abobakeur
2011-06-03, 23:24
التركيب الضوئي 01
التمثيل الضوئي أو التخليق الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) : عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء و في الصانعات الخضراء أو الكلوروبلاست (chloroplast) في كل من الطحالب و النباتات العليا; حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز وفق المعادلة التالية :
6CO2 + 6H2O + light + chloroplasts = C6H12O6 + 6O2
ومن أهم نواتج هذه المعادلة هو :
الاكسجين ; وكل جزيئة من CO2 تدخل في المعادلة يقابلها جزيئة من الاكسجين O2 ناتجة من التفاعل .
مركبات سكريات حاوية على طاقة عالية .ورغم بساطة هذه المعادلة في وضعها السابق ولكنها تتم في خطوات معقدة، و تتم هذه المعادلة في دورتين:
الأولى تسمى تفاعلات الضوء) أو التفاعلات المعتمدة على الضوء: The light Dependent reactions) وهي تفاعلات تعتمد على وجود الضوء وتعمل عليه.
الثانية تسمى تفاعلات الظلام (بالإنجليزية: Dark reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الظلام (بالإنجليزية: Independent reactions) أو تفاعلات دورة كالفن (بالإنجليزية: Calven cycle reactions) وهي تفاعلات تعمل ليلا وفي الظلام استغلالاً للمنتجات الصباحية (النهارية) التي أنتجت في الضوء.وقد سميت تفاعلات الظلام باسم مكتشفها كالفن، وتعمل تفاعلات دورة كالفن في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot) أو (Dicotyledon) وهي مركبات ثلاثية الكربون ولذلك تسمى دورة الكربون الثلاثي. وهناك دورة هاتس سلاك (Hatch slak) وهي تعمل في النباتات ذوات الفلقة الواحدة (Monocotyledon) أو (Monocot).
عندما تسقط فوتونات الضوء على جزيئة الكلوروفيل يصطدم الفوتون بألكترون من الكترونات الكلوروفيل عندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الاصلي , وهذه حالة غير ثابتة فيميل للعودة اللى مداره الاصلي (خلال جزء من الثانية) وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها ,يمكن ان تنطلق طاقة الالكترون على شكل حرارة أو ضوء أو فلورة , اما في التمثيل الضوئي فانها تعمل على تسيير تفاعل كيميائي .
ـ الطاقة الكيميائية تختزن في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ; ويتم ذلك بوجود (ADP) و الفوسفات كما في المعادلة : ADP + P + Energy = ATP
ـ تنتقل بعض هذه الطاقة الالكترونية عبر جزيئات (+NADP) منخفضة الطاقة ليعطي (NADPH) مرتفع الطاقة وبذلك يتكون مركبين مرتفعين في الطاقة هما (ATP) و(NADPH).
حيث NADP تمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "
و ATP تمثل "ادينوسين ثلاثي الفوسفات"
ـ يستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة إلى الالكترونات في شطر جزيئات الماء (H2O) إلى ايونات الهيدروجين وأيونات الأكسجين.
ـ يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين
ـ ولذلك فإن مصدر الأكسجين الناتج في عملية البناء الضوئي ناتج من الماء المشطور، أي أنه أكسجين الماء بعد نزع الهيدروجين منه، وبذلك يتحقق قول الله تعالى: وجعلنا من الماء كل شيء حي [الأنبياء] : 30.
ـ حيث أننا نتنفس أكسجين الماء، وتتنفسه الكائنات الحية هوائية التنفس (Aerobic respiration) علاوة على وظائف الماء الحيوية الأخرى في أجسام الكائنات الحية.
العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي
يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة , داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة .
العوامل الداخلية:
تركيب الورقة : ويشمل سمك القشيرة والبشرة , وجود الأوبار على سطحها , 02تركيب النسيج المتوسط , موضع الجسيمات في الخلايا ,حجم المسام وتوزعها .
نواتج التمثيل الضوئي : عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة اذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا.حالة المادة الحية البروتوبلازم و الانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم و اضطراب عمل الانزيمات .
العوامل الخارجية:
تشمل العوامل الخارجية : الحرارة , الضوء وشدته , تركيز ثاني أكسيد الكربون, الماء, العناصر المعدنية . وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى .
التركيب الضوئي: هو عملية تحدث في النباتات الخضراء, و الأعشاب البحريّة, و الطحالب. تستخدم النباتات في هذه العملية الطاقة المكتسبة (الشمسية) من الضوء لتحويل ثاني أوكسيد الكربون و الماء إلى أوكسجين, و يساعدها على إمتصاص الضوء مادة اليخضور (الكلوروفيل) الموجودة في أوراق النباتات, و من ميزات عملية التركيب الضوئي أنها توفّر الأكسجين لكافة الكائنات الحية. إنها بالفعل عملية معقدة تعكس عظمة الله في قدرته على خلق الأشياء بشكل مبدع.
ما يحدث في التركيب الضوئي هو أن ثاني أوكسيد الكربون يدخل من خلال المسامات الموجودة في الأوراق و يتّحد مع الماء و المواد الغذائية الأخرى الآتية من الجذور. و بمساعدة الطاقة الكيميائية, التي تلعب مادة اليخضور دورا في تحويلها من مجرّد طاقة ضوئيّة, يتم تحويل المواد المتحدة إلى أوكسجين وسكراً بسيطاً. ويتم اطلاق الأكسجين الزائد إلى الهواء عبر ثغيرات أو مسامات الأوراق. و بعد أن يتحلّل السكّر في الماء الآتي من الجذور عبر الأوعية, يقوم الماء بتوزيعه على أجزاء النبتة. وتوفر الطاقة والتغذية الناتجة عن التركيب الضوئي, كافة الطعام الذي يأكله الناس والحيوانات.
ينشأ أيضا عن عملية التركيب الضوئي ما يسمّى بالإنكليزية "fossil fuels" التي تتألف من الغاز الطبيعي, و الفحم الحجري, والبترول. تتشكّل هذه المواد من المركّبات العضويّة (بقايا الكائنات الحيّة) بعد أن تكون خضعت لملايين السنين لعملية التركيب الضوئي. وهكذا نستنتج أن الأرض جميعا تعتمد بشكل أو بآخر على التركيب الضوئي كمصدر للغذاء, و الطاقة, و الأوكسجين.
. إنتاج الأوكسجين في ضوء
تجربة بسيطة لتبين أن النباتات الخضراء في ضوء إنتاج الأوكسجين ، في حين ، وجميع الكائنات الحية ، ويأكلون في الظلام.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.giffile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif
ملاحظة : هذه التجربة تظهر للغاية في معظم الكتب القديمة. ومن الصعب تحقيق ذلك للأسباب التالية :
-- إن الحرارة الناتجة عن احتراق كبير ؛
-- دخان أسود يترسب على الجدار الداخلي للالجرس ؛
-- شمعة تستهلك الاكسجين اسرع من المصنع وليس المنتج.
وختاما : الأوكسجين اللازم للاحتراق وينتج المصنع الضوء الاخضر.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.gif
الحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون03
03إنتاج الأوكسجين من قبل النباتات الخضراء يتطلب مصدر الكربون. التجربة يمكن القيام به مع النباتات المائية ، وحشيشة الماء كندا.
النباتات وتوضع في ماء الصنبور ، وتغطيها وتوجه أنبوبة الاختبار مملوءة بالمياه.
خزان المياه الباردة بين المصابيح وعلبة حشيشة الماء لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image005.giffile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.gif
حشيشة الماء تمتص الغاز بعد ساعتين من النهار. أي تمنع انبعاث غاز في الظلام.
