى P700 المؤكسد.
نقل الإلكترون الحلقي والحلقي الكاذب
بالإضافة إلى مسار الإلكترون غير الدوري الكامل الموصوف أعلاه، تم اكتشاف مسار دوري وشبه دوري.
جوهر المسار الدوري هو أن الفيريدوكسين، بدلاً من NADP، يقلل البلاستوكينون، مما يعيده مرة أخرى إلى المركب b6f. يؤدي هذا إلى تدرج أكبر للبروتون والمزيد من ATP، ولكن لا يوجد NADPH.
في المسار الحلقي الكاذب، يقلل الفيريدوكسين من الأكسجين، والذي يتم تحويله أيضًا إلى ماء ويمكن استخدامه في النظام الضوئي II. في هذه الحالة، لا يتم تشكيل NADPH أيضًا.
مرحلة مظلمة
في المرحلة المظلمة، بمشاركة ATP وNADPH، يتم تقليل ثاني أكسيد الكربون إلى الجلوكوز (C6H12O6). وعلى الرغم من أن الضوء ليس مطلوبًا لهذه العملية، إلا أنه يشارك في تنظيمها.
ج3 التمثيل الضوئي، دورة كالفن
تتضمن المرحلة الثالثة 5 جزيئات PHA، والتي، من خلال تكوين مركبات 4 و5 و6 و7 كربون، يتم دمجها في 3 5 كربون ريبولوز -1،5 ثنائي فوسفات، الأمر الذي يتطلب 3ATP.
وأخيرا، هناك حاجة إلى اثنين من PHAs لتخليق الجلوكوز. ولتكوين أحد جزيئاته، يلزم إجراء 6 دورات، 6 CO 2، 12 NADPH و18 ATP.
ج4 التمثيل الضوئي
المقالات الرئيسية: دورة هاتش-سلاك-كاربيلوف, التمثيل الضوئي C4
عند تركيز منخفض من ثاني أكسيد الكربون المذاب في السدى، يحفز كربوكسيلاز الريبولوز ثنائي الفوسفات تفاعل أكسدة الريبولوز -1،5 ثنائي الفوسفات وتحلله إلى حمض 3-فوسفوجليسريك وحمض الفوسفوجليكوليك، والذي يجب استخدامه في عملية التنفس الضوئي. .
لزيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون، قامت نباتات النوع 4 C بتغيير تشريح أوراقها. يتم تحديد دورة كالفين في الخلايا الغمدية للحزمة الوعائية، في خلايا الميزوفيل، تحت تأثير كربوكسيلاز PEP، يتم كربوكسيل الفوسفوينول بيروفات لتكوين حمض أوكسالوسيتيك، والذي يتحول إلى مالات أو أسبارتات ويتم نقله إلى الخلايا الغمدية، حيث يتم يتم نزع الكربوكسيل ليشكل البيروفات، الذي يعود إلى خلايا الميزوفيل.
مع 4، لا يصاحب عملية التمثيل الضوئي عمليًا فقدان الريبولوز 1،5 ثنائي الفوسفات من دورة كالفين، وبالتالي يكون أكثر كفاءة. ومع ذلك، فإنه لا يتطلب 18، ولكن 30 ATP لتخليق جزيء واحد من الجلوكوز. وهذا ما يبرره في المناطق الاستوائية، حيث يتطلب المناخ الحار إبقاء الثغور مغلقة، مما يمنع دخول ثاني أكسيد الكربون إلى الورقة، وكذلك مع استراتيجية الحياة الوقحة.
عملية التمثيل الضوئي نفسها
في وقت لاحق، وجد أنه بالإضافة إلى إطلاق الأكسجين، تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون وبمشاركة الماء، يتم تصنيع المواد العضوية في الضوء. واستنادا إلى قانون حفظ الطاقة، افترض روبرت ماير أن النباتات تحول طاقة ضوء الشمس إلى طاقة الروابط الكيميائية. وقد أطلق دبليو فيفر على هذه العملية اسم التمثيل الضوئي.
تم عزل الكلوروفيل لأول مرة بواسطة P. J. Peltier وJ. Caventou. تمكن M. S. Tsvet من فصل الأصباغ ودراستها بشكل منفصل باستخدام الطريقة الكروماتوغرافية التي ابتكرها. تمت دراسة أطياف امتصاص الكلوروفيل بواسطة K. A. Timiryazev، الذي أظهر، من خلال تطوير مبادئ ماير، أن الأشعة الممتصة هي التي تجعل من الممكن زيادة طاقة النظام، مما يخلق بدلاً من الأشعة الضعيفة اتصالات COو O-H عالية الطاقة C-C (قبل ذلك، كان يعتقد أن عملية التمثيل الضوئي تستخدم الأشعة الصفراء التي لا تمتصها أصباغ الأوراق). تم ذلك بفضل الطريقة التي ابتكرها لحساب عملية التمثيل الضوئي على أساس ثاني أكسيد الكربون الممتص: أثناء تجارب إضاءة النبات بضوء ذو أطوال موجية مختلفة (ألوان مختلفة)، اتضح أن شدة التمثيل الضوئي تتزامن مع طيف امتصاص الكلوروفيل .
