فيديو الدرس: البناء الضوئي الأحياء

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتعرف على عملية البناء الضوئي، ونستكشف المعادلات الكيميائية التي تصفها، ونشرح أهمية نواتجها. وبعد ذلك، سنجيب عن بعض الأسئلة التدريبية. وأخيرًا، سنراجع ما تعلمناه. لنفعل إذن ما يفعله الكلوروفيل في ضوء الشمس ونبدأ درسنا بنشاط.

التغذية أمر ضروري لنا. فلكي نحصل على العناصر الغذائية التي تحتاج إليها خلايانا كي تنتج الطاقة، يجب أن نتغذى على كائنات أخرى باستمرار. والكائنات الحية التي تتغذى على كائنات حية أخرى تعرف بالكائنات المستهلكة. ثمة مصطلح آخر لوصف الكائن المستهلك، وهو غيري التغذية. تشير كلمة «غيري» إلى الاعتماد على الغير أو الآخر، و«التغذية» تشير إلى الحصول على الغذاء. أما النباتات، في المقابل، فهي قادرة على إنتاج الجزيئات التي تحتاج إليها للتغذية داخل خلاياها. والكائنات الحية التي يمكنها إنتاج العناصر الغذائية التي تحتاجها تسمى كائنات منتجة. يستخدم مصطلح آخر لوصف الكائن المنتج، وهو ذاتي التغذية. فتشير كلمة «ذاتي» إلى الاعتماد على النفس.

النباتات كائنات حية متعددة الخلايا. هذا يعني أن كل نبات يحتوي على العديد من الأجهزة، كما هو الحال في البشر والكثير من الكائنات الحية المتعددة الخلايا. وهذه الأجهزة تحتوي على العديد من الأعضاء. وتتكون الأعضاء من أنسجة متعددة. ويتكون كل نسيج من العديد من الخلايا، وهي الوحدات الأساسية للحياة. النباتات قادرة على إنتاج العناصر الغذائية التي تحتاج إليها لتوليد الطاقة داخل خلاياها من خلال عملية تسمى البناء الضوئي. تشير كلمة «ضوئي» إلى الاعتماد على ضوء الشمس، بينما كلمة «البناء» تعني صنع الغذاء.

لدينا هنا رسم لخلية نباتية مبسطة. تحتوي الخلية على كثير من العضيات أو التراكيب تحت الخلوية المتخصصة. هل تتذكر أي العضيات داخل الخلية النباتية مسئول عن عملية البناء الضوئي؟ بالضبط! البلاستيدات الخضراء هي المسئولة عن عملية البناء الضوئي. وهكذا نعرف الآن أن البلاستيدة الخضراء هي العضية المسئولة عن عملية البناء الضوئي.

البناء الضوئي هو عملية تستخدم الطاقة المستمدة من الضوء من أجل توليد طاقة كيميائية في صورة عناصر غذائية، وتحديدًا الجلوكوز. لعلك تذكر أن الميتوكوندريا هي العضيات المسئولة عن التنفس الخلوي، وهي عملية تستخدم الجلوكوز في توليد جزيء يسمى الأدينوسين ثلاثي الفوسفات. تمتلئ البلاستيدات الخضراء بتركيبة معقدة من الأكياس المقيدة بالأغشية تحتوي على الكلوروفيل. والكلوروفيل هو جزيء يساعد النباتات على التقاط الضوء، كما يكسبها لونها الأخضر. وتعمل هذه التراكيب المتخصصة داخل البلاستيدات الخضراء، بمساعدة بعض الإنزيمات المهمة، على تسهيل مجموعة معقدة من التفاعلات الأيضية التي تتيح للبناء الضوئي تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. لنلق نظرة أقرب على كيفية حدوث ذلك.