نجري نفس التجربة مع ادخال 3 انابيب في الماء حيث :
الانبوب A يحتوي على ماء مطر والانبوب B يحتوي على ماء الصنوبر اما الانبوب C فيحتوي dihydrogénocarbonate de sodium
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image008.jpgfile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image010.jpg
بعد مدة تم ادخال ثلاث اعواد ثقاب مشتعلة فاعطت النتايج التالية
الانبوبة A ليس بها هواء والانبوبة B انطفا عود الثقاب اما الانبوبة C فلم ينطفا عود الثقاب
نظرة عامة على الاوراق تلقى النباتية (pelargonium) الضوء لمدة 12 سا فبعض اوراثه معرضة للضوء واخرئ مغطات جزئيا بشريط اسود
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image012.jpgfile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image014.jpg
التفاعلات الأساسية للتركيب الضوئي
5 ـ 1 ـ معطيات تجريبية:
لتحديد التفاعلات الاساسية للتركيب الضوئي نقترح المعطيات التجريبية التالية:
المعطى الاول:قام العالم REINKE سنة 1883 بدراسة شدة التركيب الضوئي في ظروف مختلفة، يعطي المبيان التالي النتائج المحصل عليها:
تحليل و استنتاج:يلاحظ ان شدة التركيب الضوئي في المجال أ تتأثر بالاضاءة ولا تتأثر بالحرارة،أي انه كلما ارتفعت شدة الاضاءة الا وارتفعت شدة التركيب الضوئي في حين ان تغيير الحرارة ليس له تأثير.اما في المجال ب فشدة التركيب الضوئي تتأثر بالحرارة ولا تتأثر بالاضاءة،أي انه كلما غيرنا الحرارة الا وتغيرت شدة التركيب الضوئي في حين ان زيادة شدة الاضاءة ليس له تأثير.المعطى الثاني: عند فصل ومضات ضوئية شدتها 10000Lux ومدتها
0,00s بفترات مظلمة تتغير مدتها من 0.002 الى 0.4s ترتفع شدة التركيب الضوئي بارتفاع عدد الفترات المظلمة الفاصلة لفترة الاضاءة. يتبين اذن انه خلال ظاهرة التركيب الضوئي يحدث نوعان من التفاعلات الاساسية:
204 ـ تفاعلات ضوكيميائية Photochimique (تفاعلات المرحلة المضاءة)
ـ تفاعلات كيميائية حرارية Thermochimique(تفاعلات المرحلة المظلمة)
5 ـ 3 ـ دور الصبغات اليخضورية في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية
عند تسليط ضوء ابيض ذو شدة قوية على محلول اليخضور الخام نحصل على النتيجة اي ان
اليخضور الخام يصدر اشعاعات حمراء من جهة المنيع الضوئي وهذا ما يسمى ظاهرة التفلور.يمكن
تفسير هذه الظاهرة،بكون الضوء يهيج جزيئات اليخضور الذي يفقد الكترونا ويخرج عن مداره مبتعدا عن نواة الذرة،وعند رجوعه الى مداره الاصلي يعيد الطاقة التي اكتسبها سابقا على شكل حرارة وتفلور.[center]اذن فالتفلور ما هو الا تعبير عن استرجاع الطاقة الضوئية الممتصة من طرف اليخضور المعزول على شكل اشعاعات حمراء،اما على مستوى الخلايا اليخضورية الحية، فيكون التفلور جد ضئيل،لان الطاقة الضوئية الملتقطة من قبل صبغات اليخضور لا تضيع،وانما تستعمل لانتاج المادة العضوية.
4 ـ التقاط الطاقة الضوئية
يتم التقاط الطاقة الضوئية بواسطة النظام الضوئي Photosysteme P.S والذي يشكل وحدة وظيفية تتضمن
لاقطة مجمعة تتكون من صبغات يخضورية تعمل على تجميع الطاقة الضوئية وتوجيهها الى جزيئة واحدة من اليخضور a .تصبح جزيئة اليخضور a مهيجة *Chla وبالتالي تحرر الكترونا مما يكسيها قدرة مؤكسدة عالية. انظر
ـ مراحل للتركيب الضوئي
6 ـ 1 ـ تفاعلات المرحلة المضاءة
أ ـ معطيات تجريبية:في سنة 1939 قام العالم HILL بوضع بلاستيدات
خضراء معزولة في محلول مائي غني بثنائي اكسيد الكربون مع متقبل للالكترونات ferricyanure de
potassium يدعى كاشف Hill وهو يحتوي على ايون +++Fe .بعد تعريضها لاضاءة مناسبة لاحظ طرح
الاكسجين مع اختزال +++Fe الى ++Fe
دراسة تجربة العالمان Kamen وRuben سنة 1941 على طحالب يخضورية وحيدة الخلية(الكلوريلات تحت ظروف الاضاءة تم تزويد وسط زرع يحتوي على هذه الطحالب، بماء يحتوي على الأكسجين الثقيل H2O18 وبثنائي اكسيد الكربون يحتوي على
الأكسجين الخفيف CO216، بين تحليل الأكسجين المطروح انه من النوع الثقيل 1802. وفي التجربة المعاكسة، عند تزويد الوسط بماء يحتوي على الأكسجين الخفيف H2O16 وبثنائي اكسيد الكربون يحتوي على الأكسجين الثقيل CO218،يلاحظ أن الأكسجين المطروح
من النوع الخفيف 1602.
2 ـ اعتمادا على تحليل تجربة Kamen وRuben، استنتج مصدر الأكسجين المطروح، مبرزا التفاعل
المؤدي الى ذلك.
3 ـ فسر سبب اختزال +++Fe الى ++Fe في
تجربة Hill واكتب تفاعل الاختزال.
4 ـ اعتمادا على هذه المعطيات،استخلص الية رجوع جزيئة اليخضور a المهيجة الى حالتها الاصلية.
ـ يلاحظ ان الأكسجين المطروح في وسط الزرع يكون دائما من نفس نوع أكسجين الماء المستعمل،وهذا يعني أن
مصدر الأكسجين المطروح هو ناتج عن حلمأة جزيئة الماء،حسب المعادلة التالية:
2H2O --------------> O2 + 4 H+ + 4 e- وهو عبارة عن تفاعل أكسدة.
3 ـ سبب اختزال +++Fe الى ++Fe في
تجربة Hill هو اكتسابه للالكترونات الناتجة عن حلمأة جزيئة الماء(التحليل الضوئي).ويكنب تفاعل الاختزال على الشكل التالي:
4Fe3+ + 4 e- ---------------> 4 Fe2+
4 ـ الالكترونات الناتجة عن أكسدة جزيئة الماء تعمل
على اختزال جزيئة اليخضور a المهيجة لتعود الى حالتها الاصلية
4Chla* +4 e- --------------------> 4Chla
تنتقل الالكترونات المحررة من طرف اليخضور a عبر سلسلة نواقل الكترونات متواجدة في غشاء
التيلاكويدات (تفاعلات اكسدة واختزال) لتصل الى المستقبل النهائي للالكترونات
المتواجد في ستروما البلاستيدة الخضراء وهو عبارة عن جزيئة NADP اي Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphateحسب التفاعل التالي:
2NADP +4 * H+ + 4e- --------------->2NADPH
يتطلب نقل الالكترونات تدخل نظامين ضوئيين PSI وPSII حيث لا تنتقل الالكترونات تلقائيا الا في اتجاه جهد اكسدة اختزال redox متزايد مع تحرير طاقة ATP ولاتنتقل في اتجاه جهد متناقص الا اذا توفرت طاقة ضوئية. الطاقة الناتجة عن انتقال الالكترونات تعمل على إدخال ايونات +H من الستروما إلى جوف التيلاكويدات،ينتج عن هذا ممال للبروتونات من جهتي التيلاكويد(فرق في PH) ضروري لتدفق ايونات +H عبر غشاء التيلاكويد وبالضبط على مستوى الكرات ذات شمراخ(ATP
سنتتاز) نحو الستروما ليتم تركيب جزيئات ATP عن طريق تفسفر ADP حسب التفاعل التالي:
ADP + Pi ----------------------->ATP+H20
ب ـ خلاصة:
يمكن كتابة حصيلة التفاعلات الضوكيميائية كما يلي:
2H2O + 2NADP + ADP + Pi ----------------> O2 + 2NADPH + ATP
يطرح الاكسجين في الوسط الخارجي
بينما تستعمل النواتج NADPH+ATP في تفاعلات المرحلة المظلمة.تفاعلات المرحلة المظلمة
أ ـ مصير CO2 الممتص من طرف النباتات الخضراء
لمعرفة أهمية CO2 في التركيب الضوئي نتطرق الى تجربة Calvin et benson:
ـ المرحلة الاولى:توضع طحالب كلوريل داخل جهاز في وسط مضاء،حيث يتم تزويدها بـ CO2
ـ المرحلة الثانية:يتم دفع الطحالب داخل انبوب دقيق و شفاف بواسطة مضخة حيث يتم حقن الانبوب خلال هذه الفترة
بـ CO2 المشع المحتوي على الكربون المشع.
