ثانوي · الصف 2

البناء الضوئي

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

9-2 البناء الضوئي

Photosynthesis

الفكرة الرئيسة

تتحول الطاقة الضوئية بعد امتصاصها إلى طاقة كيميائية في أثناء عملية البناء الضوئي.

الربط مع الحياة

تتحول الطاقة من حولنا كل يوم؛ حيث تحول البطاريات الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية، ويحول الراديو الطاقة الكهربائية إلى طاقة تحملها الموجات الضوئية. وبطريقة مشابهة تحول بعض المخلوقات الحية الذاتية التغذي الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية من خلال عملية البناء الضوئي.

الأهداف

  • تلخص مرحلتي عملية البناء الضوئي.
  • توضح وظيفة البلاستيدة الخضراء في أثناء التفاعلات الضوئية.
  • تصف عملية نقل الإلكترون وترسمها.

مراجعة المفردات

الكربوهيدرات: مركبات عضوية تحوي الكربون والهيدروجين والأكسجين فقط بنسبة 1:2:1 بالترتيب.

المفردات الجديدة

الثايلاكويد
الجرانا
المادة، اللحمة
الصبغة
حلقة كالفن
إنزيم روبيسكو

عملية البناء الضوئي

Photosynthesis

معظم المخلوقات الذاتية التغذي، ومنها النباتات، قادرة على صنع المركبات العضوية مثل السكر بعملية البناء الضوئي. وتتحول الطاقة الضوئية في أثناء عملية البناء الضوئي إلى طاقة كيميائية.

والمعادلة الكيميائية الآتية تمثل عملية البناء الضوئي:

6CO₂ + 6H₂O ⟶ C₆H₁₂O₆ + 6O₂
في وجود الضوء والكلوروفيل

الصورة المرتبطة

p01_معادلة_البناء_الضوئي.png

تحدث عملية البناء الضوئي في مرحلتين؛ في المرحلة الأولى تحدث التفاعلات التي تعتمد على الضوء، التفاعلات الضوئية، حيث يتم امتصاص الطاقة الضوئية وتحويلها إلى طاقة كيميائية على شكل ATP وNADPH.

أما في المرحلة الثانية فهي التفاعلات التي تحدث في الضوء أو التي لا تعتمد عليه، التفاعلات اللاضوئية، وتسمى حلقة كالفن، بحيث يتم استخدام جزيئات ATP وNADPH التي تكونت في المرحلة الأولى لإنتاج الجلوكوز.

وعندما ينتج الجلوكوز يتحد مع جزيئات سكريات بسيطة أخرى لتكوين جزيئات أكبر، وهذه الجزيئات هي كربوهيدرات معقدة مثل النشا. وقد يستخدم الناتج النهائي لعملية البناء الضوئي في بناء جزيئات عضوية أخرى مثل البروتينات والدهون والأحماض النووية.

الصفحة 242

الصورة المرتبطة

p02_مراحل_البناء_الضوئي_والبلاستيدة_الخضراء.png

الشكل 9-5

تحدث عملية البناء الضوئي داخل عضيات معينة تسمى البلاستيدات الخضراء.

المرحلة الأولى: التفاعلات الضوئية

Phase one: Light Reactions

يعد امتصاص الضوء الخطوة الأولى في عملية البناء الضوئي، حيث تحتوي النباتات على عضيات خاصة تسمح للطاقة الضوئية، بعد امتصاص الطاقة، بتحويلها إلى إنتاج جزيئات تخزن الطاقة، هي NADPH وATP؛ لاستخدامها في التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء، اللاضوئية.

البلاستيدات الخضراء

Chloroplasts

عضيات كبيرة تمتص الطاقة الضوئية في المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي. وتوجد البلاستيدات الخضراء في النباتات بشكل رئيسي في خلايا الأوراق. والبلاستيدات، كما في الشكل 9-5، عضيات تشبه القرص، وتحتوي على جزأين ضروريين لعملية البناء الضوئي.

الجزء الأول هو الثايلاكويدات thylakoids، وهي مجموعة من الأغشية المسطحة تشبه الكيس، ترتب في رزم متراصة تسمى الجرانا grana. وتحدث التفاعلات الضوئية في الثايلاكويدات.

أما الجزء الثاني فيسمى الحشوة، أو اللحمة، stroma، وهو سائل يملأ الفراغات المحيطة بالجرانا، وتعد مكان حدوث التفاعلات اللاضوئية في المرحلة الثانية من عملية البناء الضوئي.

