لماذا العشب اخضر —‏ نظرة عن كثب الى التخليق الضوئي

‏«لماذا العشب اخضر؟‏» ربما طرحتم هذا السؤال عندما كنتم صغارا.‏ فهل حصلتم على جواب كافٍ؟‏ يمكن ان تكون اسئلة الاولاد،‏ كهذا السؤال،‏ عميقة جدا.‏ فقد تدفعنا الى التأمّل بعمق اكثر في الامور اليومية التي نعتبرها من المسلَّمات وقد تكشف روائع مخبَّأة لم نكن ندري قط بوجودها.‏

لكي تفهموا لماذا العشب اخضر،‏ تصوَّروا شيئا قد يبدو ان لا علاقة له بالعشب البتة.‏ حاولوا ان تتصوَّروا كيف يكون المصنع المثالي.‏ أفلا تجري عمليات المصنع المثالي بهدوء ويكون منظره جذابا؟‏ ان عمل المصنع المثالي يحسِّن البيئة بدلا من ان يلوِّثها.‏ وطبعا سيُنتِج شيئا نافعا —‏ حيويا حقا —‏ لكل شخص.‏ ألا تظنّون ان مصنعا كهذا ينبغي ان يعمل بالطاقة الشمسية؟‏ فبهذه الطريقة،‏ لن يحتاج الى توصيلات كهربائية او الى تسلّم الفحم او النفط من اجل عمله.‏

ان المصنع المثالي الذي يعمل بالطاقة الشمسية سيستعمل دون شك الواحا شمسية تفوق بأشواط تكنولوجيا الانسان اليوم.‏ فستكون فعّالة جدا،‏ ولن يكون صنعها او تشغيلها مكلفا او ملوِّثا.‏ ومع ان المصنع المثالي سيستعمل التكنولوجيا الاكثر تقدما التي يمكن تصوّرها،‏ فسيكون ذلك دون لفت الانتباه،‏ ودون المشاكل الفنية او الاعطال،‏ او عمليات اعادة الضبط المستمرة اللازمة كما يبدو للتكنولوجيا الاكثر تطوّرا هذه الايام.‏ ويمكننا ان نتوقَّع ان يعمل المصنع المثالي تلقائيا على نحو كامل،‏ وألّا يحتاج الى انتباه البشر من اجل تشغيله.‏ وفي الواقع،‏ سيقوم بإصلاح نفسه،‏ وسيكفي نفسه بنفسه،‏ وحتى سينسخ نفسه.‏

فهل المصنع المثالي مجرَّد خيال علمي؟‏ مجرَّد حكاية وهمية؟‏ كلا،‏ ابدا،‏ لأن المصنع المثالي حقيقي كما ان العشب الذي تدوسونه حقيقي.‏ وفي الواقع،‏ انه العشب الذي تدوسونه،‏ بالاضافة الى السرخس الذي في مكتبكم والشجرة التي تطلّ عليها نافذتكم.‏ فالمصنع المثالي هو ايّة نبتة خضراء!‏ فإذ تتزوَّد النباتات الخضراء بالطاقة بواسطة اشعة الشمس،‏ تستعمل ثاني اكسيد الكربون،‏ الماء،‏ والمعادن لإنتاج الطعام بطريقة مباشرة او غير مباشرة لكل انواع الحياة على الارض تقريبا.‏ وفي اثناء ذلك،‏ تعيد الى الغلاف الجوي ما يخسره،‏ إذ تزيل منه ثاني اكسيد الكربون وتطلق الاكسجين الصافي.‏

