العوامل المؤثرة على عملية البناء الضوئي

ما هي العوامل المؤثرة على عملية البناء الضوئي؟

هنالك مجموعة من العوامل التي تؤثر على معدل البناء الضوئي وهي؛ الضوء، درجة الحرارة، إمدادات المياه، توافر المعادن، وإمدادات ثاني أكسيد الكربون، كما يتم تحديد معدل البناء الضوئي للنباتات بالاعتماد على معدل إنتاج الأكسجين لكل وحدة كتلة أو مساحة من أنسجة النباتات الخضراء أو لكل وحدة وزن من إجمالي الكلوروفيل، كما يعد نوع النبات وحالته الفسيولوجية من أهم العوامل التي تؤثر على معدل البناء الضوئي[١]، وفيما يأتي سيتم الإجابة عن سؤال ما هي العوامل المؤثرة على عملية البناء الضوئي:

العوامل الداخلية

تعتمد عملية البناء الضوئي على العديد من العوامل الداخلية التي تساعد على رفع معدلات البناء الضوئي للنباتات، كتنظيم نشاط الإنزيم والسيطرة على تفاعلات الأكسدة والاختزال للخلايا وغيرها من العمليات الحيوية، ولقد تم التوصل لهذه العوامل الداخلية والتي تساهم في عملية البناء الضوئي عن طريق الأبحاث في علم الوراثة للنباتات واستخدام الأدوات البيولوجية الجزيئية[٢]، وفيما يأتي أبرز العوامل الداخلية المؤثرة على عملية البناء الضوئي:

الإنزيمات

تساعد الإنزيمات في عملية البناء الضوئي على تحرير ذرات الهيدروجين من جزيئات الماء وفي العديد من الوظائف الأخرى، فعلى سبيل المثال يعد إنزيم روبيسكو هو الإنزيم الأكثر وفرة في العالم، وذلك لاحتواء جميع النباتات التي تخضع لعملية البناء الضوئي على هذا الإنزيم، ومن أهم الإنزيمات الأخرى التي تساعد في عملية البناء الضوئي إنزيم السيتوكروم وإنزيم فيروكسين.[٣]

عمر الورقة وتشريحها

يعد عمر الورقة وتشريحها أحد أهم العوامل الداخلية التي تؤثر على عملية البناء الضوئي، حيث يؤثر سماكة النسيج ومساحة البلاستيدات الخضراء الموجودة على سطح الخلية في عملية تبادل الغازات، وبالتالي فإن الاختلافات الهيكلية بين أوراق النباتات تؤثر على عملية البناء الضوئي[٤]، كما وجد أن الزيادة في عمر الورقة يعمل على تحسين عملية البناء الضوئي، حيث تكون الورقة قد وصلت إلى مستويات الحالة المستقرة.[٥]

مستوى الكلوروفيل

يعد مستوى الكلوروفيل المتواجد في النباتات أحد العوامل الداخلية التي تؤثر على عملية البناء الضوئي، حيث لوحظ أن الزيادة في نسبة الكلوروفيل في الورقة تساعد على الزيادة في عملية البناء الضوئي، ولكن تتأثر عملية البناء الضوئي بالاعتماد على وجود أو عدم وجود الجينات التي تنتج الكلوروفيل.[٦]

العوامل الخارجية

هنالك مجموعة من العوامل الخارجية التي تؤثر على عملية البناء الضوئي وهي الماء والأكسجين وشدة الضوء ودرجات الحرارة وتركيز ثاني أكسيد الكربون وتركيز العناصر في التربة، حيث تعمل هذه العوامل جميعها معًا على الزيادة أو التقليل من معدل البناء الضوئي[٧]، وفيما يأتي سيتم الحديث عن هذه العوامل الخارجية:

درجة الحرارة

تعمل درجات الحرارة على تحفيز الإنزيمات التي تساعد على زيادة معدل البناء الضوئي، ففي حال كانت درجات الحرارة منخفضة أي من 0 إلى 10 درجات مئوية، فلن تقوم الإنزيمات بعملها بكفاءة وسينخفض معدل البناء الضوئي، بينما في حال كانت درجات الحرارة متوسطة أي من 10 إلى 20 درجة مئوية، فستعمل الإنزيمات بكفاءة عالية وبالتالي فإن معدل البناء الضوئي سيكون مرتفع، وأما إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة أي تزيد عن 20 درجة مئوية فستنخفض كفاءة عمل الإنزيمات، وبالتالي سينخفض معدل البناء الضوئي.[٨]

شدة الإضاءة

تعتمد عملية البناء الضوئي في النباتات بشكلٍ كبير على الضوء، وتعد أشعة الشمس هو المصدر الأساسي للضوء عند النباتات، وكلما تعرضت النباتات للضوء لوقت أكبر كلما استمرت عملية البناء الضوئي لفترة أطول، كما تبين أن عملية البناء الضوئي تعمل بكفاءة عالية عند تعرض النباتات للأطوال الموجية الحمراء والزرقاء، ومن الجدير بالذكر أن عملية البناء الضوئي تحتاج إلى مستوى عالي من الضوء، أي أنها تزيد من معدلاتها في ذروة أشعة الشمس خلال النهار.[٩]