ـ المرحلة الثالثة:تقتل الخلايا
الطحلبية عند وصولها الى الكحول المغلى فتتوقف كل التفاعلات الكيميائية.
ـ المرحلة الرابعة: تستخلص المواد
المركبة من طرف الطحلب وتحلل بواسطة تقنية التحليل الكروماتوغرافي حيث تترك المواد
الاشعاعية المركبة بقعا سوداء على ورق الترشيح في مواقع مختلفة،النتيجة المحصل عليها ممثلة في الوثيقة التالية:
1 ـ اعتمادا على تحليل نتيجة تجربة Calvin et benson ،استخلص اهمية
CO2 في التركيب الضوئي.
1ـ تظهر النتائج ان اول مركب يظهر يتكون بعد 5 ثوان وهو APG بعد ذلك تظهر سكريات فوسفات(ثلاثية الكربون C3P وخماسية الكربون RuBP) واخيرا بعد 30 ثانية تظهر مركبات عضوية اخرى كالسكروز واحماض امينية مختلفة.
يتبين اذن ان CO2 اثناء التركيب الضوئي يدخل في تركيب مواد عضوية اي يتحول من
كربون معدني الى كربون عضويوأول هذه المركبات هي APG و
RuBP . نقوم بقياس تغير كمية APG و
RuBP في ظروف مختلفة:
ـ عند المرور من الاضاءة الى
06الظلام مع الحفاظ على نسبة CO2 تابثة(الوثيقة1).
ـ عند المرور من وسط غني ب
CO2 الى وسط يفتقر ل CO2 ودلك تحت اضاءة
تابثة(الوثيقة2).
2ـ يعرف تركيز كل من APG و RuBP
ثباتا خلال فترة الاضاءة وخلال الفترة المظلمة الموالية
يرتفع تركيز APG بينما ينخفض تركيز RuBP ،يمكن تفسير هذه التغيرات بانه في الظلام يتحول RuBP الى APG والذي يتراكم بسبب عدم دمجه في التفاعلات الكيميائية التي تؤدي الى تركيب مواد عضوية اخرى لان تحول APG لتجديد RuBP يحتاج الى المواد التي تركب خلال المرحلة المضاءة NADPH+ATPاذن فتجديد RuBP يكون انطلاقا من APG ويحتاج الى نواتج المرحلة المضاءة NADPH+ATPحسب التفاعل التالي:
3ـ تحت الاصاءة، يعرف
تركيز كل من APG و RuBP ثباتا في وجود CO2 مع أن تركيز APG يفوق تركيز
RuBP ،أما عند غياب CO2 يرتفع تركيز RuBP بينما ينخفض
تركيز APG ،يمكن تفسير هذه التغيرات بأنه في غياب CO2 يتوقف تحول RuBP
الى APG مما يسبب تراكم RuBP وانخفاض APG
4ـ يتضح من خلال هذه المعطيات ان مستقبل CO2 هو RuBP حيث يندمجان ليعطيان APG حسب التفاعل التالي:
RuBP + CO2 ----------> 2APG(C5) (C1) (C3
ب ـ خلاصة:
يعتبر أول منتوج لظاهرة التركيب الضوئي هو APG الذي يتكون على حساب RuBP حيث يعتبر هو مستقبل CO2 وانطلاقا من APG يتركب سكر ثلاثي ـ فوسفاتAldPG، هذا الاخير يعمل على تجديد RuBP وتشكل المواد العضوية الاخرى(كليكوز،أحماض أمينية،أحماض ذهنية...).يمكن اذن تمثيل هذه التفاعلات على شكل دورة(حلقة calvin) حيث تنقسم الى ثلاث مراحل:
1ـ مرحلة دمج CO2 مع RuBP
2ـ مرحلة اختزال APG الى سكريات ثلاثية ـ فوسفات
.3ـ مرحلة تجديد RuBP
تمتصه ماده الكلوروفيل حتي تتم عمليه البناء الضوئي ويمتص ثاني اكسيد الكربون وخروج الاكسجين وهذه العمليه لا تتم الا في النباتات الخضراء المحتويه علي ماده الكلوروفيل اما النباتات الملونه لا تقوم بعمليه البناء الضوئي لعدم احتوائها علي ماده الكلوروفيل
لتمثيل الضوئي أو التخليق الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) : عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء و في صانعات اليخضور(الصانعات الخضراء) أو الكلوروبلاست (chloroplast) في كل من الطحالب و النباتات العليا; حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز وفق المعادلة التالية :
6CO2 + 6H2O + light + chloroplasts = C6H12O6 + 6O2
ومن أهم نواتج هذه المعادلة هو :
* الاكسجين ; وكل جزيئة من CO2 تدخل في المعادلة يقابلها جزيئة من الاكسجين O2 ناتجة من التفاعل .
* مركبات سكريات حاوية على طاقة عالية .ورغم بساطة هذه المعادلة في وضعها السابق ولكنها تتم في خطوات معقدة، و تتم هذه المعادلة في دورتين:
* الأولى تسمى تفاعلات الضوء (بالإنجليزية: light reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الضوء (بالإنجليزية: The light Dependent reactions) وهي تفاعلات تعتمد على وجود الضوء وتعمل عليه.
* الثانية تسمى تفاعلات الظلام (بالإنجليزية: Dark reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الظلام (بالإنجليزية: Independent reactions) أو تفاعلات دورة كالفن (بالإنجليزية: Calven cycle reactions) وهي تفاعلات تعمل ليلا وفي الظلام استغلالاً للمنتجات الصباحية (النهارية) التي أنتجت في الضوء.وقد سميت تفاعلات الظلام باسم مكتشفها كالفن، وتعمل تفاعلات دورة كالفن في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot) أو (Dicotyledon) وهي مركبات ثلاثية الكربون ولذلك تسمى دورة الكربون الثلاثي. وهناك دورة هاتس سلاك (Hatch slak) وهي تعمل في النباتات ذوات الفلقة الواحدة (Monocotyledon) أو (Monocot).
[عدل] عملية التمثيل الضوئي
*تبدأ عملية التمثيل الضوئي بسقوط الضوء على مجموعة من الخلايا النباتية المتجاورة مكونة لنظام ضوئي داخل البلاستيدات الخضراء.
* عندما تسقط فوتونات الضوء على جزيئة الكلوروفيل يصطدم الفوتون بألكترون من الكترونات الكلوروفيل عندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الاصلي , وهذه حالة غير ثابتة فيميل للعودة اللى مداره الاصلي (خلال جزء من الثانية) وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها ,يمكن ان تنطلق طاقة الالكترون على شكل حرارة أو ضوء أو فلورة , اما في التمثيل الضوئي فانها تعمل على تسيير تفاعل كيميائي .
ـ الطاقة الكيميائية تختزن في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ; ويتم ذلك بوجود (ADP) و الفوسفات كما في المعادلة : ADP + P + Energy = ATP
ـ تنتقل بعض هذه الطاقة الالكترونية عبر جزيئات (+NADP) منخفضة الطاقة ليعطي (NADPH) مرتفع الطاقة وبذلك يتكون مركبان مرتفعا الطاقة هما (ATP) و(NADPH).
