معلومة

7.8: نظرة عامة على التركيب الضوئي - علم الأحياء

7.8: نظرة عامة على التركيب الضوئي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

أهداف التعلم

لخص عملية التمثيل الضوئي

تتكون جميع الكائنات الحية على الأرض من خلية واحدة أو أكثر. تعمل كل خلية على الطاقة الكيميائية الموجودة بشكل أساسي في جزيئات الكربوهيدرات (الغذاء) ، ويتم إنتاج غالبية هذه الجزيئات بعملية واحدة: التمثيل الضوئي. من خلال عملية التمثيل الضوئي ، تقوم كائنات معينة بتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية ، والتي تُستخدم بعد ذلك لبناء جزيئات الكربوهيدرات. يتم إطلاق الطاقة المستخدمة لتثبيت هذه الجزيئات معًا عندما يقوم الكائن الحي بتكسير الطعام. ثم تستخدم الخلايا هذه الطاقة لأداء العمل ، مثل التنفس الخلوي.

تدخل الطاقة التي يتم تسخيرها من عملية التمثيل الضوئي النظم البيئية لكوكبنا بشكل مستمر ويتم نقلها من كائن حي إلى آخر. لذلك ، بشكل مباشر أو غير مباشر ، توفر عملية التمثيل الضوئي معظم الطاقة التي تتطلبها الكائنات الحية على الأرض.

ينتج عن التمثيل الضوئي أيضًا إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. باختصار ، للأكل والتنفس ، يعتمد البشر كليًا تقريبًا على الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

الاعتماد على الطاقة الشمسية وإنتاج الغذاء

يمكن لبعض الكائنات الحية إجراء عملية التمثيل الضوئي ، بينما لا يستطيع البعض الآخر. ذاتية التغذية هي كائن حي يمكنه إنتاج طعامه. الجذور اليونانية للكلمة تلقائية التغذية تعني "الذات" (تلقاءي) "وحدة التغذية" (الكأس). النباتات هي أفضل ذاتية التغذية المعروفة ، ولكن يوجد البعض الآخر ، بما في ذلك أنواع معينة من البكتيريا والطحالب (الشكل 1). تساهم الطحالب المحيطية بكميات هائلة من الغذاء والأكسجين في سلاسل الغذاء العالمية. النباتات هي أيضًا ضوئية ذاتية التغذية ، وهي نوع من ذاتية التغذية تستخدم ضوء الشمس والكربون من ثاني أكسيد الكربون لتجميع الطاقة الكيميائية في شكل كربوهيدرات. تتطلب جميع الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي ضوء الشمس.

الكائنات غيرية التغذية هي كائنات غير قادرة على التمثيل الضوئي التي يجب أن تحصل بالتالي على الطاقة والكربون من الطعام عن طريق استهلاك الكائنات الحية الأخرى. الجذور اليونانية للكلمة غيرية التغذية تعني "أخرى" (مغاير) "وحدة التغذية" (الكأس) ، مما يعني أن طعامهم يأتي من كائنات أخرى. حتى لو كان الكائن الغذائي حيوانًا آخر ، فإن هذا الطعام يتتبع أصوله إلى ذاتية التغذية وعملية التمثيل الضوئي. البشر كائنات غيرية التغذية ، مثلها مثل جميع الحيوانات. تعتمد الكائنات غيرية التغذية على التغذية الذاتية ، إما بشكل مباشر أو غير مباشر. الغزلان والذئاب كائنات غيرية التغذية. يحصل الغزال على الطاقة عن طريق تناول النباتات. يحصل الذئب الذي يأكل غزالًا على الطاقة التي جاءت في الأصل من النباتات التي يأكلها ذلك الغزال. جاءت الطاقة في النبات من التمثيل الضوئي ، وبالتالي فهي ذاتية التغذية الوحيدة في هذا المثال (الشكل 2). باستخدام هذا المنطق ، فإن جميع الأطعمة التي يتناولها البشر ترتبط أيضًا بالتغذية الذاتية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

التمثيل الضوئي هو عملية متعددة الخطوات تتطلب ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون (منخفض الطاقة) والماء كركائز (الشكل 3). بعد اكتمال العملية ، يطلق الأكسجين وينتج جليسيرالديهيد -3 فوسفات (GA3P) ، جزيئات كربوهيدرات بسيطة (عالية الطاقة) يمكن تحويلها لاحقًا إلى جلوكوز أو سكروز أو أي عشرات من جزيئات السكر الأخرى. تحتوي جزيئات السكر هذه على الطاقة والكربون المنشط الذي تحتاجه جميع الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة.

فيما يلي المعادلة الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي (الشكل 4):

على الرغم من أن المعادلة تبدو بسيطة ، إلا أن العديد من الخطوات التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي معقدة للغاية في الواقع. قبل تعلم تفاصيل كيفية تحويل الصور الضوئية لأشعة الشمس إلى طعام ، من المهم التعرف على الهياكل المعنية.