تم افتراض طبيعة الأكسدة والاختزال لعملية التمثيل الضوئي (سواء الأكسجين أو غير المؤكسد) بواسطة كورنيليس فان نيل. وهذا يعني أن الأكسجين في عملية التمثيل الضوئي يتكون بالكامل من الماء، وهو ما أكده أ.ب.فينوغرادوف تجريبيًا في تجارب باستخدام علامة النظائر. وجد روبرت هيل أنه يمكن فصل عملية أكسدة الماء (وإطلاق الأكسجين) واستيعاب ثاني أكسيد الكربون. أسس دبليو دي أرنون آلية المراحل الضوئية لعملية التمثيل الضوئي، وقد كشف ملفين كالفين عن جوهر عملية استيعاب ثاني أكسيد الكربون باستخدام نظائر الكربون في أواخر الأربعينيات، وحصل على جائزة نوبل عنها.
حقائق اخرى
أنظر أيضا
الأدب
- هول د، راو ك.التمثيل الضوئي: ترجمة. من الانجليزية - م: مير، 1983.
- فسيولوجيا النبات / إد. البروفيسور إرماكوفا آي بي - م: الأكاديمية، 2007
- البيولوجيا الجزيئية للخلايا / ألبرتيس ب.، براي د. وآخرون في 3 مجلدات. - م: مير، 1994
- روبن أ.ب.الفيزياء الحيوية. في 2 مجلدات. - م: دار النشر. جامعة موسكو والعلوم، 2004.
- تشيرنافسكايا ن.م.
كيف نفسر عملية معقدة مثل التمثيل الضوئي لفترة وجيزة وبشكل واضح؟ النباتات هي الكائنات الحية الوحيدة التي يمكنها إنتاج غذائها بنفسها. كيف يفعلون ذلك؟ للنمو والحصول على جميع المواد اللازمة من بيئة: ثاني أكسيد الكربون - من الهواء والماء و - من التربة. كما أنهم بحاجة إلى الطاقة التي يحصلون عليها من أشعة الشمس. تؤدي هذه الطاقة إلى تفاعلات كيميائية معينة يتم خلالها تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز (غذاء) ويتم عملية التمثيل الضوئي. يمكن شرح جوهر العملية بإيجاز ووضوح حتى للأطفال في سن المدرسة.
"معاً مع النور"
تأتي كلمة "التمثيل الضوئي" من كلمتين يونانيتين - "صورة" و "توليف"، ويعني الجمع بينهما "مع الضوء". يتم تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية. المعادلة الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي:
6CO2 + 12H2O + ضوء = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O.
وهذا يعني أنه يتم استخدام 6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون واثني عشر جزيئًا من الماء (مع ضوء الشمس) لإنتاج الجلوكوز، مما ينتج عنه ستة جزيئات من الأكسجين وستة جزيئات من الماء. إذا قمت بتمثيل ذلك كمعادلة لفظية، تحصل على ما يلي:
ماء + شمس => جلوكوز + أكسجين + ماء.
الشمس مصدر قوي جدًا للطاقة. يحاول الناس دائمًا استخدامه لتوليد الكهرباء وعزل المنازل وتسخين المياه وما إلى ذلك. لقد اكتشفت النباتات كيفية استخدام الطاقة الشمسية منذ ملايين السنين لأنها كانت ضرورية لبقائها على قيد الحياة. يمكن شرح عملية التمثيل الضوئي بإيجاز ووضوح على النحو التالي: تستخدم النباتات الطاقة الضوئية الصادرة عن الشمس وتحولها إلى طاقة كيميائية ينتج عنها السكر (الجلوكوز)، ويتم تخزين الفائض منه على شكل نشا في الأوراق والجذور والسيقان. وبذور النبات . وتنتقل طاقة الشمس إلى النباتات، وكذلك إلى الحيوانات التي تأكل هذه النباتات. عندما يحتاج النبات إلى العناصر الغذائية للنمو والعمليات الحياتية الأخرى، فإن هذه الاحتياطيات تكون مفيدة للغاية.
كيف تمتص النباتات الطاقة من الشمس؟
عند الحديث عن عملية التمثيل الضوئي بإيجاز ووضوح، يجدر بنا أن نتناول مسألة كيفية تمكن النباتات من امتصاص الطاقة الشمسية. يحدث هذا بسبب البنية الخاصة للأوراق، والتي تشمل الخلايا الخضراء - البلاستيدات الخضراء، والتي تحتوي على مادة خاصة تسمى الكلوروفيل. هذا هو ما يعطي الأوراق اللون الاخضروهو المسؤول عن امتصاص الطاقة من أشعة الشمس.
لماذا معظم الأوراق واسعة ومسطحة؟
يحدث التمثيل الضوئي في أوراق النباتات. حقيقة مذهلةهو أن النباتات تتكيف بشكل جيد للغاية لالتقاط ضوء الشمس وامتصاص ثاني أكسيد الكربون. بفضل السطح الواسع، سيتم التقاط المزيد من الضوء. ولهذا السبب تكون الألواح الشمسية، التي يتم تركيبها أحيانًا على أسطح المنازل، واسعة ومسطحة أيضًا. كلما كان السطح أكبر، كلما كان الامتصاص أفضل.