* حيث NADP تمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "
* و ATP تمثل "ادينوسين ثلاثي الفوسفات"
ـ يستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة إلى الالكترونات في شطر جزيئات الماء (H2O) إلى ايونات الهيدروجين وأيونات الأكسجين.
ـ يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين
ـ ولذلك فإن مصدر الأكسجين الناتج في عملية البناء الضوئي ناتج من الماء المشطور، أي أنه أكسجين الماء بعد نزع الهيدروجين منه، وبذلك يتحقق قول الله تعالى: وجعلنا من الماء كل شيء حي [الأنبياء] : 30.
ـ حيث أننا نتنفس أكسجين الماء، وتتنفسه الكائنات الحية هوائية التنفس (Aerobic respiration) علاوة على وظائف الماء الحيوية الأخرى في أجسام الكائنات الحية.
[عدل] العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي
07يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة , داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة .
العوامل الداخلية:
* تركيب الورقة : ويشمل سمك القشيرة والبشرة , وجود الأوبار على سطحها , تركيب النسيج المتوسط , موضع الجسيمات في الخلايا ,حجم المسام وتوزعها .
* نواتج التمثيل الضوئي : عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة اذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا.
* حالة المادة الحية البروتوبلازم و الانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم و اضطراب عمل الانزيمات .
العوامل الخارجية:
* تشمل العوامل الخارجية : الحرارة , الضوء وشدته , تركيز ثاني أكسيد الكربون, الماء, العناصر المعدنية . وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى .
[عدل] عمليات دورة كالفن "Calvin Cycle"
دورة كالفن هي إحدى الدورات الحيوية المهمة في عملية تثبيت الطاقة خاصة في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot plants) وفيها يتم تثبيت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون لتكوين أول مركب كربوهيدراتي ثابت أمكن فصله يسمى 3-فوسفوغليسيرات وهي تتم في حشوة (Stroma) البلاستيده الخضراء خارج التلاكويدات.
ـ وفيها يتم استغلال الطاقة سابقة التخزين في التفاعلات الضوئية في عملات الطاقة من جزيئات (ATP) و (NADPH).
ـ يبدأ ذلك باتحاد ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع ريبوليز ثنائي فوسفات وإنتاج مركب وسطي يتفكك تلقائيا إلى جزيئتي حمض فوسفوغليسيرك و يتوسط هذه الخطوة أنزيم ريبيولوز ثنيائي الفوسفات كاربوكسيلاز .
ـ يمكن استخدام (PGAL) لتخليق الجزيئات العضوية مثل الجلوكوز (Glucose) ويتحول (NADPH) إلى (NADP+).
ـ كما يتحول (ATP) إلى (ADP).
ـ وبذلك تخزن الطاقة الضوئية في الروابط الكيميائية بين ذرات المركبات الكربوهيدرائية الناتجة، ويثبت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون الجوي، كما يثبت الهيدروجين الموجود في الماء, وفي النهاية يتكون الجلوكوز (Glucose) الذي ينتقل إلى دورات تحرير الطاقة لتعاد دورة العناصر والمركبات والطاقة من جديد.
ـ أهم شيء في هذه الدورات هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون لتكوين الجلوكوز، وهذه العملية تتم في عمليات معقدة يمكن تيسيرها فيما يلي.
ـ تتفاعل كل ست جزيئات من (RUBP) مع ست جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) وست جزيئات من الماء (H2O) لتكوين 12 جزيء (PGA) وبذلك يثبت الكربون.
ـ تستغل طاقة (12) جزيء (ATP) والكترونات وهيدروجينات (12) جزيء NADPH2 لتحويل (12) جزيء من (PGA) إلى (12) جزيء (PGALs).
ـ تستغل طاقة (6) جزيئات (ATP) لإعادة ترتيب (10) جزيئات (PGALs) ليتكون (6) جزيئات (RUBPs)، وبذلك تتم دورة واحدة من دورات كالفن (أي دورة تثبيت الكربون الثلاثي).
ـ هناك دورة أخرى تسمى دورة هاتش ـ سلاك (Hatch slak pathway) لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في النباتات ذوات الفلقة الواحدة عن طريق الكربون الرباعي (C4).
ـ وبذلك تتم أهم عملية على سطح الكرة الأرضية وهي عملية تكوين المواد الكربوهيدراتية من ثاني أكسيد الكربون والماء وتخزن الطاقة الشمسية في الروابط الكيميائية في تلك المواد الكربوهيداتية وينطلق الأكسجين إلى الجو بعملية التمثيل الضوئي.
ـ بعد ذلك يحول النبات المواد الكوبوهيدراتية إلى مواد دهنية , ومواد بروتينية ، والمركبات النباتية الأخرى.
ـ يتغذى الحيوان والكائنات الحية الدقيقة الفطرية و البكتيريا على المنتجات النباتية.
ـ ويتغذى الإنسان على المنتجات النباتية, والمنتجات الحيوانية ، ومنتجات الكائنات الحية الدقيقة الصالحة للأكل البشري.
التركيب الضوئي: هو عملية تحدث في النباتات الخضراء, و الأعشاب البحريّة, و الطحالب. تستخدم النباتات في هذه العملية الطاقة المكتسبة (الشمسية) من الضوء لتحويل ثاني أوكسيد الكربون و الماء إلى أوكسجين, و يساعدها على إمتصاص الضوء مادة اليخضور (الكلوروفيل) الموجودة في أوراق النباتات, و من ميزات عملية التركيب الضوئي أنها توفّر الأكسجين لكافة الكائنات الحية. إنها بالفعل عملية معقدة تعكس عظمة الله في قدرته على خلق الأشياء بشكل مبدع.
ما يحدث في التركيب الضوئي هو أن ثاني أوكسيد الكربون يدخل من خلال المسامات الموجودة في الأوراق و يتّحد مع الماء و المواد الغذائية الأخرى الآتية من الجذور. و بمساعدة الطاقة الكيميائية, التي تلعب مادة اليخضور دورا في تحويلها من مجرّد طاقة ضوئيّة, يتم تحويل المواد المتحدة إلى أوكسجين وسكراً بسيطاً. ويتم اطلاق الأكسجين الزائد إلى الهواء عبر ثغيرات أو مسامات الأوراق. و بعد أن يتحلّل السكّر في الماء الآتي من الجذور عبر الأوعية, يقوم الماء بتوزيعه على أجزاء النبتة. وتوفر الطاقة والتغذية الناتجة عن التركيب الضوئي, كافة الطعام الذي يأكله الناس والحيوانات.
ينشأ أيضا عن عملية التركيب الضوئي ما يسمّى بالإنكليزية "fossil fuels" التي تتألف من الغاز الطبيعي, و الفحم الحجري, والبترول. تتشكّل هذه المواد من المركّبات العضويّة (بقايا الكائنات الحيّة) بعد أن تكون خضعت لملايين السنين لعملية التركيب الضوئي. وهكذا نستنتج أن الأرض جميعا تعتمد بشكل أو بآخر على التركيب الضوئي كمصدر للغذاء, و الطاقة, و الأوكسجين.
الضوء عنصر مهم جدا في عمليه البناء الضوئي وبدونه لا تتم عمليه البناء الضوئي حيث
التمثيل الضوئي أو التخليق الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) : عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء و في الصانعات الخضراء أو الكلوروبلاست (chloroplast) في كل من الطحالب و النباتات العليا; حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز وفق المعادلة التالية :
6CO2 + 6H2O + light + chloroplasts = C6H12O6 + 6O2
ومن أهم نواتج هذه المعادلة هو :
الاكسجين ; وكل جزيئة من CO2 تدخل في المعادلة يقابلها جزيئة من الاكسجين O2 ناتجة من التفاعل .
مركبات سكريات حاوية على طاقة عالية .ورغم بساطة هذه المعادلة في وضعها السابق ولكنها تتم في خطوات معقدة، و تتم هذه المعادلة في دورتين:
الأولى تسمى تفاعلات الضوء) أو التفاعلات المعتمدة على الضوء: The light Dependent reactions) وهي تفاعلات تعتمد على وجود الضوء وتعمل عليه.