وتنتج نباتات الارض الخضراء كلها ما يُقدَّر بـ‍ ١٥٠ الى ٤٠٠ بليون طن من السكر كل سنة —‏ اكثر بكثير مما تنتجه كل مصانع الحديد،‏ الفولاذ،‏ السيارات،‏ والصناعات الفضائية البشرية مجتمعة.‏ وهي تفعل ذلك باستعمال الطاقة من الشمس لتفصل ذرّات الهيدروجين عن جُزَيئات الماء وتربط ذرّات الهيدروجين تلك بجُزَيئات ثاني اكسيد الكربون من الهواء،‏ محوِّلة ثاني اكسيد الكربون الى كربوهيدرات يُعرف بالسكر.‏ وتُسمَّى هذه العملية الرائعة التخليق الضوئي photosynthesis.‏ ويمكن ان تستعمل النباتات جُزيئات السكر التي انتجتها حديثا لتوليد الطاقة او يمكن ان تربط بعضها بالبعض الآخر لتصنع منها النشاء من اجل تخزين الطعام،‏ او لتصنع منها السلّيلوز،‏ وهو المادة الليفية القاسية التي تشكِّل ألياف النباتات.‏ تصوروا ذلك!‏ فشجرة السكويَة هذه،‏ التي ترتفع ٩٠ مترا فوق رأسكم،‏ صُنعت خلال نموِّها بشكل رئيسي من الهواء،‏ جُزَيء واحد من ثاني اكسيد الكربون وجُزَيء واحد من الماء في كل مرة،‏ في ملايين خطوط التجميع المجهرية التي تُسمَّى صانعات الكلوروفيل chloroplasts.‏ ولكن كيف تمّ ذلك؟‏

تفحُّص «المحرِّك»‏

ان صُنع شجرة سكويَة من الهواء (‏ومن الماء وبعض المعادن)‏ لأمر مدهش فعلا،‏ لكنَّه ليس سحرا.‏ فهو نتيجة تصميم ذكي وتكنولوجيا يفوقان بأشواط ما احرزه الانسان.‏ وشيئا فشيئا،‏ يرفع العلماء النقاب عن اسرار التخليق الضوئي ليتأمَّلوا بذهول في العمليات الكيميائية الحيوية الفائقة التعقيد الجارية فيه.‏ فلنلقِ نظرة معهم على «المحرِّك» المسؤول عن اعالة كل اشكال الحياة على الارض تقريبا.‏ فربما ننال جوابا عن سؤالنا:‏ «لماذا العشب اخضر؟‏»‏

لنتفحَّص بواسطة مجهرنا الدقيق ورقة نبات نموذجية.‏ تبدو الورقة خضراء بكاملها للعين المجرَّدة،‏ لكنَّ ذلك وهم.‏ فالخلايا النباتية الافرادية التي نراها تحت المجهر ليست خضراء كما يبدو.‏ وبدلا من ذلك،‏ تغلب عليها الشفافية،‏ لكنَّ كل واحدة تحتوي على نحو ٥٠ الى ١٠٠ نقطة خضراء متناهية الصغر.‏ وهذه النقاط هي صانعات الكلوروفيل،‏ حيث يوجد الكلوروفيل الاخضر الحساس للضوء،‏ وحيث يجري التخليق الضوئي.‏ فماذا يجري داخل صانعات الكلوروفيل؟‏

تشبه صانعات الكلوروفيل اكياسا صغيرة جدا تحوي اكياسا اصغر ايضا،‏ تُسمَّى ثايلاكويدات thylakoids.‏ لقد وجدنا اخيرا اللون الاخضر في العشب.‏ ان جُزَيئات الكلوروفيل الخضراء مغروزة في سطح الثايلاكويدات،‏ ليس عشوائيا انما بمجموعات مرتبة بعناية تُسمى المجموعات الضوئية photosystems.‏ وهنالك نوعان من المجموعات الضوئية في معظم النباتات الخضراء،‏ ويُعرف هذان بالمجموعة الضوئية الاولى (‏PSI)‏ والمجموعة الضوئية الثانية (‏PSII)‏.‏ وتعمل المجموعتان الضوئيتان كفريقَي انتاج متخصِّصَين في مصنع،‏ يهتم كلّ منهما بسلسلة معيَّنة من مراحل التخليق الضوئي.‏

‏«فضلات» لا تذهب سدى

عندما يضرب ضوء الشمس سطح الثايلاكويد،‏ تكون انظمة جُزَيئات الكلوروفيل من المجموعة الضوئية الثانية،‏ والتي تُسمَّى المركَّبات الجامعة للنور،‏ منتظرة لتلتقطه.‏ وتهتم هذه الجُزَيئات بأن تمتص بشكل خصوصي النور الاحمر بطول موجيّ محدَّد.‏ وفي انحاء اخرى من الثايلاكويد،‏ تبحث انظمة المجموعة الضوئية الاولى عن النور بطول موجي اطول قليلا.‏ وفي الوقت نفسه،‏ تمتص جُزَيئات الكلوروفيل وبعض الجُزَيئات الاخرى،‏ كأشباه الكاروتين،‏ الضوء الازرق والبنفسجي.‏