ماذا قرأت؟

ميز بين الثايلاكويد والحشوة، اللحمة.

الأصباغ

Pigments

تسمى الجزيئات الملونة التي تمتص الضوء الأصباغ pigments. وتوجد في أغشية الثايلاكويد في البلاستيدات الخضراء. وتمتص الأصباغ المختلفة أطوالًا موجية محددة من الضوء، الشكل 9-6.

والصبغة الأساسية في النباتات هي الكلوروفيل، وهناك أنواع من صبغة الكلوروفيل، ومن أهمها الكلوروفيل a والكلوروفيل b.

يختلف تركيب الكلوروفيل من جزيء إلى آخر، مما يسمح لجزيئات الكلوروفيل بامتصاص الضوء عند مناطق محددة من طيف امتصاص الضوء المرئي.

الصورة المرتبطة

p02_طيف_امتصاص_الاصباغ_الضوئية.png

الشكل 9-6

تختلف الأصباغ الملونة التي توجد في أوراق الأشجار في قدرتها على امتصاص أطوال موجية محددة من الضوء.

كوّن فرضية

إذا لم ينمو النبات على كلوروفيل b، فما أثر ذلك في امتصاص الضوء؟

الصفحة 243

وعمومًا يزداد معدل امتصاص الضوء بواسطة الكلوروفيل في منطقة الطيف المحصورة بين الأزرق والبنفسجي من طيف الضوء المرئي، ويعكس الضوء في المنطقة الخضراء من الطيف. وهذا يفسر سبب رؤية الإنسان لأجزاء النبات التي تحتوي الكلوروفيل باللون الأخضر.

تحتوي معظم المخلوقات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي أصباغًا إضافية بالإضافة إلى الكلوروفيل، تسمح للنباتات بامتصاص طاقة ضوئية إضافية من مناطق أخرى من الطيف المرئي.

ومن هذه الأصباغ مجموعة أصباغ الكاروتينات، ومنها صبغة كاروتين بيتا كاروتين، التي تمتص الضوء في المناطق الزرقاء والضوء، أو الصفراء والبرتقالية، وتعكس الضوء في المناطق الصفراء والبرتقالية والحمراء، الشكل 9-7.

وتعد أصباغ الكاروتين مسؤولة عن ألوان كل من الجزر والبطاطا الحلوة. تعد صبغة الكلوروفيل في الأوراق أكثر شيوعًا ووفرة من الأصباغ الأخرى، لذلك فهي تطغى عليها، وتمنع ظهور ألوان الأصباغ الأخرى.

ومع ذلك يمكن أن يظهر اللون الأصفر والأحمر والبرتقالي في الأوراق في فصل الخريف نتيجة تحلل جزيئات الكلوروفيل، مما يسمح بظهور ألوان الصبغات الأخرى.

الصورة المرتبطة

p03_تحلل_الكلوروفيل_وظهور_اصباغ_الخريف.png

الشكل 9-7

عندما يتحلل الكلوروفيل في أوراق بعض الأشجار، تصبح الأصباغ الأخرى أكثر وضوحًا.

نقل الإلكترون

Electron Transport

يشكل تركيب غشاء الثايلاكويد الأساس في الانتقال الفعال للطاقة في أثناء نقل الإلكترون، حيث يتميز غشاء الثايلاكويد بمساحة سطح كبيرة، مما يوفر المساحة اللازمة للاحتفاظ بأعداد كبيرة من الجزيئات الناقلة للإلكترون، وكذلك وجود نوعين من البروتينات المعقدة التي تسمى الأنظمة الضوئية.

تجربة 9-2

ملاحظة البلاستيدات الخضراء

سؤال التجربة

كيف تبدو البلاستيدات الخضراء؟

تعتمد معظم الأنظمة البيئية والمخلوقات الحية في العالم على عضيات صغيرة جدًا تسمى البلاستيدات الخضراء. اكتشف كيف تبدو البلاستيدات الخضراء في هذا الاستقصاء.

الصورة المرتبطة

p03_تجربة_ملاحظة_البلاستيدات_الخضراء.png

خطوات العمل

  • املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
  • لاحظ شرائح خلايا نباتية وأخرى للطحالب الخضراء بالمجهر المركب.
  • حدد البلاستيدات الخضراء في الخلايا التي تلاحظها.
  • اعمل جدول بيانات لتسجيل ملاحظاتك، ثم ارسم البلاستيدات الخضراء داخل الخلايا.

