البناء الضوئي

سيكون من المستحيل المبالغة في تقدير أهمية التمثيل الضوئي في الحفاظ على الحياة على الأرض. إذا توقفت عملية التمثيل الضوئي ، فلن يكون هناك سوى القليل من الطعام أو المواد العضوية الأخرى على الأرض. ستختفي معظم الكائنات ، وفي الوقت المناسب يصبح جو الأرض شبه خالي من الأكسجين الغازي. الكائنات الحية الوحيدة القادرة على الوجود في مثل هذه الظروف هي البكتيريا التركيبية الكيميائية ، والتي يمكنها الاستفادة من الطاقة الكيميائية لبعض المركبات غير العضوية وبالتالي فهي لا تعتمد على تحويل الطاقة الضوئية.

الطاقة التي تنتجها عملية التمثيل الضوئي التي قامت بها النباتات منذ ملايين السنين هي المسؤولة عن الوقود الأحفوري (أي الفحم والنفط والغاز) الذي يغذي المجتمع الصناعي. في العصور الماضية ، زادت النباتات الخضراء والكائنات الصغيرة التي تتغذى على النباتات بشكل أسرع من استهلاكها ، وترسبت بقاياها في قشرة الأرض عن طريق الترسبات وغيرها من العمليات الجيولوجية. هناك ، المحمية من الأكسدة ، تم تحويل هذه الرفات العضوية ببطء إلى الوقود الأحفوري. لا توفر هذه الأنواع من الوقود الكثير من الطاقة المستخدمة في المصانع والمنازل والنقل فحسب ، ولكنها أيضًا بمثابة المواد الخام للمواد البلاستيكية وغيرها من المنتجات الاصطناعية. لسوء الحظ ، تستخدم الحضارة الحديثة في بضعة قرون الفائض من إنتاج التمثيل الضوئي المتراكمة على مدى ملايين السنين. وبالتالي ، فإن ثاني أكسيد الكربون الذي تمت إزالته من الهواء لصنع الكربوهيدرات في عملية التمثيل الضوئي على مدى ملايين السنين ، يتم إعادته بمعدل سريع للغاية. يزداد تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي للأرض بشكل أسرع من أي وقت مضى في تاريخ الأرض ، ومن المتوقع أن يكون لهذه الظاهرة آثار كبيرة على مناخ الأرض.

لقد أدت متطلبات الغذاء والمواد والطاقة في عالم ينمو فيه البشر بسرعة إلى خلق حاجة إلى زيادة كمية التمثيل الضوئي وكفاءة تحويل ناتج التمثيل الضوئي إلى منتجات مفيدة للناس. استجابة واحدة لتلك الاحتياجات – ما يسمى حققت الثورة الخضراء ، التي بدأت في منتصف القرن العشرين – تحسينات هائلة في الغلة الزراعية من خلال استخدام الأسمدة الكيماوية ، ومكافحة الآفات والأمراض النباتية ، وتربية النباتات ، والحرث الآلي ، والحصاد ، وتجهيز المحاصيل. حصر هذا الجهد المجاعات الشديدة في مناطق قليلة من العالم على الرغم من النمو السكاني السريع ، لكنه لم يقضي على سوء التغذية على نطاق واسع. علاوة على ذلك ، ابتداء من أوائل التسعينيات ، بدأ معدل زيادة غلة المحاصيل الرئيسية في الانخفاض. كان هذا صحيحا خاصة بالنسبة للأرز في آسيا. أصبحت التكاليف المتزايدة المرتبطة بالحفاظ على معدلات الإنتاج الزراعي المرتفعة ، والتي تتطلب مدخلات متزايدة من الأسمدة والمبيدات الحشرية والتطور المستمر لأنواع النباتات الجديدة ، مشكلة بالنسبة للمزارعين في العديد من البلدان.

ثورة زراعية ثانية ، تعتمد على النبات كان من المتوقع أن تؤدي الهندسة الوراثية إلى زيادة في إنتاجية النبات وبالتالي التخفيف جزئيًا من سوء التغذية. منذ سبعينيات القرن العشرين ، يمتلك علماء البيولوجيا الجزيئية الوسائل اللازمة لتغيير المادة الوراثية للنبات (الحمض النووي الريبي النووي) ، بهدف تحقيق تحسينات في مقاومة الأمراض والجفاف ، وإنتاجية المنتج وجودته ، وصلابة الصقيع ، وغيرها من الخصائص المرغوبة. ومع ذلك ، فإن هذه السمات معقدة بطبيعتها ، وقد اتضح أن عملية إجراء تغييرات على نباتات المحاصيل من خلال الهندسة الوراثية أكثر تعقيدًا مما كان متوقعًا. في المستقبل ، قد تؤدي مثل هذه الهندسة الوراثية إلى تحسينات في عملية التمثيل الضوئي ، ولكن بحلول العقود الأولى من القرن الحادي والعشرين ، كان عليها أن تثبت أنها يمكن أن تزيد بشكل كبير من غلة المحاصيل.

ومن المجالات الأخرى المثيرة للاهتمام في دراسة التمثيل الضوئي اكتشاف بعض الحيوانات القادرة على تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية. سبيكة البحر الأخضر الزمردي اللون (إليسيا كلوروتيكا) ، على سبيل المثال ، يكتسب الجينات والبلاستيدات الخضراء من فوشريا ليتورياوهو طحالب يستهلكه ، مما يعطيها قدرة محدودة على إنتاج الكلوروفيل. عندما يتم استيعاب ما يكفي من البلاستيدات الخضراء ، قد تتخلى الدودة البزاقة عن تناول الطعام. ال البازلا المنAcyrthosiphon pisum) يمكن تسخير الضوء لتصنيع مركب أدينوسين ثلاثي الفوسفات الغني بالطاقة (ATP) ؛ لقد تم ربط هذه القدرة بتصنيع المنحدر من أصباغ الكاروتينات.