ما هو المهم أيضًا للنباتات؟
تحتاج النباتات أيضًا، مثل البشر، إلى العناصر الغذائية المفيدة للبقاء في صحة جيدة والنمو وأداء وظائفها الحيوية بشكل جيد. يحصلون على المعادن الذائبة في الماء من التربة من خلال جذورهم. إذا كانت التربة تفتقر إلى العناصر الغذائية المعدنية، فلن ينمو النبات بشكل طبيعي. يقوم المزارعون في كثير من الأحيان باختبار التربة للتأكد من أنها تحتوي على ما يكفي من العناصر الغذائية لنمو المحاصيل. بخلاف ذلك، اللجوء إلى استخدام الأسمدة التي تحتوي على المعادن الأساسية لتغذية النبات ونموه.
لماذا تعتبر عملية التمثيل الضوئي مهمة جدًا؟
ولشرح عملية التمثيل الضوئي بشكل موجز وواضح للأطفال، تجدر الإشارة إلى أن هذه العملية هي واحدة من أهم التفاعلات الكيميائية في العالم. ما هي الأسباب لمثل هذا البيان بصوت عال؟ أولاً، تغذي عملية التمثيل الضوئي النباتات، والتي بدورها تغذي كل الكائنات الحية الأخرى على هذا الكوكب، بما في ذلك الحيوانات والبشر. ثانيا، نتيجة لعملية التمثيل الضوئي، يتم إطلاق الأكسجين الضروري للتنفس في الغلاف الجوي. جميع الكائنات الحية تستنشق الأكسجين وتزفر ثاني أكسيد الكربون. ولحسن الحظ أن النباتات تفعل العكس، لذا فهي مهمة جداً للإنسان والحيوان، حيث تمنحها القدرة على التنفس.
عملية مذهلة
وتبين أن النباتات تعرف أيضًا كيف تتنفس، ولكنها، على عكس البشر والحيوانات، تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء، وليس الأكسجين. النباتات تشرب أيضا. لهذا السبب عليك أن تسقيهم، وإلا سيموتون. وبمساعدة النظام الجذري، يتم نقل الماء والمواد المغذية إلى جميع أجزاء جسم النبات، ويتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون من خلال ثقوب صغيرة على الأوراق. الزناد لبدء التفاعل الكيميائي هو ضوء الشمس. تستخدم النباتات جميع المنتجات الأيضية التي تم الحصول عليها للتغذية، ويتم إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. هذه هي الطريقة التي يمكنك من خلالها شرح كيفية حدوث عملية التمثيل الضوئي بإيجاز ووضوح.
التمثيل الضوئي: المراحل الخفيفة والمظلمة من عملية التمثيل الضوئي
تتكون العملية قيد النظر من جزأين رئيسيين. هناك مرحلتان لعملية التمثيل الضوئي (الوصف والجدول أدناه). الأول يسمى مرحلة الضوء. ويحدث فقط في وجود الضوء في أغشية الثايلاكويد بمشاركة الكلوروفيل وبروتينات نقل الإلكترون والإنزيم سينثيتاز ATP. ماذا يخفي التمثيل الضوئي؟ تضيء وتستبدل بعضها البعض مع تقدم النهار والليل (دورات كالفن). خلال المرحلة المظلمة، يتم إنتاج نفس الجلوكوز، وهو غذاء للنباتات. وتسمى هذه العملية أيضًا بالتفاعل المستقل عن الضوء.
| مرحلة الضوء | المرحلة المظلمة |
1. التفاعلات التي تحدث في البلاستيدات الخضراء ممكنة فقط في وجود الضوء. وفي هذه التفاعلات، تتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية 2. يمتص الكلوروفيل والأصباغ الأخرى الطاقة من ضوء الشمس. يتم نقل هذه الطاقة إلى الأنظمة الضوئية المسؤولة عن عملية التمثيل الضوئي 3. يستخدم الماء لإنتاج الإلكترونات وأيونات الهيدروجين، كما يدخل في إنتاج الأكسجين 4. يتم استخدام الإلكترونات وأيونات الهيدروجين لتكوين ATP (جزيء تخزين الطاقة)، وهو ضروري في المرحلة التالية من عملية التمثيل الضوئي | 1. تحدث تفاعلات دورة الضوء الزائد في سدى البلاستيدات الخضراء 2. يتم استخدام ثاني أكسيد الكربون والطاقة الناتجة عن ATP في شكل جلوكوز |
خاتمة
ومن كل ما سبق يمكن استخلاص الاستنتاجات التالية:
- التمثيل الضوئي هو عملية إنتاج الطاقة من الشمس.
- يتم تحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى طاقة كيميائية بواسطة الكلوروفيل.
- الكلوروفيل يعطي النباتات لونها الأخضر.
- يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء لخلايا أوراق النبات.
- ثاني أكسيد الكربون والماء ضروريان لعملية التمثيل الضوئي.
- يدخل ثاني أكسيد الكربون إلى النبات من خلال ثقوب صغيرة، ثم يخرج الأكسجين من خلالها.
- يتم امتصاص الماء في النبات من خلال جذوره.
- بدون عملية التمثيل الضوئي لن يكون هناك غذاء في العالم.
البناء الضوئي هي مجموعة من العمليات لتخليق المركبات العضوية من المركبات غير العضوية نتيجة تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة الروابط الكيميائية. تشمل الكائنات الضوئية النباتات الخضراء وبعض بدائيات النوى - البكتيريا الزرقاء وبكتيريا الكبريت الأرجواني والأخضر وسوط النبات.