الثانية تسمى تفاعلات الظلام (بالإنجليزية: Dark reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الظلام (بالإنجليزية: Independent reactions) أو تفاعلات دورة كالفن (بالإنجليزية: Calven cycle reactions) وهي تفاعلات تعمل ليلا وفي الظلام استغلالاً للمنتجات الصباحية (النهارية) التي أنتجت في الضوء.وقد سميت تفاعلات الظلام باسم مكتشفها كالفن، وتعمل تفاعلات دورة كالفن في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot) أو (Dicotyledon) وهي مركبات ثلاثية الكربون ولذلك تسمى دورة الكربون الثلاثي. وهناك دورة هاتس سلاك (Hatch slak) وهي تعمل في النباتات ذوات الفلقة الواحدة (Monocotyledon) أو (Monocot).
عندما تسقط فوتونات الضوء على جزيئة الكلوروفيل يصطدم الفوتون بألكترون من الكترونات الكلوروفيل عندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الاصلي , وهذه حالة غير ثابتة فيميل للعودة اللى مداره الاصلي (خلال جزء من الثانية) وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها ,يمكن ان تنطلق طاقة الالكترون على شكل حرارة أو ضوء أو فلورة , اما في التمثيل الضوئي فانها تعمل على تسيير تفاعل كيميائي .
ـ الطاقة الكيميائية تختزن في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ; ويتم ذلك بوجود (ADP) و الفوسفات كما في المعادلة : ADP + P + Energy = ATP
ـ تنتقل بعض هذه الطاقة الالكترونية عبر جزيئات (+NADP) منخفضة الطاقة ليعطي (NADPH) مرتفع الطاقة وبذلك يتكون مركبين مرتفعين في الطاقة هما (ATP) و(NADPH).
حيث NADP تمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "
و ATP تمثل "ادينوسين ثلاثي الفوسفات"
ـ يستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة إلى الالكترونات في شطر جزيئات الماء (H2O) إلى ايونات الهيدروجين وأيونات الأكسجين.
ـ يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين
ـ ولذلك فإن مصدر الأكسجين الناتج في عملية البناء الضوئي ناتج من الماء المشطور، أي أنه أكسجين الماء بعد نزع الهيدروجين منه، وبذلك يتحقق قول الله تعالى: وجعلنا من الماء كل شيء حي [الأنبياء] : 30.
ـ حيث أننا نتنفس أكسجين الماء، وتتنفسه الكائنات الحية هوائية التنفس (Aerobic respiration) علاوة على وظائف الماء الحيوية الأخرى في أجسام الكائنات الحية.
العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي
يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة , داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة .
العوامل الداخلية:
تركيب الورقة : ويشمل سمك القشيرة والبشرة , وجود الأوبار على سطحها , 02تركيب النسيج المتوسط , موضع الجسيمات في الخلايا ,حجم المسام وتوزعها .
نواتج التمثيل الضوئي : عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة اذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا.حالة المادة الحية البروتوبلازم و الانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم و اضطراب عمل الانزيمات .
العوامل الخارجية:
تشمل العوامل الخارجية : الحرارة , الضوء وشدته , تركيز ثاني أكسيد الكربون, الماء, العناصر المعدنية . وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى .
التركيب الضوئي: هو عملية تحدث في النباتات الخضراء, و الأعشاب البحريّة, و الطحالب. تستخدم النباتات في هذه العملية الطاقة المكتسبة (الشمسية) من الضوء لتحويل ثاني أوكسيد الكربون و الماء إلى أوكسجين, و يساعدها على إمتصاص الضوء مادة اليخضور (الكلوروفيل) الموجودة في أوراق النباتات, و من ميزات عملية التركيب الضوئي أنها توفّر الأكسجين لكافة الكائنات الحية. إنها بالفعل عملية معقدة تعكس عظمة الله في قدرته على خلق الأشياء بشكل مبدع.
ما يحدث في التركيب الضوئي هو أن ثاني أوكسيد الكربون يدخل من خلال المسامات الموجودة في الأوراق و يتّحد مع الماء و المواد الغذائية الأخرى الآتية من الجذور. و بمساعدة الطاقة الكيميائية, التي تلعب مادة اليخضور دورا في تحويلها من مجرّد طاقة ضوئيّة, يتم تحويل المواد المتحدة إلى أوكسجين وسكراً بسيطاً. ويتم اطلاق الأكسجين الزائد إلى الهواء عبر ثغيرات أو مسامات الأوراق. و بعد أن يتحلّل السكّر في الماء الآتي من الجذور عبر الأوعية, يقوم الماء بتوزيعه على أجزاء النبتة. وتوفر الطاقة والتغذية الناتجة عن التركيب الضوئي, كافة الطعام الذي يأكله الناس والحيوانات.
ينشأ أيضا عن عملية التركيب الضوئي ما يسمّى بالإنكليزية "fossil fuels" التي تتألف من الغاز الطبيعي, و الفحم الحجري, والبترول. تتشكّل هذه المواد من المركّبات العضويّة (بقايا الكائنات الحيّة) بعد أن تكون خضعت لملايين السنين لعملية التركيب الضوئي. وهكذا نستنتج أن الأرض جميعا تعتمد بشكل أو بآخر على التركيب الضوئي كمصدر للغذاء, و الطاقة, و الأوكسجين.
. إنتاج الأوكسجين في ضوء
تجربة بسيطة لتبين أن النباتات الخضراء في ضوء إنتاج الأوكسجين ، في حين ، وجميع الكائنات الحية ، ويأكلون في الظلام.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image001.giffile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image002.gif
ملاحظة : هذه التجربة تظهر للغاية في معظم الكتب القديمة. ومن الصعب تحقيق ذلك للأسباب التالية :
-- إن الحرارة الناتجة عن احتراق كبير ؛
-- دخان أسود يترسب على الجدار الداخلي للالجرس ؛
-- شمعة تستهلك الاكسجين اسرع من المصنع وليس المنتج.
وختاما : الأوكسجين اللازم للاحتراق وينتج المصنع الضوء الاخضر.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image004.gif
الحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون03
03إنتاج الأوكسجين من قبل النباتات الخضراء يتطلب مصدر الكربون. التجربة يمكن القيام به مع النباتات المائية ، وحشيشة الماء كندا.
النباتات وتوضع في ماء الصنبور ، وتغطيها وتوجه أنبوبة الاختبار مملوءة بالمياه.
خزان المياه الباردة بين المصابيح وعلبة حشيشة الماء لتجنب ارتفاع درجة الحرارة.
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image005.giffile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image006.gif
حشيشة الماء تمتص الغاز بعد ساعتين من النهار. أي تمنع انبعاث غاز في الظلام.