بما أن البناء الضوئي تفاعل كيميائي، فسنمثله بمعادلة كيميائية. تذكر أنه في أي معادلة كيميائية، تكون المتفاعلات على يسار السهم، والنواتج على يمينه. أولًا، ما المتفاعلات في عملية البناء الضوئي؟ حسنًا، يستخدم البناء الضوئي ثاني أكسيد الكربون الموجود في الهواء، كما يستخدم الماء الذي يمتصه عادة من التربة. ويستخدم كذلك الطاقة المستمدة من الضوء، وسنضعها هنا بين قوسين لأنه على الرغم من أهمية الطاقة الضوئية في عملية البناء الضوئي، فهي ليست أحد المتفاعلات بالمعنى الدقيق للكلمة. أحيانًا يوضع الضوء فوق السهم الموجود في المعادلة الكيميائية، أو يحذف تمامًا.

فيما يتعلق بالنواتج، ذكرنا في وقت سابق أن البناء الضوئي ينتج الجلوكوز. ولعلك تدرك بالفعل أن البناء الضوئي ينتج أيضًا الأكسجين الذي يتحرر بوصفه ناتجًا ثانويًّا لهذا التفاعل. جدير بالذكر هنا أن البناء الضوئي عملية تمتص الطاقة من الضوء وتستخدم هذه الطاقة في تحويل المتفاعلات إلى نواتج. ويشار إلى التفاعل الكيميائي الذي يمتص الطاقة بالتفاعل الماص للحرارة. وهذه الطاقة الضوئية الممتصة تخزن في روابط جزيء الجلوكوز. وكما ذكرنا قبل قليل، يحدث تكسير لجزيء الجلوكوز خلال التنفس الخلوي لإنتاج جزيء يسمى الأدينوسين ثلاثي الفوسفات.

بعد أن استعرضنا المعادلة الكيميائية للبناء الضوئي باستخدام الكلمات، فلنحاول استخدام الرموز الكيميائية المناسبة. الرمز الكيميائي لثاني أكسيد الكربون هو ‪CO2‬‏. يحتوي الجزيء الواحد من ثاني أكسيد الكربون على ذرة كربون واحدة وذرتي أكسجين. الرمز الكيميائي للماء هو ‪H2O‬‏. يحتوي جزيء الماء الواحد على ذرتي هيدروجين وذرة أكسجين واحدة. الطاقة الضوئية ليس لها رمز كيميائي، لذلك لن نضعها في المعادلة الرمزية. الرمز الكيميائي للجلوكوز هو ‪C6H12O6‬‏. ونعم، تخمينك صحيح! فذلك يعني أنه يوجد ست ذرات من الكربون، و12 ذرة من الهيدروجين، وست ذرات من الأكسجين في جزيء الجلوكوز الواحد. وأخيرًا، الرمز الكيميائي للأكسجين هو ‪O2‬‏، لأن جزيء الأكسجين الواحد يحتوي على ذرتي أكسجين.

وهكذا نكون قد نجحنا في تمثيل معادلة البناء الضوئي باستخدام الرموز الكيميائية، لكن عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في النواتج يفوق عددها في المتفاعلات. ولكي تصبح هذه المعادلة الكيميائية موزونة، يجب أن يكون لدينا العدد نفسه من كل نوع من الذرات في كل من النواتج والمتفاعلات. ولتحقيق ذلك، علينا إضافة بعض المعاملات. ستبدو المعادلة الكيميائية الموزونة بهذا الشكل. فيتطلب الأمر ستة جزيئات من ثاني أكسيد الكربون وستة جزيئات من الماء لإنتاج جزيء واحد من الجلوكوز وستة جزيئات من الأكسجين. حاول أن تحسب عدد ذرات الكربون، والهيدروجين، والأكسجين في طرفي المعادلة كي تتأكد أننا وزناها بشكل صحيح.

حسنًا، لقد تحدثنا قليلًا عن عملية البناء الضوئي، وناقشنا المعادلات الكيميائية التي تصفها. قبل أن ننتقل إلى الأسئلة التدريبية، دعونا نعرف من أين تأتي هذه المتفاعلات، وإلى أين تذهب النواتج.

