ما هو التحلل الضوئي؟ - مادة الاحياء - 2026

و التحلل الضوئي هو عملية كيميائية الذي بموجبه امتصاص (الطاقة الإشعاع) الخفيفة يسمح للانهيار من جزيء إلى مكونات أصغر. أي أن الضوء يوفر الطاقة اللازمة لتقسيم الجزيء إلى مكوناته. يُعرف أيضًا بأسماء التحلل الضوئي أو التفكك الضوئي.

التحلل الضوئي للماء ، على سبيل المثال ، ضروري لوجود أشكال الحياة المعقدة على هذا الكوكب. يتم تنفيذ ذلك عن طريق النباتات باستخدام ضوء الشمس. ينتج عن انهيار جزيئات الماء (H ₂ O) الأكسجين الجزيئي (O ₂): يستخدم الهيدروجين لتخزين الطاقة المختزلة.

بشكل عام ، يمكننا القول أن تفاعلات التحلل الضوئي تتضمن امتصاص الفوتون. يأتي هذا من طاقة مشعة ذات أطوال موجية مختلفة ، وبالتالي بكميات مختلفة من الطاقة.

بمجرد امتصاص الفوتون ، يمكن أن يحدث شيئان. في أحدها ، يمتص الجزيء الطاقة ، ويتحمس ثم ينتهي به الأمر بالاسترخاء. من ناحية أخرى ، تسمح تلك الطاقة بتفكيك الرابطة الكيميائية. هذا هو التحلل الضوئي.

يمكن أن تقترن هذه العملية بتكوين روابط أخرى. الفرق بين الامتصاص الذي يولد التغييرات لواحد لا يسمى العائد الكمومي.

إنه خاص بكل فوتون لأنه يعتمد على مصدر انبعاث الطاقة. يتم تعريف العائد الكمي على أنه عدد جزيئات التفاعل المعدلة لكل فوتون ممتص.

التحلل الضوئي في الكائنات الحية

التحلل الضوئي للماء ليس شيئًا يحدث تلقائيًا. أي أن أشعة الشمس لا تكسر روابط الهيدروجين بالأكسجين لمجرد ذلك. التحلل الضوئي للماء ليس شيئًا يحدث للتو ، بل يتم. والكائنات الحية القادرة على القيام بعملية التمثيل الضوئي تفعل ذلك.

لتنفيذ هذه العملية ، تلجأ كائنات التمثيل الضوئي إلى ما يسمى بردود الفعل الضوئية لعملية التمثيل الضوئي. ولتحقيق ذلك ، من الواضح أنهم يستخدمون الجزيئات البيولوجية ، وأهمها الكلوروفيل P680.

في ما يسمى بـ Hill Reaction ، تسمح العديد من سلاسل النقل الإلكتروني للأكسجين الجزيئي ، والطاقة في شكل ATP ، وتقليل الطاقة في شكل NADPH التي يتم الحصول عليها من التحلل الضوئي للماء.

سيتم استخدام منتجات الأخيرين من هذه المرحلة الخفيفة في مرحلة مظلمة من التمثيل الضوئي (أو كالفين دورة) لCO استيعاب ₂ وإنتاج الكربوهيدرات (السكريات).

أنظمة الصور الأول والثاني

تسمى سلاسل النقل هذه بالنظم الضوئية (الأول والثاني) وتقع مكوناتها في البلاستيدات الخضراء. يستخدم كل واحد منهم أصباغ مختلفة ، ويمتص الضوء بأطوال موجية مختلفة.

ومع ذلك ، فإن العنصر المركزي للتكتل بأكمله هو مركز تجميع الضوء المكون من نوعين من الكلوروفيل (أ و ب) ، كاروتينات مختلفة وبروتين 26 كيلو دالتون.

ثم يتم نقل الفوتونات الملتقطة إلى مراكز التفاعل التي تحدث فيها التفاعلات التي سبق ذكرها.

الهيدروجين الجزيئي

الطريقة الأخرى التي استخدمت بها الكائنات الحية التحلل الضوئي للماء تتضمن توليد الهيدروجين الجزيئي (H ₂). على الرغم من أن الكائنات الحية يمكن أن تنتج الهيدروجين الجزيئي بطرق أخرى (على سبيل المثال ، من خلال عمل الإنزيم البكتيري فورماتو هيدروجينولياز) ، فإن الإنتاج من الماء هو أحد أكثر الطرق اقتصادية وفعالية.

هذه عملية تظهر كخطوة إضافية بعد التحلل المائي للماء أو مستقلة عنه. في هذه الحالة ، الكائنات الحية القادرة على تنفيذ تفاعلات الضوء قادرة على فعل شيء إضافي.

تم الإبلاغ عن استخدام H ⁺ (البروتونات) و e- (الإلكترونات) المشتقة من التحلل الضوئي للماء لتكوين H ₂ فقط في البكتيريا الزرقاء والطحالب الخضراء. في الشكل غير المباشر ، يكون إنتاج H ₂ بعد التحلل الضوئي للماء وتوليد الكربوهيدرات.