التحليل

  • قارن بين خصائص البلاستيدات الخضراء التي لاحظتها في الخلايا المختلفة.
  • كوّن فرضية: لماذا تختلف ألوان أوراق النبات الخضراء في لونها؟

الصفحة 244

يحتوي النظامان الضوئيان I وII أصباغًا تمتص الضوء، وبروتينات تؤدي دورًا مهمًا في التفاعلات الضوئية.

تتبع الشكل 9-8 في أثناء قراءتك عن نقل الإلكترون:

أولًا، تحفز الطاقة الضوئية الإلكترونات في النظام الضوئي II، كما تؤدي الطاقة الضوئية إلى تحلل جزيء الماء، منتجة إلكترونات وأيونات هيدروجين H⁺ تسهم لاحقًا في بناء ATP، وكذلك الأكسجين O₂ بوصفه ناتجًا غير مستخدم.

تنتقل الإلكترونات المحفزة من النظام الضوئي II إلى جزيء مستقبل للإلكترون يوجد في غشاء الثايلاكويد.

ينقل الجزيء المستقبل للإلكترون أحد الإلكترونات عبر سلسلة من نواقل الإلكترون إلى النظام الضوئي I.

ينقل النظام الضوئي I مع وجود الضوء الإلكترونات إلى بروتين يسمى فيردوكسين، ويتم تعويض الإلكترونات المفقودة في النظام الضوئي I بإلكترونات من النظام الضوئي II.

وأخيرًا، ينقل بروتين فيردوكسين الإلكترونات إلى ناقل الإلكترون +NADP مكونًا الجزيء المختزن للطاقة NADPH.

الأسموزية الكيميائية

Chemiosmosis

بالتزامن مع نقل الإلكترون يتم إنتاج جزيء ATP. عملية تسمى الأسموزية الكيميائية، وهي عملية يتم فيها إنتاج ATP نتيجة انتقال الإلكترونات مع تدرج التركيز.

ولا تقتصر أهمية عملية تحلل جزيء الماء على توفير الإلكترونات اللازمة لمتابعة سلسلة نقل الإلكترون فقط، بل توفر أيضًا البروتونات H⁺ الضرورية لتنشيط عملية بناء جزيء ATP خلال عملية الأسموزية الكيميائية.

وتتراكم أيونات H⁺ التي تحررت خلال عملية نقل الإلكترون على الجانب الداخلي للثايلاكويد، ويسبب التركيز العالي من أيونات H⁺ داخل الثايلاكويد، وانخفاض تركيزها في الحشوة، انتقال أيونات H⁺ مع تدرج التركيز من داخل الثايلاكويد إلى الحشوة عبر قنوات أيونية في الغشاء.

وهذه القنوات عبارة عن إنزيمات تسمى إنزيمات بناء الطاقة ATP synthases. وكلما انتقلت أيونات H⁺ عبر إنزيمات بناء الطاقة تكون جزيء ATP في الحشوة.

ماذا قرأت؟

وضح وظيفة الماء في أثناء الأسموزية الكيميائية في عملية البناء الضوئي.

الصفحة 245

نقل الإلكترون

Electron Transport

الصورة المرتبطة

p05_نقل_الإلكترون_في_البناء_الضوئي.png

الشكل 9-8

تنتقل الإلكترونات النشيطة من جزيء إلى آخر على طول غشاء الثايلاكويد في البلاستيدة الخضراء، وتستخدم الطاقة الناتجة عن الإلكترونات في تكوين تدرج في تركيز أيونات الهيدروجين H⁺.

وكلما انتقلت البروتونات مع تدرج التركيز تدخل عبر قنوات إلى جزيء ADP، فتكون جزيء ATP.

تسلسل خطوات الشكل

  • تستخدم الطاقة الضوئية التي يمتصها النظام الضوئي II في عملية تحليل جزيء الماء، فتنتج أيونات الهيدروجين والإلكترونات والأكسجين.
  • تنتقل الإلكترونات إلى سلسلة نقل الإلكترون.
  • تستمر الإلكترونات في الانتقال بين النواقل في غشاء الثايلاكويد.
  • يتم نقل أيونات الهيدروجين إلى فراغ الثايلاكويد.
  • يعوض النظام الضوئي I الإلكترونات المفقودة، ثم تسهم الإلكترونات في تكوين NADPH.
  • تنتقل البروتونات عبر إنزيم بناء ATP؛ فتتكون جزيئات ATP من ADP.

