3:46 ص مكتبة العلوم اللغوية الشاملة PDF

كتاب : المرجع الشامل في : الفيزيولوجيا النباتية : التركيب الضوئي

عدد صفحات الكتاب : 299 صفحة

البناء الضوئي، العملية التي تحوّل بها النباتات الخضراء وبعض الكائنات الحية الأخرى طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية. خلال عملية البناء الضوئي في النباتات الخضراء، تُلتقط طاقة الضوء وتُستخدم لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون والمعادن إلى أكسجين ومركبات عضوية غنية بالطاقة.

من المستحيل المبالغة في أهمية عملية البناء الضوئي في الحفاظ على الحياة على الأرض. فإذا توقفت، فسرعان ما سينخفض ​​الغذاء والمواد العضوية الأخرى على الأرض. ستختفي معظم الكائنات الحية، ومع مرور الوقت، سيصبح الغلاف الجوي للأرض شبه خالٍ من غاز الأكسجين. الكائنات الحية الوحيدة القادرة على البقاء في مثل هذه الظروف هي البكتيريا الكيميائية التركيبية، التي تستطيع استخدام الطاقة الكيميائية لبعض المركبات غير العضوية، وبالتالي لا تعتمد على تحويل الطاقة الضوئية.

الطاقة المُنتَجة من عملية البناء الضوئي التي أجرتها النباتات منذ ملايين السنين هي المسؤولة عن الوقود الأحفوري (أي الفحم والنفط والغاز) الذي يُغذي المجتمع الصناعي. في العصور الماضية، ازدادت النباتات الخضراء والكائنات الحية الصغيرة التي تتغذى على النباتات بمعدل أسرع من استهلاكها، وترسبت بقاياها في قشرة الأرض عن طريق الترسيب والعمليات الجيولوجية الأخرى. هناك، محميةً من الأكسدة، تحولت هذه البقايا العضوية ببطء إلى وقود أحفوري. لا تُوفر هذه الأنواع من الوقود معظم الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل ووسائل النقل فحسب، بل تُستخدم أيضًا كمادة خام للبلاستيك والمنتجات الصناعية الأخرى. للأسف، تستهلك الحضارة الحديثة خلال بضعة قرون فائض إنتاج البناء الضوئي المتراكم على مدى ملايين السنين. ونتيجةً لذلك، يعود ثاني أكسيد الكربون، الذي أُزيل من الهواء لإنتاج الكربوهيدرات في عملية البناء الضوئي على مدى ملايين السنين، بمعدل سريع للغاية. يرتفع تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بأسرع ما وصل إليه في تاريخها، ومن المتوقع أن يكون لهذه الظاهرة آثار كبيرة على مناخ الأرض.

في عالم يشهد نموًا سكانيًا متسارعًا، أوجدت متطلبات الغذاء والمواد والطاقة حاجةً ملحةً لزيادة كلٍّ من عملية التمثيل الضوئي وكفاءة تحويل ناتجها إلى منتجات مفيدة للناس. وقد حققت إحدى الاستجابات لتلك الاحتياجات - ما يُسمى بالثورة الخضراء، التي بدأت في منتصف القرن العشرين - تحسيناتٍ هائلة في الغلة الزراعية من خلال استخدام الأسمدة الكيماوية، ومكافحة الآفات وأمراض النبات، وتربية النباتات، والحرث الآلي، والحصاد، وتجهيز المحاصيل.

 وقد حدّ هذا الجهد من المجاعات الشديدة في مناطق قليلة من العالم على الرغم من النمو السكاني السريع، إلا أنه لم يقضِ على سوء التغذية المتفشي. علاوةً على ذلك، بدءًا من أوائل التسعينيات، بدأ معدل زيادة غلة المحاصيل الرئيسية في الانخفاض. وينطبق هذا بشكل خاص على الأرز في آسيا. كما أن ارتفاع التكاليف المرتبطة بالحفاظ على معدلات إنتاج زراعي مرتفعة، والذي يتطلب كميات متزايدة باستمرار من الأسمدة والمبيدات الحشرية والتطوير المستمر لأصناف نباتية جديدة، أصبح يُمثل مشكلةً للمزارعين في العديد من البلدان. 

