ملحق

التركيب الجزيئي وعملية البناء الضوئي

الجزيئات Molecules

هي وحدات يمكن تجزئة المادة إليها. وتتكون الجزيئات من دقائق أصغر، أُطلق عليها، باليونانية، اسم Atom، ومعناها "غير قابلة للانقسام"، وأطلق عليها، بالعربية، اسم "الذرة". وكل نوع من الجزيئات، يتكون من عدد معين من الذرات المرتبطة فيما بينها بروابط كيميائية.

الذرات Atoms

ومفردها ذرة Atom، وهى أصغر جزء من العنصر، يمكن أن يدخل في التفاعلات الكيميائية، دون أن ينقسم أو يتجزأ. وتتكون الذرة من النواة، التي يحيط بها المسارات أو المدارات الإلكترونية (اُنظر شكل تركيب الذرة).

النواة

هي مركز الذرة، حيث تتركز معظم كتلتها، وهى ذات شحنة موجبة. والنواة في غاية الصغر، إذ يراوح قطر الذرة بين 10 آلاف و100 ألف ضعف قطر النواة. وتحتوى النواة على جسيمات مادية صغيرة، هي البروتونات والنيوترونات.

البروتونات Protons

هي جسيمات صغيرة، موجبة الشحنة، موجودة في نواة الذرة. وكتلة البروتون، وتساوى (وحدة كتلة ذرية) وهى = 1.67 × 10–24جم، وهي تستخدم لقياس كتل الذرات، وجسيماتها. ويختلف عدد البروتونات في نواة الذرة، باختلاف العناصر الكيمائية. فعلى سبيل المثال، نواة ذرة الهيدروجين تحتوى على بروتون واحد، بينما تحتوي ذرة الأكسجين على 8 بروتونات.

كما يُطلق على عدد البروتونات، في نواة ذرة أي عنصر، اسم "العدد الذرى"، لذا فإن العدد الذرى لعنصر الهيدروجين هو (1).

النيوترونات Neutrons

هي جسيمات متعادلة كهربائياً، موجودة في أنوية ذرات كل العناصر، فيما عدا ذرة الهيدروجين العادي. وكتلة النيوترون، معادلة تقريباً لكتلة البروتون، ويكونان معاً (كتلة الذرة) أو (الكتلة الذرية).

المدارات الإلكترونية (اُنظر شكل المدارات الإلكترونية)

هي مدارات حول نواة الذرة، تدور فيها جسيمات متناهية الصغر، سالبة الشحنة، يطُلق عليها "الإلكترونات". ووزن الإلكترون يعادل 1/1840 من وزن البروتون أو النيوترون. والإلكترونات في حركة دائمة سريعة في مداراتها حول النواة، لذا، لا يمكن تحديد موقعها في الذرة بصورة دقيقة. وعدد الإلكترونات (السالبة الشحنة)، التي تدور حول النواة، يساوى عدد البروتونات (الموجبة الشحنة) الموجودة في هذه النواة، لذا، تكون الذرة متعادلة كهربائياً. فعلى سبيل المثال، ذرة الأكسجين متعادلة كهربياً، حيث تحمل 8 بروتونات (موجبة الشحنة) في النواة، يدور حولها 8 إلكترونات (سالبة الشحنة). وتتوزع الإلكترونات، حول النواة في مستويات أو مدارات. ولكل مدار حد أقصى للتشبع من الإلكترونات، فالمستوى الأول حول النواة، يتشبع بعدد 2 إلكترون، أما المستوى الثاني فإنه يتشبع بعدد 8 إلكترونات.

الأيون:

تحت ظروف خاصة، قد تكتسب الذرة أو تفقد إلكتروناً، وفى هذه الحالة يُطلق على الذرة اسم "الأيون". وعندما تفقد الذرة إلكتروناً، فإنها تصبح (أيوناً موجباً)، أما إذا اكتسبت إلكتروناً، فإنها تصبح (أيوناً سالباً). لذا، يمكن تعريف الأيون، بأنه: "ذرة ذات شحنة كهربية موجبة أو سالبة، نتيجة فقدانها أو اكتسابها إلكتروناً واحداً أو أكثر".

الهيدروجين

هو أكثر الغازات وجوداً في الكون. واسم الهيدروجين مشتق من اللفظ اليوناني "هيدرو"، ومعناه (الماء)، أما "جين"، فهو مقطع باللغة الإنجليزية، ويعنى "المكون".