نجري نفس التجربة مع ادخال 3 انابيب في الماء حيث :
الانبوب A يحتوي على ماء مطر والانبوب B يحتوي على ماء الصنوبر اما الانبوب C فيحتوي dihydrogénocarbonate de sodium
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image008.jpgfile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image010.jpg
بعد مدة تم ادخال ثلاث اعواد ثقاب مشتعلة فاعطت النتايج التالية
الانبوبة A ليس بها هواء والانبوبة B انطفا عود الثقاب اما الانبوبة C فلم ينطفا عود الثقاب
نظرة عامة على الاوراق تلقى النباتية (pelargonium) الضوء لمدة 12 سا فبعض اوراثه معرضة للضوء واخرئ مغطات جزئيا بشريط اسود
file:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image012.jpgfile:///C:/DOCUME%7E1/ADMINI%7E1/LOCALS%7E1/Temp/msohtml1/01/clip_image014.jpg
التفاعلات الأساسية للتركيب الضوئي
5 ـ 1 ـ معطيات تجريبية:
لتحديد التفاعلات الاساسية للتركيب الضوئي نقترح المعطيات التجريبية التالية:
المعطى الاول:قام العالم REINKE سنة 1883 بدراسة شدة التركيب الضوئي في ظروف مختلفة، يعطي المبيان التالي النتائج المحصل عليها:
تحليل و استنتاج:يلاحظ ان شدة التركيب الضوئي في المجال أ تتأثر بالاضاءة ولا تتأثر بالحرارة،أي انه كلما ارتفعت شدة الاضاءة الا وارتفعت شدة التركيب الضوئي في حين ان تغيير الحرارة ليس له تأثير.اما في المجال ب فشدة التركيب الضوئي تتأثر بالحرارة ولا تتأثر بالاضاءة،أي انه كلما غيرنا الحرارة الا وتغيرت شدة التركيب الضوئي في حين ان زيادة شدة الاضاءة ليس له تأثير.المعطى الثاني: عند فصل ومضات ضوئية شدتها 10000Lux ومدتها
0,00s بفترات مظلمة تتغير مدتها من 0.002 الى 0.4s ترتفع شدة التركيب الضوئي بارتفاع عدد الفترات المظلمة الفاصلة لفترة الاضاءة. يتبين اذن انه خلال ظاهرة التركيب الضوئي يحدث نوعان من التفاعلات الاساسية:
204 ـ تفاعلات ضوكيميائية Photochimique (تفاعلات المرحلة المضاءة)
ـ تفاعلات كيميائية حرارية Thermochimique(تفاعلات المرحلة المظلمة)
5 ـ 3 ـ دور الصبغات اليخضورية في تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية
عند تسليط ضوء ابيض ذو شدة قوية على محلول اليخضور الخام نحصل على النتيجة اي ان
اليخضور الخام يصدر اشعاعات حمراء من جهة المنيع الضوئي وهذا ما يسمى ظاهرة التفلور.يمكن
تفسير هذه الظاهرة،بكون الضوء يهيج جزيئات اليخضور الذي يفقد الكترونا ويخرج عن مداره مبتعدا عن نواة الذرة،وعند رجوعه الى مداره الاصلي يعيد الطاقة التي اكتسبها سابقا على شكل حرارة وتفلور.[center]اذن فالتفلور ما هو الا تعبير عن استرجاع الطاقة الضوئية الممتصة من طرف اليخضور المعزول على شكل اشعاعات حمراء،اما على مستوى الخلايا اليخضورية الحية، فيكون التفلور جد ضئيل،لان الطاقة الضوئية الملتقطة من قبل صبغات اليخضور لا تضيع،وانما تستعمل لانتاج المادة العضوية.
4 ـ التقاط الطاقة الضوئية
يتم التقاط الطاقة الضوئية بواسطة النظام الضوئي Photosysteme P.S والذي يشكل وحدة وظيفية تتضمن
لاقطة مجمعة تتكون من صبغات يخضورية تعمل على تجميع الطاقة الضوئية وتوجيهها الى جزيئة واحدة من اليخضور a .تصبح جزيئة اليخضور a مهيجة *Chla وبالتالي تحرر الكترونا مما يكسيها قدرة مؤكسدة عالية. انظر
ـ مراحل للتركيب الضوئي
6 ـ 1 ـ تفاعلات المرحلة المضاءة
أ ـ معطيات تجريبية:في سنة 1939 قام العالم HILL بوضع بلاستيدات
خضراء معزولة في محلول مائي غني بثنائي اكسيد الكربون مع متقبل للالكترونات ferricyanure de
potassium يدعى كاشف Hill وهو يحتوي على ايون +++Fe .بعد تعريضها لاضاءة مناسبة لاحظ طرح
الاكسجين مع اختزال +++Fe الى ++Fe
دراسة تجربة العالمان Kamen وRuben سنة 1941 على طحالب يخضورية وحيدة الخلية(الكلوريلات تحت ظروف الاضاءة تم تزويد وسط زرع يحتوي على هذه الطحالب، بماء يحتوي على الأكسجين الثقيل H2O18 وبثنائي اكسيد الكربون يحتوي على
الأكسجين الخفيف CO216، بين تحليل الأكسجين المطروح انه من النوع الثقيل 1802. وفي التجربة المعاكسة، عند تزويد الوسط بماء يحتوي على الأكسجين الخفيف H2O16 وبثنائي اكسيد الكربون يحتوي على الأكسجين الثقيل CO218،يلاحظ أن الأكسجين المطروح
من النوع الخفيف 1602.
2 ـ اعتمادا على تحليل تجربة Kamen وRuben، استنتج مصدر الأكسجين المطروح، مبرزا التفاعل
المؤدي الى ذلك.
3 ـ فسر سبب اختزال +++Fe الى ++Fe في
تجربة Hill واكتب تفاعل الاختزال.
4 ـ اعتمادا على هذه المعطيات،استخلص الية رجوع جزيئة اليخضور a المهيجة الى حالتها الاصلية.
ـ يلاحظ ان الأكسجين المطروح في وسط الزرع يكون دائما من نفس نوع أكسجين الماء المستعمل،وهذا يعني أن
مصدر الأكسجين المطروح هو ناتج عن حلمأة جزيئة الماء،حسب المعادلة التالية:
2H2O --------------> O2 + 4 H+ + 4 e- وهو عبارة عن تفاعل أكسدة.
3 ـ سبب اختزال +++Fe الى ++Fe في
تجربة Hill هو اكتسابه للالكترونات الناتجة عن حلمأة جزيئة الماء(التحليل الضوئي).ويكنب تفاعل الاختزال على الشكل التالي:
4Fe3+ + 4 e- ---------------> 4 Fe2+
4 ـ الالكترونات الناتجة عن أكسدة جزيئة الماء تعمل
على اختزال جزيئة اليخضور a المهيجة لتعود الى حالتها الاصلية
4Chla* +4 e- --------------------> 4Chla
تنتقل الالكترونات المحررة من طرف اليخضور a عبر سلسلة نواقل الكترونات متواجدة في غشاء
التيلاكويدات (تفاعلات اكسدة واختزال) لتصل الى المستقبل النهائي للالكترونات
المتواجد في ستروما البلاستيدة الخضراء وهو عبارة عن جزيئة NADP اي Nicotinamide Adénine Dinucléotide Phosphateحسب التفاعل التالي:
2NADP +4 * H+ + 4e- --------------->2NADPH
يتطلب نقل الالكترونات تدخل نظامين ضوئيين PSI وPSII حيث لا تنتقل الالكترونات تلقائيا الا في اتجاه جهد اكسدة اختزال redox متزايد مع تحرير طاقة ATP ولاتنتقل في اتجاه جهد متناقص الا اذا توفرت طاقة ضوئية. الطاقة الناتجة عن انتقال الالكترونات تعمل على إدخال ايونات +H من الستروما إلى جوف التيلاكويدات،ينتج عن هذا ممال للبروتونات من جهتي التيلاكويد(فرق في PH) ضروري لتدفق ايونات +H عبر غشاء التيلاكويد وبالضبط على مستوى الكرات ذات شمراخ(ATP
سنتتاز) نحو الستروما ليتم تركيب جزيئات ATP عن طريق تفسفر ADP حسب التفاعل التالي:
ADP + Pi ----------------------->ATP+H20
ب ـ خلاصة:
يمكن كتابة حصيلة التفاعلات الضوكيميائية كما يلي:
2H2O + 2NADP + ADP + Pi ----------------> O2 + 2NADPH + ATP
يطرح الاكسجين في الوسط الخارجي
بينما تستعمل النواتج NADPH+ATP في تفاعلات المرحلة المظلمة.تفاعلات المرحلة المظلمة
أ ـ مصير CO2 الممتص من طرف النباتات الخضراء
لمعرفة أهمية CO2 في التركيب الضوئي نتطرق الى تجربة Calvin et benson:
ـ المرحلة الاولى:توضع طحالب كلوريل داخل جهاز في وسط مضاء،حيث يتم تزويدها بـ CO2
ـ المرحلة الثانية:يتم دفع الطحالب داخل انبوب دقيق و شفاف بواسطة مضخة حيث يتم حقن الانبوب خلال هذه الفترة
بـ CO2 المشع المحتوي على الكربون المشع.
