المحرر العملي 
يمكنك أحيانًا أن ترى فطرًا في رقعة من العشب، وتسهل رؤية هذا الفطر عادة لأنه عادة أبيض اللون بينما العشب أخضر اللون.
العشب أخضر لأنه يحتوي على مادة كيميائية تعرف باسم اليخضور (هذه الكلمة مشتقة من اللغة اليونانية وتعني ورقة خضراء) غير أن الفطر لا يحتوي على اليخضور ولا تحتوي عليه النباتات كالعفن والبكتريا، أمَّا معظم النباتات المعروفة كالأشجار والنباتات المزهرة والسرخس والطحلب الأخضر والأشنيات فهي نباتات خضراء أو على الأقلِّ فإنَّ بعض خلاياها تحتوي على اليخضور.
يمكِّن اليخضور النبتة الخضراء من صنع طعامها. أمَّا جميع النباتات الأخرى ومعظم الحيوانات فأنها من ناحية عملية لا تستطيع أن تصنع طعامها فهي تعتمد على النباتات الخضراء في طعامها أما بصورة مباشرة أو غير مباشرة وكما سنرى فإنها تعتمد عليها أيضا من أجل أكسجينها تدعى العملية التي تطلقه النباتات الخضراء في أثناء عملية التركيب الضوئي.
بعض الحيوانات كالأبقار والخيول وبعض أنواع الأسماك تأكل النباتات الخضراء بينما غيرها من الحيوانات كالأسود والنسور وسمك القرش تأكل الحيوانات التي تأكل النباتات في الوقت الذي لا نحصل فيه النباتات الخضراء على طعامها من الحيوانات أو النباتات سواء كانت حية أو ميتة.
دراسة التركيب الضوئي :
لم يبدأ الاعتراف بالنشاطات الكيميائية للنباتات الخضراء من ناحية علمية إلا منذ حوالي 300 سنة مضت. ففي الأربعينات من القرن السابع عشر وضع الطبيب الفلمنكي جان بابتستا فان هيلمونت مئتي رطل من التراب الجاف في وعاء خزفي ثم غمر التراب بالماء وزرع فيه نبتة صفصاف وزنها خمس رطلات وقد صان هذه النبتة من الغبار مدة خمس سنوات كما كان يزودها بالماء النقي على شكل مطر أو ماء مقطر.
في نهاية هذه المدة رفع فان هيلموت هذه الصفصافة من الوعاء ووزنها فوجد أنها نمت إلى وزن 169 رطلًا أي زاد وزنها (164) باوندًا، أمَّا التراب فبعد أن جف وجد أنه يزن (200) رطلًا تقريبًا أي كما كان وزنه عند بداية التجربة.
استنتج الدكتور الفلمنكي – وهو استنتاج خاطئ كما نعرف الآن – أن الوزن الزائد للنبتة وهو 164 رطلًا جاء عن طريق الماء الذي كان يزودها به. ولم يحسب أهمية المواد الموجودة في الهواء والتربة أيضًا في نمو النبتة.
تصنع فيها النباتات الخضراء طعامها بعملية التركيب الضوئي. وهذه الكلمة (التركيب الضوئي) مشتقة من كلمتين يونانيتين هما : (فوتو وتعني ضوء) وسنثيزيس- (Synthesis) وتعني (تركيب). تركِّب النباتات الخضراء عناصر كيمائية معيَّنة لتصنع الطعام وللقيام بذلك تحتاج إلى طاقة الضوء وهذه الطاقة تأتي على نحوٍ طبيعي من الشمس غير أنَّ النباتات الخضراء يمكن أن تنمو أيضًا في الداخل مستعملة ضوء المصابيح الكهربائية بدلًا من ضوء الشمس لتقوم بعملية التركيب الضوئي.
بالإضافة إلى طاقة الضوء وإلى وجود اليخضور، تحتاج النباتات إلى غاز ثاني أكسيد الكربون وإلى الماء لتصنع الطعام. وخلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية المعقدة يتكون الطعام على شكل سكر. وغالبًا ما يتحول السكر إلى نشا يختزن الطاقة الكيميائية للسكر.