فلماذا العشب اخضر؟‏ من بين كل الاطوال الموجية التي تضرب النباتات،‏ الضوء الاخضر وحده غير نافع لها،‏ ولذلك فهو يُعكس بكل بساطة فتلتقطه اعيننا وكاميراتنا المراقبة.‏ فكروا في ذلك!‏ فالاخضر الناضر في الربيع،‏ كما الأخضر الزمردي الغامق في الصيف،‏ يَنتج من الاطوال الموجية التي لا تهتم النباتات بها انما نعزّها نحن البشر!‏ فبخلاف التلوّث والنفايات التي تطلقها مصانع الانسان،‏ لا تذهب هذه «الفضلات» من النور سدى ابدا عندما نتأمل في مرج جميل او في غابة رائعة،‏ وننعش انفسنا بلون الحياة المسِرّ.‏

نعود الى صانعات الكلوروفيل.‏ ففي نظام المجموعة الضوئية الثانية،‏ ظلّت الطاقة من الجزء الاحمر من نور الشمس تنتقل الى الإلكترونات في جُزَيئات الكلوروفيل الى ان صار احد الإلكترونات اخيرا هائجا او «مُثارا» جدا بحيث قفز من النظام كله،‏ وارتمى في احضان جُزَيء حامل في غشاء الثايلاكويد.‏ وكالراقصة التي تُمرَّر من شريك الى شريك،‏ يُمرَّر الإلكترون من جُزَيء حامل الى آخر فيما يخسر الطاقة تدريجيا.‏ وعندما تصير طاقته منخفضة كفاية،‏ يمكن استعماله على نحو آمن ليحل محل إلكترون في المجموعة الضوئية الاخرى،‏ المجموعة الاولى.‏ —‏ انظروا الرسم البياني ١.‏

في هذه الاثناء يكون إلكترون ناقصا من المجموعة الثانية،‏ مما يجعلها مشحونة على نحو ايجابي وحاضرة لكي يحل إلكترون آخر محل الإلكترون الذي خسرته.‏ وكما هي حال رجل وجد منذ لحظة انه تعرَّض للنشل،‏ تكون منطقة المجموعة الضوئية الثانية التي تُعرَف بالمجموعة المُطلِقة للاكسجين في حالة من الفوضى.‏ فأين يمكن العثور على إلكترون؟‏ هوذا جُزَيء ماء لا حول له ولا حيلة يتسكّع في الجوار.‏ وهنالك مفاجأة غير سارة في انتظاره.‏

شطر جُزَيئات الماء

يتألف جُزَيء الماء من ذرة اكسجين كبيرة نسبيا وذرتَي هيدروجين اصغر حجما.‏ وفي المركَّب المنتِج للاكسجين في المجموعة الضوئية الثانية توجد اربعة إيونات ions من معدن المنڠنيز تفصل الالكترونات عن ذرات الهيدروجين التي في جُزَيء الماء.‏ ونتيجة لذلك،‏ يتفكك جُزَيء الماء الى إيونَين موجبَين من الهيدروجين (‏پروتونَين)‏،‏ ذرة اكسجين،‏ وإلكترونَين.‏ وفيما يتجزَّأ المزيد من جُزَيئات الماء،‏ تجتمع ذرات الاكسجين لتشكل جُزَيئات غاز الاكسجين التي تعيدها النبتة الى الهواء لكي نستعملها نحن.‏ وتبتدئ إيونات الهيدروجين بالتراكم داخل «كيس» الثايلاكويد،‏ حيث يمكن ان تستعملها النبتة،‏ فيما تُعاد الإلكترونات الى المجموعة الضوئية الثانية التي تصير مستعدة لتكرار الدورة عدة مرات في الثانية.‏ —‏ انظروا الرسم البياني ٢.‏

اما داخل كيس الثايلاكويد،‏ فتبدأ إيونات الهيدروجين بالبحث عن مخرج.‏ فلا يُزاد إيونا هيدروجين في كل مرة يتحلَّل فيها جُزَيء ماء فحسب،‏ انما تنجذب إيونات هيدروجين اخرى الى كيس الثايلاكويد بواسطة إلكترونات المجموعة الضوئية الثانية فيما تُمرَّر الى المجموعة الضوئية الاولى.‏ وسرعان ما تصير إيونات الهيدروجين كنحل غضبان في خلية مزدحمة.‏ فكيف يمكنها ان تخرج؟‏

