أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

30التركيب الضوئي

ضع غصينًا من عشبة الماء مقلوبًا في جرة ماء تحت مصباح، فيرتفع من الساق المقطوعة تيار من الفقاعات: هو الأكسجين، فقاعة كل بضع ثوان، أسرع إذا قرّب المصباح، وينقطع إذا أطفئ. والغاز هو النصف المرئي من مسار يغذي كل حيوان على الكوكب وجعل الهواء صالحًا للتنفس قبل ملياري سنة. وقد أعطاه الفصل 4 في سطر واحد: ثنائي أكسيد الكربون والماء، مع الضوء، يصيران سكرًا وأكسجينًا. وهذا الفصل يفتح البلاستيدة الخضراء ويتابع طاقة فوتون إلى داخل رابطة كيميائية.

30.1 البلاستيدة الخضراء

تعريف 30.1 (البلاستيدة الخضراء)

البلاستيدة الخضراء عضية التركيب الضوئي: جسم عدسي الشكل طوله نحو $5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ، يحده غشاء مضاعف، ويحوي سائلًا هو الحشوة، تقع فيه أكداس من أكياس غشائية مسطحة هي التيلاكويدات. وأغشية التيلاكويد تحمل الأصبغة — اليخضور a وb، وهما أخضران، والكاروتينات البرتقالية — وتحمل البروتينات التي تحوّل طاقة الضوء؛ أما الحشوة فتحمل الإنزيمات التي تبني السكر. وتحوي خلية الورقة عشرات البلاستيدات الخضراء، ويحوي الميليمتر المربع من الورق نحو نصف مليون.

بلاستيدة خضراء في المجهر الإلكتروني: الغلاف المضاعف، والحشوة، وأغشية التيلاكويد مكدسة في غرانا، حيث تجلس الأصبغة. فالضوء يلتقط في الأغشية؛ والسكر يبنى في السائل حولها.

قضية 30.2 (أي ضوء يستعمل)

اليخضور يمتص الضوء الأزرق والأحمر امتصاصًا قويًا ولا يكاد يمتص الأخضر — ولهذا كانت الأوراق خضرًا. والتركيب الضوئي تقوده الأطوال الموجية التي تمتصها الأصبغة: فمعدله، مقيسًا بدلالة طول الموجة (وهو طيف الفعل)، يرتفع وينخفض مع امتصاص الأصبغة، بذروتين في الأزرق والأحمر وحضيض في الأخضر.

شواهد. وضع إنغلمان (سنة 1882) خيطًا من طحلب أخضر في قطرة ماء فيها جراثيم تسبح نحو الأكسجين، وأسقط طيفًا على طول الخيط عبر المجهر: فتجمعت الجراثيم حول القطع المضاءة بالأزرق وبالأحمر، وتحاشت الأخضر — إذ كان الأكسجين يتحرر حيث سقط هذان اللونان. والقياس الحديث لخرج الأكسجين تحت مصابيح ملونة يعطي المنحني نفسه، وهو يطابق طيف امتصاص الأصبغة المستخلصة. ∎

امتصاص الضوء عند أصبغة ورقة مستخلصة، ومعدل التركيب الضوئي عند الورقة، بدلالة طول الموجة. وكلاهما يبلغ ذروته في الأزرق والأحمر وينخفض في الأخضر: فالضوء الذي يقود التركيب الضوئي هو الضوء الذي تمتصه الأصبغة.

30.2 المرحلة الضوئية: الماء يشق والطاقة تخزن

قضية 30.3 (ما يجري في التيلاكويدات)

في أغشية التيلاكويد، في الضوء، تقع ثلاثة أمور معًا:

جزيئات الماء تشق: فيتحرر أكسجينها على صورة $\mathrm{O_2}$ — فأكسجين التركيب الضوئي آت من الماء لا من ثنائي أكسيد الكربون — ويحتفظ بهيدروجينها إلكترونات وبروتونات؛
وطاقة الفوتونات الممتصة تستعمل في تحميل تلك الإلكترونات على جزيء حامل هو NADP المرجَع، وستستعمله الحشوة مصدرًا للهيدروجين؛
والطاقة نفسها تقود تركيب ATP.

فالمرحلة الضوئية تحوّل الضوء إذن إلى ناتجين كيميائيين، هما ATP وNADP المرجَع، وتحرر الأكسجين ناتجًا ثانويًا. ولا شأن لثنائي أكسيد الكربون بها.