بدأت الأبحاث في عملية التمثيل الضوئي في النصف الثاني من القرن الثامن عشر. تم اكتشاف مهم من قبل العالم الروسي المتميز K. A. Timiryazev، الذي أثبت عقيدة الدور الكوني للنباتات الخضراء. تمتص النباتات ضوء الشمس وتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة الروابط الكيميائية للمركبات العضوية التي يتم تصنيعها بواسطتها. وبالتالي، فإنها تضمن الحفاظ على الحياة على الأرض وتطويرها. كما أثبت العالم نظريًا وأثبت تجريبيًا دور الكلوروفيل في امتصاص الضوء أثناء عملية التمثيل الضوئي.
الكلوروفيل هي أصباغ التمثيل الضوئي الرئيسية. وهي تشبه في تركيبها الهيموجلوبين، ولكنها تحتوي على المغنيسيوم بدلاً من الحديد. محتوى الحديد ضروري لضمان تخليق جزيئات الكلوروفيل. هناك العديد من الكلوروفيل التي تختلف في خصائصها التركيب الكيميائي. إلزامي لجميع الصور الضوئية الكلوروفيل أ . الكلوروفيلب وجدت في النباتات الخضراء الكلوروفيل ج - في الدياتومات والطحالب البنية. الكلوروفيل د سمة من الطحالب الحمراء.
البكتيريا الضوئية الخضراء والأرجوانية لها خصوصية البكتيريا الكلوروفيل . هناك الكثير من القواسم المشتركة بين عملية التمثيل الضوئي البكتيري وعملية التمثيل الضوئي في النبات. ويختلف الأمر في أن المتبرع بالهيدروجين في البكتيريا هو كبريتيد الهيدروجين، وفي النباتات هو الماء. لا تحتوي البكتيريا الخضراء والأرجوانية على النظام الضوئي II. لا يصاحب عملية التمثيل الضوئي البكتيري إطلاق الأكسجين. المعادلة العامة لعملية التمثيل الضوئي البكتيري هي:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.
يعتمد التمثيل الضوئي على عملية الأكسدة والاختزال. ويرتبط بنقل الإلكترونات من المركبات التي تزود الإلكترونات المانحة إلى المركبات التي تقبلها - المستقبلات. يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة المركبات العضوية المركبة (الكربوهيدرات).
هناك هياكل خاصة على أغشية البلاستيدات الخضراء - مراكز رد الفعل التي تحتوي على الكلوروفيل. في النباتات الخضراء والبكتيريا الزرقاء، هناك نوعان أنظمة الصور – أولا أنا) و الثاني (الثاني) والتي لها مراكز تفاعل مختلفة ومترابطة من خلال نظام نقل الإلكترون.
مرحلتين من عملية التمثيل الضوئي
تتكون عملية التمثيل الضوئي من مرحلتين: الضوء والظلام.
يحدث فقط في وجود الضوء على الأغشية الداخلية للميتوكوندريا في أغشية هياكل خاصة - ثايلاكويدات . تلتقط أصباغ التمثيل الضوئي الكميات الضوئية (الفوتونات). وهذا يؤدي إلى "إثارة" أحد إلكترونات جزيء الكلوروفيل. وبمساعدة الجزيئات الحاملة، ينتقل الإلكترون إلى السطح الخارجي لغشاء الثايلاكويد، مكتسبًا درجة حرارة معينة. الطاقة الكامنة.
هذا الإلكترون في النظام الضوئي I يمكن أن يعود إلى بلده مستوى الطاقةواستعادته. يمكن أيضًا أن ينتقل NADP (فوسفات النيكوتيناميد الأدينين ثنائي النوكليوتيد). ومن خلال التفاعل مع أيونات الهيدروجين، تقوم الإلكترونات باستعادة هذا المركب. يوفر NADP المخفض (NADP H) الهيدروجين لاختزال ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى الجلوكوز.
تحدث عمليات مماثلة في النظام الضوئي الثاني . يمكن نقل الإلكترونات المثارة إلى النظام الضوئي الأول واستعادتها. تحدث استعادة النظام الضوئي II بسبب الإلكترونات التي توفرها جزيئات الماء. انقسام جزيئات الماء (التحلل الضوئي للماء) إلى بروتونات الهيدروجين والأكسجين الجزيئي، الذي يتم إطلاقه في الغلاف الجوي. تُستخدم الإلكترونات لاستعادة النظام الضوئي II. معادلة التحلل الضوئي للماء:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
عندما تعود الإلكترونات من السطح الخارجي لغشاء الثايلاكويد إلى مستوى الطاقة السابق، يتم إطلاق الطاقة. ويتم تخزينه على شكل روابط كيميائية جزيئات ATP، والتي يتم تصنيعها أثناء التفاعلات في كلا النظامين الضوئيين. تسمى عملية تصنيع ATP مع ADP وحمض الفوسفوريك الفسفرة الضوئية . يتم استخدام بعض الطاقة لتبخير الماء.
خلال المرحلة الضوئية من عملية التمثيل الضوئي، يتم تشكيل مركبات غنية بالطاقة: ATP و NADP H. أثناء التحلل الضوئي لجزيئات الماء، يتم إطلاق الأكسجين الجزيئي في الغلاف الجوي.
تحدث التفاعلات في البيئة الداخلية للبلاستيدات الخضراء. يمكن أن تحدث في وجود الضوء وبدونه. يتم تصنيع المواد العضوية (يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز) باستخدام الطاقة التي تكونت في الطور الضوئي.
عملية تخفيض ثاني أكسيد الكربون هي عملية دورية وتسمى دورة كالفين . سميت على اسم الباحث الأمريكي إم كالفن الذي اكتشف هذه العملية الدورية.