أهمية التركيب الضوئي
تحتاج جميع الكائنات الحية إلى كمية ثابتة من الطاقة ويأتي أحد المصادر الثابتة للطاقة على الأرض من الشمس على شكل إشعاع. في التركيب الضوئي تتحول الطاقة التي تكون على شكل إشعاع أو ضوء من الشمس إلى طاقة كيميائية.
طبعا تنفذ النباتات الخضراء عملية التركيب الضوئي لتصنع طعامًا لذاتها، ولكن الحيوانات والنباتات غير الخضراء تعتمد على النباتات الخضراء من أجل طعامها الذي يحتوي على الطاقة التي تحتاجها من أجل الحياة، كما أنها تحتاج إلى الأوكسجين. وقد دامت الفكرة القائلة إنَّ مادة النبات تأتى من الماء وحده حتى السبعينيات من القرن الثامن عشر ففي عام 1771 لاحظ الكيميائي الإنجليزي جوزيف بريستلي أنَّ النباتات الخضراء تنقي الهواء الذي كان فسد من جراء الشموع المشتعلة أو من جراء تنفس الحيوانات. أي أنَّي النباتات الخضراء تعكس بطريقة ما الآثار الكيميائية للتنفس والاحتراق وأنَّ الهواء الذي تنقيه النباتات الخضراء يمكن أن تشتعل الشموع فيه ويمكن أن تتنفسه الحيوانات ثانية. غير أن بريستلي لم يكن يعرف الأكسجين والدور الذي لعبه في هذه التجارب. بيد أن الفهم العصري للتركيب الضوئي بدأ في الحقيقة مع اكتشاف الأكسجين ومع عمل الفيزيائي الهولندي النمسوي المسمى جان إنجنهور.
قفي بداية السبعينيات من القرن الثامن عشر قام إنجنهور بتجاربه على النبات وكشف بعض الحقائق الأساسية عن التركيب الضوئي، كما بين أنَّ النباتات الخضراء لا تنقي الهواء في الليل إذ أنها بدلا من أخذها لثاني أكسيد الكربون والماء وطرحها الأكسجين، تتنفس في الظلام بصورة عادية، أي أنها تأخذ الأكسجين وتطرح ثاني أكسيد الكربون كفضلات. غير إن إنجنهور لم يدرك أن النباتات تتنفس في ضوء النهار بالإضافة إلى قيامها بعملية التركيب الضوئي.
لقد حصلت خطوة عظيمة في دارسة التركيب الضوئي عام 1837 عند اكتشاف حبيبات اليخضور. وهذه الحبيبات هي جسيمات خضراء صغيرة توجد في خلايا معظم النباتات الخضراء، وقد وجد فيما بعد أنَّ الحبيبات خضراء لأنها تحتوي على اليخضور وهذه هي أجزاء الخلايا التي تحصل فيها عملية التركيب الضوئي.
في السنين التالية عرف العلماء بتفصيل أكثر كيف يحتاج إنتاج الطعام إلى الضوء واليخضور والماء وثاني أكسيد الكربون، فلقد اكتشف روبن هيل الكيميائي الإنجليزي في عام 1938 أنَّ الأكسجين المنطلق من عملية التركيب الضوئي يأتي من جزيئيات الماء الذي تمتصه النباتات الخضراء.
غير أنه حتى الثلاثينيات من القرن العشرين لم تكن معظم التفاعلات الكيميائية المعقدة في عملية التركيب الضوئي معروفة أو أنها ربما كانت مفهومة قليلًا. ومنذ ذلك الحين فتحت الطرائق التقنية الجديدة السبيل إلى التقدم السريع.
فالمجهر الإلكتروني مثلًا يساعد في دارسة تركيب حبيبات اليخضور كما أنه في الطريقة الكيميائية المعروفة باسم الفصل الكروماتوغرافي يستطيع العلماء أن يفصلوا وأن يحللوا كميات صغيرة جدًّا من مواد النبات. هذا وما تزال هناك طرائق حساسة جدًّا قيد الاستعمال لتحري التركيب الكيميائي للنباتات.
لدارسة المواد التي تتشكل خلال عملية التركيب الضوئي يستعمل العلماء أيضًا الذرة التي تطلق النشاط النووي من هذه الذرات يستطيعون أن يتابعوا العناصر الكيميائية خلال تفاعلات عملية التركيب الضوئي وهكذا يستطيعون تحديد المركبات التي تتكون خلالها.