شواهد. أضاء هيل (سنة 1937) بلاستيدات خضراء معزولة في ماء مع متلقٍّ اصطناعي للإلكترونات وبلا ثنائي أكسيد الكربون: فحررت الأكسجين وأرجعت المتلقي. فتحرر الأكسجين يحتاج ضوءًا وماء لا $\mathrm{CO_2}$ ، وهو مقترن بنقل الإلكترونات. وأمدّ روبن وكامن (سنة 1941) طحالب بماء يحوي النظير الثقيل $^{18}$ O: فكان الأكسجين المتحرر ثقيلًا؛ وحين أمدّاها بثنائي أكسيد كربون ثقيل وماء عادي لم يكن كذلك. فالأكسجين آت من الماء. ∎

مرحلتا التركيب الضوئي. في أغشية التيلاكويد، يشق الضوء الماء ويحرر الأكسجين ويشحن حاملين، هما ATP وNADP المرجَع. وفي الحشوة يدفع الحاملان ثمن تثبيت ثنائي أكسيد الكربون في السكر. فالمرحلة الأولى تحتاج الضوء؛ والثانية لا تحتاج إلا نواتجه.

30.3 مرحلة الكربون: بناء السكر

قضية 30.4 (دورة كالفن)

في الحشوة، يوصل ثنائي أكسيد الكربون، جزيئًا في كل مرة، بسكر خماسي الكربون موجود أصلًا، وذلك بأوفر إنزيم على الأرض؛ والناتج السداسي الكربون ينشق في الحال إلى جزيئين ثلاثيي الكربون، يرجعان — باستعمال ATP وNADP المرجَع الآتيين من المرحلة الضوئية — إلى سكاكر ثلاثية الكربون. ويعاد تدوير معظمها لتجديد المتلقي الخماسي الكربون، فتنغلق دورة كالفن؛ ويغادر واحد من كل ستة الدورة مكسبًا صافيًا للنبات. فثلاث دورات، وثلاثة جزيئات $\mathrm{CO_2}$ تثبَّت، وتسعة ATP وستة NADP مرجَع تنفق: يصدَّر سكر ثلاثي الكربون واحد. واثنان منه يصنعان غلوكوزًا.

شواهد. أعطى كالفن (في خمسينيات القرن العشرين) طحالب ثنائي أكسيد كربون موسومًا بالكربون المشع $^{14}$ C بضع ثوان، وقتلها في كحول مغلي، وفصل جزيئاتها: فبعد خمس ثوان كان الوسم في حمض ثلاثي الكربون واحد؛ وبعد ثلاثين، في سكاكر ثلاثية الكربون وفي المتلقي الخماسي؛ وبعد دقائق، في السكروز والنشاء. وقطع الضوء ترك المتلقي غير مجدَّد والحمض الثلاثي الكربون يتراكم؛ وقطع $\mathrm{CO_2}$ ترك المتلقي يتراكم. فترتيب الظهور هو ترتيب الدورة. ∎

دورة كالفن، محسوبة لثلاث دورات. ثلاثة جزيئات ثنائي أكسيد الكربون تنضم إلى ثلاثة متلقيات خماسية الكربون؛ والنواتج الستة الثلاثية الكربون ترجَع إلى سكاكر على حساب ATP وNADP المرجَع الآتيين من المرحلة الضوئية؛ ويعاد تدوير خمسة من الستة إلى المتلقيات وواحد هو المكسب.

مثال 30.5 (حساب غلوكوز)

يحتاج غلوكوز واحد إلى ست جزيئات من ثنائي أكسيد الكربون، أي إلى ست دورات، و18 جزيء ATP و12 جزيء NADP مرجَعًا، تمدها كلها المرحلة الضوئية، وهي تشق 12 جزيء ماء وتحرر ستة جزيئات أكسجين لصنعها. وحصيلته الصافية هي: $6\,\mathrm{CO_2} + 12\,\mathrm{H_2O} \to \mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} + 6\,\mathrm{H_2O}$ ، وهي معادلة الفصل 4 الإجمالية، والماء الآن على الطرفين، إذ إن الأكسجين المتحرر آت من الماء المشقوق لا من ثنائي أكسيد الكربون.

عشبة الماء تحت مصباح: الفقاعات الصاعدة من الساق المقطوعة هي أكسجين المرحلة الضوئية. أحصها في الدقيقة، وحرّك المصباح، وغيّر لونه، تقس معدل التركيب الضوئي.

