البناء الضوئي ، وهي العملية التي تقوم بها النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، أثناء عملية التمثيل الضوئي في النباتات الخضراء، يتم التقاط الطاقة الضوئية واستخدامها لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة .

تطور دراسة عملية البناء الضوئي

بدأت دراسة البناء الضوئي في عام 1771 مع بعض الملاحظات التي أدلى بها  الإنجليزي والعالم جوزيف بريستلي ، كان بريستلي قد أحرق شمعة في حاوية مغلقة حتى تم التخلص من الهواء داخل الحاوية الذي يدعم الاحتراق، ثم وضع غصنًا من نبات النعناع في الحاوية واكتشف أنه بعد عدة أيام ان نبات النعناع نتج عنه بعض المواد (التي عرفت لاحقًا بالأكسجين) وهي التي مكنت الهواء المحبوس من دعم الاحتراق مرة أخرى،  وفي عام 1779 ، توسع الطبيب الهولندي يان إنغنوز في أعمال بريستلي ، حيث أظهر أن المصنع يجب أن يتعرض للضوء إذا كانت المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين) ستُستعاد، كما أوضح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء للنبات.

في عام 1782 تم إثبات أن الغاز الداعم للاحتراق (الأكسجين) تم تشكيله على حساب غاز آخر ، أو “هواء ثابت” ، والذي تم تحديده في العام السابق على أنه ثاني أكسيد الكربون ، أظهرت تجارب تبادل الغاز في عام 1804 أن الزيادة في وزن النبات الذي يزرع في وعاء تم قياس وتحديد وزنه بعناية ناتجة عن امتصاص الكربون ، والذي جاء بالكامل من ثاني أكسيد الكربون الممتص ، والماء الذي تمتلكه جذور النباتات ؛ وأن الأكسجين تم إنتاجه من جديد .

اهمية عملية البناء الضوئي

تعتبر عملية الضوئي أمر بالغ الأهمية لاستمرار الحياة على الأرض ، وذلك لأنها العملية المسؤولة بشكل مباشر عن إنتاج النباتات التي تحتاجها كافة الكائنات الحية وتستهلكها جميع هذه الكائنات بشكل مباشر أو غير مباشر، بالإضافة إلى ذلك يرجع معظم الأكسجين الموجود في الغلاف الجوي إلى عملية البناء الضوئي ، إذا توقفت عملية التمثيل الضوئي ، فلن يكون هناك سوى القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض ، وستختفي معظم الكائنات ، وسيصبح جو الأرض في النهاية شبه خالٍ من الأكسجين الغازي والذي يشكل الأساس لحياة الكائنات الحية.

إنها الوسيلة البيولوجية الوحيدة على كوكب الأرض التي تمتص طاقة ضوء الشمس ، وتحوّلها إلى سكريات وكربوهيدرات توفر المواد المغذية للنباتات أثناء إطلاق الأكسجين .

الصيغة الأساسية لعملية البناء الضوئي

تتم كتابة عملية البناء الضوئي عادة على النحو التالي: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 ، وهذا يعني أن المواد المتفاعلة، ستة جزيئات ثاني أكسيد الكربون، وستة جزيئات الماء، يتم تحويلها عن طريق الطاقة الموجودة في صبغة الكلوروفيل إلى جزيء السكر وستة جزيئات الأكسجين،  ويتم استخدام السكر من قبل الكائن الحي ، ويتم إطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي .

معادلة التمثيل الضوئي

6CO2 + 6H20 + (الطاقة) → C6H12O6 + 6O2 .

الكائنات الحية التي يمكنها القيام بعملية البناء الضوئي

تم العثور على القدرة على البناء الضوئي في كل من الكائنات حقيقية النواة وبدائية النواة ، حيث تحتوي جميع الأنواع باستثناء عدد قليل جدًا من الطفيليات أو الكائنات المتغايرة التغذية على الكلوروفيل وتنتج غذائها، نباتات الطحالب هي مثال معروف للكائنات العضوية الضوئية حقيقية النواة، التي تشمل عشب البحر وغيرها، وايضا تعتبر البكتيريا الزرقاء وبعض بكتيريا الكبريت مثال آخر للكائنات الحية التي تقوم بعملية البناء.

النواتج الأساسية لعملية البناء الضوئي

كما ذكرنا، فإن الكربوهيدرات هي أهم منتج مباشر لعملية التمثيل الضوئي في غالبية النباتات الخضراء ، تشكيل الكربوهيدرات الأولية والجلوكوز ، هي المنتجات الأساسية لعملية التمثيل الضوئي ، كما ويتم إنتاج القليل من الجلوكوز الحر في النباتات ، فترتبط وحدات الجلوكوز بتكوين النشا أو ترتبط بالفركتوز، وهو سكر آخر يعتبر الأساس لتكوين السكروز .

وليس فقط الكربوهيدرات ، كما كان يعتقد من قبل ، ولكن أيضًا الأحماض الأمينية والبروتينات والدهون والأصباغ، والمكونات العضوية الأخرى للأنسجة الخضراء يتم تصنيعها أثناء عملية البناء الضوئي.

خطوات عملية البناء الضوئي

عندما تضرب أشعة الشمس نباتًا أخضر ، تبدأ عملية التمثيل وتحدث الخطوة الأولى من عملية التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء للخلايا النباتية، ويتم امتصاص الفوتونات الضوئية بواسطة صبغة تسمى الكلوروفيل، وتتواجد في غشاء الثايلاكويد في كل البلاستيدات الخضراء .

تأخذ النباتات ثاني أكسيد الكربون من خلال ثغراتها (الفتحات المجهرية في الأنسجة) لاستخدامها في عملية البناء الضوئي ، ثم تقوم النباتات بإنتاج الأكسجين في الهواء والمحيط .

بعد امتصاص الطاقة المشعة من أشعة الشمس ، يتم تحويل الطاقة الضوئية إلى الطاقة الكيميائية يتم استخدامها لتغذية خلايا النبات .

في التفاعلات التي تعتمد على الضوء والتي تحدث أثناء المرحلة الثانية من عملية التمثيل الضوئي، تفرز الإلكترونات وتنفصل عن جزيئات الماء، تاركة الأكسجين كمنتج ثانوي، تنتقل إلكترونات الهيدروجين في جزيء الماء إلى مركز التفاعل في جزيء الكلوروفيل.

في مركز التفاعل ، يمر الإلكترون على طول سلسلة النقل، بمساعدة من انزيم ATP، ينخفض ​​الإلكترون إلى مستويات طاقة منخفضة، ثم يتم نقل الطاقة من الإلكترونات إلى أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP).

تُعرف المرحلة الأخيرة من عملية التمثيل الضوئي بدورة كالفن-بنسون ، حيث يستخدم  ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي والمياه من التربة لتحويل ATP و NADPH ، وتحدث التفاعلات الكيميائية التي تشكل دورة كالفين-بنسون في البلاستيدات الخضراء.

هذه المرحلة من عملية التمثيل الضوئي مستقلة عن الضوء ويمكن أن تحدث حتى في الليل.

يتمتع ATP و NADPH بعمر قصير ويجب تحويله وتخزينه مما ينتج عنه السكر والأحماض الدهنية والجلسرين في المرحلة الثالثة من عملية التمثيل الضوئي، يتم تخزين الطاقة لاستخدامها لاحقًا.