التغذية الضوئية للصحة والحياة

التغذية الضوئية للصحة والحياة

تتفاعل الكائنات الحية كيميائيًا بشكل مستمر، مما يؤدي إلى تغيرات في الطاقة في أجسامها. كل هذه التفاعلات والتغيرات تسمى عملية التمثيل الغذائي. في الأساس، يتكون التمثيل الغذائي من عمليتين: تخليق أو بناء مواد الجسم المعقدة من مكونات وطاقة أبسط، وتحلل أو تحلل هذه المواد والطاقة المعقدة. تُعرف العملية الأولى باسم عملية البناء والثانية باسم عملية الهدم.

واحدة من السمات الرئيسية للكائنات الحية هي القدرة على التغذية. وهذا ما يسمى التغذية. وبالتالي فإن التغذية هي عملية الحصول على الطاقة والمواد اللازمة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي، بما في ذلك صيانة الخلايا وإصلاحها ونموها. في الكائنات الحية، التغذية عبارة عن سلسلة معقدة من العمليات البنائية والتقويضية التي من خلالها يتم تحويل الطعام المستهلك في الجسم إلى مواد جسمية معقدة (بشكل أساسي للنمو) وطاقة (للعمل). في الحيوانات، تكون الأطعمة المستهلكة عادةً على شكل مركبات معقدة غير قابلة للذوبان. يتم تقسيمها إلى مركبات أبسط يمكن أن تمتصها الخلايا. في النباتات، يتم تصنيع المواد الغذائية المعقدة أولاً بواسطة الخلايا النباتية ثم يتم توزيعها على جميع أجزاء الجسم النباتي. وهنا يتم تحويلها إلى أشكال أبسط قابلة للذوبان يمكن امتصاصها في بروتوبلازم كل خلية. يتم الحصول على المواد الخام اللازمة لتصنيع هذه المواد الغذائية المعقدة من الهواء والتربة في البيئة النباتية.

جميع الكائنات الحية التي لا تستطيع توفير إمدادات الطاقة الخاصة بها سواء من خلال عملية التمثيل الضوئي أو التخليق الكيميائي تسمى كائنات متباينة أو كائنات مغايرة التغذية. التغاير يعني التغذية على الآخرين. جميع الحيوانات متغايرة. وتستخدم كائنات حية أخرى مثل العديد من أنواع البكتيريا وبعض النباتات الزهرية وجميع الفطريات طريقة التغذية هذه. تختلف الطريقة التي تحصل بها الكائنات المتغايرة على طعامها بشكل كبير. ومع ذلك، فإن الطريقة التي يتم بها تحويل الطعام إلى شكل صالح للاستخدام في الجسم تكون متشابهة جدًا في معظم الحالات. ومع ذلك، فإن جميع النباتات الخضراء لديها القدرة على إنتاج الكربوهيدرات من مواد خام معينة موجودة في الهواء والتربة. هذه القدرة مهمة ليس فقط للنباتات نفسها، ولكن أيضًا للحيوانات، بما في ذلك البشر، الذين يعتمدون بشكل مباشر أو غير مباشر على النباتات في الغذاء.

التمثيل الضوئي هو العملية التي تنتج النباتات من خلالها غذائها باستخدام الطاقة الشمسية والمواد الخام المتاحة. هو إنتاج الكربوهيدرات في النباتات. ويحدث فقط في خلايا الكلوروفيل (أي الخضراء) في الأوراق والسيقان. تحتوي هذه الخلايا الخضراء على البلاستيدات الخضراء، والتي تعتبر ضرورية لتخليق الغذاء. ولذلك فإن جميع المواد الخام اللازمة لعملية التمثيل الضوئي، أي الماء والأملاح المعدنية من التربة وثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، يجب أن يتم نقلها إلى خلايا الكلوروفيل، وهي الأكثر وفرة في الأوراق.