30.4 ماذا يصير السكر، وكم مقداره

قضية 30.6 (مصائر الناتج)

السكاكر الثلاثية الكربون المغادرة للدورة تركَّب، في البلاستيدة الخضراء، نشاءً، وهو مخزن الورقة النهاري، أو تصدَّر إلى السيتوبلازم وتحوَّل سكروزًا، وهو السكر الذي يحمله اللحاء (الفصل 28). ومنها يصنع النبات كل ما سواها: السيللوز للجدر، والدسم، و— مع الآزوت والكبريت من التربة — الحموض الأمينية والنوكليوتيدات. فالتركيب الضوئي مصدر طاقة النبات ومصدر مادته العضوية كلها، ومصدر المادة العضوية كلها تقريبًا على الأرض، عبر السلاسل الغذائية.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 30.7 (المردود، من الورقة إلى الكوكب)

تسلّم الشمس الساطعة نحو $1000\,\mathrm{W}$ في المتر المربع، منها نحو 45% في أطوال موجية تستطيع الأصبغة استعمالها؛ وتحوّل الورقة في أحسن الأحوال نحو 5% من ذلك إلى سكر في النهار، ويحوّل محصول، على مدى موسم، 1% إلى 2% من ضوء الشمس الكلي إلى كتلة حية. ومع صغر الكسر، فإن المجموع هائل: فالتركيب الضوئي يثبّت نحو $1 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الكربون في السنة — أي سُبع الكربون الذي في الجو — ويحرر الأكسجين الذي يستهلكه التنفس والحريق والصدأ.

طريقة 30.8 (الاستدلال في تجربة تركيب ضوئي)

عيّن ما يقاس: الأكسجين المتحرر (المرحلة الضوئية)، أم ثنائي أكسيد الكربون المأخوذ أو السكر المتكون (مرحلة الكربون)، أم الكتلة الحية (الكل، مع الزمن).
عيّن ما يغيَّر: الضوء (شدة، ولونًا)، أم ثنائي أكسيد الكربون، أم الحرارة، أم الماء — وعلى أي مرحلة يعمل.
وتذكر أن النبات يتنفس في الوقت نفسه: فخرج الأكسجين المقيس هو الإنتاج ناقص التنفس؛ وفي الظلام لا يظهر إلا التنفس (الفصل 4).
وتتبع الوسوم: فالنظير $^{18}$ O في الماء يظهر في الأكسجين؛ و $^{14}$ C في ثنائي أكسيد الكربون يظهر في السكاكر، بترتيب الدورة.

ملاحظة 30.9 (ضوء، ثم كيمياء)

الخطوة الوحيدة من التركيب الضوئي التي تحتاج الضوء هي الأولى: تحميل الإلكترونات من الماء على حامل، مع تحرر الأكسجين. وكل ما بعدها — صنع ATP، وتثبيت ثنائي أكسيد الكربون، وبناء السكر — كيمياء تستمر في الظلام ما دام الحاملان باقيين، وسيديرها تنفس الفصل التالي في الاتجاه المعاكس. فالبلاستيدة الخضراء هي حيث يحوَّل ضوء الشمس إلى عملة كيميائية؛ وسائر الخلية، وسائر المحيط الحيوي، ينفقها.

30.5 تمارين

تمرين 30.1 ★

صف البلاستيدة الخضراء وقل أين تقع الأصبغة وأين تقع الإنزيمات التي تبني السكر.

حل

حل التمرين 30.1.

عضية ذات غشاء مضاعف فيها حشوة سائلة تحوي أكداسًا من أغشية التيلاكويد. والأصبغة والبروتينات المحوِّلة للضوء في أغشية التيلاكويد؛ أما الإنزيمات التي تبني السكر ففي الحشوة.

تمرين 30.2 ★

لماذا كانت الأوراق خضرًا؟ وأي الألوان يقود التركيب الضوئي خير قيادة؟

حل

حل التمرين 30.2.

اليخضور يمتص الأزرق والأحمر ويعكس الأخضر، وهو ما نراه. والضوءان الأزرق والأحمر يقودان التركيب الضوئي خير قيادة.

تمرين 30.3 ★

اذكر نواتج المرحلة الضوئية الثلاثة وقل أيها ناتج ثانوي.