تبدأ الدورة بتفاعل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي مع ثنائي فوسفات الريبولوز. يتم تحفيز العملية بواسطة إنزيم الكربوكسيلاز . الريبولوز ثنائي الفوسفات هو سكر خماسي الكربون متحد مع وحدتين من حمض الفوسفوريك. ويحدث عدد من التحولات الكيميائية، ويتم تحفيز كل منها بواسطة إنزيم خاص بها. كيف يتم تشكيل المنتج النهائي لعملية التمثيل الضوئي؟ الجلوكوز ، ويتم أيضًا تقليل ثنائي فوسفات الريبولوز.
المعادلة العامة لعملية البناء الضوئي هي:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
بفضل عملية التمثيل الضوئي، يتم امتصاص الطاقة الضوئية من الشمس وتحويلها إلى طاقة الروابط الكيميائية للكربوهيدرات المركبة. يتم نقل الطاقة من خلال السلاسل الغذائية إلى الكائنات غيرية التغذية. أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتم امتصاص ثاني أكسيد الكربون ويتم إطلاق الأكسجين. كل الأكسجين في الغلاف الجوي هو من أصل التمثيل الضوئي. يتم إطلاق أكثر من 200 مليار طن من الأكسجين الحر سنويًا. يحمي الأكسجين الحياة على الأرض من الأشعة فوق البنفسجية عن طريق إنشاء درع الأوزون في الغلاف الجوي.
عملية التمثيل الضوئي غير فعالة، حيث يتم تحويل 1-2٪ فقط من الطاقة الشمسية إلى مادة عضوية مركبة. ويرجع ذلك إلى حقيقة أن النباتات لا تمتص الضوء بما فيه الكفاية، ويمتص الغلاف الجوي جزءًا منه، وما إلى ذلك. وينعكس معظم ضوء الشمس من سطح الأرض إلى الفضاء.
تحصل النباتات على الماء والمعادن من جذورها. توفر الأوراق التغذية العضوية للنباتات. على عكس الجذور، فهي ليست في التربة، ولكن في الهواء، وبالتالي فهي لا توفر التربة، ولكن التغذية الجوية.
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. بعد 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 استنتاج مفاده 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 وغطيتها بغطاء زجاجي، فبعد أن تحترق قليلاً ستنطفئ.
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 تنتج الأكسجين فحسب، بل تنتج أيضًا مواد عضوية تعمل كغذاء 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. تسمى عملية تكوين المادة العضوية من ثاني أكسيد الكربون والماء باستخدام الطاقة الشمسية بعملية التمثيل الضوئي (ضوء pbo1os اليوناني). 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 تُغسل الأوراق بالماء وتُعالج بمحلول ضعيف من اليود. 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 لثاني 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 دورق به كمية صغيرة من ماء الليمون. 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 أنه أثناء عملية التمثيل الضوئي، تطلق النباتات الأكسجين في البيئة الخارجية، فكر في تجربة مع النبات المائي Elodea. 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. عند تعرضها للضوء، تنتج إلوديا فقاعات غازية. وهي 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. الطاقة الكهربائية الطاقة الحرارية
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. في المرحلة التحضيرية لتحلل الكربوهيدرات يحدث التحلل المائي:
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، ويشفر هذا القسم عديد الببتيد 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. الأكسدة 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 لونها الأخضر. 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. يأتي الماء من 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.
وبما أن ضوء الشمس مهم لعملية التمثيل الضوئي، فإن الأوراق عادة ما تكون ذات مساحة سطحية كبيرة. 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 المزيد مُجَمَّعنشاء. 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 هما المواد غير العضويةوالجلوكوز والنشا 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. لا توجد مثل هذه العملية في خلايا الحيوانات والفطريات، لذلك تضطر إلى امتصاص المواد العضوية من البيئة. 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 يحصل النبات على كمية كافية من الرطوبة. مع نقص الماء وبعض المعادن، يتم 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).
والمواد العضوية التي تتكون أثناء عملية البناء الضوئي تستخدم جزئياً في الأوراق نفسها ولكنها تتدفق بشكل رئيسي إلى جميع الأعضاء الأخرى وتتحول إلى مواد عضوية أخرى وتستخدم في استقلاب الطاقة، يتم 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 وتحويلهما طاقة اعبي التنس المحترفينوالجزيئات 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 مخزون كبيرالطاقة، ونتيجة لذلك ينتقل إلى مستوى طاقة أعلى. يمكن تشبيه 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.
كان من الممكن عزل البلاستيدات الخضراء من الخلايا النباتية، والتي في أنبوب الاختبار، تحت تأثير الضوء، قامت بعملية التمثيل الضوئي - شكلت جزيئات الجلوكوز الجديدة وامتصت 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
مُنفّذ عملية البناء الضوئي في أوراق النبات.التمثيل الضوئي هو سمة فقط من النباتات الخضراء. هذا الجانب الأكثر أهمية من نشاط الأوراق يتميز به K. A. Timiryazev بشكل كامل:
ويمكن القول أن حياة الورقة تعبر عن جوهر الحياة النباتية. جميع المواد العضوية مهما تنوعت وأينما وجدت – سواء في النبات أو الحيوان أو الإنسان – تمر عبر الورقة، ومصدرها المواد التي تنتجها الورقة.