وترجع معرفة غاز الهيدروجين إلى أوائل القرن السادس عشر، حينما استطاع أحد علماء الكيمياء الألمان Paracelsus، إنتاج غاز الهيدروجين من تفاعل حمض مع معدن، وتجميعه كغاز مشتعل، إلا أنه لم يستطع تمييزه كعنصر آنذاك.

وفي عام 1766، استطاع العالم "هنري كافينديش" Henry Cavendish (اُنظر صورة هنري كافينديش)، تمييز غاز الهيدروجين كعنصر، وذلك عن طريق قياس كثافته، وحجم الغاز الناتج عن تفاعل كميات معروفة من الحمض والمعدن. وقد أطلق على غاز الهيدروجين آنذاك اسم "الهواء المشتعل". أما نظائر الهيدروجين، فلم يتم معرفتهم إلا مؤخراً، حينما بدأ العلماء في دراسة تركيب الذرة. ففي عام 1932، نجح عالم الكيمياء الأمريكي "هارولد يورى" Harold Ury، في تحضير نظير الهيدروجين المعروف باسم "الديويتيريم" Deuterium أو "الهيدروجين الثقيل"، ويرمز له بالرمز (D) أو Hydrogen – 2. ويحتوى الديوتيريم على نيوترون في نواته.

وفى عام 1935، نجح عالم الفيزياء النيوزيلندي المولد "أرنست روثرفورد" Ernest Rutherford (اُنظر صورة أرنست روثرفورد)، مع علماء آخرين، في تحضير النظير الثالث للهيدروجين، وهو "التريتيم" Tritium، وهو نظير مشع غير ثابت للهيدروجين، ويتحلل منتجاً غاز "الهيليوم" عن طريق انبعاث أشعة بيتا.

وجوده في الطبيعة

الهيدروجين هو أكثر العناصر وجوداً في الكون، حيث تصل نسبته إلى أكثر من 90% من العناصر الموجودة. ويعتقد العلماء أن الهيدروجين والهيليوم هما أصل العناصر، ومنهما تكونت بقية العناصر.

كما يُعد الهيدروجين، المكون الرئيسي للشمس والنجوم الأخرى، حيث يلعب دوراً رئيسياً في التفاعل البروتوني ـ البروتوني، وهو تفاعل يتضمن سلسلة من التفاعلات النووية، التي ينتج عنها تحول الهيدروجين إلى عنصر الهيليوم، في النجوم ذات الكتلة الصغيرة، ومن ضمنها الشمس. وهذه التفاعلات، هي المسئولة عن انبعاث الطاقة والضوء من هذه النجوم. وتساعد ارتفاع درجة الحرارة في هذه النجوم، على حدوث الاندماج النووي لذرات الهيدروجين، الأمر الذي يساعد على انبعاث طاقة هائلة من هذه التفاعلات النووية، وتحول الهيدروجين إلى غاز الهيليوم.

ويكون الهيدروجين حوالي 0.67% من وزن القشرة الأرضية، ويُعد تاسع أكثر العناصر شيوعاً على الأرض، حيث يدخل في تكوين وتركيب عديد من المواد الطبيعية الموجودة. ويُعد الماء أهم هذه المواد، التي يدخل الهيدروجين في تكوينها، كما يُعد الماء، في الوقت نفسه، مصدر الحياة على الأرض.

ويوجد الهيدروجين، كذلك، في صورة حرة، على هيئة غازات منبعثة من الأنشطة البركانية، أو محبوسة في الصخور أو الترسيبات الملحية. ويوجد، كذلك، في الغلاف الجوى، إلا أنه في هذه الحالة تكون نسبته قليلة، لا تتعدى جزء في المليون، نتيجة لانتشاره المستمر إلى الفضاء الخارجي.

وعنصر الهيدروجين هو غاز شفاف مشتعل، ويرمز له بالرمز (H)، ورقمه الذرى (1). والهيدروجين هو العنصر الأول في الجدول الدوري للعناصر، وبالتالي فإنه يمتلك أبسط تركيب ذرى بين كافة العناصر، فنواه ذرة الهيدروجين، تتكون من بروتون واحد يدور حولها إلكترون واحد (اُنظر شكل التركيب الذري للهيدروجين).

والهيدروجين الحر الموجود على الأرض، يتواجد في صورة غازية، على هيئة جزيئات تتكون من ذرتي هيدروجين. وجزيء الهيدروجين المتكون من ذرتي هيدروجين، يعرف بالرمز الكيميائي (H₂).

وقد يوجد الهيدروجين مرتبطاً في عدد من المواد الأخرى، مثل المركبات الهيدركربونية الموجودة في البترول والفحم. ويدخل، كذلك، في تكوين جميع الأنسجة النباتية، والحيوانية مع عناصر أخرى، مثل: الأكسجين والكربون. وتحتوي جميع الأحماض، كذلك، على الهيدروجين.