التركيب الضوئي
التركيب الضوئي هو العملية الأساسية لصناعة الطعام التي تنتج في النباتات الخضراء والعامل الكامل الأهمية في هذه العملية هو خضاب اليخضور الأخضر (ينطبق هذا الاسم على خضابين مرتبطين على نحوٍ دقيق هما يخضور آ ويخضور ب). تحتوي جسيمات صغيرة تدعى حبيبات اليخضور على هذا اليخضور مع عدد من الخضابات الأخرى، وهي توجد في الأوراق وبعض السيقان والجذور الهوائية. يمتصُّ اليخضور الطاقة المشعة من الشمس ويشرع في عملية معقدة من التفاعلات مدخلًا فيها الماء معادلة الذي يستمد من التربة ثاني أكسيد الكربون معادلة الذي يستمده من الهواء ويكون الناتج النهائي لهذه التفاعلات هو السكر (الغلوكوز) معادلة والأكسجين O2.
في الليل حيث لا يوجد ضوء شمسي يتوقف التركيب الضوئي ولكنَّ التنفس يستمر. وحيث أنَّ الأكسجين ضروري للتنفس فإنه لا يأتي عن طريق التركيب الضوئي بل يُستمدُّ من الهواء الخارجي، كما وأنَّ ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس لم يعد يستعمل للتركيب الضوئي. ولذا يتجمع في الورقة ويخر ج منها عن طريق الفويهة ونتيجة لهذا كله تأخذ النباتات الخضراء الأكسجين خلال الليل وتطرح ثاني أكسيد الكربون.
أثناء النهار يدخل غاز ثاني أكسيد الكربون إلى الورقة عن طريق الفم ويستعمل في تفاعل التركيب الضوئي كما يُستعمل جزء من الأكسجين O2 الذي يتكون في التفاعل داخل الورقة نفسها وفي أجزاء أخرى من النبتة في أثناء استمرار عملية التنفس، أمَّا بقية الأكسجين فإنه يمر إلى الهواء الخارجي عن طريق الفويهة. ونتيجة لذلك تطرح النباتات الخضراء الأكسجين خلال النهار وتأخذ ثاني أكسيد الكربون.
تحدث عملية التركيب الضوئي في النباتات العليا ولا سيَّما في الأوراق، الشكل المبين أعلاه يبين مقطعًا عرضانيًّا لورقة نموذجية كلا السطحين العلوي والسفلي من الورقة يحتويان على طبقة سطحية (البشرة) من الخلايا. وهذه الطبقة السطحية فيها عدد من الفتحات التي تعرف باسم (الفويهة). يمكن أن تفتح هذه الفويهة أو تغلق خلال التغيرات في شكل خلايا الحراسة. تحدث التغيرات الغازية بين داخل الورقة والهواء الخارجي داخل الفويهة حيث يُؤخذ غاز ثاني أكسيد الكربون ويُطرد الأكسجين أو العكس بالعكس.
يُدعى النسيج الخلوي بين السطحين العلوي والسفلي النسيج الأوسط، وهو مكون من طبقتين أولهما هي الطبقة العمادية المكونة من خلايا طويلة ضيقة تمامًا، وثانيتهما تعرف بالطبقة الأسفنجية وهي مكونة من خلايا محزومة على نحوٍ رخو. يحتوي جميع الخلايا الحارسة والخلايا الوتدية والخلايا الأسفنجية على يخضور ولذلك تشترك كلها في عملية التركيب الضوئي. أمَّا شرايين الورقة المحتوية على أنسجة موصلة تعرف باسم الزيلم (الجزء الخشبي من النبتة) فإنها تمر داخل النسيج الأوسط حيث يوصل الزيلم الماء والمواد المنحلة إلى داخل الورقة كلها. أمَّا الطعام الذي صنع في داخل الورقة في أثناء عملية التركيب الضوئي فإنه يُحمل في اللحاء إلى الأجزاء الأخرى من النبتة.