يحدث التمثيل الضوئي في النباتات عمومًا في الأوراق التي تتكون من عدة طبقات من الخلايا. تحدث عملية التمثيل الضوئي في طبقة وسطى تسمى ميسوفيل. يحدث تبادل الغازات لثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال فتحات صغيرة منظمة تسمى الثغور (مفرد: ستوما) ، والتي تلعب أيضًا أدوارًا في تنظيم تبادل الغازات وتوازن المياه. توجد الثغور عادةً على الجانب السفلي من الورقة ، مما يساعد على تقليل فقد الماء. كل فغرة محاطة بخلايا حراسة تنظم فتح وإغلاق الثغور عن طريق التورم أو الانكماش استجابة للتغيرات التناضحية.

في جميع حقيقيات النوى ذاتية التغذية ، يحدث التمثيل الضوئي داخل عضية تسمى أ البلاستيدات الخضراء. بالنسبة للنباتات ، توجد الخلايا المحتوية على البلاستيدات الخضراء في الطبقة الوسطى. تحتوي البلاستيدات الخضراء على غلاف غشاء مزدوج (يتكون من غشاء خارجي وغشاء داخلي). داخل البلاستيدات الخضراء مكدسة ، تسمى هياكل على شكل قرص ثايلاكويدات. جزء لا يتجزأ من غشاء الثايلاكويد هو الكلوروفيل ، أ صبغة (الجزيء الذي يمتص الضوء) المسؤول عن التفاعل الأولي بين الضوء والمواد النباتية ، والعديد من البروتينات التي تشكل سلسلة نقل الإلكترون. يحيط غشاء الثايلاكويد مساحة داخلية تسمى تجويف الثايلاكويد. كما هو مبين في الشكل 5 ، تسمى كومة من الثايلاكويدات أ جرانوم، ويسمى الفضاء المملوء بالسائل المحيط بالجرانوم سدى أو "سرير" (يجب عدم الخلط بينه وبين الفغرة أو "الفم" ، وهي فتحة على سطح الورقة).

سؤال الممارسة

في يوم حار وجاف ، تغلق النباتات ثغورها للحفاظ على المياه. ما هو تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟

[صفوف منطقة الممارسة = "2 ″] [/ منطقة الممارسة]
[إظهار الإجابة q = ”173275 ″] إظهار الإجابة [/ إظهار الإجابة]
[hidden-answer a = ”173275 ″] ستنخفض على الفور مستويات ثاني أكسيد الكربون (ركيزة التمثيل الضوئي الضرورية). نتيجة لذلك ، سيتم إعاقة معدل التمثيل الضوئي. [/ hidden-answer]

جزئين من التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين متتاليتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة للضوء. في ال ردود الفعل التي تعتمد على الضوء، يمتص الكلوروفيل الطاقة من ضوء الشمس ويتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة كيميائية مخزنة. في ال تفاعلات الضوء المستقلة، فإن الطاقة الكيميائية التي يتم حصادها خلال التفاعلات المعتمدة على الضوء تدفع تجميع جزيئات السكر من ثاني أكسيد الكربون. لذلك ، على الرغم من أن التفاعلات المستقلة للضوء لا تستخدم الضوء كمتفاعل ، إلا أنها تتطلب عمل نواتج التفاعلات المعتمدة على الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تنشيط العديد من إنزيمات التفاعلات المستقلة عن الضوء بواسطة الضوء. تستخدم التفاعلات المعتمدة على الضوء جزيئات معينة لتخزين الطاقة مؤقتًا: يشار إليها باسم ناقلات الطاقة. يمكن اعتبار ناقلات الطاقة التي تنقل الطاقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى التفاعلات المستقلة عن الضوء على أنها "ممتلئة" لأنها غنية بالطاقة. بعد إطلاق الطاقة ، تعود حاملات الطاقة "الفارغة" إلى التفاعل المعتمد على الضوء للحصول على مزيد من الطاقة. يوضح الشكل 6 المكونات داخل البلاستيدات الخضراء حيث تحدث التفاعلات المعتمدة على الضوء والمستقلة عن الضوء.

جربها

يتم تنظيم متاجر البقالة الرئيسية في الولايات المتحدة في أقسام ، مثل منتجات الألبان واللحوم والمنتجات والخبز والحبوب وما إلى ذلك. يحتوي كل ممر (الشكل 7) على مئات ، إن لم يكن الآلاف ، من المنتجات المختلفة للعملاء لشرائها واستهلاكها.

على الرغم من وجود تنوع كبير ، يرتبط كل عنصر مرة أخرى بعملية التمثيل الضوئي. ترتبط اللحوم ومنتجات الألبان لأن الحيوانات كانت تتغذى على الأطعمة النباتية. يأتي الخبز والحبوب والباستا إلى حد كبير من الحبوب النشوية ، وهي بذور نباتات تعتمد على التمثيل الضوئي. ماذا عن الحلويات والمشروبات؟ تحتوي كل هذه المنتجات على السكر — السكروز منتج نباتي ، ثنائي السكاريد ، جزيء كربوهيدرات ، يتم إنشاؤه مباشرة من عملية التمثيل الضوئي. علاوة على ذلك ، لا يتم اشتقاق العديد من العناصر بشكل واضح من النباتات: على سبيل المثال ، المنتجات الورقية هي بشكل عام منتجات نباتية ، ويمكن اشتقاق العديد من المواد البلاستيكية (المتوافرة كمنتجات وتغليف) من الطحالب أو الزيت ، البقايا المتحجرة للكائنات الضوئية. تم إنتاج كل أنواع التوابل والنكهات تقريبًا في ممر التوابل بواسطة النبات كأوراق أو جذر أو لحاء أو زهرة أو فاكهة أو ساق. في النهاية ، يرتبط التمثيل الضوئي بكل وجبة وكل طعام يستهلكه الشخص.