الأكسجين

هو عنصر كيميائي، يلعب دوراً حيوياً في التنفس، والعمليات الحيوية في الجسم، كما يدخل في عديد من الصناعات العامة. والأكسجين هو ثالث أكثر العناصر وجوداً في الكون، كما أنه أكثرها شيوعاً على سطح الأرض.

وقد يوجد الأكسجين، غير متحد مع غيره من العناصر، كما هو الحال في الغلاف الجوي، حيث يوجد الأكسجين في صورة غازية. وقد يوجد متحداً مع غيره من العناصر، كما هو الحال في القشرة الأرضية، والماء، والخلايا الحية.

والأكسجين عنصر غازي، ورمزه الكيميائي هو (O)، ورقمه الذري (8)، ووزنه الذري 15.9994. ويوجد الأكسجين في صورته الغازية، في شكل جزيء ثنائي الذرة (O₂)، حيث يكون ما يقرب من 20% من حجم الهواء الجاف. وغاز الأكسجين هو غاز شفاف، ليس له طعم، أو رائحة (اُنظر شكل التركيب الذري للأكسجين).

وترجع معرفة غاز الأكسجين إلى القرن الثامن عشر، حيث كان العالم السويدي "كارل شيلا" Carl Scheele، والإنجليزي "جوزيف بريستلى" Joseph Priestly، أول من قاما بالحصول على غاز الأكسجين (اُنظر صورة بريستلي وشيلا).

غير أن الفضل في معرفة الخصائص الكيميائية لغاز الأكسجين، يرجع إلى العالم الفرنسي "أنطوان لافوازيه" Antoine Lavoisier، الذي قام بتقييم واستعمال تجارب العالم الإنجليزي "جوزيف بريستلي" Joseph Priestly. وقد قام "لافوازيه" بإطلاق اسم "الأكسجين" على هذا الغاز، وهو اسم مشتق من كلمتين يونانيتين، وتعني "مكونة الأحماض". ويرجع أصل هذه التسمية إلى اعتقاد خاطئ من قبل "لافوازيه"، بمقدرة أي أكسيد، عند ذوبانه في الماء، على تكوين حامض. وقد يكون هذا الاعتقاد صحيح، في حالة بعض الأكاسيد، مثل ثاني أكسيد الكبريت، الذي يكون، عند ذوبانه في الماء، حمض الكبريتوز. إلا أن هذا الاعتقاد يُعد خطأ في حالة بعض الأكاسيد الأخرى، مثل أكسيد الصوديوم، الذي يكون هيدروكسيد الصوديوم عند ذوبانه في الماء.

الرابطة الهيدروجينية

هي رابطة تجاذبية كهربية ضعيفة، بين ذرة الهيدروجين المرتبطة بذرة أخرى في جزيء، والذرة سالبة الشحنة في جزيء آخر، أو في نفس الجزيء. والذرات سالبة الشحنة، هي تلك الذرات التي تجذب الإلكترونات ناحية نواتها في رابطة قطبية. وأكثر العناصر الشائعة، ذات الذرات سالبة الشحنة، هي: الأكسجين، والكلورين، والنيتروجين، والفلورين.

   ويُعد التجاذب بين الجزيئات من خلال الرابطة الهيدروجينية، مسؤولاً عن عديد من الخصائص الهامة، للمواد المحتوية على هذه الرابطة. فعلى سبيل المثال، في الماء السائل، تُعد الرابطة الهيدروجينية بين ذرة الهيدروجين الموجبة في جزيء، وذرة الأكسجين سالبة الشحنة في جزيء آخر، مسؤولة عن حالته السائلة. كما تُعـد هذه الرابطة مسؤولة، في الوقت نفسه، عـن رفع درجة غليـان الماء، إلى درجة أعلـى (100^°م)، مما لو كانت هذه الروابط غير موجودة بين جزيئات الماء.

كما تُعد الرابطة الهيدروجينية، داخل جزيء البروتين، مسؤولة عن وجود البروتين في الشكل ثلاثي الأبعاد، الأساسي لقيامه بوظائفه الحيوية.

عملية البناء الضوئي Photosynthesis

هي عملية حيوية، تُستخدم فيها الطاقة المستمدة من أشعة الشمس، في تصنيع المواد العضوية، من الماء وثاني أكسيد الكربون، بينما يتم اخراج الأكسجين. وعلى الرغم من أن هذه العملية تحدث بصورة رئيسية فى النباتات الخضراء، إلا أنها تحدث، كذلك، في الطحالب، وفى بعض أنواع البكتيريا.