في النبتة العليا كتلك المبينة في الجهة اليسرى يعدُّ التركيب الضوئي واحدًا من سلسلة العمليات التي تستمر طالما بقيت النبتة حية. فالماء وفلزات المعادن تؤخذ من التربة وثاني أكسيد الكربون من الهواء (في النهار فقط كما رأينا سابقا) وعند وجود اليخضور المنشط بضوء الشمس، يتفاعل الماء وثاني أكسيد الكربون ليشكلا السكر، يتحول جزء من هذا السكر إلى نشا بينما جزء آخر يزود الوقود للتنفس. يتفاعل بعض السكر مع فلزات المعادن المستمدة من التربة يصنع أطعمة أخرى ويصنع كذلك مركبات متنوعة ضرورية للنمو ولتكوين بروتوبلازما جديدة. تصنع الأشياء من المركبات المشتقة في أجزاء بارزة من النبات فالفيتامينات والهرمونات مثلا تتكون في الأوراق غير الناضجة بينما تتكون البروتينات في أطراف الساق والجذور.
يحدث التركيب الضوئي فعلًا في المكورات الأولية – الجزء المسمى الآشينية (الصورة الموجودة في الجهة اليسرى). كما يحدث في النباتات العليا. تحتوي النبتة العليا النموذجية على ملايين من حبيبات اليخضور، غير أنه ليس في المكورات الأولية إلا حبيبة واحدة ومع ذلك فأنها لا تصنع السكر فقط خلال عملية التركيب الضوئي عندما يمتص يخضوره الطاقة المشعة من الشمس، بل يستطيع أيضًا تحويل هذا السكر إلى مركبات متنوعة، وفلزات المعادن التي يستعملها لهذا الغرض تمتصها الخلية بوساطة الأزموزية (طريقة التناضح والتبادل بين السوائل) من الماء المحيط بها.
التركيب الضوئي
كيمياء التركيب الضوئي
الطور الأول : تفاعل الضوء.
عندما يمتص جزيء اليخضور الضوء يُثار أحد الكتروناته أي يحصل الإلكترون على طاقة إضافية ويترك الجزيء. وهذا الإلكترون يمكن تزويده بالطاقة اللازمة لتكوين مركبات جديدة.
بعد أن تنطلق الإلكترونات من جزيئات اليخضور تأخذ المواد الحاملة إلكترون الجزيئات لتنشط التفاعل الكيميائي التالي: الفسفور المحتوي على مركب يدعى أدونزين دي فوسفت (ADP) يتفاعل مع مجموعات الفوسفات الأخرى (P) كي ينتج أدنوزين تريفوسفيت. (ATP). عندما تحدث هذه التفاعلات تحدث تفاعلات أخرى إذ أن جزيء الماء يتحطم أو يتأين.
طاقة يخضور الإلكترونات المثارة يقدح تفاعلًا آخر، وهذا يمكِّن مركب الفسفور الآخر TPN من تقبل ذرات الهيدروجين من جزيء الماء في الخلية.
الطور الثاني: التفاعل في الظلام.
تنطلق الطاقة الكيميائية عندما ATP يفقد الفسفات ليصبح ADP وكذلك تنطلق الطاقة عندما يفقد الـ TPN الهيدروجين. يتحد هذا الهيدروجين مع ثاني أكسيد الكربون ليكون الغلوكوز. تختزن الطاقة المنطلقة من ATP ومركب هيدروجين TPN في جزيء الغلوكوز.
كيمياء التركيب الضوئي :
هنا مخطط مختصر جدًّا لما يحدث خلال التركيب الضوئي.
1- يصل الضوء إلى الخلايا التي تحتوي على اليخضور.
2- يمتص اليخضور الطاقة الضوئية ويحولها إلى طاقة كيميائية.
3- تتحطم جزيئات الماء في الخلية وينطلق الأكسجين من الماء.
4- يتحد الهيدروجين في جزيء الماء مع ثاني أكسيد الكربون المأخوذ من البيئة ليكون الغلوكوز (سكر بسيط).
5- يتماسك جزيئا غلوكوز معًا بالطاقة الكيميائية، وبعبارة أخرى تخزن الطاقة داخل جزيء الغلوكوز. في الجدول الموجود في الصفحة السابقة يوجد تفصيل لخطوات التركيب الضوئي. بعض هذه الخطوات يحتاج إلى ضوء بينما البعض الآخر لا يحتاج إلى ذلك. وهذا يؤدي إلى بحث طورين من التركيب الضوئي الطور الأول يدعى أحيانا بتفاعل الضوء لأن الضوء ضروري للقيام بالعملية. خلال هذا الطور تختزن طاقة الضوء وتحول إلى طاقة كيميائية وفي نفس الوقت يطرح الأكسجين.