ـ المرحلة الثالثة:تقتل الخلايا
الطحلبية عند وصولها الى الكحول المغلى فتتوقف كل التفاعلات الكيميائية.
ـ المرحلة الرابعة: تستخلص المواد
المركبة من طرف الطحلب وتحلل بواسطة تقنية التحليل الكروماتوغرافي حيث تترك المواد
الاشعاعية المركبة بقعا سوداء على ورق الترشيح في مواقع مختلفة،النتيجة المحصل عليها ممثلة في الوثيقة التالية:
1 ـ اعتمادا على تحليل نتيجة تجربة Calvin et benson ،استخلص اهمية
CO2 في التركيب الضوئي.
1ـ تظهر النتائج ان اول مركب يظهر يتكون بعد 5 ثوان وهو APG بعد ذلك تظهر سكريات فوسفات(ثلاثية الكربون C3P وخماسية الكربون RuBP) واخيرا بعد 30 ثانية تظهر مركبات عضوية اخرى كالسكروز واحماض امينية مختلفة.
يتبين اذن ان CO2 اثناء التركيب الضوئي يدخل في تركيب مواد عضوية اي يتحول من
كربون معدني الى كربون عضويوأول هذه المركبات هي APG و
RuBP . نقوم بقياس تغير كمية APG و
RuBP في ظروف مختلفة:
ـ عند المرور من الاضاءة الى
06الظلام مع الحفاظ على نسبة CO2 تابثة(الوثيقة1).
ـ عند المرور من وسط غني ب
CO2 الى وسط يفتقر ل CO2 ودلك تحت اضاءة
تابثة(الوثيقة2).
2ـ يعرف تركيز كل من APG و RuBP
ثباتا خلال فترة الاضاءة وخلال الفترة المظلمة الموالية
يرتفع تركيز APG بينما ينخفض تركيز RuBP ،يمكن تفسير هذه التغيرات بانه في الظلام يتحول RuBP الى APG والذي يتراكم بسبب عدم دمجه في التفاعلات الكيميائية التي تؤدي الى تركيب مواد عضوية اخرى لان تحول APG لتجديد RuBP يحتاج الى المواد التي تركب خلال المرحلة المضاءة NADPH+ATPاذن فتجديد RuBP يكون انطلاقا من APG ويحتاج الى نواتج المرحلة المضاءة NADPH+ATPحسب التفاعل التالي:
3ـ تحت الاصاءة، يعرف
تركيز كل من APG و RuBP ثباتا في وجود CO2 مع أن تركيز APG يفوق تركيز
RuBP ،أما عند غياب CO2 يرتفع تركيز RuBP بينما ينخفض
تركيز APG ،يمكن تفسير هذه التغيرات بأنه في غياب CO2 يتوقف تحول RuBP
الى APG مما يسبب تراكم RuBP وانخفاض APG
4ـ يتضح من خلال هذه المعطيات ان مستقبل CO2 هو RuBP حيث يندمجان ليعطيان APG حسب التفاعل التالي:
RuBP + CO2 ----------> 2APG(C5) (C1) (C3
ب ـ خلاصة:
يعتبر أول منتوج لظاهرة التركيب الضوئي هو APG الذي يتكون على حساب RuBP حيث يعتبر هو مستقبل CO2 وانطلاقا من APG يتركب سكر ثلاثي ـ فوسفاتAldPG، هذا الاخير يعمل على تجديد RuBP وتشكل المواد العضوية الاخرى(كليكوز،أحماض أمينية،أحماض ذهنية...).يمكن اذن تمثيل هذه التفاعلات على شكل دورة(حلقة calvin) حيث تنقسم الى ثلاث مراحل:
1ـ مرحلة دمج CO2 مع RuBP
2ـ مرحلة اختزال APG الى سكريات ثلاثية ـ فوسفات
.3ـ مرحلة تجديد RuBP
تمتصه ماده الكلوروفيل حتي تتم عمليه البناء الضوئي ويمتص ثاني اكسيد الكربون وخروج الاكسجين وهذه العمليه لا تتم الا في النباتات الخضراء المحتويه علي ماده الكلوروفيل اما النباتات الملونه لا تقوم بعمليه البناء الضوئي لعدم احتوائها علي ماده الكلوروفيل
لتمثيل الضوئي أو التخليق الضوئي (بالإنجليزية: Photosynthesis) : عملية كيميائية معقدة تحدث في خلايا البكتريا الزرقاء و في صانعات اليخضور(الصانعات الخضراء) أو الكلوروبلاست (chloroplast) في كل من الطحالب و النباتات العليا; حيث يتم فيها تحويل الطاقة الضوئية الشمسية من طاقة كهرومغناطيسية على شكل فوتونات أشعة الشمس إلى طاقة كيميائية تخزن في روابط سكر الجلوكوز وفق المعادلة التالية :
6CO2 + 6H2O + light + chloroplasts = C6H12O6 + 6O2
ومن أهم نواتج هذه المعادلة هو :
* الاكسجين ; وكل جزيئة من CO2 تدخل في المعادلة يقابلها جزيئة من الاكسجين O2 ناتجة من التفاعل .
* مركبات سكريات حاوية على طاقة عالية .ورغم بساطة هذه المعادلة في وضعها السابق ولكنها تتم في خطوات معقدة، و تتم هذه المعادلة في دورتين:
* الأولى تسمى تفاعلات الضوء (بالإنجليزية: light reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الضوء (بالإنجليزية: The light Dependent reactions) وهي تفاعلات تعتمد على وجود الضوء وتعمل عليه.
* الثانية تسمى تفاعلات الظلام (بالإنجليزية: Dark reactions) أو التفاعلات المعتمدة على الظلام (بالإنجليزية: Independent reactions) أو تفاعلات دورة كالفن (بالإنجليزية: Calven cycle reactions) وهي تفاعلات تعمل ليلا وفي الظلام استغلالاً للمنتجات الصباحية (النهارية) التي أنتجت في الضوء.وقد سميت تفاعلات الظلام باسم مكتشفها كالفن، وتعمل تفاعلات دورة كالفن في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot) أو (Dicotyledon) وهي مركبات ثلاثية الكربون ولذلك تسمى دورة الكربون الثلاثي. وهناك دورة هاتس سلاك (Hatch slak) وهي تعمل في النباتات ذوات الفلقة الواحدة (Monocotyledon) أو (Monocot).
[عدل] عملية التمثيل الضوئي
*تبدأ عملية التمثيل الضوئي بسقوط الضوء على مجموعة من الخلايا النباتية المتجاورة مكونة لنظام ضوئي داخل البلاستيدات الخضراء.
* عندما تسقط فوتونات الضوء على جزيئة الكلوروفيل يصطدم الفوتون بألكترون من الكترونات الكلوروفيل عندها يصبح الإلكترون في حالة تهيج ويقفز من مداره الاصلي , وهذه حالة غير ثابتة فيميل للعودة اللى مداره الاصلي (خلال جزء من الثانية) وأثناء عودته يطلق الطاقة التي اكتسبها ,يمكن ان تنطلق طاقة الالكترون على شكل حرارة أو ضوء أو فلورة , اما في التمثيل الضوئي فانها تعمل على تسيير تفاعل كيميائي .
ـ الطاقة الكيميائية تختزن في المركبات العضوية الغنية بالطاقة خاصة الادينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ; ويتم ذلك بوجود (ADP) و الفوسفات كما في المعادلة : ADP + P + Energy = ATP
ـ تنتقل بعض هذه الطاقة الالكترونية عبر جزيئات (+NADP) منخفضة الطاقة ليعطي (NADPH) مرتفع الطاقة وبذلك يتكون مركبان مرتفعا الطاقة هما (ATP) و(NADPH).
