ج. استهلاك مخرجات التمثيل الضوئي بالتنفس

التمثيل الضوئي، هو عملية إنتاج الكربوهيدرات Carbohydrate. والكربوهيدرات اسم عام لعدد من المركبات العضوية، من عناصر الكربون، والهيدروجين والأكسجين. جزيئات الكربوهيدرات مكونة من سلاسل مترابطة، من جزيئات الكربون، مع ذرات الهيدروجين، وأزواج ذرات الهيدروكسايل (Hydroxyl, OH)، ويُرْمَز، كيماوياً إلى ارتباط ذرة الكربون وذرة الهيدروجين وجزيء الهيدروكسايل، بالرمز –CHOH-؛ والشرطتان، قبل الرمز وبعده، يشيران إلى أن هذه الوحدة جزء من سلسلة طويلة.

التمثيل الضوئي للكربوهيدرات، يتطلب سلسلة من التفاعلات الكيماوية الحيوية، المعقدة، التي يستخدم فيها الماء H₂O وثاني أكسيد الكربون CO₂، إلى جانب الطاقة الضوئية. ويمكن أن يكتب التفاعل الكيماوي للتمثيل الضوئي كما يلي:

 

 

 

 

جزيء غاز الأكسجين، ينتج، تلقائياً، من عملية التمثيل الضوئي.

عملية التنفس Respiration عملية مضادة لعملية التمثيل الضوئي؛ إذ تكسر فيها الكربوهيدرات، ويدخل معها الأكسجين، لينتج من هذه العملية ثاني أكسيد الكربون والماء.

 

 

 

والطاقة الكيماوية الناتجة من العملية، تُخْتَزَن في أنواع من الجزيئات الحاملة للطاقة، وتستخدم، لاحقاً، في تركيب الجزيئات الحيوية.

إن تفاعلات عمليتَي التمثيل الضوئي والتنفس، أكثر تعقيداً من المعادلتَين الآنفتَين. ولكن، من المهم الربط بين العمليتَين، في دورة مستمرة، تبدأ بالكائنات المنتجة الأولى، حتى تلك المحللة منها. في (شكل عمليتي التمثيل الضوئي والتنفس)، تبدأ دورة واحدة مغلقة، لكلٍّ من الهيدروجين H والكربون C، ودورتان للأكسجين. ولم يؤخذ في الحسبان، أن هناك ذرتَين من الهيدروجين، في كلٍّ من جزيء الماء، وجزيء الكربوهيدرات؛ وأن في كلٍّ من جزيء ثاني أكسيد الكربون، وجزيء الأكسجين ذرتَي من أكسجين. فالاهتمام في الشكل منصب على نمط الانتقال والدوران من مستوى إلى آخر.

لعل أفضل ما يمكن أن يتَّبع منه بداية الدورة، هو نقطة في التربة حيث يمتص النبات الماء إلى أعلى، وأوراقه الخضراء، تجري عملية التمثيل الضوئي، بينما تمتص خلايا الأوراق الطاقة الضوئية، ويؤخذ ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الغازي. في هذه المرحلة، يطلق الأكسجين، ويبدأ دورته في الغلاف الغازي. وعندما تموت الأنسجة النباتية، وتسقط على الأرض، تبدأ المحللات تعمل على تفكيكها؛ فتحصل، خلال التنفس، على الأكسجين من الغلاف الغازي أو من فراغات التربة المملوءة بالهواء، وتستخدمه في عملية تفكيك الكربوهيدرات؛ وتنطلق الطاقة. وهنا، يدخل كلٌّ من ثاني أكسيد الكربون والماء الغلاف الغازي، على شكل غازات.

إن من أهم ما يمكن استخلاصه من هذا الرسم (انظر شكل عمليتي التمثيل الضوئي والتنفس)، هو أن الطاقة، تجري خلال النظام. فهي تستمد، ابتداءً، من الشمس، لتعود فتنطلق في الفضاء، مرة أخرى. وفي الجانب الآخر، المكونات المادية: الهيدروجين، والأكسجين، والكربون، تعيد الدورة، ثانية، خلال هذا النظام. وكثير من المكونات المادية الأخرى، تعيد الدورة، كذلك، بالطريقة نفسها. ومن هذه المكونات، المغذيات النباتية الضرورية لنمو النبات، والتي تجري إعادة تدويرها باستمرار. ولأن نظام كوكب الأرض، لا يفقد مادة ولا يكتسبها، وإن كان يتبادل الطاقة مع الفضاء، فإن المكونات المادية، لا تخرج من هذا النظام الكبير، بل يمكن أن تُختَزَن بطرائق أو أشكال أخرى، تصبح معها غير متاحة لاستخدام النبات، لفترات زمنية، قد تمتد لعصور جيولوجية طويلة (انظر شكل معدل دورة بخار الماء). ففي حين يقدر الزمن، الذي تستغرقه دورة ثاني أكسيد الكربون، بنحو 300 عام، فإن دورة الأكسجين، تستغرق ألفَي عام؛ بينما تستغرق دورة بخار الماء قرابة مليونَي عام.