الصفحة 246

المرحلة الثانية: حلقة كالفن

Phase two: Calvin Cycle

على الرغم من أن جزيئات NADPH وATP تزود الخلايا بكميات كبيرة من الطاقة، إلا أنها جزيئات غير مستقرة بصورة كافية حتى تخزن الطاقة الكيميائية فترات زمنية طويلة.

لذا هناك مرحلة ثانية من عملية البناء الضوئي تسمى حلقة كالفن Calvin cycle، يتم فيها تخزين الطاقة في جزيئات عضوية مثل الجلوكوز.

وتعد حلقة كالفن من التفاعلات التي لا تعتمد على الضوء. تتبع الشكل 9-9 في أثناء دراستك خطوات حلقة كالفن.

في الخطوة الأولى من حلقة كالفن، تتحد ستة جزيئات من CO₂ الجوي مع ستة جزيئات من سكر الريبولوز الثنائي الفوسفات، سكر خماسي الكربون، وتسمى هذه العملية تثبيت الكربون؛ لينتج ستة جزيئات من مركب سداسي الكربون.

في الخطوة الثانية، تنتقل الطاقة الكيميائية المخزنة في جزيئات ATP وNADPH إلى جزيئات 3-PGA لتكوين جزيئات ذات طاقة عالية تسمى جليسر ألدهيد 3-الفوسفات G3P. فجزيئات ATP تحفز مجموعة الفوسفات على تكوين G3P، في حين يوفر جزيء NADPH أيونات الهيدروجين والإلكترونات.

في الخطوة الثالثة، يخرج جزيئا G3P من الحلقة ليستخدما في إنتاج الجلوكوز ومركبات عضوية أخرى.

في الخطوة النهائية من حلقة كالفن، يحول إنزيم يسمى روبيسكو rubisco الجزيئات العشرة المتبقية من G3P إلى ستة جزيئات خماسية الكربون تسمى ريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات، وتتحول فيما بعد إلى ستة جزيئات من الريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات RuBP، تدخل هذه الجزيئات مجددًا مع جزيئات جديدة من ثاني أكسيد الكربون لإعادة الحلقة مرة أخرى.

ويعد إنزيم روبيسكو واحدًا من أهم الإنزيمات الحيوية؛ لأنه يحول جزيئات CO₂ غير العضوية إلى جزيئات عضوية تستخدمها الخلية. بالإضافة إلى استخدام السكر الناتج عن حلقة كالفن مصدرًا للطاقة، فإن النبات يستخدمه بوصفه وحدات بناء أساسية في الكربوهيدرات المعقدة، ومنها السليلوز الذي يوفر الدعم للنبات.

مهن مرتبطة مع علم الأحياء

اختصاصي كيمياء النباتات

Phytochemist

عالم الأحياء الذي يدرس النواتج الكيميائية للنباتات، ويقوم بالأبحاث الطبية لإيجاد علاجات جديدة للأمراض.

الصورة المرتبطة

p06_مهنة_اختصاصي_كيمياء_النبات.png

الصفحة 247

الصورة المرتبطة

p07_حلقة_كالفن.png

الشكل 9-9

تربط حلقة كالفن ثاني أكسيد الكربون في الجزيئات العضوية داخل الحشوة في البلاستيدات الخضراء.

حلقة كالفن كما في الشكل

  • الخطوة 1: يدخل 6CO₂ إلى الحلقة.
  • تتحد جزيئات ثاني أكسيد الكربون مع 6 جزيئات من ريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات.
  • تتكون 12 جزيئًا من حمض جليسرين أحادي الفوسفات، 3-PGA.
  • الخطوة 2: تستخدم 12ATP و12NADPH لتحويل 3-PGA إلى G3P.
  • الخطوة 3: يخرج 2G3P من الحلقة، وينتقل من البلاستيدة الخضراء لبناء الجلوكوز والسكروز والنشا وغيرها.
  • الخطوة 4: تستخدم 6ATP لإعادة تكوين ريبولوز 1،5-ثنائي الفوسفات.

مسارات بديلة

Alternative Pathways

تؤثر البيئة التي يعيش فيها المخلوق الحي في قدرته على القيام بعملية البناء الضوئي. فالنباتية التي لا يوجد فيها كميات كافية من الماء أو ثاني أكسيد الكربون تقلل من قدرة المخلوق الحي الذي يقوم بعملية البناء الضوئي على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

فمثلًا، تتعرض النباتات التي تعيش في البيئات الجافة والحارة إلى فقدان كميات كبيرة من الماء، مما يقلل من عملية البناء الضوئي. وتحتوي النباتات التي تعيش في مناخات قاسية مسارات بديلة في عملية البناء الضوئي تمكنها من تحويل الحد الأقصى من الطاقة.