هيكل أوراق النبات
أوراق النباتوتتميز بتنوع كبير في بنيتها التشريحية التي تعتمد على نوع النبات وظروف نموها. الورقة مغطاة من الأعلى والأسفل بالجلد - وهو نسيج يغطيه بفتحات عديدة تسمى الثغور. يوجد تحت البشرة العلوية حاجز أو حمة عمودية تسمى الاستيعاب. يوجد تحتها أنسجة أكثر مرونة - حمة إسفنجية، تليها البشرة السفلية. وتتخلل الورقة بأكملها شبكة من الأوردة تتكون من حزم موصلة يمر من خلالها الماء والمعادن والمواد العضوية. مقطع عرضي من ورقة. يحتوي النسيج العمودي والإسفنجي للورقة على بلاستيدات خضراء - البلاستيدات الخضراء التي تحتوي على أصباغ. إن وجود البلاستيدات الخضراء والأصباغ الخضراء التي تحتوي عليها (الكلوروفيل) يفسر لون النباتات. سطح ورقة ضخم، يصل إلى 30.000 - 50.000 متر مربع. م لكل هكتار في نباتات مختلفة، يتكيف بشكل جيد مع الامتصاص الناجح لثاني أكسيد الكربون من الهواء أثناء عملية التمثيل الضوئي. يخترق ثاني أكسيد الكربون ورقة النبات من خلال الثغور الموجودة في البشرة، ويدخل إلى المساحات بين الخلايا، ويخترق غشاء الخلية، ويدخل السيتوبلازم، ثم إلى البلاستيدات الخضراء، حيث تتم عملية الاستيعاب. ينتشر الأكسجين المتكون في هذه العملية من سطح البلاستيدات الخضراء في حالة حرة. وهكذا، من خلال الثغور يحدث تبادل الغازات بين الأوراق والبيئة الخارجية - تناول ثاني أكسيد الكربون وإطلاق الأكسجين أثناء عملية التمثيل الضوئي، وإطلاق ثاني أكسيد الكربون وامتصاص الأكسجين أثناء التنفس. بالإضافة إلى ذلك، تعمل الثغور على إطلاق بخار الماء. بالرغم من المساحة الكليةتشكل فتحات الثغور 1-2% فقط من كامل سطح الورقة، ومع ذلك، في الثغور المفتوحة، يخترق ثاني أكسيد الكربون إلى الأوراق بمعدل أعلى 50 مرة من امتصاصه بواسطة القلويات. عدد الثغور كبير جدًا - من عدة عشرات إلى 1500 لكل 1 مربع. مم.البلاستيدات الخضراء
البلاستيدات الخضراء- البلاستيدات الخضراء التي تتم فيها عملية البناء الضوئي. وهي تقع في السيتوبلازم. في النباتات العليا، تكون البلاستيدات الخضراء على شكل قرص أو على شكل عدسة؛ وفي النباتات السفلية تكون أكثر تنوعًا.
البلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية الخضراء. حجم البلاستيدات الخضراء في النباتات العليا ثابت تمامًا، حيث يبلغ متوسطه 1-10 ميكرون. عادة ما يحتوي القفص على عدد كبير منالبلاستيدات الخضراء، في المتوسط 20-50، وأحيانا أكثر. وهي موجودة بشكل رئيسي في الأوراق، ويوجد الكثير منها في الفواكه غير الناضجة. في النبات، يكون العدد الإجمالي للبلاستيدات الخضراء ضخمًا؛ في شجرة بلوط بالغة، على سبيل المثال، تبلغ مساحتها 2 هكتار. البلاستيدات الخضراء لديها هيكل الغشاء. ويتم فصله عن السيتوبلازم بواسطة غشاء مزدوج. تحتوي البلاستيدات الخضراء على صفائح، وصفائح بروتينية شحمية، متجمعة في حزم وتسمى جرانا. يقع الكلوروفيل في الصفائح على شكل طبقة أحادية الجزيئية. يوجد بين الصفائح سائل بروتيني مائي - السدى. لاحتوائه على حبات النشا وقطرات من الزيت. يتكيف هيكل البلاستيدات الخضراء بشكل جيد مع عملية التمثيل الضوئي، حيث أن تقسيم الجهاز الحامل للكلوروفيل إلى صفائح صغيرة يزيد بشكل كبير من السطح النشط للبلاستيدات الخضراء، مما يسهل وصول الطاقة ونقلها إلى الأنظمة الكيميائيةتشارك في عملية التمثيل الضوئي. تظهر بيانات A. A. Tabentsky أن البلاستيدات الخضراء تتغير طوال الوقت أثناء تكوين النبات. في الأوراق الصغيرة، لوحظ بنية دقيقة الحبيبات من البلاستيدات الخضراء، في الأوراق التي أكملت النمو - بنية خشنة الحبيبات. في الأوراق القديمة، لوحظ بالفعل انهيار البلاستيدات الخضراء. تحتوي المادة الجافة للبلاستيدات الخضراء على 20-45% بروتينات، 20-40% دهون، 10-12% كربوهيدرات ومواد احتياطية أخرى، 10% عناصر معدنية، 5-10% أصباغ خضراء (الكلوروفيل). أوالكلوروفيل ب)، 1-2% كاروتينات، بالإضافة إلى كميات صغيرة من الحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي (DNA). يصل محتوى الماء إلى 75%. تحتوي البلاستيدات الخضراء على مجموعة كبيرة من إنزيمات التحلل المائي والأكسدة. أظهرت الأبحاث التي أجراها N. M. Sissakyan أن تخليق العديد من الإنزيمات يحدث أيضًا في البلاستيدات الخضراء. بفضل هذا، يشاركون في مجمع عمليات الحياة النباتية المعقدة بأكملها. الأصباغ وخصائصها وظروف تكوينها