لقد زوَّد المصمِّم البارع للتخليق الضوئي بابا دوّارا،‏ لا يمكن عبوره الى الخارج إلّا بطريقة واحدة،‏ وهو بشكل انزيم خصوصي يُستعمل لصنع وقود خلوي مهم جدا يسمَّى ادِنوزين ثلاثي الفسفات (‏ATP)‏.‏ ففيما تندفع إيونات الهيدروجين الى الخارج عبر الباب الدوّار،‏ تزوِّد الطاقة اللازمة لإعادة شحن جُزَيئات الـ‍ ATP المستهلَكة.‏ (‏انظروا الرسم البياني ٣.‏)‏ تشبه جُزَيئات الـ‍ ATP بطاريات خلوية متناهية في الصغر.‏ فهي تزوِّد كميّات صغيرة من الطاقة،‏ داخل الخلية،‏ من اجل كل انواع التفاعلات في الخلية.‏ وستكون جُزَيئات الـ‍ ATP هذه لازمة لاحقا على خط تجميع السكر في التخليق الضوئي.‏

بالاضافة الى جُزَيئات الـ‍ ATP،‏ يحتاج تجميع السكر الى جُزَيء صغير آخر.‏ ويُسمَّى NADPH (‏شكل مُرجَع من نوكليوتيد ثنائي فوسفور الپيريدين)‏.‏ فجُزَيئات الـ‍ NADPH تشبه شاحنات تسليم صغيرة،‏ ويحمل كلّ منها ذرة هيدروجين الى انزيم منتظِر يحتاج الى ذرة الهيدروجين ليساعد على بناء جُزَيء واحد من السكر.‏ وصنع الـ‍ NADPH هو مهمة المجموعة الضوئية الاولى.‏ ففيما تكون احدى المجموعتَين الضوئيتَين (‏الثانية)‏ مشغولة بشطر جُزَيئات الماء وباستعمالها لصنع جُزَيئات الـ‍ ATP،‏ تمتص المجموعة الضوئية الاخرى (‏الاولى)‏ الضوء وتُطلق الإلكترونات التي ستُستعمل في النهاية لصنع الـ‍ NADPH.‏ وتُخزَّن جُزَيئات الـ‍ ATP وجُزَيئات الـ‍ NADPH على السواء في الحيّز الذي يقع خارج الثايلاكويد لكي تُستعمل لاحقا في خط تجميع السكر.‏

النوبة الليلية

تُنتَج بلايين اطنان السكر كل سنة بواسطة التخليق الضوئي،‏ ومع ذلك،‏ فتفاعلات التخليق الضوئي التي تستمد طاقتها من النور لا تصنع السكر في الواقع.‏ فكل ما تنتجه هو جُزَيئات الـ‍ ATP (‏«البطاريات»)‏ وجُزَيئات الـ‍ NADPH (‏«شاحنات التسليم»)‏.‏ ومن هذه المرحلة،‏ فإن الانزيمات التي في السَّدَى،‏ او الحيّز خارج الثايلاكويدات،‏ تستعمل الـ‍ ATP والـ‍ NADPH لإنتاج السكر.‏ ففي الواقع يمكن للنبتة ان تصنع السكر في ظلام تام!‏ ويمكنكم تشبيه صانعات الكلوروفيل بمصنع لديه فريقا عمل (‏المجموعتان الاولى والثانية)‏ داخل الثايلاكويدات يصنعان البطاريات وشاحنات التسليم (‏الـ‍ ATP والـ‍ NADPH)‏ لكي يستعملها فريق ثالث (‏انزيمات خصوصية)‏ موجود خارجا في السَّدَى.‏ (‏انظروا الرسم البياني ٤.‏)‏ ويصنع ذلك الفريق الثالث جُزَيئات السكر بجمع ذرات الهيدروجين بجُزَيئات ثاني اكسيد الكربون في ترتيب دقيق من التفاعلات الكيميائية مستعملا الانزيمات في السَّدَى.‏ ويمكن ان تعمل الفرق الثلاث كلها خلال النهار،‏ وبالاضافة الى ذلك،‏ يعمل فريق انتاج السكر نوبة ليلية،‏ على الاقل حتى ينتهي مخزون الـ‍ ATP والـ‍ NADPH الذي أُنتج خلال نوبة النهار.‏