* حيث NADP تمثل " نيكوتين اميد ثنائي النوكليوتيد فوسفات "
* و ATP تمثل "ادينوسين ثلاثي الفوسفات"
ـ يستغل جزء من الطاقة الضوئية المنتقلة إلى الالكترونات في شطر جزيئات الماء (H2O) إلى ايونات الهيدروجين وأيونات الأكسجين.
ـ يدخل أيون الهيدروجين في العمليات الحيوية التالية، وينطلق الأكسجين
ـ ولذلك فإن مصدر الأكسجين الناتج في عملية البناء الضوئي ناتج من الماء المشطور، أي أنه أكسجين الماء بعد نزع الهيدروجين منه، وبذلك يتحقق قول الله تعالى: وجعلنا من الماء كل شيء حي [الأنبياء] : 30.
ـ حيث أننا نتنفس أكسجين الماء، وتتنفسه الكائنات الحية هوائية التنفس (Aerobic respiration) علاوة على وظائف الماء الحيوية الأخرى في أجسام الكائنات الحية.
[عدل] العوامل التي تؤثر في التمثيل الضوئي
07يتأثر معدل البناء الضوئي بعوامل عديدة , داخلية تتعلق بالنبات وخارجية تتعلق بالبيئة .
العوامل الداخلية:
* تركيب الورقة : ويشمل سمك القشيرة والبشرة , وجود الأوبار على سطحها , تركيب النسيج المتوسط , موضع الجسيمات في الخلايا ,حجم المسام وتوزعها .
* نواتج التمثيل الضوئي : عندما يزداد تركيز نواتج التمثيل الضوئي في الخلايا الخضراء يقل معدل العملية وبخاصة اذا كان انتقال تلك النواتج بطيئا.
* حالة المادة الحية البروتوبلازم و الانزيمات وبخاصة جفاف البروتوبلاسم و اضطراب عمل الانزيمات .
العوامل الخارجية:
* تشمل العوامل الخارجية : الحرارة , الضوء وشدته , تركيز ثاني أكسيد الكربون, الماء, العناصر المعدنية . وكل عامل يؤثر بعملية التمثيل الضوئي ويتأثر بالعوامل الأخرى .
[عدل] عمليات دورة كالفن "Calvin Cycle"
دورة كالفن هي إحدى الدورات الحيوية المهمة في عملية تثبيت الطاقة خاصة في النباتات ذوات الفلقتين (Dicot plants) وفيها يتم تثبيت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون لتكوين أول مركب كربوهيدراتي ثابت أمكن فصله يسمى 3-فوسفوغليسيرات وهي تتم في حشوة (Stroma) البلاستيده الخضراء خارج التلاكويدات.
ـ وفيها يتم استغلال الطاقة سابقة التخزين في التفاعلات الضوئية في عملات الطاقة من جزيئات (ATP) و (NADPH).
ـ يبدأ ذلك باتحاد ثاني أكسيد الكربون (CO2) مع ريبوليز ثنائي فوسفات وإنتاج مركب وسطي يتفكك تلقائيا إلى جزيئتي حمض فوسفوغليسيرك و يتوسط هذه الخطوة أنزيم ريبيولوز ثنيائي الفوسفات كاربوكسيلاز .
ـ يمكن استخدام (PGAL) لتخليق الجزيئات العضوية مثل الجلوكوز (Glucose) ويتحول (NADPH) إلى (NADP+).
ـ كما يتحول (ATP) إلى (ADP).
ـ وبذلك تخزن الطاقة الضوئية في الروابط الكيميائية بين ذرات المركبات الكربوهيدرائية الناتجة، ويثبت الكربون الموجود في ثاني أكسيد الكربون الجوي، كما يثبت الهيدروجين الموجود في الماء, وفي النهاية يتكون الجلوكوز (Glucose) الذي ينتقل إلى دورات تحرير الطاقة لتعاد دورة العناصر والمركبات والطاقة من جديد.
ـ أهم شيء في هذه الدورات هو تثبيت ثاني أكسيد الكربون لتكوين الجلوكوز، وهذه العملية تتم في عمليات معقدة يمكن تيسيرها فيما يلي.
ـ تتفاعل كل ست جزيئات من (RUBP) مع ست جزيئات من ثاني أكسيد الكربون (CO2) وست جزيئات من الماء (H2O) لتكوين 12 جزيء (PGA) وبذلك يثبت الكربون.
ـ تستغل طاقة (12) جزيء (ATP) والكترونات وهيدروجينات (12) جزيء NADPH2 لتحويل (12) جزيء من (PGA) إلى (12) جزيء (PGALs).
ـ تستغل طاقة (6) جزيئات (ATP) لإعادة ترتيب (10) جزيئات (PGALs) ليتكون (6) جزيئات (RUBPs)، وبذلك تتم دورة واحدة من دورات كالفن (أي دورة تثبيت الكربون الثلاثي).
ـ هناك دورة أخرى تسمى دورة هاتش ـ سلاك (Hatch slak pathway) لتثبيت ثاني أكسيد الكربون في النباتات ذوات الفلقة الواحدة عن طريق الكربون الرباعي (C4).
ـ وبذلك تتم أهم عملية على سطح الكرة الأرضية وهي عملية تكوين المواد الكربوهيدراتية من ثاني أكسيد الكربون والماء وتخزن الطاقة الشمسية في الروابط الكيميائية في تلك المواد الكربوهيداتية وينطلق الأكسجين إلى الجو بعملية التمثيل الضوئي.
ـ بعد ذلك يحول النبات المواد الكوبوهيدراتية إلى مواد دهنية , ومواد بروتينية ، والمركبات النباتية الأخرى.
ـ يتغذى الحيوان والكائنات الحية الدقيقة الفطرية و البكتيريا على المنتجات النباتية.
ـ ويتغذى الإنسان على المنتجات النباتية, والمنتجات الحيوانية ، ومنتجات الكائنات الحية الدقيقة الصالحة للأكل البشري.
التركيب الضوئي: هو عملية تحدث في النباتات الخضراء, و الأعشاب البحريّة, و الطحالب. تستخدم النباتات في هذه العملية الطاقة المكتسبة (الشمسية) من الضوء لتحويل ثاني أوكسيد الكربون و الماء إلى أوكسجين, و يساعدها على إمتصاص الضوء مادة اليخضور (الكلوروفيل) الموجودة في أوراق النباتات, و من ميزات عملية التركيب الضوئي أنها توفّر الأكسجين لكافة الكائنات الحية. إنها بالفعل عملية معقدة تعكس عظمة الله في قدرته على خلق الأشياء بشكل مبدع.
ما يحدث في التركيب الضوئي هو أن ثاني أوكسيد الكربون يدخل من خلال المسامات الموجودة في الأوراق و يتّحد مع الماء و المواد الغذائية الأخرى الآتية من الجذور. و بمساعدة الطاقة الكيميائية, التي تلعب مادة اليخضور دورا في تحويلها من مجرّد طاقة ضوئيّة, يتم تحويل المواد المتحدة إلى أوكسجين وسكراً بسيطاً. ويتم اطلاق الأكسجين الزائد إلى الهواء عبر ثغيرات أو مسامات الأوراق. و بعد أن يتحلّل السكّر في الماء الآتي من الجذور عبر الأوعية, يقوم الماء بتوزيعه على أجزاء النبتة. وتوفر الطاقة والتغذية الناتجة عن التركيب الضوئي, كافة الطعام الذي يأكله الناس والحيوانات.
ينشأ أيضا عن عملية التركيب الضوئي ما يسمّى بالإنكليزية "fossil fuels" التي تتألف من الغاز الطبيعي, و الفحم الحجري, والبترول. تتشكّل هذه المواد من المركّبات العضويّة (بقايا الكائنات الحيّة) بعد أن تكون خضعت لملايين السنين لعملية التركيب الضوئي. وهكذا نستنتج أن الأرض جميعا تعتمد بشكل أو بآخر على التركيب الضوئي كمصدر للغذاء, و الطاقة, و الأوكسجين.
الضوء عنصر مهم جدا في عمليه البناء الضوئي وبدونه لا تتم عمليه البناء الضوئي حيث