أهداف التعلم

حولت عملية التمثيل الضوئي الحياة على الأرض. من خلال تسخير الطاقة من الشمس ، تطورت عملية التمثيل الضوئي للسماح للكائنات الحية بالوصول إلى كميات هائلة من الطاقة. بسبب التمثيل الضوئي ، اكتسبت الكائنات الحية إمكانية الوصول إلى الطاقة الكافية التي سمحت لها ببناء هياكل جديدة وتحقيق التنوع البيولوجي الواضح اليوم.

يمكن فقط لبعض الكائنات الحية ، التي تسمى فوتوتروفس ، إجراء عملية التمثيل الضوئي ؛ تتطلب وجود الكلوروفيل ، وهو صبغة متخصصة تمتص أجزاء معينة من الطيف المرئي ويمكنها التقاط الطاقة من ضوء الشمس. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لتجميع جزيئات الكربوهيدرات وإطلاق الأكسجين كمنتج نفايات في الغلاف الجوي. تحتوي الكائنات ذاتية التغذية حقيقية النواة ، مثل النباتات والطحالب ، على عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء التي يحدث فيها التمثيل الضوئي ، ويتراكم النشا. في بدائيات النوى ، مثل البكتيريا الزرقاء ، تكون العملية أقل موضعية وتحدث داخل الأغشية المطوية ، وامتدادات غشاء البلازما ، وفي السيتوبلازم.


نظرة عامة على التمثيل الضوئي

تتكون جميع الكائنات الحية على الأرض من خلية واحدة أو أكثر. تعمل كل خلية على الطاقة الكيميائية الموجودة أساسًا في جزيئات الكربوهيدرات (الغذاء) ، ويتم إنتاج غالبية هذه الجزيئات بعملية واحدة: التمثيل الضوئي. من خلال عملية التمثيل الضوئي ، تقوم كائنات معينة بتحويل الطاقة الشمسية (ضوء الشمس) إلى طاقة كيميائية ، والتي تُستخدم بعد ذلك لبناء جزيئات الكربوهيدرات. يتم إطلاق الطاقة المستخدمة لتثبيت هذه الجزيئات معًا عندما يقوم الكائن الحي بتكسير الطعام. ثم تستخدم الخلايا هذه الطاقة لأداء العمل ، مثل التنفس الخلوي.

تدخل الطاقة التي يتم تسخيرها من عملية التمثيل الضوئي النظم البيئية لكوكبنا بشكل مستمر ويتم نقلها من كائن حي إلى آخر. لذلك ، بشكل مباشر أو غير مباشر ، توفر عملية التمثيل الضوئي معظم الطاقة التي تتطلبها الكائنات الحية على الأرض.

ينتج عن التمثيل الضوئي أيضًا إطلاق الأكسجين في الغلاف الجوي. باختصار ، للأكل والتنفس ، يعتمد البشر كليًا تقريبًا على الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي.

انقر فوق الارتباط التالي لمعرفة المزيد حول التمثيل الضوئي.


نظرة عامة على التمثيل الضوئي

التمثيل الضوئي ضروري لجميع أشكال الحياة على الأرض التي تعتمد عليها كل من النباتات والحيوانات. إنها العملية البيولوجية الوحيدة التي يمكنها التقاط الطاقة التي تنشأ من ضوء الشمس وتحويلها إلى مركبات كيميائية (كربوهيدرات) يستخدمها كل كائن حي لتشغيل عملية الأيض. كما أنه مصدر للأكسجين الضروري للعديد من الكائنات الحية. باختصار ، يتم "التقاط" طاقة ضوء الشمس لتنشيط الإلكترونات ، التي يتم تخزين طاقتها بعد ذلك في الروابط التساهمية لجزيئات السكر. ما هي مدة واستقرار تلك الروابط التساهمية؟ تمثل الطاقة المستخرجة اليوم عن طريق حرق الفحم والمنتجات البترولية طاقة ضوء الشمس التي تم التقاطها وتخزينها عن طريق التمثيل الضوئي منذ 350 إلى 200 مليون سنة خلال العصر الكربوني.