يعد فهم البناء الضوئي أحد سبل استيعاب مفهوم تدفق الطاقة والدورة الكيميائية بين الكائنات المختلفة وداخل محيطنا الحيوي. نحصل، نحن البشر، مثل كثير من الحيوانات الأخرى، على الأكسجين من الشهيق ونخرج ثاني أكسيد الكربون عبر الزفير. كما أننا نحتاج إلى الجلوكوز من الطعام الذي نتناوله لكي نجري عملية التنفس الخلوي وننتج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات الذي يزود كل الوظائف الجسمانية تقريبًا بالطاقة. في المقابل، تجري النباتات عملية تبادل الغازات من خلال تراكيب في الجانب السفلي من أوراقها تسمى الثغور. فتحصل النباتات على ثاني أكسيد الكربون من الهواء من خلال كل ثغر. وتمتص الماء من التربة عن طريق جذورها. كما تمتص النباتات أيضًا الطاقة الضوئية التي تستخدمها في إنتاج الجلوكوز الذي تستخدمه خلاياها في إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات المستخدم في توفير الطاقة لكل وظائفها الحيوية.

تنتج هذه العملية أيضًا فائضًا من الأكسجين يخرج في صورة فضلات. بهذه الطريقة، نرى أن النباتات تنتج الأكسجين الذي يحتاج إليه البشر والحيوانات. وينتج البشر والحيوانات ثاني أكسيد الكربون الذي تستخدمه النباتات. وتنتج النباتات الجلوكوز الذي تعتمد عليه كل من الكائنات المنتجة والمستهلكة في عملية التنفس الخلوي. وقد عرفنا أنه إلى جانب استخدام الجلوكوز في تغذية الكائنات المستهلكة، فإنه يستخدم كذلك في عملية التنفس الخلوي من أجل إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات الذي تحتاج إليه الخلايا النباتية في عملياتها الخلوية. ومن الممكن أيضًا أن ترتبط العديد من جزيئات الجلوكوز معًا لتكوين النشا، وهي إحدى الطرق التي يمكن من خلالها تخزين الجلوكوز. ويستخدم الجلوكوز كذلك في إنتاج السليلوز الذي يساعد في توفير الصلابة والدعم لجدار الخلية النباتية. وتستخدم النباتات الجلوكوز لأغراض أخرى أيضًا، مثل إنتاج الأحماض الأمينية وبعض الليبيدات.

والآن بعد أن تعرفنا على عملية البناء الضوئي، والمعادلات الكيميائية التي تصفها، واستخدامات نواتجها، صرنا مستعدين لحل بعض الأسئلة التدريبية.

أي من الآتي المعادلة الرمزية الصحيحة والموزونة للبناء الضوئي؟

يقدم لنا هذا السؤال أربعة خيارات لمعادلات كيميائية خاصة بالبناء الضوئي تستخدم الرموز الكيميائية. وعلينا اختيار المعادلة الصحيحة التي تكون فيها النواتج والمتفاعلات في أماكنها الصحيحة، مع التأكد من أن المعادلة الكيميائية موزونة. وهذا يعني أن يكون هناك العدد نفسه من كل نوع من الذرات على يسار السهم وعلى يمينه.

للإجابة عن هذا السؤال، سنسترجع أولًا معادلة البناء الضوئي بالكلمات، ثم نحولها إلى الرموز الصحيحة والملائمة. وبعد ذلك سنتأكد أنها موزونة بشكل صحيح كي يتسنى لنا اختيار الإجابة الصحيحة بسهولة.

تذكر أن البناء الضوئي هو عملية تجريها النباتات حيث يحول الماء الممتص من التربة بواسطة الجذور وثاني أكسيد الكربون الممتص من الهواء بواسطة الأوراق، باستخدام الطاقة الضوئية، إلى أكسجين يطلق في الهواء من خلال الأوراق، وجلوكوز تستهلكه كائنات حية أخرى. ويستخدم النبات هذه العملية في التنفس الخلوي، وكذلك في إنتاج العديد من الجزيئات الأخرى.

الآن، أصبح لدينا كل المعلومات التي نحتاج إليها لكتابة المعادلة بالكلمات، والتي تتمثل في تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. والآن يمكننا الاستعاضة عن كل مصطلح من هذه المصطلحات بالرمز الكيميائي الصحيح للحصول على معادلة رمزية. الرمز الكيميائي لثاني أكسيد الكربون هو ‪CO2‬‏. والرمز الكيميائي للماء هو ‪H2O‬‏. والرمز الكيميائي للجلوكوز هو ‪C6H12O6‬‏. والرمز الكيميائي للأكسجين هو ‪O2‬‏.