أصباغيمكن استخلاصه من أوراق النبات بالكحول أو الأسيتون. يحتوي المستخلص على الصبغات التالية: الأخضر - الكلوروفيل أوالكلوروفيل ب; الأصفر - كاروتين وزانثوفيل (الكاروتينات).الكلوروفيل
الكلوروفيليمثلواحدة من المواد الأكثر إثارة للاهتمام على سطح الأرض(جيم داروين)، لأنه بفضله من الممكن تخليق المواد العضوية من ثاني أكسيد الكربون غير العضوي وH 2 O، ولا يذوب الكلوروفيل في الماء، تحت تأثير الأملاح والأحماض والقلويات، فإنه يتغير بسهولة، لذلك كان شديدًا. من الصعب تأسيسها التركيب الكيميائي. عادة ما يستخدم الكحول الإيثيلي أو الأسيتون لاستخراج الكلوروفيل. يحتوي الكلوروفيل على الصيغ الموجزة التالية: الكلوروفيل أ- C 55 H 72 O 5 N 4 Mg، كلوروفيل ب- C 55 H 70 O 6 N 4 Mg. في الكلوروفيل أذرتان هيدروجين أكثر وذرة أكسجين أقل من الكلوروفيل ب. يمكن تمثيل صيغ الكلوروفيل على النحو التالي:
صيغ الكلوروفيل أو ب. يحتل المركز المركزي في جزيء الكلوروفيل المغنيسيوم؛ ويمكن استبداله بمعالجة المستخلص الكحولي للكلوروفيل بحمض الهيدروكلوريك. يتحول الصباغ الأخضر إلى صبغة بنية تسمى الفوفيتين، حيث يتم استبدال Mg بذرتين H من حمض الهيدروكلوريك. من السهل جدًا استعادة اللون الأخضر للمستخلص عن طريق إضافة المغنيسيوم أو معدن آخر إلى جزيء الفوفيتين. ولذلك فإن اللون الأخضر للكلوروفيل يرتبط بوجود المعدن في تركيبته. عندما يتعرض المستخلص الكحولي للكلوروفيل للقلويات، يتم التخلص من مجموعات الكحول (فيتول وكحول الميثيل)؛ وفي هذه الحالة يتم الاحتفاظ باللون الأخضر للكلوروفيل، مما يشير إلى أن نواة جزيء الكلوروفيل محفوظ أثناء هذا التفاعل. التركيب الكيميائي للكلوروفيل هو نفسه في جميع النباتات. دائمًا ما يكون محتوى الكلوروفيل أ أعلى (حوالي 3 مرات) من الكلوروفيل ب. الكمية الإجمالية للكلوروفيل صغيرة وتصل إلى حوالي 1% من المادة الجافة للورقة. في طبيعته الكيميائية، الكلوروفيل قريب من مادة التلوين في الدم - الهيموجلوبين، والمكان المركزي في جزيءه لا يشغله المغنيسيوم، ولكن الحديد. وفقًا لهذا، تختلف وظائفها الفسيولوجية أيضًا: يشارك الكلوروفيل في أهم عملية تجديد في النبات - التمثيل الضوئي، والهيموجلوبين - في عملية تنفس الكائنات الحيوانية، وحمل الأكسجين. الخصائص البصرية للأصباغ
يمتص الكلوروفيل الطاقة الشمسية ويوجهها إلى تفاعلات كيميائية لا يمكن أن تحدث دون تلقي الطاقة من الخارج. يكون محلول الكلوروفيل في الضوء المنقول باللون الأخضر، ولكن مع زيادة سماكة الطبقة أو تركيز الكلوروفيل يصبح أحمر. يمتص الكلوروفيل الضوء ليس بشكل كامل، ولكن بشكل انتقائي. عندما يمر الضوء الأبيض عبر المنشور، فإنه ينتج طيفًا يتكون من سبعة ألوان مرئية، والتي تتحول تدريجيًا إلى بعضها البعض. عند تمرير الضوء الأبيض من خلال المنشور ومحلول الكلوروفيل، فإن الامتصاص الأكثر كثافة في الطيف الناتج سيكون في الأشعة الحمراء والزرقاء البنفسجية. يتم امتصاص الأشعة الخضراء قليلاً ، لذلك في طبقة رقيقة يكون للكلوروفيل لون أخضر في الضوء المنقول. ومع ذلك، مع زيادة تركيز الكلوروفيل، تتوسع نطاقات الامتصاص (يتم امتصاص جزء كبير من الأشعة الخضراء أيضًا) ولا يمر سوى جزء كبير من الأشعة الحمراء المتطرفة دون امتصاص. أطياف امتصاص الكلوروفيل أو بقريب جدا. في الضوء المنعكس، يظهر الكلوروفيل باللون الأحمر الكرزي لأنه يبعث ضوءًا ممتصًا مع تغير في طول موجته. تسمى خاصية الكلوروفيل هذه بالفلورة.كاروتين وزانثوفيل
كاروتين وزانثوفيللها نطاقات امتصاص فقط في الأشعة الزرقاء والبنفسجية. أطيافهم قريبة من بعضها البعض.
