لقد أحدثت
القدرة على تحويل ضوء الشمس إلى طاقة ، والمعروفة باسم التمثيل الضوئي Photosynthesis، ثورة في كوكب الأرض. تحتاج
الحياة على الأرض إلى وجود الماء السائل والجزيئات العضوية وإمدادات ثابتة من
الطاقة.
لذلك ، ليس من
المستغرب أن يكون أحد أهم التطورات التي حققتها أشكال الحياة المبكرة التي تنمو
على كوكبنا هو القدرة على تحويل أشعة الشمس المتاحة بسهولة والمتسقة إلى طاقة
لتشغيل عملياتها البيولوجية الداخلية.
علماء الأحياء
الجيولوجية قامو بالعديد من الدراسات والأبحاث لتحديد متى نشأت عملية التمثيل
الضوئي حيث تم العثور على مجموعة متنوعة من الأدلة المحفوظة للعمليات الكيميائية
الأولية المماثلة في السجل الأحفوري أو في الخلايا الوظيفية لمجموعة متنوعة من
الحيوانات الموجودة.
الميكروبات الخيطية غير المؤكسدة - Filamentous Anoxygenic Phototrophs
ومع ذلك ، فإن البقايا المتحجرة للميكروبات الخيطية غير المؤكسدة (FAPs) ، التي يبلغ عمرها 3.4 مليار سنة ، تقدم بعضًا من أقدم الأدلة على ما نسميه الآن التمثيل الضوئي. هذا الشكل المبكر من التمثيل الضوئي كان يسمى "غير مؤكسد" لأن نتيجة تجمع ضوء الشمس لم تتضمن الأكسجين الحر.
استفادت
الكائنات الحية القديمة مثل الميكروبات الخيطية غير المؤكسدة FAPs والبكتيريا الكبريتية
الخضراء من البيئة المبكرة الغنية بالهيدروجين ، مما قلل بشدة من البيئة من خلال
التمثيل الضوئي غير المؤكسد.
ضوء الشمس - Sunlight
يتسبب ضوء الشمس
، على وجه الخصوص ، في إطلاق الإلكترونات في مجموعات من البروتينات والأصباغ
والجزيئات الأخرى المعروفة باسم مراكز التفاعل ، مع التركيز بشكل خاص على تكسير
ثاني أكسيد الكربون وكبريتيد الهيدروجين لتكوين جزيئات عضوية أكثر تعقيدًا يتم
معالجتها في النهاية لتصبح قابلة للاستخدام.
"طعام"
على شكل جلوكوز. يعتبر الماء والكبريت من المنتجات الثانوية الأولية لعملية
التمثيل الضوئي غير المؤكسدة.
الكلوروفيل - chlorophyll
في وقت لاحق ،
في نهاية الدهر الأركي Archean
، طورت الكائنات الحية الأخرى مثل البكتيريا الزرقاء عملية
التمثيل الضوئي الأكسجين ، وهي عملية مماثلة تنطوي على عمليات نقل الإلكترونات
المستحثة بأشعة الشمس في مراكز التفاعلات الجزيئية (بما في ذلك الكلوروفيل).
ولكن مع ثاني
أكسيد الكربون والماء كمدخلات وإنتاج الجلوكوز و الأكسجين كمنتجات ثانوية. تم دمج
التمثيل الضوئي لاحقًا في خلايا حقيقيات النوى Eukaryotes (الكائنات الحية ذات
الهياكل الخلوية الداخلية المعقدة) ، بما في ذلك النباتات ، من خلال عملية تُعرف
باسم التعايش الداخلي.
في نهاية الدهر الأركي Archean ، أدى ظهور البكتيريا الزرقاء المسببة للأكسجين وانتشارها السريع إلى ما يسميه الجيولوجيون "الأكسدة العظمى" ، وهو أقدم مثال (ولكن ليس الأخير) للحياة على الأرض يؤثر بشكل كبير على الغلاف الجوي لكوكبنا.
التمثيل الضوئي Photosynthesis هو عملية تستخدمها
النباتات والكائنات الحية الأخرى لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية يمكن
بعد ذلك إطلاقها لتشغيل أنشطة الكائن الحي عن طريق التنفس الخلوي.
يتم تخزين بعض
هذه الطاقة الكيميائية في جزيئات الكربوهيدرات ، مثل السكريات والنشويات ، والتي
يتم تصنيعها من ثاني أكسيد الكربون والماء - ومن هنا جاء مصطلح التمثيل الضوئي Photosynthesis، يتم إجراء التمثيل
الضوئي من قبل غالبية النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء.