النباتات والطحالب ومجموعة من البكتيريا تسمى البكتيريا الزرقاء هي الكائنات الحية الوحيدة القادرة على إجراء عملية التمثيل الضوئي (الشكل). لأنهم يستخدمون الضوء لتصنيع طعامهم ، يطلق عليهم فوتوتروفس (حرفيا ، "المغذيات الذاتية باستخدام الضوء"). الكائنات الحية الأخرى ، مثل الحيوانات والفطريات ومعظم البكتيريا الأخرى ، تسمى غيرية التغذية ("مغذيات أخرى") ، لأنها يجب أن تعتمد على السكريات التي تنتجها كائنات التمثيل الضوئي لاحتياجاتها من الطاقة. تقوم مجموعة ثالثة مثيرة للاهتمام من البكتيريا بتجميع السكريات ، ليس باستخدام طاقة ضوء الشمس ، ولكن عن طريق استخراج الطاقة من المركبات الكيميائية غير العضوية. لهذا السبب ، يشار إليها باسم كيميائية.

تتغذى ضوئي بما في ذلك (أ) النباتات ، (ب) الطحالب ، و (ج) البكتيريا الزرقاء توليف مركباتها العضوية عن طريق التمثيل الضوئي باستخدام ضوء الشمس كمصدر للطاقة. يمكن أن تنمو البكتيريا الزرقاء والطحالب العوالق على مساحات شاسعة في الماء ، وفي بعض الأحيان تغطي السطح بالكامل. في (د) تنفيس أعماق البحار ، تلتقط المركبات الكيميائية ، مثل هذه البكتيريا المحبة للحرارة ، الطاقة من المركبات غير العضوية لإنتاج مركبات عضوية. يحتوي النظام البيئي المحيط بالفتحات على مجموعة متنوعة من الحيوانات ، مثل الديدان الأنبوبية والقشريات والأخطبوطات التي تستمد الطاقة من البكتيريا. (الائتمان أ: تعديل العمل بواسطة Steve Hillebrand ، ائتمان US Fish and Wildlife Service ب: تعديل العمل عن طريق "التخثث ونقص الأكسجين" / رصيد Flickr c: تعديل العمل بواسطة NASA Credit d: University of Washington، NOAA Credit e: تعديل العمل بقلم مارك أمند ، مركز أبحاث الساحل الغربي والمناطق القطبية تحت سطح البحر ، UAF ، NOAA)

لا تكمن أهمية التمثيل الضوئي في قدرته على التقاط طاقة ضوء الشمس فقط. بعد كل شيء ، يمكن للسحلية التي تتشمس في يوم بارد أن تستخدم طاقة الشمس للإحماء في عملية تسمى التنظيم الحراري السلوكي. في المقابل ، يعتبر التمثيل الضوئي أمرًا حيويًا لأنه تطور كوسيلة لذلك تخزين الطاقة من الإشعاع الشمسي (الجزء "الضوئي") إلى الطاقة في روابط الكربون والكربون لجزيئات الكربوهيدرات (جزء "التخليق"). هذه الكربوهيدرات هي مصدر الطاقة الذي تستخدمه الكائنات غيرية التغذية لتشغيل تخليق ATP عن طريق التنفس. لذلك ، تعمل عملية التمثيل الضوئي على تشغيل 99٪ من النظم البيئية للأرض. عندما يفترس مفترس كبير ، مثل الذئب ، غزال (الشكل) ، يكون الذئب في نهاية مسار الطاقة الذي ينتقل من التفاعلات النووية على سطح الشمس إلى الضوء المرئي ، إلى التمثيل الضوئي ، إلى الغطاء النباتي ، للغزلان ، وأخيرا الذئب.

الطاقة المخزنة في جزيئات الكربوهيدرات من عملية التمثيل الضوئي تمر عبر السلسلة الغذائية. يتلقى المفترس الذي يأكل هذه الغزلان جزءًا من الطاقة التي نشأت في الغطاء النباتي الضوئي الذي استهلكه الغزلان. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة Steve VanRiper ، US Fish and Wildlife Service)


جزئين من التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين متتاليتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة عن الضوء. في ال ردود الفعل التي تعتمد على الضوء، يمتص الكلوروفيل الطاقة من ضوء الشمس ويتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة كيميائية مخزنة. في ال تفاعلات الضوء المستقلة، فإن الطاقة الكيميائية التي يتم حصادها أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء تدفع تجميع جزيئات السكر من ثاني أكسيد الكربون. لذلك ، على الرغم من أن التفاعلات المستقلة للضوء لا تستخدم الضوء كمتفاعل ، إلا أنها تتطلب عمل نواتج التفاعلات المعتمدة على الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تنشيط العديد من إنزيمات التفاعلات المستقلة عن الضوء بواسطة الضوء. تستخدم التفاعلات المعتمدة على الضوء جزيئات معينة لتخزين الطاقة مؤقتًا: يشار إليها باسم ناقلات الطاقة. يمكن اعتبار ناقلات الطاقة التي تنقل الطاقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى التفاعلات المستقلة عن الضوء على أنها & # 8220full & # 8221 لأنها غنية بالطاقة. بعد إطلاق الطاقة ، تعود حاملات الطاقة & # 8220 فارغة & # 8221 إلى التفاعل المعتمد على الضوء للحصول على المزيد من الطاقة. يوضح الشكل 4 المكونات داخل البلاستيدات الخضراء حيث تحدث التفاعلات المعتمدة على الضوء والمستقلة عن الضوء.