أما الطور الثاني فيُدعى أحيانًا بتفاعل الظلام لأنه لا يحتاج إلى طاقة ضوء وهو على وجه التحديد عملية كيميائية. في هذا الطور تستعمل الطاقة المختزنة من الطور الأول في صنع الغلوكوز.
المعادلة الكيميائية الآتية تلخص خطوات التركيب الضوئي : معادلة
وإذا ما قرأناها نرى أن الطاقة +6 جزيئات من ثاني أكسيد الكربون+6 جزيئات من الماء تعطينا جزيئًا واحدًا من الغلوكوز وست جزيئات من الأكسجين.
ترمز الحروف C H O إلى العناصر كربون، هيدروجين أكسجين. وترمز الأعداد الكبيرة إلى عدد الجزيئات، أمَّا الأعداد الصغيرة فتدل على عدد الذرات في الجزيء وإذا ما قرأنا هذه المعادلة من اليمين إلى اليسار فإننا نحصل على التفاعل الكيميائي الطعام في العضو من أجل الطاقة.
يحدث التنفس في كثير من الكائنات الحية عندما يتحد الأكسجين مع السكر أو يحرقه. وهكذا فإن الأكسجين + السكر ينتجان طاقة إضافية إلى الماء وثاني أكسيد الكربون اللذين يُطرحان كفضلات، ولكن غاز ثاني أكسيد الكربون والماء هما أيضًا مواد خام للتركيب الضوئي، إذ يصنع منها النبات الأخضر طعامًا وأكسجينًا – أي يُعيد دورة هذه المواد الفضلات إلى مواد مفيدة.
اليخضور وخلايا النبتة:
تحدث التركيب الضوئي في خلايا النبات التي تحتوي على اليخضور غير انه لا يوجد شكل واحد من اليخضور فقط بل هناك أربعة أشكال كيميائية ولكنها كلها تتفاعل مع الضوء بنفس الطريقة.
يعتمد تركيب اليخضور في الخلية على نوع النبتة. وأبسط النباتات التي تحتوي على اليخضور هي الأشينيات ذات الخلية الواحدة والتي تعيش في الماء أو على السطوح الرطبة. وإذا ما قورنت بها نرى أنَّ النباتات العُليا كالطحالب الخضراء وحشيشة الكبد والسرخس والنباتات ذات البذور والتي غالبًا ما تعيش على اليابسة لها أنسجة متخصصة. هذه الأنسجة مكونة من ملايين الخلايا ذات الأشكال المختلفة.
تكون خلايا بعض أجزاء النبات (ولا سيَّما تلك التي توجد في السيقان والأوراق) مملوءة بحبيبات اليخضور التي تحتوي على اليخضور لقد كان العلماء يعتقدون أن اليخضور قادر على التركيب الضوئي ببساطة لسبب تركيبه الكيميائي ولكنهم عرفوا فيما بعد أنه عندما يزال اليخضور من حبيبات اليخضور فانه يعقد كثيرًا من قوى التركيب الضوئي، لماذا؟
يبدو أن الجواب يكمن في الطريقة التي ينظم فيها اليخضور داخل حبيبة اليخضور وهذا التنظيم مسؤول بصورة رئيسة عن كفاءة اليخضور في تحويل طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية.
لقد أظهرت المجاهر الإلكترونية انه توجد في داخل حبيبة اليخضور جزيئات اليخضور في طبقات غير محدودة تدعى الرقائق. أمَّا الجزيئات الملونة الأخرى المدعوة بالصبغيات التي تساعد اليخضور في عمله تدعى أيضا جزءًا من الرقائق في حبيبات يخضور معظم النباتات.
آلية التركيب الضوئي:
يستطيع العلماء تتبع ممرات الضوء وممرات ثاني أكسيد الكربون والماء إلى الخلايا حيث يحدث التركيب الضوئي.