رسمنا هنا الجزيئات في هذه المعادلة الرمزية كي نبين أنها الآن غير موزونة. وذلك لأن عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في النواتج أكبر من عددها في المتفاعلات. ولكي يصبح طرفا المعادلة موزونين، نحتاج إلى إضافة بعض المعاملات. لحسن حظنا، من السهل للغاية تذكر أن كل معاملات الجزيئات الأصغر هي ستة. الجلوكوز جزيء كبير نسبيًّا، وهناك جزيء واحد منه فقط في هذه المعادلة الكيميائية الموزونة.

إذا أحصينا الآن جميع ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين في طرفي المعادلة الكيميائية، فسنجد أن العدد متساو. وهكذا، فإن المعادلة الكيميائية موزونة. والآن، نحن جاهزون لاختيار الحل. المعادلة الرمزية الموزونة الصحيحة للبناء الضوئي هي ستة ‪CO2‬‏ زائد ستة ‪H2O‬‏ تتحول إلى ‪C6H12O6‬‏ زائد ستة ‪O2‬‏.

لنتناول سؤالًا تدريبيًّا آخر.

يجب أن يحصل النبات على الطاقة من المناطق المحيطة لكي تحدث عملية البناء الضوئي. ما نوع هذا التفاعل الكيميائي؟

عندما نتحدث عن الطاقة والتفاعلات الكيميائية، ثمة نوعان نهتم بهما. وهذان النوعان هما التفاعلات الماصة للحرارة، والتفاعلات الطاردة للحرارة. وأعتقد أنه من المفيد أن نبدأ بتوضيح الفارق بين النوعين بتمثيل بياني. المحور ‪𝑥‬‏ يمثل تقدم التفاعل. ويمثل المحور ‪𝑦‬‏ الطاقة الكيميائية المخزنة. هذه هي الصورة التي سيبدو عليها التمثيلان البيانيان.

في التفاعل الماص للحرارة، تحتوي المتفاعلات على قدر أقل من الطاقة الكيميائية المخزنة مقارنة بالنواتج، ما يعني أنه يجب امتصاص الطاقة أو إضافتها إلى التفاعل كي يحدث. وكلمة «ماص» تشير إلى هذا الاكتساب. وكلمة «حرارة» تشير إلى الطاقة المكتسبة. على العكس من ذلك، في التفاعل الطارد للحرارة، تمتلك النواتج قدرًا أقل من الطاقة الكيميائية المخزنة مقارنة بالمتفاعلات. وهذا يعني أنه عند حدوث هذا التفاعل، تتحرر طاقة. وهذا التحرر هو ما تشير إليه كلمة «طارد».

يعد البناء الضوئي أحد أمثلة التفاعل الماص للحرارة. ففي البناء الضوئي، تختزن الطاقة المستمدة من الضوء في ناتج عالي الطاقة، وهو الجلوكوز. ويعد التنفس الخلوي مثالًا للتفاعل الطارد للحرارة. فالجلوكوز عالي الطاقة يطلق طاقة عند تكسره. وتستخدم هذه الطاقة في توليد جزيئات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات. وبما أننا نعرف أن البناء الضوئي يمتص الطاقة الضوئية ويخزنها في الجلوكوز الذي ينتجه، فنحن نعرف أنه تفاعل ماص للحرارة.

لنخصص بعض اللحظات الآن لاستعراض ما تعلمناه في هذا الفيديو. في هذا الفيديو، تعرفنا على المعادلة الكيميائية الموزونة للبناء الضوئي بالكلمات والرموز. وتعلمنا أيضًا أن البناء الضوئي هو العملية التي تستخدمها النباتات وغيرها من الكائنات الذاتية التغذية لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية على شكل عناصر غذائية، وتحديدًا الجلوكوز. وعرفنا كذلك أن البناء الضوئي هو تفاعل كيميائي ماص للحرارة؛ لأن طاقة الضوء تمتص وتخزن في نواتج عالية الطاقة.