أطياف امتصاص الكلوروفيل أو ب. يتم نقل الطاقة التي تمتصها هذه الأصباغ إلى الكلوروفيل أوهو مشارك مباشر في عملية التمثيل الضوئي. يعتبر الكاروتين بروفيتامين أ، حيث أن تحلله ينتج جزيئين من فيتامين أ. صيغة الكاروتين هي C 40 H 56، والزانتوفيل هي C 40 H 54 (OH) 2. شروط تكوين الكلوروفيل
تكوين الكلوروفيليتم إجراؤها على مرحلتين: المرحلة الأولى مظلمة، يتم خلالها تكوين مادة الكلوروفيل، البروتوكلوروفيل، والثانية فاتحة، حيث يتكون الكلوروفيل من البروتوكلوروفيل في الضوء. يعتمد تكوين الكلوروفيل على كل من الأنواع النباتية والسلسلة الظروف الخارجية. يمكن لبعض النباتات، مثل الشتلات الصنوبرية، أن تتحول إلى اللون الأخضر حتى بدون ضوء، في الظلام، ولكن في معظم النباتات، يتكون الكلوروفيل من البروتوكلوروفيل فقط في الضوء. في غياب الضوء، يتم الحصول على نباتات مدهونة ذات ساق رفيع وضعيف وممدود للغاية وأوراق صفراء شاحبة صغيرة جدًا. إذا تعرضت النباتات المتحللة للضوء، فسوف تتحول الأوراق بسرعة إلى اللون الأخضر. ويفسر ذلك حقيقة أن الأوراق تحتوي بالفعل على البروتوكلوروفيل، والذي يتحول بسهولة تحت تأثير الضوء إلى الكلوروفيل. درجة الحرارة لها تأثير كبير على تكوين الكلوروفيل؛ في الربيع البارد، لا تتحول أوراق بعض الشجيرات إلى اللون الأخضر حتى يأتي الطقس الدافئ: عندما تنخفض درجة الحرارة، يتم قمع تكوين البروتوكلوروفيل. الحد الأدنى لدرجة الحرارة التي يبدأ عندها تكوين الكلوروفيل هي 2 درجة مئوية، والحد الأقصى الذي لا يحدث عنده تكوين الكلوروفيل هو 40 درجة مئوية. بالإضافة إلى درجة حرارة معينة، فإن تكوين الكلوروفيل يتطلب عناصر التغذية المعدنية، وخاصة الحديد. وفي غيابه، تتعرض النباتات لمرض يسمى داء الاخضرار. على ما يبدو، الحديد هو عامل محفز في تركيب البروتوكلوروفيل، لأنه ليس جزءا من جزيء الكلوروفيل. يتطلب تكوين الكلوروفيل أيضًا وجود النيتروجين والمغنيسيوم، وهما جزء من جزيئه. الشرط المهم هو وجود البلاستيدات في الخلايا الورقية القادرة على التخضير. في حالة غيابها، تظل أوراق النبات بيضاء، ولا يكون النبات قادرًا على القيام بعملية التمثيل الضوئي، ولا يمكنه العيش إلا حتى يستنفد مخزونه من البذور. وتسمى هذه الظاهرة المهق. ويرتبط بتغير في الطبيعة الوراثية لنبتة معينة.العلاقات الكمية بين الكلوروفيل وثاني أكسيد الكربون القابل للاستيعاب
مع محتوى أعلى الكلوروفيلفي النبات، تبدأ عملية التمثيل الضوئي عند شدة ضوء أقل وحتى عند درجة حرارة أقل. ومع زيادة محتوى الكلوروفيل في الأوراق، تزداد عملية التمثيل الضوئي، ولكن إلى حد معين. وبالتالي لا توجد علاقة مباشرة بين محتوى الكلوروفيل وكثافة امتصاص ثاني أكسيد الكربون. تكون كمية ثاني أكسيد الكربون التي تستوعبها الورقة في الساعة، محسوبة لكل وحدة من الكلوروفيل الموجودة في الورقة، أعلى، وكلما قل الكلوروفيل. اقترح R. Willstetter وA. Stohl وحدة تصف العلاقة بين كمية الكلوروفيل وثاني أكسيد الكربون الممتص. لقد أطلقوا على كمية ثاني أكسيد الكربون المتحللة لكل وحدة زمنية لكل وحدة وزن الكلوروفيل رقم الاستيعاب. رقم الاستيعاب ليس ثابتا: فهو أعلى عندما يكون محتوى الكلوروفيل منخفضا وينخفض عندما يكون محتواه في الأوراق مرتفعا. وبالتالي فإن جزيء الكلوروفيل يستخدم بشكل أكثر إنتاجية عندما يكون محتواه في الورقة منخفضاً، وتقل إنتاجية الكلوروفيل مع زيادة كميته. يتم إدخال البيانات في الجدول.رقم استيعاب الجدول اعتمادًا على محتوى الكلوروفيل (وفقًا لـ R. Willstetter وA. Stohl)
| النباتات |
في 10 الأوراق (ملغ) |
رقم الاستيعاب |
|
السباق الأخضر العرق الأصفر |
16,2 1,2 | 6,9 82,0 |
| أرجواني | 16,2 | 5,8 |
| تحلل براعم الفاصوليا بعد الإضاءه لمدة : 6 ساعات 4 أيام |