وقد ظلت عملية البناء الضوئى غير معروفة حتى منتصف القرن السابع العشر، حينما لاحظ عالم الفيزياء "فان هلمونت" Van Helmont، أن نمو النبات يعتمد بصورة رئيسية على الماء، وليس التربة. ثم أثبت العالم "ستيفن هال" Stephen Hale، بعد ذلك، في بداية القرن الثانى عشر، أن نمو النبات، يعتمد بصورة رئيسية، على الضوء والهواء.

وفى عام 1771، أدت التجارب التى أجراها العالم الإنجليزى "جوزيف بريستلى"، إلى وضع أساسيات نظرية البناء الضوئي، إذ أثبت هذا العالم، أن الهواء الناتج من الحيوان، يمكن أن يستخدمه البنات أثناء نموه. وفى عام 1779، لاحظ "جان انجن هوسز" Jan Ingen Housz، و"جين سينيبر" Jean Senbier، أن النبات يستخدم الهواء الفاسد الناتج من الحيوان ويحوله إلى هواء صحي في وجود الضوء فقط. وقد توصل "انجن هوسز" إلى أن النبات فى هذه العملية، يستخدم ثاني أكسيد الكربون للحصول منه على كربون، لبناء المواد العضوية، ثم يخرج الأكسجين إلى الجو. كما أثبت "نيوكلاس تيودور دى ساسور" Nicolas Theodore de Saussure، أن النبات أثناء هذه العملية يحتاج كذلك إلى الماء. وبصياغة نظرية "بقاء الطاقة"، عام 1845، بواسطة العالم "يوليوس روبرت" Juluas Robert، أمكن معرفة دور الطاقة المستمدة من ضوء الشمس في عملية البناء الضوئى.

ثم تتابعت بعد ذلك اكتشافات العلماء للمادة الخضراء، المتواجدة في النبات، والمسؤولة عن عملية البناء الضوئي، وأطلق عليها "اليخضور" أو "الكلوروفيل" Chlorophyl. وفى عام 1950، اكتشف عالم النبات البريطاني "بلاكمان" Blackman، أن عملية البناء الضوئى تتكون من تفاعلين رئيسيين، الأول يتم فى الضوء، ويطلق عليه "تفاعل الضوء" Light Reaction، والثاني يحدث في الظلام، ويطلق عليه "تفاعل الظلام" Dark Reaction.

ويمكن تقسيم عملية البناء الضوئى إلى ثلاث عمليات رئيسية هي:

1. امتصاص الطاقة الضوئية بواسطة الكلوروفيل

يوجد الكلوروفيل في البلاسيتدات الخضراء Chloroplast، حيث تتكون كل بلاستيدة من صفائح مصفوفة فوق بعضها، يطلق عليها اسم "الجرانا" Grana. وتحتوى الجرانا على جزيئات الكلوروفيل والإنزيمات الخاصة بالتفاعلات الضوئية. وتوجد هذه الصفائح فى الأرضية التى يطلق عليها اسم Stroma، والتي تحتوي على الإنزيمات الخاصة بالتفاعلات الضوئية.

وعندما تتعرض أوراق النبات إلى ضوء الشمس، تقوم جزئيات الكلوروفيل بتحويل هذه الطاقة الضوئية إلى طاقة الكترونية قادرة على تحليل الماء، بما يؤدى إلى تكون إلكترونات، وأكسجين، وماء في النهاية.

2. تحويل الطاقة الضوئية إلى شكل كيميائي

تقوم مجموعات السيتوكروم الموجودة في الخلية النباتية، بتخزين هذه الطاقة الإلكترونية على شكل الـ (ATP) (أدينوسين ثلاثى الفوسفات)، الناتج من تفاعل مركب (ADP) (الأدينوسي ثنائي الفوسفات)، ومجموعة الفوسفات. ثم تعود الإلكترونات بعد ذلك إلى مداراتها الأصلية، لتكرار نقل الطاقة. وينتج من هذا التفاعل في النهاية تكوين مركب الـ (ATP) والـ (NADP – H) الغنيين بالطاقة المخزونة.

3. تثبيت ثانى أكسيد الكربون (التفاعلات اللاضوئية)

وفى هذه الخطوة يتم تثبيت ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى سكر جلوكوز، من خلال سلسلة من التفاعلات التي يقوم الـ ATP، والـ NADP-H، بمدها بالطاقة. وبعد ذلك يتحول الجلوكوز إلى مركبات هيدروكربونية وبروتينية ودهنية.