الشكل 4. يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء ودورة كالفين. التفاعلات المعتمدة على الضوء ، والتي تحدث في غشاء الثايلاكويد ، تستخدم الطاقة الضوئية لصنع ATP و NADPH. تستخدم دورة كالفين ، التي تحدث في السدى ، الطاقة المشتقة من هذه المركبات لصنع GA3P من ثاني أكسيد الكربون2.

التمثيل الضوئي في محل بقالة

الشكل 5. الأطعمة التي يستهلكها الإنسان تنشأ من عملية التمثيل الضوئي. (الائتمان: Associação Brasileira de Supermercados)

يتم تنظيم متاجر البقالة الرئيسية في الولايات المتحدة في أقسام ، مثل منتجات الألبان واللحوم والمنتجات والخبز والحبوب وما إلى ذلك. يحتوي كل ممر (الشكل 5) على مئات ، إن لم يكن الآلاف ، من المنتجات المختلفة للعملاء لشرائها واستهلاكها.

على الرغم من وجود تنوع كبير ، يرتبط كل عنصر مرة أخرى بعملية التمثيل الضوئي. ترتبط اللحوم ومنتجات الألبان لأن الحيوانات كانت تتغذى على الأطعمة النباتية. يأتي الخبز والحبوب والباستا إلى حد كبير من الحبوب النشوية ، وهي بذور نباتات تعتمد على التمثيل الضوئي. ماذا عن الحلويات والمشروبات؟ تحتوي كل هذه المنتجات على السكر — السكروز منتج نباتي ، ثنائي السكاريد ، جزيء كربوهيدرات ، يتم إنشاؤه مباشرة من عملية التمثيل الضوئي. علاوة على ذلك ، لا يتم اشتقاق العديد من العناصر بشكل واضح من النباتات: على سبيل المثال ، المنتجات الورقية هي بشكل عام منتجات نباتية ، ويمكن اشتقاق العديد من المواد البلاستيكية (المتوافرة كمنتجات وتغليف) من الطحالب أو الزيت ، البقايا المتحجرة للكائنات الضوئية. تم إنتاج كل أنواع التوابل والنكهات تقريبًا في ممر التوابل بواسطة النبات كأوراق أو جذر أو لحاء أو زهرة أو فاكهة أو ساق. في النهاية ، يرتبط التمثيل الضوئي بكل وجبة وكل طعام يستهلكه الشخص.

باختصار: نظرة عامة على التمثيل الضوئي

حولت عملية التمثيل الضوئي الحياة على الأرض. من خلال تسخير الطاقة من الشمس ، تطورت عملية التمثيل الضوئي للسماح للكائنات الحية بالوصول إلى كميات هائلة من الطاقة. بسبب التمثيل الضوئي ، اكتسبت الكائنات الحية إمكانية الوصول إلى الطاقة الكافية التي سمحت لها ببناء هياكل جديدة وتحقيق التنوع البيولوجي الواضح اليوم.

فقط كائنات معينة ، تسمى فوتوتروفس ، يمكنها إجراء عملية التمثيل الضوئي التي تتطلب وجود الكلوروفيل ، وهو صبغة متخصصة تمتص أجزاء معينة من الطيف المرئي ويمكنها التقاط الطاقة من ضوء الشمس. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لتجميع جزيئات الكربوهيدرات وإطلاق الأكسجين كمنتج نفايات في الغلاف الجوي. تحتوي الكائنات ذاتية التغذية حقيقية النواة ، مثل النباتات والطحالب ، على عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء التي يحدث فيها التمثيل الضوئي ، ويتراكم النشا. في بدائيات النوى ، مثل البكتيريا الزرقاء ، تكون العملية أقل موضعية وتحدث داخل الأغشية المطوية ، وامتدادات غشاء البلازما ، وفي السيتوبلازم.


اتصال فني

يحدث التمثيل الضوئي في البلاستيدات الخضراء ، التي لها غشاء خارجي وغشاء داخلي. تشكل أكوام من ثايلاكويدات تسمى جرانا طبقة غشاء ثالثة.

في يوم حار وجاف ، تغلق النباتات ثغورها للحفاظ على المياه. ما هو تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟


علم الأحياء 171


تتطلب عمليات التمثيل الغذائي في جميع الكائنات الحية - من البكتيريا إلى الإنسان - طاقة. للحصول على هذه الطاقة ، تصل العديد من الكائنات الحية إلى الطاقة المخزنة عن طريق الأكل ، أي عن طريق تناول الكائنات الحية الأخرى. ولكن من أين تأتي الطاقة المخزنة في الغذاء؟ يمكن إرجاع كل هذه الطاقة إلى عملية التمثيل الضوئي.