المسام الصغيرة أو الثغور، عادة ما تكون أكثر شيوعا على الأسطح السفلية لمعظم الأوراق، تسمح للغازات من الغلاف الجوي بالدخول إلى الأنسجة. الفغرة عبارة عن خلية جلدية بيضاوية تُعرف بخلية الحراسة. كل ثغرة هي في الواقع فتحة لغرفة الهواء تحت الثغرة. هذا عبارة عن مساحة هوائية كبيرة بين الخلايا تقع بجوار الفغرة. وهو مستمر مع المساحات الهوائية الأخرى بين الخلايا في الورقة. يعتمد حجم كل مسام ثغري على انحناء الخلايا الحارسة المحيطة به. وعندما تمتلئ الخلايا الحارسة بالماء، فإنها تنتفخ أو تنتفخ، وبالتالي ينفتح المسام. ومع ذلك، عندما يكون مستوى الماء منخفضًا، فإنها تصبح ناعمة أو مترهلة ونتيجة لذلك تنهار، مما يؤدي إلى إغلاق المسام. عندما تكون الفغرة مفتوحة، يدخل الهواء إلى الغرفة تحت الفمية وينتشر عبر الهواء بين الخلايا، الذي يذوب في الماء المحيط بالخلايا. ثم ينتشر محلول ثاني أكسيد الكربون هذا إلى خلايا الأوراق، وخاصة الخلايا الحاجزة. هنا يتم استخدامه من قبل البلاستيدات الخضراء لعملية التمثيل الضوئي.

يتم امتصاص الماء المحتوي على أملاح معدنية ذائبة مثل الفوسفات والكلوريدات وبيكربونات الصوديوم والبوتاسيوم والحديد والكالسيوم والمغنيسيوم من التربة عن طريق الجذور. تدخل مياه التربة هذه إلى الشعيرات الجذرية من خلال عملية تسمى التناضح. يتم نقل جزيء الماء عبر غشاء شبه منفذ من منطقة ذات تركيز أقل إلى منطقة ذات تركيز أعلى. ثم يتم نقله إلى أعلى بواسطة أنسجة الخشب من الجذور عبر الساق إلى الأوراق. وينتقل إلى جميع الخلايا عن طريق الوريد وفروعه.

تحتوي البلاستيدات الخضراء على الصبغة الخضراء (الكلوروفيل)، التي تعطي النباتات اللون ويمكنها امتصاص الطاقة الضوئية من ضوء الشمس. تُستخدم هذه الطاقة في إحدى الخطوات الأساسية الأولى لعملية التمثيل الضوئي. وهي تقسيم جزيء الماء إلى الأكسجين والهيدروجين. يتم إطلاق هذا الأكسجين في الغلاف الجوي. تعمل مكونات الهيدروجين المستخدمة أيضًا على تقليل ثاني أكسيد الكربون في سلسلة من الإنزيمات والتفاعلات المستهلكة للطاقة لتكوين مركبات عضوية معقدة مثل السكريات والنشويات.

أثناء عملية التمثيل الضوئي، يتم تصنيع المركبات عالية الطاقة مثل الكربوهيدرات من مركبات منخفضة الطاقة مثل ثاني أكسيد الكربون والماء في وجود ضوء الشمس والكلوروفيل. وبما أن الطاقة الشمسية مطلوبة لعملية التمثيل الضوئي، فإن العملية لا يمكن أن تحدث في الليل بسبب عدم وجود ضوء الشمس. المنتجات النهائية لعملية التمثيل الضوئي هي الكربوهيدرات والأكسجين. يتم توزيع الأول عبر جميع أجزاء النظام. يتم إطلاق الأخير في الغلاف الجوي كغاز من خلال الثغور مقابل ثاني أكسيد الكربون الممتص. ويمكن إثبات حدوث عملية التمثيل الضوئي في الأوراق الخضراء من خلال التجارب التي تبين امتصاص الأوراق لثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة وإنتاج الأكسجين والكربوهيدرات. يمكن إجراء تجارب بسيطة لإثبات إطلاق الأكسجين بواسطة النباتات الخضراء، وتكوين الكربوهيدرات (أي النشا) في الأوراق، والحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون، وضوء الشمس، والكلوروفيل لتكوين النشا في الأوراق الخضراء.

تتضمن تجارب علم وظائف الأعضاء وضع مواد بيولوجية، مثل النباتات والحيوانات، أو أجزاء من النباتات والحيوانات، في ظروف غير عادية، مثل: ب. النظارات أو الأقفاص أو الصناديق. إذا تم إجراء تجربة لإثبات التأثيرات الناتجة عن غياب ثاني أكسيد الكربون أثناء عملية التمثيل الضوئي، فيمكن اعتبار نتيجة هذه التجربة ترجع جزئيًا إلى وضع المادة البيولوجية في ظروف تجريبية غير طبيعية، وبالتالي من الضروري إجراء تجربتين متطابقتين تقريبًا؛ يتم وضع إحداهما تحت ظروف طبيعية (تجربة التحكم) حيث تكون جميع العوامل اللازمة لعملية التمثيل الضوئي موجودة، بينما يتم وضع الأخرى (تجربة الاختبار) تحت ظروف يتم فيها حذف عامل واحد أو تغييره بينما تكون جميع العوامل الأخرى موجودة. وبهذه الطريقة يمكن للمجرب أن يتأكد من أن نتيجة تجربته الاختبارية ترجع إلى العامل المحذوف أو المتغير وليس إلى الإعداد التجريبي. وبالتالي، فإن تجربة التحكم بمثابة دليل للتأكد من أن الاستنتاج الذي تم الحصول عليه من خلال تجربة الاختبار ليس مغالطة.