حل

حل التمرين 30.3.

ATP وNADP المرجَع والأكسجين؛ والأكسجين هو الناتج الثانوي، ويتحرر.

تمرين 30.4 ★

من أين يأتي الأكسجين الذي يحرره النبات، وكيف بُيّن ذلك؟

حل

حل التمرين 30.4.

من الماء المشقوق لا من ثنائي أكسيد الكربون: فالطحالب التي أعطيت ماء موسومًا بأكسجين ثقيل حررت $\mathrm{O_2}$ ثقيلًا؛ وحين أعطيت ثنائي أكسيد كربون موسومًا لم تفعل.

تمرين 30.5 ★

كم جزيء ثنائي أكسيد كربون، وكم ATP، وكم NADP مرجَعًا يحتاج غلوكوز واحد؟

حل

حل التمرين 30.5.

ستة جزيئات $\mathrm{CO_2}$ ، و18 ATP، و12 NADP مرجَعًا.

تمرين 30.6 ★★

من شكل الطيف، اقرأ الامتصاص ومعدل التركيب الضوئي عند $550\,\mathrm{nm}$ وعند $665\,\mathrm{nm}$ . ويضاء بيت زجاجي بمصابيح خضر توفيرًا للطاقة: علّق.

حل

حل التمرين 30.6.

عند $550\,\mathrm{nm}$ : الامتصاص نحو 8%، والمعدل نحو 25%. وعند $665\,\mathrm{nm}$ : الامتصاص نحو 90%، والمعدل نحو 95%. والمصابيح الخضر تسلّم الضوء الذي تستعمله الورقة أقل ما تستعمل؛ فيوفر البيت الزجاجي الطاقة بألا ينبت شيئًا تقريبًا.

تمرين 30.7 ★★

فسّر تجربة إنغلمان خطوة خطوة: ماذا تكشف الجراثيم، ولماذا تتجمع حيث تتجمع، وماذا تثبت التجربة.

حل

حل التمرين 30.7.

الجراثيم تسبح نحو الأكسجين؛ فتتجمع حيث يتحرر الأكسجين، أي حيث يقوم الطحلب بالتركيب الضوئي؛ وذلك تحت الجزأين الأزرق والأحمر من الطيف. فالتركيب الضوئي، مقيسًا بأكسجينه، يتوقف على لون الضوء ويتبع امتصاص الأصبغة.

تمرين 30.8 ★★

بلاستيدات خضراء معزولة في ماء، في الضوء، مع متلقٍّ اصطناعي للإلكترونات وبلا $\mathrm{CO_2}$ ، تحرر أكسجينًا. فماذا يبين ذلك عن العلاقة بين تحرر الأكسجين وتثبيت الكربون؟

حل

حل التمرين 30.8.

يتحرر الأكسجين من غير أن يثبَّت أي كربون: فالمرحلة الضوئية، وهي تشق الماء وتنقل الإلكترونات، منفصلة عن مرحلة الكربون ولا تحتاج $\mathrm{CO_2}$ ؛ وإنما تحتاج ضوءًا وماء وشيئًا يتلقى الإلكترونات.

تمرين 30.9 ★★

في تجربة كالفن يطفأ الضوء بينما يستمر $\mathrm{CO_2}$ : فيتراكم الحمض الثلاثي الكربون ويختفي المتلقي الخماسي الكربون. فسّر الملاحظتين.

حل

حل التمرين 30.9.

من غير ضوء لا ATP ولا NADP مرجَع، فلا يستطيع الحمض الثلاثي الكربون أن يرجَع فيتراكم؛ والمتلقي يظل يلتقط $\mathrm{CO_2}$ مدة لكنه لم يعد يجدَّد، فيستنفد.

تمرين 30.10 ★★

عشبة ماء تحرر 30 فقاعة في الدقيقة تحت مصباح على بعد $20\,\mathrm{cm}$ ؛ وعلى بعد $40\,\mathrm{cm}$ تحرر 8. فسّر، وتنبأ بالعدد في الظلام.

حل

حل التمرين 30.10.

شدة الضوء تهبط مع البعد (كمربعه تقريبًا: أي أربعة أضعاف أقل عند ضعف البعد)، فتمشي المرحلة الضوئية أبطأ. وفي الظلام لا يتحرر أكسجين — بل يستهلك النبات بعضه بالتنفس.