أهداف التعلم

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • اشرح أهمية التمثيل الضوئي للكائنات الحية الأخرى
  • وصف الهياكل الرئيسية المشاركة في عملية التمثيل الضوئي
  • حدد ركائز ومنتجات التمثيل الضوئي

التمثيل الضوئي ضروري لجميع أشكال الحياة على الأرض التي تعتمد عليها كل من النباتات والحيوانات. إنها العملية البيولوجية الوحيدة التي يمكنها التقاط الطاقة التي تنشأ من ضوء الشمس وتحويلها إلى مركبات كيميائية (كربوهيدرات) يستخدمها كل كائن حي لتشغيل عملية الأيض. كما أنه مصدر للأكسجين الضروري للعديد من الكائنات الحية. باختصار ، يتم "التقاط" طاقة ضوء الشمس لتنشيط الإلكترونات ، التي يتم تخزين طاقتها بعد ذلك في الروابط التساهمية لجزيئات السكر. ما هي مدة واستقرار هذه الروابط التساهمية؟ تمثل الطاقة المستخرجة اليوم عن طريق حرق الفحم والمنتجات البترولية طاقة ضوء الشمس التي تم التقاطها وتخزينها عن طريق التمثيل الضوئي منذ 350 إلى 200 مليون سنة خلال العصر الكربوني.

النباتات والطحالب ومجموعة من البكتيريا تسمى البكتيريا الزرقاء هي الكائنات الحية الوحيدة القادرة على إجراء عملية التمثيل الضوئي ((الشكل)). ولأنهم يستخدمون الضوء لتصنيع طعامهم ، فإنهم يطلق عليهم اسم photoautotrophs (حرفيًا ، "المغذيات الذاتية باستخدام الضوء"). الكائنات الحية الأخرى ، مثل الحيوانات ، والفطريات ، ومعظم البكتيريا الأخرى ، تسمى الكائنات غيرية التغذية ("مغذيات أخرى") ، لأنها يجب أن تعتمد على السكريات التي تنتجها كائنات التمثيل الضوئي لاحتياجاتها من الطاقة. تقوم مجموعة ثالثة مثيرة للاهتمام من البكتيريا بتجميع السكريات ، ليس باستخدام طاقة ضوء الشمس ، ولكن عن طريق استخراج الطاقة من المركبات الكيميائية غير العضوية. لهذا السبب ، يشار إليها باسم chemoautotrophs.


لا تكمن أهمية التمثيل الضوئي في قدرته على التقاط طاقة ضوء الشمس فقط. بعد كل شيء ، يمكن للسحلية التي تتشمس في يوم بارد أن تستخدم طاقة الشمس للإحماء في عملية تسمى التنظيم الحراري السلوكي. في المقابل ، يعتبر التمثيل الضوئي أمرًا حيويًا لأنه تطور كوسيلة لذلك تخزين الطاقة من الإشعاع الشمسي (الجزء "الضوئي") إلى الطاقة في روابط الكربون والكربون لجزيئات الكربوهيدرات (جزء "التخليق"). هذه الكربوهيدرات هي مصدر الطاقة الذي تستخدمه الكائنات غيرية التغذية لتشغيل تخليق ATP عن طريق التنفس. لذلك ، تعمل عملية التمثيل الضوئي على تشغيل 99٪ من النظم البيئية للأرض. عندما يفترس مفترس كبير ، مثل الذئب ، غزال ((الشكل)) ، يكون الذئب في نهاية مسار الطاقة الذي انتقل من التفاعلات النووية على سطح الشمس إلى الضوء المرئي ، إلى التمثيل الضوئي ، إلى الغطاء النباتي ، والغزلان ، وأخيرا الذئب.


الهياكل الرئيسية وملخص التمثيل الضوئي

التمثيل الضوئي هو عملية متعددة الخطوات تتطلب أطوال موجية محددة من ضوء الشمس المرئي وثاني أكسيد الكربون (منخفض الطاقة) والماء كركائز ((الشكل)). بعد اكتمال العملية ، يطلق الأكسجين وينتج جليسيرالديهيد -3 فوسفات (GA3P) ، بالإضافة إلى جزيئات كربوهيدرات بسيطة (عالية الطاقة) يمكن تحويلها بعد ذلك إلى جلوكوز أو سكروز أو أي عشرات من جزيئات السكر الأخرى. تحتوي جزيئات السكر هذه على الطاقة والكربون المنشط الذي تحتاجه جميع الكائنات الحية للبقاء على قيد الحياة.


فيما يلي المعادلة الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ((الشكل)):


على الرغم من أن المعادلة تبدو بسيطة ، إلا أن العديد من الخطوات التي تحدث أثناء عملية التمثيل الضوئي معقدة للغاية في الواقع. قبل تعلم تفاصيل كيفية تحويل الصورة الضوئية لضوء الشمس إلى طعام ، من المهم التعرف على الهياكل المعنية.

الهياكل الأساسية للتمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي في النباتات عمومًا في الأوراق التي تتكون من عدة طبقات من الخلايا. تحدث عملية التمثيل الضوئي في طبقة وسطى تسمى الطبقة المتوسطة. يحدث تبادل الغازات لثاني أكسيد الكربون والأكسجين من خلال فتحات صغيرة منظمة تسمى الثغور (المفرد: ستوما) ، والتي تلعب أيضًا أدوارًا في تنظيم تبادل الغازات وتوازن الماء. توجد الثغور عادةً على الجانب السفلي من الورقة ، مما يساعد على تقليل فقد الماء بسبب درجات الحرارة المرتفعة على السطح العلوي للورقة. كل فغرة محاطة بخلايا حراسة تنظم فتح وإغلاق الثغور عن طريق التورم أو الانكماش استجابة للتغيرات التناضحية.