فمثلا تنمو الأشنيات عند الماء أو على السطح الرطب حيث يمكن أن ينفذ إليها ضوء الشمس. وهذه تمتص الماء وثاني أكسيد الكربون المحلول في الماء مباشرة داخل جدران الخلية الرقيقة.
من ناحية أخرى يكون للنباتات التي تنمو على اليابسة أوراق تعرض جزءا كبيرا من سطوحها إلى ضوء الشمس بصورة جماعية وهي تحتوي على مليارات من الخلايا ذات الحبيبات اليخضورية. يدخل الهواء المشتمل على ثاني أكسيد الكربون الأوراق من فتحات تدعى الفويهات ومنها ينتشر الهواء بين الخلايا المرتبة بشكل مهلهل في الأوراق.
لفويهات الأوراق وظائف كثيرة فهي لا تسمح فقط لثاني أكسيد الكربون بالتحليل الضوئي بلا تطرد أيضا الأكسجين المتكون في هذه العملية وبالإضافة إلى ذلك تمتص هذه الفويهات الأكسجين من الهواء للتنفس وتطرح ثاني أكسيد الكربون كفضلات في الجو. والفويهات (الفتحات) أيضا تضبط كمية الماء المتسرب في النبتة وتفعل ذلك لتعديل حجم الماء فيها. أما الخلايا الحارسة التي تحيط بالفويهات فأنها تنكمش عندما تفقد الماء وبذلك تغلق الفويهات كي تمنع فقدان كثير من الماء. أما الماء الذي يحتاج إليه من أجل عملية التركيب الضوئي ومن أجل العمليات الأخرى فانه يستمد من التربة بواسطة النباتات البرية عن طريق الجذور عادة حيث يمر الماء في الجذور إلى الساق ومن إلى الأوراق. أما الزائد من الماء فيتبخر وينطلق إلى الجو عن طريق الأوراق بدرجة كبيرة.
تعتمد كمية التركيب الضوئي التي تحدث على كمية الضوء والماء وثاني أكسيد الكربون وتعتمد أيضًا على درجة الحرارة. فإذا كان أيُّ عامل من هذه العوامل غير ملائم سيتباطأ التركيب الضوئي، فمثلًا إذا كان مطلع الصيف تنقصه الأمطار الكافية فسيكون التربة والهواء جافين وتنمو النباتات ببطء أو حتى لا تنمو ولو كانت هناك وفرة في أشعة الشمس ومن الهواء النقي المحتوي على ثاني أكسيد الكربون.
تفقد الخلايا الحارسة ماء كافيًا يغلق الفويهات فلا يدخل الورقة إلا القليل من ثاني أكسيد الكربون أو حتى لا يدخل الورقة إلا القليل من ثاني أكسيد الكربون أو حتى لا يدخل شيء أبدا. غير أن إغلاق الفويهة يمنع ضياع الماء فتبقى النبتة حية حتى لو لم تنمو وفي هذه الحالة تقرر كمية الماء نسبة التركيب الضوئي.
تتغذى المواشي على العشب الذي يصبح طعامًا بوساطة التركيب الضوئي لمنفعتها، ولكن المواشي تستفيد من مواد الطعام الناتجة في العشب أكل العشب يتحول هذا العشب إلى طاقة للحياة ولحوم وعندما يأكل الإنسان اللحوم يكون بذلك قد أكل العشب بصورة غير مباشرة.
تظهر حبيبة اليخضور وحبيبات النشا على سطحها. عندما تتشكل جزيئات السكر في عملية التركيب الضوئي فإنها تتحول حالًا إلى نشا تقريبًا. وهذا يتجمع على شكل حبيبات صغيرة في خلايا الورقة في أو على حبيبات اليخضور نفسها وفي أثناء الليل عندما تتوقف عملية التركيب الضوئي تتحول كمية كبيرة من النشا في الخلايا إلى سكر.
في معظم النباتات الخضراء يوجد اليخضور في تراكيب تُعرف باسم حبيبات اليخضور. خلايا النبتة (في الجهة اليسرى) مكبَّرة 2000 مرة، ولهذا تستطيع أن ترى حبيبات اليخضور المستديرة ملتصقة بجدران خلايا النبتة. أما في الأشنيات فان حبيبات اليخضور مرتبة على شكل حلزوني. تعدُّ الأشنيات أصغر النباتات التي تحتوي على اليخضور.