يتم تنفيذه بواسطة كلا النوعين من الكائنات الحية. الطريقة الأخرى ، التحلل الضوئي المباشر ، أكثر إثارة للاهتمام ويتم تنفيذه فقط بواسطة الطحالب الدقيقة. يتضمن هذا توجيه الإلكترونات المشتقة من الانهيار الضوئي لمياه النظام الضوئي II مباشرة إلى الإنزيم الذي ينتج H ₂ (هيدروجيناز).

ومع ذلك ، فإن هذا الإنزيم شديد الحساسية لوجود O ₂. يعد الإنتاج البيولوجي للهيدروجين الجزيئي عن طريق التحلل الضوئي للماء مجالًا للبحث النشط. ويهدف إلى توفير بدائل رخيصة ونظيفة لتوليد الطاقة.

التحلل الضوئي غير البيولوجي

تحلل الأوزون بالأشعة فوق البنفسجية

يعد تحلل الأوزون بواسطة الأشعة فوق البنفسجية (UV) أحد أكثر التحلل الضوئي التلقائي وغير البيولوجي المدروس. يتكون الأوزون ، وهو أزوتروب من الأكسجين ، من ثلاث ذرات من العنصر.

الأوزون موجود في مناطق مختلفة من الغلاف الجوي ، لكنه يتراكم في منطقة نسميها طبقة الأوزون. هذه المنطقة ذات تركيز الأوزون العالي تحمي جميع أشكال الحياة من التأثيرات الضارة للأشعة فوق البنفسجية.

على الرغم من أن الأشعة فوق البنفسجية تلعب دورًا مهمًا للغاية في كل من توليد الأوزون وتدهوره ، إلا أنها تمثل واحدة من أكثر الحالات الرمزية للانهيار الجزيئي بواسطة الطاقة المشعة.

من ناحية أخرى ، يشير إلى أن الضوء المرئي ليس فقط قادرًا على توفير فوتونات نشطة للتحلل. علاوة على ذلك ، بالاقتران مع الأنشطة البيولوجية لتوليد الجزيء الحيوي ، فإنه يساهم في وجود وتنظيم دورة الأكسجين.

عمليات أخرى

التفكك الضوئي هو أيضًا المصدر الرئيسي لتفكك الجزيئات في الفضاء بين النجوم. عمليات التحلل الضوئي الأخرى ، التي يتلاعب بها البشر هذه المرة ، لها أهمية صناعية وعلمية وتطبيقية أساسية.

يحظى التحلل الضوئي للمركبات البشرية المنشأ في الماء باهتمام متزايد. يحدد النشاط البشري أن المضادات الحيوية والأدوية ومبيدات الآفات والمركبات الأخرى ذات الأصل الصناعي تنتهي في الماء في كثير من الأحيان.

تتمثل إحدى طرق تدمير أو تقليل نشاط هذه المركبات على الأقل من خلال التفاعلات التي تتضمن استخدام الطاقة الضوئية لكسر روابط معينة في تلك الجزيئات.

من الشائع جدًا في العلوم البيولوجية العثور على مركبات معقدة فعالة للضوء. بمجرد وجودها في الخلايا أو الأنسجة ، يتعرض بعضها لنوع من الإشعاع الضوئي لتفكيكها.

يؤدي هذا إلى ظهور مركب آخر تسمح مراقبته أو اكتشافه بالإجابة على العديد من الأسئلة الأساسية.

في حالات أخرى ، تتيح دراسة المركبات المشتقة من تفاعل الانحلال الضوئي المقترن بنظام الكشف إجراء دراسات تركيبية عالمية لعينات معقدة.

المراجع

1. Brodbelt، JS (2014) قياس الطيف الكتلي للانفصال الضوئي: أدوات جديدة لتوصيف الجزيئات البيولوجية. مراجعات المجتمع الكيميائي ، 43: 2757-2783.
2. Cardona، T.، Shao، S.، Nixon، PJ (2018) تعزيز التمثيل الضوئي في النباتات: تفاعلات الضوء. مقالات في الكيمياء الحيوية ، 13: 85-94.
3. أوي ، م ، سوير ،. AL، Ross، IL، Hankamer، B. (2016) التحديات والفرص لإنتاج الهيدروجين من الطحالب الدقيقة. مجلة التكنولوجيا الحيوية النباتية ، 14: 1487-1499.
4. Shimizu، Y.، Boehm، H.، Yamaguchi، K.، Spatz، JP، Nakanishi، J. (2014) A photoactivatable Nanopatterned Substrate لتحليل الهجرة الجماعية للخلايا مع مصفوفة الخلايا خارج الخلية التي تم ضبطها بدقة لتفاعلات Ligand. بلوس ون 9: e91875.
5. Yan ، S. ، Song ، W. (2014) التحويل الضوئي للمركبات النشطة صيدلانيًا في البيئة المائية: مراجعة. علوم بيئية. العمليات والآثار ، 16: 697-720.