في جميع حقيقيات النوى ذاتية التغذية ، يحدث التمثيل الضوئي داخل عضية تسمى البلاستيدات الخضراء. بالنسبة للنباتات ، توجد الخلايا المحتوية على البلاستيدات الخضراء في الغالب في الطبقة الوسطى. تحتوي البلاستيدات الخضراء على غلاف غشائي مزدوج (يتكون من غشاء خارجي وغشاء داخلي) ، وهي مشتقة من الأسلاف من البكتيريا الزرقاء القديمة التي تعيش بحرية. داخل البلاستيدات الخضراء توجد هياكل على شكل قرص مكدسة تسمى ثايلاكويدات. جزء لا يتجزأ من غشاء الثايلاكويد هو الكلوروفيل ، وهو صبغة (جزيء يمتص الضوء) مسؤولة عن التفاعل الأولي بين الضوء والمواد النباتية ، والعديد من البروتينات التي تشكل سلسلة نقل الإلكترون. يحيط غشاء الثايلاكويد بمساحة داخلية تسمى تجويف الثايلاكويد. كما هو موضح في (الشكل) ، تسمى كومة من الثايلاكويد جرانوم ، والمساحة المملوءة بالسائل المحيطة بالحبيبة تسمى السدى أو "السرير" (لا ينبغي الخلط بينه وبين الفغرة أو "الفم" ، وهي فتحة على بشرة الورقة ).


في يوم حار وجاف ، تغلق الخلايا الحامية للنباتات ثغورها للحفاظ على المياه. ما هو تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟

جزئين من التمثيل الضوئي

يحدث التمثيل الضوئي على مرحلتين متتاليتين: التفاعلات المعتمدة على الضوء والتفاعلات المستقلة عن الضوء. في التفاعلات المعتمدة على الضوء ، يمتص الكلوروفيل الطاقة من ضوء الشمس ويتم تحويل هذه الطاقة إلى طاقة كيميائية مخزنة. في التفاعلات المستقلة للضوء ، تعمل الطاقة الكيميائية التي يتم حصادها أثناء التفاعلات المعتمدة على الضوء ، على دفع تجميع جزيئات السكر من ثاني أكسيد الكربون. لذلك ، على الرغم من أن التفاعلات المستقلة للضوء لا تستخدم الضوء كمتفاعل ، إلا أنها تتطلب عمل نواتج التفاعلات المعتمدة على الضوء. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تنشيط العديد من إنزيمات التفاعلات المستقلة عن الضوء بواسطة الضوء. تستخدم التفاعلات المعتمدة على الضوء جزيئات معينة لتخزين الطاقة مؤقتًا: يشار إليها باسم ناقلات الطاقة. يمكن اعتبار ناقلات الطاقة التي تنقل الطاقة من التفاعلات المعتمدة على الضوء إلى التفاعلات المستقلة عن الضوء على أنها "ممتلئة" لأنها غنية بالطاقة. بعد إطلاق الطاقة ، تعود حاملات الطاقة "الفارغة" إلى التفاعل المعتمد على الضوء للحصول على مزيد من الطاقة. يوضح (الشكل) المكونات داخل البلاستيدات الخضراء حيث تحدث التفاعلات المعتمدة على الضوء والمستقلة للضوء.


تعرف على المزيد حول التمثيل الضوئي باستخدام مقدمة عن التمثيل الضوئي (صفحة ويب)

التمثيل الضوئي في محل بقالة


يتم تنظيم متاجر البقالة الرئيسية في الولايات المتحدة في أقسام ، مثل منتجات الألبان واللحوم والمنتجات والخبز والحبوب وما إلى ذلك. يحتوي كل ممر ((الشكل)) على مئات ، إن لم يكن الآلاف ، من المنتجات المختلفة للعملاء لشرائها واستهلاكها.

على الرغم من وجود تنوع كبير ، يمكن ربط كل عنصر في النهاية بعملية التمثيل الضوئي. ترتبط اللحوم ومنتجات الألبان ، لأن الحيوانات كانت تتغذى على الأطعمة النباتية. يأتي الخبز والحبوب والباستا إلى حد كبير من الحبوب النشوية ، وهي بذور نباتات تعتمد على التمثيل الضوئي. ماذا عن الحلويات والمشروبات؟ تحتوي كل هذه المنتجات على السكر — السكروز منتج نباتي ، ثنائي السكاريد ، جزيء كربوهيدرات ، يتم إنشاؤه مباشرة من عملية التمثيل الضوئي. علاوة على ذلك ، فإن العديد من العناصر مشتقة بشكل أقل وضوحًا من النباتات: على سبيل المثال ، المنتجات الورقية هي بشكل عام منتجات نباتية ، والعديد من البلاستيك (وفير كمنتجات وتغليف) مشتق من "الطحالب" (كائنات نباتية وحيدة الخلية ، والبكتيريا الزرقاء). تم إنتاج كل أنواع التوابل والنكهات تقريبًا في ممر التوابل بواسطة النبات كأوراق أو جذر أو لحاء أو زهرة أو فاكهة أو ساق. في النهاية ، يرتبط التمثيل الضوئي بكل وجبة وكل طعام يستهلكه الشخص.

