شارح الدرس: تجارب البناء الضوئي الأحياء • الصف الثاني الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف التجارب التي أجراها فان نيل وكالفن، ونلخِّص كيف ساهمت في فهْم عملية البناء الضوئي.

يمثِّل البناء الضوئي عملية مهمة للغاية للنباتات ولجميع الحيوانات على كوكب الأرض! فمن خلال تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى الجلوكوز والأكسجين باستخدام الطاقة الضوئية، تَمُد النباتات نفسها بالغذاء، وتوفِّر الأكسجين الضروري للكائنات الحية للقيام بعملية التنفس.

فريدريك بلاكمان عالمٌ أجري أبحاثًا عن البناء الضوئي في النباتات. وقد أجرى بعض التجارب للتعرُّف على العوامل المُحدِّدة لعملية البناء الضوئي: الضوء، ودرجة الحرارة، وتركيز ثاني أكسيد الكربون. وجد بلاكمان من خلال تجاربه أن هناك مرحلتين رئيسيتين للبناء الضوئي في النباتات: المرحلة الضوئية والمرحلة اللاضوئية. يمكنك ملاحظة المعادلة العامة للبناء الضوئي في النباتات في الآتي.

سنُلقي نظرة هنا على بعض التجارب المهمة التي ساعدتنا على فهم المتفاعلات، والعمليات، ونواتج التفاعلات الحيوية المتضمَّنة في البناء الضوئي.

في بداية الثلاثينيات، عام 1930، درس عالم الأحياء الدقيقة الهولندي الأمريكي كورنيليس برناردوس فان نيل عملية البناء الضوئي في بكتيريا الكبريت الخضراء والأرجوانية. وهذه البكتيريا ثَبَت أنها تصلح عيِّنةً لدراسة مثيرة للاهتمام. فهذه البكتيريا تحتوي على كلوروفيل بكتيري، وهي صبغة تُشبه إلى حدٍّ كبير الكلوروفيل الموجود في النباتات الخضراء. وتعيش في بيئات مثل المستنقعات والبرك؛ حيث يُوجَد غاز كبريتيد الهيدروجين بوفرة. ووُجِد أن هذا هو الغاز الذي تستخدمه البكتيريا في عملية البناء الضوئي.

وفيما يلي تفاعل البناء الضوئي في بكتيريا الكبريت الخضراء والأرجوانية.

كما لاحظنا، هذا التفاعل مشابهٌ للغاية لعملية البناء الضوئي في النباتات الخضراء. يحوِّل كلا التفاعلين ثاني أكسيد الكربون والمركب الذي يحتوي على الهيدروجين إلى جلوكوز، وكلاهما يقوم بذلك باستخدام الطاقة الممتصة من الضوء. أحد الاختلافات الملحوظة هنا هو أن كبريتيد الهيدروجين في بكتيريا الكبريت الخضراء والأرجوانية يُعَد متفاعلًا بدلًا من الماء، ونتيجةً لذلك، يُعَد الكبريت والماء من النواتج، بالإضافة إلى الجلوكوز. في النباتات الخضراء، يَنتج الأكسجين بدلًا من الكبريت.

كان يُعتقد سابقًا أن الأكسجين الناتج في البناء الضوئي يأتي من ثاني أكسيد الكربون. ولكن عند تحديد متفاعلات ونواتج البناء الضوئي في بكتيريا الكبريت الخضراء والأرجوانية، اقترح فان نيل أن الأكسجين المتحرِّر من النباتات التي تقوم بعملية البناء الضوئي يجب أن يأتي من الماء.

أُثبِتت فكرة فان نيل حول كيفية إنتاج النباتات للأكسجين عن طريق عملية البناء الضوئي في 1941 من خلال مجموعة من العلماء بهدف التحقُّق من صحة تجاربه. أجرى مجموعة من العلماء في جامعة كاليفورنيا بعض التجارب باستخدام طحالب الكلوريلا الخضراء، التي تستطيع القيام بالبناء الضوئي باستخدام الكلوروفيل.

وُضِعت الطحالب في ظروف تحفِّز البناء الضوئي. زُوِّدت بثاني أكسيد الكربون والماء والضوء. ولكن، أحدثَ العلماء تغيُّرًا كيميائيًّا مهمًّا، واستخدموا نظيرًا مختلفًا للأكسجين في الماء الذي وفروه للطحالب. هيا نلخِّص سريعًا ما المقصود بالنظير، وسبب أهميته.

النظير هو ذرة عنصر لها نفس عدد البروتونات، ولكن تختلف في عدد النيوترونات. يوضِّح الشكل (1) رسمًا مبسَّطًا لنظيرَي الأكسجين اللذين سنتناولهما؛ و. النظير يحتوي على نيوترونين إضافيين في نواة الذرة مقارنةً بنظيره «العادي» . فالأكسجين-18 «أثقل» من الأكسجين-16، وهو ما يسمح بتتبُّعه خلال التفاعلات.