فيمكنكم ان تعتبروا السَّدَى نوعا من وكالات سمسرة الزيجات ملآنا ذرات وجُزَيئات تطلب «تزويجها» لكنها لا تتجرأ على القيام بذلك وحدها.‏ وتشبه بعض الانزيمات سماسرة زواج شديدي الالحاح.‏a انها جُزَيئات پروتين ذات شكل خصوصي لا يسمح لها بالتعلّق إلّا بالذرات المناسبة لتفاعل محدّد.‏ لكنّها لا تكتفي فقط بتعريف رفيقَي الزواج المقبِلَين ببعضهما.‏ فالانزيمات لا ترضى إلّا حين ترى الزواج يحدث،‏ ولذلك فهي تمسك الزوجين المقبِلَين المتردِّدَين وتُلزقهما،‏ جاعلة الزواج يحدث وكأنه زواج كيميائي احيائي تحت تهديد السلاح.‏ وبعد الاحتفال،‏ تُطلق الانزيمات الجُزَيء الجديد وتكرِّر العملية مرارا.‏ تمرِّر الانزيمات في السَّدى جُزَيئات السكر غير المكتملة بسرعة فائقة فتعيد ترتيبها وتمدّها بالطاقة بواسطة الـ‍ ATP،‏ تزيد عليها ثاني اكسيد الكربون،‏ تعلِّق بها الهيدروجين،‏ وأخيرا ترسل السكر المحتوي على ثلاث ذرات من الكربون ليُحوَّل في انحاء اخرى من الخلية الى جُزَيء ڠلوكوز وتنوّع كبير من المواد الاخرى.‏ —‏ انظروا الرسم البياني ٥.‏

لماذا العشب اخضر؟‏

ان التخليق الضوئي هو اكثر من مجرد تفاعل كيميائي اساسي.‏ انه سمفونية كيميائية احيائية معقدة ومرهفة الى حد مذهل.‏ يعبِّر كتاب عمليات الحياة في النباتات (‏بالانكليزية)‏ عن الامر بهذه الطريقة:‏ «ان التخليق الضوئي عملية رائعة ومنظَّمة جدا للاستفادة من الطاقة في فوتونات الشمس.‏ فتصميم النبتة المعقد والضوابط الكيميائية الاحيائية والوراثية المعقدة على نحو مدهش التي تتحكَّم في التخليق الضوئي يمكن اعتبارها اشكالا محسَّنة للعملية الاساسية للإمساك بالفوتون وتحويل طاقته الى شكل كيميائي.‏»‏

وبكلمات اخرى،‏ ان معرفة سبب كون العشب اخضر تعني ان نتأمل بذهول تصميما وتكنولوجيا اسمى بكثير من ايّ شيء صممه الجنس البشري —‏ «آلات» لا يمكن رؤيتها بمجهر عادي تضبط نفسها،‏ وتصلِح نفسها،‏ وتعمل بسرعة آلاف وحتى ملايين الدورات في الثانية (‏دون ضجة،‏ تلوّث،‏ او بشاعة)‏،‏ محوِّلة نور الشمس الى سكر.‏ وذلك يعطينا لمحة عن فكر مصمِّم ومهندس من الدرجة الاولى —‏ خالقنا يهوه اللّٰه.‏ ففكروا في ذلك في المرة القادمة التي تتأملون فيها احد المصانع المثالية الرائعة والداعمة للحياة التي خلقها يهوه،‏ او في المرة القادمة التي تمشون فيها على ذلك العشب الاخضر الجميل.‏

‏[الحاشية]‏

‏[مصدر الصورة في الصفحة ١٨]‏

Inset photo: Colorpix,‎ Godo-Foto

‏[الصورة في الصفحة ١٩]‏

كيف جعل التخليق الضوئي هذه الشجرة تنمو؟‏

‏[الرسم في الصفحة ٢٠]‏

الرسم البياني ١

‏[الرسم في الصفحة ٢٠]‏

الرسم البياني ٢

‏[الرسم في الصفحة ٢١]‏

الرسم البياني ٣

‏[الرسم في الصفحة ٢١]‏

الرسم البياني ٤

‏[الرسم في الصفحة ٢٢]‏

الرسم البياني ٥