ملخص القسم

حولت عملية التمثيل الضوئي الحياة على الأرض. من خلال تسخير الطاقة من الشمس ، سمح تطور التمثيل الضوئي للكائنات الحية بالوصول إلى كميات هائلة من الطاقة. بسبب التمثيل الضوئي ، اكتسبت الكائنات الحية إمكانية الوصول إلى الطاقة الكافية التي سمحت لها ببناء هياكل جديدة وتحقيق التنوع البيولوجي الواضح اليوم.

فقط كائنات معينة (ضوئية ذاتية التغذية) يمكنها إجراء عملية التمثيل الضوئي التي تتطلب وجود الكلوروفيل ، وهو صبغة متخصصة تمتص أطوال موجية معينة من الطيف المرئي ويمكنها التقاط الطاقة من ضوء الشمس. يستخدم التمثيل الضوئي ثاني أكسيد الكربون والماء لتجميع جزيئات الكربوهيدرات وإطلاق الأكسجين كمنتج ثانوي في الغلاف الجوي. تحتوي الكائنات ذاتية التغذية حقيقية النواة ، مثل النباتات والطحالب ، على عضيات تسمى البلاستيدات الخضراء التي يحدث فيها التمثيل الضوئي ، ويتراكم النشا. في بدائيات النوى ، مثل البكتيريا الزرقاء ، تكون العملية أقل موضعية وتحدث داخل الأغشية المطوية ، وامتدادات غشاء البلازما ، وفي السيتوبلازم.

اتصالات فنية

(الشكل) في يوم حار وجاف ، تغلق النباتات ثغورها للحفاظ على المياه. ما هو تأثير ذلك على عملية التمثيل الضوئي؟

(الشكل) مستويات ثاني أكسيد الكربون (ركيزة التمثيل الضوئي الضرورية) ستنخفض على الفور. نتيجة لذلك ، سيتم إعاقة معدل التمثيل الضوئي.

إستجابة مجانية

ما هي النتيجة الإجمالية لتفاعلات الضوء في عملية التمثيل الضوئي؟

نتيجة تفاعلات الضوء في عملية التمثيل الضوئي هي تحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كيميائية يمكن أن تستخدمها البلاستيدات الخضراء للقيام بعملها (في الغالب إنتاج الابتنائية للكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون).

لماذا تعتمد الحيوانات آكلة اللحوم ، مثل الأسود ، على التمثيل الضوئي للبقاء على قيد الحياة؟

لأن الأسود تأكل الحيوانات التي تأكل النباتات.

لماذا يُنظر إلى ناقلات الطاقة على أنها إما "ممتلئة" أو "فارغة"؟

تكون ناقلات الطاقة التي تنتقل من التفاعل المعتمد على الضوء إلى التفاعل المستقل عن الضوء "ممتلئة" لأنها تجلب الطاقة. بعد إطلاق الطاقة ، تعود حاملات الطاقة "الفارغة" إلى التفاعل المعتمد على الضوء للحصول على المزيد من الطاقة. لا توجد حركة فعلية كثيرة. يتم إنتاج كل من ATP و NADPH في السدى حيث يتم استخدامهما أيضًا وإعادة تحويلهما إلى ADP و Pi و NADP +.

صف كيف سيتأثر سكان الذئاب الرمادية بالثوران البركاني الذي أطلق سحابة رماد كثيفة حجبت ضوء الشمس في قسم من متنزه يلوستون الوطني.

الذئاب الرمادية هي حيوانات مفترسة في قمة شبكتها الغذائية ، مما يعني أنها تأكل حيوانات فريسة أصغر وليست فريسة لأي حيوان آخر. منع أشعة الشمس من شأنه أن يمنع النباتات الموجودة في قاع الشبكة الغذائية من إجراء عملية التمثيل الضوئي. سيؤدي هذا إلى قتل العديد من النباتات ، مما يقلل من مصادر الغذاء المتاحة للحيوانات الصغيرة في يلوستون. يعني وجود عدد أقل من الحيوانات الفريسة أنه يمكن لعدد أقل من الذئاب البقاء على قيد الحياة في المنطقة ، وسيقل عدد الذئاب الرمادية.

كيف يؤدي إغلاق الثغور إلى الحد من التمثيل الضوئي؟

تنظم الثغور تبادل الغازات وبخار الماء بين الورقة والبيئة المحيطة بها. عندما يتم إغلاق الثغور ، لا تستطيع جزيئات الماء الهروب من الورقة ، لكن الورقة أيضًا لا يمكنها الحصول على جزيئات ثاني أكسيد الكربون الجديدة من البيئة. هذا يحد من التفاعلات المستقلة للضوء لتستمر فقط حتى يتم استنفاد مخزون ثاني أكسيد الكربون في الورقة.

قائمة المصطلحات


شاهد الفيديو: التمثيل الضوئي و تفاعلات الضوء (ديسمبر 2022).