كان من المتوقع أن تؤدي ثورة زراعية ثانية، قائمة على الهندسة الوراثية النباتية، إلى زيادة إنتاجية النبات، وبالتالي التخفيف جزئيًا من سوء التغذية. منذ سبعينيات القرن الماضي، امتلك علماء الأحياء الجزيئية الوسائل اللازمة لتعديل المادة الوراثية للنبات (الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين، أو الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين) بهدف تحسين مقاومة الأمراض والجفاف، وإنتاجية وجودة المنتج، ومقاومة الصقيع، وغيرها من الخصائص المرغوبة. ومع ذلك، فإن هذه السمات معقدة بطبيعتها، وقد اتضح أن عملية إجراء تغييرات على نباتات المحاصيل من خلال الهندسة الوراثية أكثر تعقيدًا مما كان متوقعًا. في المستقبل، قد تؤدي هذه الهندسة الوراثية إلى تحسينات في عملية التمثيل الضوئي، ولكن بحلول العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين، لم تثبت بعد قدرتها على زيادة غلة المحاصيل بشكل كبير.

من المجالات المثيرة للاهتمام في دراسة عملية البناء الضوئي اكتشاف قدرة بعض الحيوانات على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. على سبيل المثال، يكتسب البزاق البحري الأخضر الزمردي (Elysia chlorotica) جينات وبلاستيدات خضراء من طحلب Vaucheria litorea الذي يتغذى عليه، مما يمنحه قدرة محدودة على إنتاج الكلوروفيل. عند امتصاص كمية كافية من البلاستيدات الخضراء، قد يتخلى البزاق عن تناول الطعام. يستطيع منّ البازلاء (Acyrthosiphon pisum) تسخير الضوء لتصنيع مركب الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) الغني بالطاقة؛ وقد رُبطت هذه القدرة بقدرة المنّ على تصنيع أصباغ الكاروتينويد.

تطور الفكرة

بدأت دراسة عملية البناء الضوئي عام ١٧٧١ بملاحظات رجل الدين والعالم الإنجليزي جوزيف بريستلي. أشعل بريستلي شمعة في وعاء مغلق حتى لم يعد الهواء داخله قادرًا على الاحتراق. ثم وضع غصنًا من نبات النعناع في الوعاء، واكتشف أنه بعد عدة أيام، أنتج النعناع مادةً ما (عُرفت لاحقًا باسم الأكسجين) تُمكّن الهواء المحصور من دعم الاحتراق مجددًا. في عام ١٧٧٩، توسّع الطبيب الهولندي يان إنجينهاوس في عمل بريستلي، موضحًا أن النبات يجب أن يتعرض للضوء لاستعادة المادة القابلة للاحتراق (أي الأكسجين). كما أوضح أن هذه العملية تتطلب وجود الأنسجة الخضراء للنبات.

في عام ١٧٨٢، ثبت أن غاز الأكسجين الداعم للاحتراق يتشكل على حساب غاز آخر، أو "هواء ثابت"، والذي حُدد في العام السابق بأنه ثاني أكسيد الكربون. وأظهرت تجارب تبادل الغازات التي أُجريت عام ١٨٠٤ أن زيادة وزن نبات مزروع في وعاء مُوزون بعناية ناتجة عن امتصاص الكربون، الذي يأتي بالكامل من ثاني أكسيد الكربون المُمتص، والماء الذي تمتصه جذور النبات؛ أما الباقي فهو الأكسجين، الذي يُطلق مرة أخرى إلى الغلاف الجوي. وقد مرّ ما يقرب من نصف قرن قبل أن يتطور مفهوم الطاقة الكيميائية بما يكفي لاكتشاف (عام ١٨٤٥) أن طاقة ضوء الشمس تُخزّن كطاقة كيميائية في النواتج المتكونة أثناء عملية البناء الضوئي.

-----------------

تنزيل الكتاب

-------------------

 

مشاركة