وبعد بعض التجارب المناسبة، تظهر الملاحظة بوضوح أن الأكسجين يتم إطلاقه فقط عند حدوث عملية التمثيل الضوئي، أي خلال النهار. وبدون ضوء الشمس، لا يمكن أن يتكون النشا، على الرغم من إمكانية وجود العوامل الأساسية الأخرى مثل الماء وثاني أكسيد الكربون والكلوروفيل.

التمثيل الضوئي هو المكون الأساسي للتغذية الذي لعب وحدة الحياة الصحية ويلعب دورا أساسيا للكائنات الحية. يتم بناء الهياكل الخلوية المعقدة للنباتات من المنتج الرئيسي لعملية التمثيل الضوئي، وهو الكربوهيدرات البسيطة مثل الجلوكوز. في هذه المرحلة، يجب أن يكون واضحًا أنه على الرغم من التركيز الكبير على عملية التمثيل الضوئي، إلا أن عملية تخليق البروتين لا تقل أهمية عن العملية الأولى. أثناء تخليق البروتين، تتحد المركبات المحتوية على النيتروجين التي تمتصها النباتات، وفي بعض الحالات الفوسفور وعناصر أخرى، مع الجلوكوز لتكوين البروتينات النباتية المختلفة.

وبالإضافة إلى مساهمته في تركيب البروتينات النباتية، فإن الجلوكوز مهم لأنه يمكن تحويله إلى دهون وزيوت بعد سلسلة من التفاعلات الكيميائية. وهو أيضًا المنتج الأساسي الذي تتشكل منه المركبات العضوية الأخرى.

لا يمكن المبالغة في التأكيد على أهمية عملية التمثيل الضوئي في جميع الدورات الغذائية. لا تستطيع الحيوانات استخدام طاقة الشمس لتصنيع مركبات غنية بالطاقة من مواد بسيطة متاحة بسهولة مثل الماء وثاني أكسيد الكربون الموجودة في الغلاف الجوي المحيط بنا. يؤثر الميلانين والكيراتين على لون وقوة جلد الحيوان بالإضافة إلى بعض الأضرار الداخلية. ومن حسن الحظ أن النباتات يمكنها استخدام الطاقة التي يوفرها ضوء الشمس من الأشعة لتصنيع وتخزين المركبات الغنية بالطاقة التي تعتمد عليها جميع أشكال الحياة الحيوانية في نهاية المطاف.

ومن أجل البقاء، لا يأكل البشر المنتجات النباتية مثل الفاكهة والخضروات والحبوب فحسب، بل يأكلون أيضًا الحيوانات مثل الماشية والأسماك. تعتمد الماشية والحيوانات العاشبة الأخرى بشكل كامل على الحياة النباتية في وجودها. في حين أن بعض الأسماك آكلة عشبية، فإن البعض الآخر يتبع نظامًا غذائيًا مختلطًا وعددًا كبيرًا منها آكلة اللحوم تمامًا. تعيش الحيوانات آكلة اللحوم بشكل غير مباشر على النباتات. يتكون نظامهم الغذائي المباشر من حيوانات أصغر يجب أن تتغذى على النباتات، إن لم يكن كليًا، فجزئيًا. التمثيل الضوئي هو الخطوة الأولى في جميع الدورات الغذائية.

أثناء عملية التمثيل الضوئي، تتم إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي ويضاف الأكسجين. ولو لم تكن عملية التنقية هذه موجودة في الطبيعة، لأصبح الغلاف الجوي سريعاً مشبعاً بثاني أكسيد الكربون المنطلق أثناء تنفس الحيوانات والنباتات وأثناء تحلل المواد العضوية، لتتوقف الحياة كلها تدريجياً. بدون التمثيل الضوئي لا توجد تغذية. وإذا لم يكن هناك تغذية، فلن يكون هناك كائن حي. وإذا لم تكن هناك كائنات حية على الأرض، فستظل الأرض خربة وخالية تمامًا. لن يكون هناك أي كائن حي يعمل إذا لم تتم عملية التمثيل الضوئي. وأتساءل ماذا سيكون مصير الكائنات الحية اليوم أو في مرحلة ما إذا توقف التمثيل الضوئي.