نباتات C₄

C₄ plants

وهب الله سبحانه وتعالى النباتات تكيفًا في أحد المسارات التي تساعدها على الحفاظ على عملية البناء الضوئي بأقل حد ممكن من فقدان الماء، يسمى مسار C₄.

ويحدث هذا المسار في نباتات منها قصب السكر والذرة. وتسمى هذه النباتات نباتات C₄؛ لأنها تثبت ثاني أكسيد الكربون وتربطه مع مركبات رباعية الكربون بدلًا من مركبات ثلاثية الكربون في أثناء حلقة كالفن.

كما أن لنباتات C₄ تكيفات تركيبية مهمة في ترتيب الخلايا في الأوراق. وعمومًا تعمل نباتات C₄ على إغلاق ثغورها في الأيام الحارة، حين تنتقل المركبات الرباعية الكربون إلى خلايا خاصة، حيث يدخل فيها ثاني أكسيد الكربون حلقة كالفن، مما يسمح باستهلاك كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون، ويقلل كمية الماء المفقودة.

الصفحة 248

نباتات أيض الحمض العشبي

CAM plants

نباتات أيض الحمض العشبي CAM plants من مسارات التكيف الأخرى التي تستخدمها النباتات للقيام بعملية البناء الضوئي بأقصى فاعلية مسار يسمى أيض الحمض العشبي CAM، وهو اختصار لـ Crassulacean Acid Metabolism.

يحدث هذا المسار في النباتات التي تحتفظ بالماء وتعيش في الصحراء والمستنقعات المالحة، وأي بيئة أخرى حيث الوصول إلى الماء محدود جدًا.

ومنها الصبار والسحلب والأناناس في الشكل 9-10. والتي تسمح ثاني أكسيد الكربون بالدخول إلى الأوراق في الليل فقط، أي عندما يميل الجو إلى البرودة والرطوبة.

وفي الليل تقوم النباتات بتثبيت ثاني أكسيد الكربون في مركبات عضوية. وفي أثناء النهار يتم تحرير ثاني أكسيد الكربون من هذه المركبات، ويدخل حلقة كالفن. كما يسمح هذا المسار باستهلاك كمية كافية من ثاني أكسيد الكربون وتقليل فقدان الماء.

الصورة المرتبطة

p08_نبات_الأناناس_CAM.png

الشكل 9-10

نبات الأناناس مثال على نباتات CAM.

التقويم 9-2

الصورة المرتبطة

p08_تقويم_البناء_الضوئي.png

الخلاصة

  • تحتوي النباتات على بلاستيدات خضراء وأصباغ تمتص الضوء، وتحول الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.
  • تتم عملية البناء الضوئي بمرحلتين، تضم تفاعلات ضوئية وحلقة كالفن.
  • في التفاعلات الضوئية، تمتص المخلوقات الحية الذاتية التغذي الطاقة الضوئية وتحولها إلى طاقة كيميائية في صورة ATP وNADPH.
  • في حلقة كالفن، تستخدم الطاقة الكيميائية المخزنة في جزيئات ATP وNADPH لإنتاج الكربوهيدرات ومنها الجلوكوز.

فهم الأفكار الرئيسة

  • الفكرة الرئيسة: لخص كيف تتكون الطاقة الكيميائية من الطاقة الضوئية في أثناء عملية البناء الضوئي.
  • اربط تركيب البلاستيدة الخضراء مع مراحل عملية البناء الضوئي.
  • فسر أهمية الماء في التفاعلات الضوئية.
  • لخص الخطوات في حلقة كالفن.
  • ارسم آلية نقل الإلكترون وفسرها.

التفكير الناقد

  • توقع كيف تؤثر العوامل البيئية مثل كثافة الأشعة الضوئية ومستويات CO₂ في معدلات البناء الضوئي.
  • الكتابة في علم الأحياء: ابحث في آثار الاحتباس الحراري في عملية البناء الضوئي، واكتب مقالة تلخص فيها ما توصلت إليه.

جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط

نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.

إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم

طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.

خبير مناهج سعودية

اختر نمط التعلم

تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.