تمرين 30.11 ★★

ورقة تثبّت $8\,\mathrm{g}$ من $\mathrm{CO_2}$ في المتر المربع في الساعة. فأي كتلة غلوكوز ذلك، وأي كتلة أكسجين تتحرر؟ (الكتل المولية: $\mathrm{CO_2}$ 44، والغلوكوز 180، و $\mathrm{O_2}$ 32 $\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .)

حل

حل التمرين 30.11.

$8/44 \approx 0.18\,\mathrm{mol}$ من $\mathrm{CO_2}$ : أي $0.18/6 \approx 0.030\,\mathrm{mol}$ من الغلوكوز، نحو $5.5\,\mathrm{g}$ ؛ و $0.18\,\mathrm{mol}$ من $\mathrm{O_2}$ ، نحو $5.8\,\mathrm{g}$ .

تمرين 30.12 ★★★

فسّر لماذا كثيرًا ما تسمى مرحلة الكربون "المرحلة المظلمة" ولماذا كانت التسمية مضللة، مستعينًا بما يحل بها في نبات يبقى في الظلام ساعة.

حل

حل التمرين 30.12.

هي لا تستعمل الضوء بنفسها، بل نواتج المرحلة الضوئية لا غير. لكنها في نبات يبقى في الظلام تتوقف في غضون دقيقة، ما إن ينفد ATP وNADP المرجَع: فهي تمشي في الضوء، تغذيها المرحلة الضوئية، و"المظلمة" تصف ما تحتاجه لا متى تقع.

تمرين 30.13 ★★★

نبات يعطى ماء موسومًا بالنظير $^{18}$ O وثنائي أكسيد كربون موسومًا بالنظير $^{14}$ C. قل أين يوجد كل وسم بعد دقيقة، وبعد ساعة، وبعد يوم.

حل

حل التمرين 30.13.

$^{18}$ O: في $\mathrm{O_2}$ المتحرر في غضون دقيقة، وهو هناك بعد ساعة وبعد يوم (وبعضه أيضًا في ماء يصنعه التنفس). و $^{14}$ C: بعد دقيقة في الحمض الثلاثي الكربون وفي سكاكر الدورة؛ وبعد ساعة في السكروز والنشاء؛ وبعد يوم في السيللوز والدسم والحموض الأمينية، وفي $\mathrm{CO_2}$ الذي يزفر.

تمرين 30.14 ★★★

تسلّم الشمس الساطعة $1000\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ . وتخزن ورقة $20\,\mathrm{W}/\mathrm{m}^{2}$ منها سكرًا. احسب المردود؛ ثم اذكر ثلاثة مواضع يذهب إليها الباقي.

حل

حل التمرين 30.14.

$20/1000 = 2\%$ . والباقي ينعكس (الأخضر)، أو يمتص في أطوال موجية غير مناسبة فيتحول حرارة، أو ينفق في النتح الذي يبخر الماء، أو يفقد حرارةً في التفاعلات الضوئية نفسها.

تمرين 30.15 ★★★

أكسجين الجو (21%) من أصل تركيبي ضوئي كله. فسّر لماذا كانت أرض بلا تركيب ضوئي ستفقد أكسجينها في غضون بضعة آلاف من السنين، وماذا يقول ذلك عن أول ملياري سنة من عمر الكوكب.

حل

حل التمرين 30.15.

التنفس والاحتراق وأكسدة الصخور والحديد تستهلك الأكسجين استهلاكًا متصلًا؛ ومن غير تركيب ضوئي يجدده، كان مخزون الجو سيستنفد في بضعة آلاف من السنين. ولم يكن في الجو الباكر أكسجين حر؛ ولم يتراكم إلا بعد أن أنتجته الكائنات التركيبية الضوئية زمنًا طويلًا جدًا — فأول ملياري سنة كانت فقيرة بالأكسجين.

30.6 مسألة: متر مربع من الورق

مسألة 30.1

مسألة نهاية الأسبوع — طاقة ضوء الشمس تتابع إلى السكر: الفوتونات تعد، والحاملان يحسبان، والأكسجين والكربون يوازنان، ومردود ورقة يحسب

متر مربع من الورق في شمس ساطعة يتلقى $1000\,\mathrm{W}$ ، منها $450\,\mathrm{W}$ في الأطوال الموجية التي تمتصها الأصبغة؛ وهو يثبّت $8\,\mathrm{g}$ من $\mathrm{CO_2}$ في الساعة. والغلوكوز يحمل $2870\,\mathrm{kJ}$ في المول. والكتل المولية: $\mathrm{CO_2}$ 44، و $\mathrm{O_2}$ 32، و $\mathrm{H_2O}$ 18، والغلوكوز $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

القسم الأول — الكربون والأكسجين.