تُعرف هذه الكائنات الحية بالتغذية الضوئية. يعتبر التمثيل الضوئي Photosynthesis مسؤولاً عن إنشاء محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي للأرض والحفاظ عليه ، فضلاً عن توفير غالبية الطاقة اللازمة للحياة على الأرض.
على الرغم من أن
الأنواع المختلفة تقوم بعملية التمثيل الضوئي Photosynthesis بطرق مختلفة ، إلا أن
العملية تبدأ دائمًا بامتصاص الطاقة الضوئية بواسطة بروتينات تسمى مراكز التفاعل ،
والتي تحتوي على الكلوروفيل الأخضر chlorophyll (وغيره من الأصباغ الملونة
/ الكروموفيل).
يتم الاحتفاظ
بهذه البروتينات داخل البلاستيدات الخضراء ، وهي الأكثر شيوعًا في الخلايا الورقية
في النباتات ، بينما يتم تضمينها في غشاء البلازما في البكتيريا. بعض الطاقة
مطلوبة في هذه العمليات المعتمدة على الضوء لإزالة الإلكترونات من المركبات
المناسبة مثل الماء ، مما يؤدي إلى إنتاج غاز الأكسجين.
يتم استخدام الهيدروجين
الذي يتم تحريره عن طريق تقسيم الماء لصنع مركبين إضافيين يعملان كمخازن طاقة
قصيرة المدى ، مما يسمح بنقله لتحريك التفاعلات الأخرى: يتم تقليل فوسفات
النيكوتيناميد ثنائي النوكليوتيد nicotinamide adenine dinucleotide
phosphate
(NADPH)
والأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) لهذه المركبات. "عملة الطاقة"
للخلايا.
البكتيريا الزرقاء Cyanobacteria
يتم إنتاج
السكريات في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء Cyanobacteria
من خلال سلسلة من العمليات
المستقلة عن الضوء والمعروفة باسم دورة كالفين. تتضمن دورة كالفين Calvin
cycle دمج ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي في جزيئات الكربون
العضوية الموجودة بالفعل مثل ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP).
يتم بعد ذلك
تقليل الجزيئات الناتجة والقضاء عليها لإنتاج كربوهيدرات إضافية ، مثل الجلوكوز ،
باستخدام ATP
و NADPH
الناتج عن العمليات المعتمدة على الضوء. تستخدم بكتيريا أخرى طرقًا مختلفة ، مثل
دورة كريبس العكسية Krebs cycle
، لتحقيق نفس الهدف.
من المرجح أن
تكون أول مخلوقات قامت بالتمثيل الضوئي قد تطورت في وقت مبكر من تاريخ الحياة ،
وعلى الأرجح استخدمت مواد كيميائية مختزلة مثل الهيدروجين أو كبريتيد الهيدروجين
كموردين للإلكترون بدلاً من الماء. ثم ظهرت البكتيريا الزرقاء Cyanobacteria في وقت لاحق.
ساهم فائض
الأكسجين الذي تكون بشكل مباشر في أكسجة الأرض ، مما سمح بتطور الحياة المعقدة.
اليوم ، يبلغ متوسط معدل التقاط الطاقة عن طريق التمثيل الضوئي في جميع أنحاء
العالم 130 تيراواط ، أي حوالي ثمانية أضعاف استهلاك الطاقة الحالي للحضارة
البشرية.
تقوم كائنات
التمثيل الضوئي أيضًا بتحويل 100-115 مليار طن من الكربون إلى كتلة حيوية كل عام
(91-104 Pg
بيتاغرام ، أو مليار طن متري). لاحظ Jan Ingenhousz في عام 1779 أن النباتات
تكتسب بعض الطاقة من الضوء بالإضافة إلى الهواء والتربة والماء.
يعتبر التمثيل
الضوئي Photosynthesis
أمرًا بالغ الأهمية لعمليات المناخ لأنه يمتص ثاني أكسيد الكربون
من الغلاف الجوي وبالتالي يربطه بالنباتات والتربة و المنتجات المحصودة harvested
goods.
في كل عام ، من المتوقع أن تربط الحبوب وحدها 3825 تيراغرام (تيراغرام) أو 3.825 (بيتاغرام)
من ثاني أكسيد الكربون ، أي 3.825 مليار طن متري.
إرسال تعليق