ولدراسة الأفكار التي اقترحها فان نيل حول البناء الضوئي، احتوي الماء الذي استخدمه هؤلاء العلماء على النظير بدلًا من النظير الشائع الوجود في الماء، . لكن ثاني أكسيد الكربون لا يزال يحتوي على الأكسجين «العادي» في صورة النظير . وقد وُجِد أن غاز الأكسجين الذي أُنتج في عملية البناء الضوئي يحتوي على النظير . وهو ما قدَّم دليلًا دامغًا لتأكيد فكرة فان نيل بأن مصدر الأكسجين في عملية البناء الضوئي هو الماء بالفعل. وفيما يلي المعادلة الرمزية لهذا التفاعل؛ حيث يُشار إلى ذرات نظير الأكسجين باللون الأحمر:

وللتأكُّد من صحة ذلك، بدَّل العلماء النظائر المستخدَمة: يحتوي ثاني أكسيد الكربون الآن على ، ويحتوي الماء على النظير «العادي» . وجد العلماء أنه في هذه الحالة يحتوي غاز الأكسجين على . وفيما يلي المعادلة الرمزية لهذا التفاعل؛ حيث يُشار إلى ذرات نظير الأكسجين باللون الأحمر:

كما ذكرنا، يحدث البناء الضوئي في مرحلتين أساسيتين: المرحلة الضوئية (أو التفاعلات الضوئية)، والمرحلة اللاضوئية (يُشار إليها عادةً باسم دورة كالفن). تحدث هاتان المرحلتان على نحو متسلسل؛ أي تحدث المرحلة الضوئية أولًا وتُنتج المتفاعلات اللازمة لحدوث المرحلة اللاضوئية. ولذلك، لكي تحدث عملية البناء الضوئي، يجب أن تتعرَّض صبغات البناء الضوئي، مثل الكلوروفيل، للضوء.

بدأ عالم الكيمياء الحيوية الأمريكي ميلفن كالفن دراسة عملية البناء الضوئي عام 1946. استخدم فريقه النظائر أيضًا، وهذه المرة استخدموا نظائر الكربون، لتحديد النواتج الرئيسية التي تتكوَّن في المرحلة الضوئية.

حصل كالفن وفريقه على مجموعة من طحالب الكلوريلا ووضعوها في الجهاز كما هو موضَّح في الشكل (2). زُوِّدت الطحالب بثاني أكسيد الكربون الذي يحتوي على النظير ، بدلًا من الأكثر شيوعًا. نظير الكربون هذا مشع، وهو ما مكَّن كالفن من تتبُّع مسار ذرات الكربون خلال العملية. تعرَّضت طحالب الكلوريلا إلى ومضة قصيرة من الضوء لبدء عملية البناء الضوئي.

بعد هذه الومضة القصيرة، وُضِعت الطحالب في وعاء يحتوي على كحول ساخن. وهذا هو ما يُوقِف سريعًا استمرار أي تفاعلات كيميائية عن طريق تدمير البروتوبلازم في خلايا الطحالب.

أثناء دراسة الطحالب بعد هذه العملية، وُجِد أن هناك مركبًا ثلاثي الكربون قد تكوَّن حتى مع التعرُّض القصير للغاية لومضة الضوء. وهذا المركب الثلاثي الكربون هو فوسفوجليسرالدهيد، ويُسمَّى أيضًا جليسرالدهيد 3-فوسفات أو تريوز الفوسفات.

يُعَد الفوسفوجليسرالدهيد مركبًا مهمًّا للغاية للنباتات. باستخدام الفوسفوجليسرالدهيد، يمكن للنباتات إنتاج مجموعة من المركبات العضوية الأخرى الضرورية للحياة. تشمل هذه المركبات الجلوكوز الذي يتكسَّر أثناء التنفس الخلوي لإمداد الكائنات الحية بالطاقة، والنشا الذي يعمل باعتباره مخزنًا للجلوكوز، والبروتينات الضرورية لنمو الخلايا والأنسجة وتجديدها، والدهون التي تعمل باعتبارها مخازن للطاقة ومواد عازلة.

طوَّر ميلفن كالفن فكرته عن المرحلة اللاضوئية في البناء الضوئي. من خلال تكرار بدء البناء الضوئي في الطحالب وإيقافه في مراحل مختلفة، أوضح أن المرحلة اللاضوئية تتكوَّن من عدة تفاعلات وسطية ومركبات وسيطة، كما هو موضَّح في الشكل (3).

تقديرًا لما قام به، سُمِّيت المرحلة اللاضوئية من البناء الضوئي باسمه؛ لذا، قد تسمع الآن عن «دورة كالفن».

بالجمع بين التجارب التي أجراها فان نيل وكالفن وفريقاهما، نحصل على معلومات قيمة حول عملية البناء الضوئي. نحن نعلم أن الأكسجين الناتج عن النباتات الخضراء في البناء الضوئي يأتي من الماء الذي تمتصه النباتات. ونعلم أنه لكي يحدث أي جزء من عملية البناء الضوئي، لا بد أن يتعرَّض الكائن الحي الذي يقوم بعملية البناء الضوئي للضوء، حتى ولو لفترة وجيزة. وبفضل ميلفن كالفن وعمله الحائز على جائزة نوبل، يمكننا الآن فهم المركبات والتفاعلات المتضمَّنة في دورة كالفن، وكيف يتيح الفوسفوجليسرالدهيد تخليق العديد من المركبات العضوية المهمة.

نلخِّص ما تعلَّمناه في هذا الشارح.