كم مولًا من $\mathrm{CO_2}$ تثبّت الورقة في الساعة؟
وكم مولًا، وكم غرامًا، من الغلوكوز يصنع ذلك؟
وكم مولًا من $\mathrm{O_2}$ يتحرر، وأي حجم ذلك ( $24\,\mathrm{L}$ للمول)؟
وكم جزيء ماء يشق لتحرير ذلك الأكسجين؟ وكيف يقارن ذلك بحجم $600\,\mathrm{mL}$ من الماء ينتحها المتر المربع في الساعة؟
من أين تأتي كل ذرة أكسجين من $\mathrm{O_2}$ المتحرر، وكيف تعلم؟

القسم الثاني — الحاملان.

كم دورة من دورة كالفن تلزم في الساعة؟
وكم ATP وكم NADP مرجَعًا تمد به المرحلة الضوئية في الساعة؟
كل NADP مرجَع يحمل إلكترونين مأخوذين من الماء. فكم جزيء ماء لا بد أن يشق في الساعة لإمدادها؟ قارن بالسؤال 4.
لو توقفت المرحلة الضوئية عند الورقة (بأن سمّمت البلاستيدات الخضراء عن شق الماء مثلًا)، فأي من ATP وNADP المرجَع والأكسجين والسكر يكف عن التكون، وبأي ترتيب؟
ولو نزع $\mathrm{CO_2}$ بدل ذلك، فماذا يحل بالمرحلة الضوئية في غضون ثوان، ولماذا؟

القسم الثالث — الطاقة.

احسب الطاقة المخزونة في الغلوكوز المصنوع في الساعة، بالكيلوجولات، ثم استطاعةً بالواطات.
احسب مردود الورقة قياسًا بضوء الشمس الكامل، وقياسًا بالأطوال الموجية الممتصة.
فوتون ضوء أحمر ( $680\,\mathrm{nm}$ ) يحمل نحو $176\,\mathrm{kJ}$ لكل مول من الفوتونات. وتثبيت $\mathrm{CO_2}$ واحد يحتاج نحو 8 فوتونات. احسب طاقة الفوتونات المستعملة لكل مول من $\mathrm{CO_2}$ وقارنها بالطاقة المخزونة لكل مول من $\mathrm{CO_2}$ مثبَّت ( $2870/6$ ).
أي كسر من طاقة الفوتونات الممتصة ينتهي في الغلوكوز؟ وأين يذهب الباقي؟
والورقة تتنفس أيضًا $0.5\,\mathrm{g}$ من الغلوكوز في الساعة. فما مكسبها الصافي، وكيف تقيسه؟

القسم الرابع — من الورقة إلى الكوكب. تثبّت النباتات نحو $1 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الكربون في السنة؛ ويحمل الجو نحو $8.5 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الكربون على صورة $\mathrm{CO_2}$ ؛ وطحالب المحيط تثبّت قدر ما تثبّت نباتات اليابسة تقريبًا.

لو لم يرد شيء الكربون إلى الهواء، فكم سنة كان التركيب الضوئي يحتاج ليفرغ الجو من $\mathrm{CO_2}$ ؟
سمّ المسار الذي يرده، وفسّر لماذا كان $\mathrm{CO_2}$ في الجو، حتى وقت قريب، مستقرًا تقريبًا.
احسب كتلة الأكسجين المتحررة في السنة مقابل $1 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الكربون المثبَّت (جزيء $\mathrm{O_2}$ واحد لكل كربون).
يحمل الجو نحو $1.2 \times 10^{15}\,\mathrm{t}$ من الأكسجين. فكم سنة من التركيب الضوئي يمثل ذلك، ولماذا لم يكن الجواب عمر الأكسجين؟
اذكر النتيجة: مردود المتر المربع من الورق، وأصل الأكسجين الذي يحرره، وكسر كربون الجو الذي يمر عبر الأوراق كل سنة.

حل

حل المسألة 30.1.

1. $8/44 \approx 0.18\,\mathrm{mol}$ .