تركيز ثاني أكسيد الكربون

يعد ثاني أكسيد الكربون أحد العوامل الخارجية التي تؤثر على عملية البناء الضوئي، حيث تساعد الزيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون على الزيادة من معدلات البناء الضوئي، ولكن العائق أمام تأثير تركيز ثاني أكسيد الكربون على عملية البناء الضوئي هو أن الغلاف الجوي يحتوي على نسبة لا تزيد عن 0.03٪ من ثاني أكسيد الكربون، وهي نسبة صغيرة نسبيًا.[٩]

تركيز العناصر في التربة

يعد تركيز العناصر في التربة أحد أهم العوامل الخارجية التي تؤثر على عملية البناء الضوئي، حيث إن هنالك مجموعة من العناصر التي تزيد من معدلات البناء الضوئي كالنيتروجين والكبريتات والفوسفات والحديد والمغنيسيوم والكالسيوم والبوتاسيوم، حيث يجب توافر هذه العناصر بتراكيز مرتفعة، بينما هنالك مجموعة من العناصر التي يجب توافرها بتراكيز أقل كالمنغنيز والنحاس والكلوريد.[١٠]

الماء

تتطلب عملية البناء الضوئي كميات محدودة من الماء للحصول على معدلات عالية من عملية البناء الضوئي، حيث تساعد المياه على إبقاء ثغور أوراق النباتات مفتوحة وذلك ليتبخر الماء من الأوراق إلى الغلاف الجوي، كما تسمح هذه الثغور بامتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.[١١]

الأكسجين

يعد الأكسجين أحد العوامل الخارجية المؤثرة في البناء الضوئي، حيث تتطلب عملية البناء الضوئي مستويات معينة من الأكسجين، ففي حال زاد مستوى تركيز الأكسجين إلى مستويات أعلى من المطلوب، فسوف يؤدي ذلك إلى كبح البناء الضوئي.[١٢]

ما هي عملية البناء الضوئي؟

تعرف عملية البناء الضوئي Photosynthesis أيضًا باسم عملية التمثيل الضوئي أو التركيب الضوئي، وهي عبارة عن عملية طبيعية تعمل على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية، كما تعد عملية البناء الضوئي من أساسيات وجود الحياة على سطح الأرض، فمن دونها ستنعدم الحياة على الأرض، حيث تساعد عملية البناء الضوئي في توفير الطاقة اللازمة للتفاعلات الأيضية التي تلزم جميع الكائنات الحية للنمو والتطور والتكاثر، وذلك لأن الكائنات الحية لا يمكنها استخدام الطاقة الضوئية بصورة مباشرة لتغذية احتياجاتها الأيضية، لذلك يتطلب تحويل هذه الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية عن طريق عملية البناء الضوئي.[١٣]

يعد أساس عملية البناء الضوئي هو الكائنات الحية التي يمكنها إنتاج طعامها عن طريق تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوية باستخدام الطاقة الضوئية كالنباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا، وتعرف هذه الكائنات باسم كائنات ذاتية التغذية، بينما يطلق على الكائنات الأخرى كالبشر وباقي الكائنات الحية التي لا يمكنها القيام بهذه العملية اسم كائنات غيرية التغذية، ولا تقتصر أهمية عملية البناء الضوئي على تغذية الكائنات الحية فقط بل تساهم في إنتاج غاز الأكسجين لتكوين الغلاف الجوي للأرض، وفيما يأتي المعادلة التي تمثل عملية البناء الضوئي:[١٣]

6CO2 + 6H2O + Sun energy = C6H12O6 + 6O2

حيث إن:

• CO2 : ثاني أكسيد الكربون.
• H2O: الماء.
• Sun energy : ضوء الشمس.
• C6H12O6: سكر الجلوكوز.
• O2: الأكسجين.

ما هي مراحل عملية البناء الضوئي؟

تتم عملية البناء الضوئي بمجموعتين من التفاعلات وهما؛ تفاعلات تعتمد بشكل مباشر على الضوء ومجموعة أخرى لا تعتمد على الضوء، وعلى الرغم من ذلك إلا أن المجموعة التي لا تعتمد على الضوء سوف تتوقف عن عملها في حال لم تتعرض النبتة للضوء لفترة طويلة، ويعود السبب في ذلك إلى اعتمادها على نواتج تفاعلات الضوء، وفيما يأتي سيتم الحديث عن مراحل عملية البناء الضوئي:[١٤]

التفاعلات التي تعتمد على الضوء

تعتمد هذه التفاعلات على الأصباغ المختلفة التي تقوم بالتقاط طاقة الضوء؛ والتي تشمل كل من أصباغ الكلوروفيل الخضراء وأصباغ الكاروتينات الصفراء أو البرتقالية، بحيث تقوم الكاروتينات بالتقاط الأمواج الطولية التي لا تتمكن أصباغ الكلوروفيل من التقاطها، ثم تقوم بنقلها إلى الكلوروفيل المسؤول عن القيام بالتفاعلات الضوئية، ودائمًا ما تتواجد هذه الأصباغ في أغشية الثايلاكويد مع عدد من البروتينات وناقلات الإلكترونات مشكلةً الأنظمة الضوئية من النوع الأول أو الثاني، بحيث يتكون وسط كل نظام من جزيء كلوروفيل يعرف بمركز التفاعل، والذي تقوم جميع الأصباغ الأخرى بجمع الطاقة وتمريرها إليه، وفيما يأتي الخطوات التي تمر بها الطاقة الضوئية في هذا النوع من التفاعلات:[١٤]

• يمتص مركز التفاعل الطاقة أو يستقبلها من الجزيئات الأخرى ليصبح زوج من إلكتروناته في حالة إثارة.
• يحمل زوج الإلكترونات هذا الطاقة المستقبلة ويمررها إلى جزيء مستقبل للإلكترونات.
• يسلك هذا الزوج سلسلة نقل إلكترون قصيرة إذا كان أصله نظام ضوئي من النوع الأول، بحيث يتم اختزال +NADP إلى NADPH، بينما يسلك هذا الزوج سلسلة نقل إلكترون طويلة إذا كان أصله من النوع الثاني، بحيث يمر بنظام ضوئي من النوع الأول أثناء السلسلة.
• تستخدم الطاقة المنبعثة من الإلكترونات خلال سلسلة النقل لتصنيع جزيئات ATP عن طريق عملية شبيهة بما تقوم به الميتوكندريا.
• يستعيد مركز التفاعل للأنظمة الضوئية من النوع الأول إلكتروناته من النوع الثاني، بينما يستعيد المركز من النوع الثاني إلكتروناته عن طريق كسر جزيئات الماء وأخذ زوج من الإلكترونات، الأمر الذي يؤدي إلى إطلاق الأكسجين أثناء التفاعل.

التفاعلات الضوئية المستقلة (دورة كالفين)

تشكل دورة كالفين الجزء الرئيس من التفاعلات الضوئية المستقلة؛ أي المظلمة، وتتكون هذه الدورة من 13 تفاعلًا كيميائيًا، بحيث تحدث هذه التفاعلات باستخدام عدد من الإنزيمات، والتي يمكن تلخيصه بثلاث عمليات أساسية كالآتي:[١٤]

• تفاعلات إضافة مجموعة الكربوكسيل: يتم دمج جزيء من ثاني أكسيد الكربون مع جزيء ريبولوز ثنائي الفوسفات لإنتاج جزيئي فوسفوجليسيرات بواسطة إنزيم يعرف باسم RuBISCO.
• تفاعلات الاختزال: يتم استخدام جزيئات الATP وNADPH لتحويل الفوسفوجليسيرات إلى كربوهيدات عالية الطاقة.
• إعادة التصنيع: تمر الكربوهيدرات الناتجة من الاختزال بعدد من التفاعلات ليتم إعادة تصنيع الريبولوز ثنائي الفوسفات الذي بدأ فيه التفاعل.

المراجع[+]

1. ↑ “Photosynthesis”, britannica, Retrieved 2020-10-29. Edited.
2. ↑ “Genetic factors affecting photosynthesis”, researchgate, Retrieved 2020-10-30. Edited.
3. ↑ “Enzyme Activity in Photosynthesis”, sciencing, Retrieved 2020-10-29. Edited.
4. ↑ “Leaf and Plant Age Affects Photosynthetic Performance and Photoprotective Capacity”, plantphysiol, Retrieved 2020-10-29. Edited.
5. ↑ “Leaf and Plant Age Affects Photosynthetic Performance and Photoprotective Capacity1”, ncbi, Retrieved 2020-10-29. Edited.
6. ↑ “Genetic factors affecting photosynthesis”, researchgate, Retrieved 2020-10-29. Edited.
7. ↑ “Environmental Factors That Impact Photosynthesis”, study, Retrieved 2020-10-29. Edited.
8. ↑ “The Effect of Temperature on the Rate of Photosynthesis”, sciencing, Retrieved 2020-10-29. Edited.
9. ^ أ ب “Factors Affecting Photosynthesis”, toppr, Retrieved 2020-10-30. Edited.
10. ↑ “Photosynthesis”, britannica, Retrieved 2020-10-29. Edited.
11. ↑ “Photosynthesis”, britannica, Retrieved 2020-10-29. Edited.
12. ↑ “Factors Affecting Photosynthesis”, toppr, Retrieved 2020-10-29. Edited.
13. ^ أ ب “Intro to photosynthesis”, khanacademy, Retrieved 2020-10-29. Edited.
14. ^ أ ب ت “Photosynthesis”, encyclopedia, Retrieved 2020-10-30. Edited.