2. $0.18/6 = 0.030\,\mathrm{mol}$ ، أي نحو $5.5\,\mathrm{g}$ .

3. $0.18\,\mathrm{mol}$ من $\mathrm{O_2}$ ، أي نحو $4.4\,\mathrm{L}$ .

4. جزيئا ماء لكل $\mathrm{O_2}$ : أي $0.36\,\mathrm{mol}$ ، ونحو $6.5\,\mathrm{g}$ — أي واحد في المئة من $600\,\mathrm{mL}$ المنتوحة.

5. من جزيئات الماء المشقوقة في التيلاكويدات: وقد بُيّن ذلك بوسم الأكسجين الثقيل، وهو يظهر في $\mathrm{O_2}$ حين يوسم الماء لا غير.

6. دورة واحدة لكل $\mathrm{CO_2}$ : أي $0.18\,\mathrm{mol}$ من الدورات.

7. ثلاثة ATP واثنان NADP مرجَع في الدورة: أي $0.55\,\mathrm{mol}$ من ATP و $0.36\,\mathrm{mol}$ من NADP المرجَع.

8. كل ماء يشق يعطي إلكترونين، أي NADP مرجَعًا واحدًا: $0.36\,\mathrm{mol}$ من الماء — وهو الرقم نفسه في السؤال 4، كما يجب أن يكون.

9. يتوقف الأكسجين في الحال؛ ويكف NADP المرجَع وATP عن التكون وينفدان في غضون ثوان؛ ويتوقف السكر ما إن ينفد الحاملان.

10. لم تعد دورة كالفن تنفق الحاملين؛ فمن غير شيء يتلقى إلكتروناتهما وطاقتهما، تتكدس المرحلة الضوئية وتبطئ في غضون ثوان — فالمرحلتان مقترنتان بالحاملين.

11. $0.030 \times 2870 \approx 86\,\mathrm{kJ}$ في الساعة، أي $86000/3600 \approx 24\,\mathrm{W}$ .

12. $24/1000 = 2.4\%$ من ضوء الشمس الكامل؛ و $24/450 \approx 5\%$ من الأطوال الموجية الممتصة.

13. $8 \times 176 \approx 1400\,\mathrm{kJ}$ من الفوتونات لكل مول من $\mathrm{CO_2}$ ؛ والمخزون: $2870/6 \approx 480\,\mathrm{kJ}$ .

14. نحو الثلث؛ والباقي يتحرر حرارةً في نقلات الطاقة المتعاقبة في المرحلتين.

15. المكسب الصافي $5.5 - 0.5 = 5\,\mathrm{g}$ من الغلوكوز في الساعة. ويقاس بأخذ $\mathrm{CO_2}$ الصافي في الضوء؛ أما التنفس وحده فيقاس في الظلام ويضاف لنحصل على التركيب الضوئي الإجمالي.

16. $8.5 \times 10^{11}/1 \times 10^{11} \approx 8.5$ سنوات — ومع تثبيت طحالب المحيط قدر ذلك، نحو 4 سنوات.

17. التنفس (عند النبات والحيوان والفطور والجراثيم)، مع الحريق، يرد ثنائي أكسيد الكربون بالمعدل نفسه تقريبًا؛ فتوازن التثبيت والرد، وظل المخزون ثابتًا حتى أضاف حرق الوقود الأحفوري مصدرًا جديدًا.

18. $1 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الكربون هي $8.3 \times 10^{12}\,\mathrm{mol}$ ؛ والعدد نفسه من مولات $\mathrm{O_2}$ نحو $2.7 \times 10^{11}\,\mathrm{t}$ من الأكسجين.

19. $1.2 \times 10^{15}/2.7 \times 10^{11} \approx 4500$ سنة من الإنتاج (ونحو 2000 مع حصة المحيط). لكن التنفس يستهلك الأكسجين بمعدل يقارب معدل صنعه بالتركيب الضوئي، فالمخزون توازن لا تراكم: والأكسجين الذي في الهواء بني على مدى مئات الملايين من السنين بالفائض الصغير للإنتاج على الاستهلاك.

20. نحو 2% من ضوء الشمس الكامل (أي 5% من الأطوال الموجية الصالحة) يخزن سكرًا؛ والأكسجين المتحرر هو أكسجين الماء المشقوق؛ ونحو ربع كربون الجو يمر عبر التركيب الضوئي كل سنة.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

البلاستيدة الخضراء

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد