عالم النبات هو أحد الثروات الرئيسية لكوكبنا. بفضل النباتات الموجودة على الأرض ، يوجد الأكسجين الذي نتنفسه جميعًا ، وهناك قاعدة غذائية ضخمة تعتمد عليها جميع الكائنات الحية. تعتبر النباتات فريدة من نوعها من حيث قدرتها على تحويل المركبات الكيميائية غير العضوية إلى مواد عضوية.
يفعلون ذلك من خلال التمثيل الضوئي. تحدث هذه العملية الأكثر أهمية في عضيات نباتية محددة ، البلاستيدات الخضراء. يضمن هذا العنصر الأصغر وجود كل أشكال الحياة على هذا الكوكب. بالمناسبة ، ما هي البلاستيدات الخضراء؟
التعريف الأساسي
هذا هو اسم الهياكل المحددة التي تحدث فيها عمليات التمثيل الضوئي ، والتي تهدف إلى ربط ثاني أكسيد الكربون وتكوين بعض الكربوهيدرات. المنتج الثانوي هو الأكسجين. وهي عضيات مستطيلة يصل عرضها إلى 2-4 ميكرون ويصل طولها إلى 5-10 ميكرون. تحتوي بعض أنواع الطحالب الخضراء أحيانًا على بلاستيدات خضراء عملاقة بطول 50 ميكرون!
يمكن أن تحتوي نفس الطحالبميزة أخرى: بالنسبة للخلية بأكملها ، لديهم عضية واحدة فقط من هذا النوع. في خلايا النباتات العليا ، يوجد في الغالب ما بين 10-30 بلاستيدات خضراء. ومع ذلك ، في حالتهم ، قد تكون هناك استثناءات ملفتة للنظر. لذلك ، يوجد في نسيج الحاجز من الأشعث العادي 1000 بلاستيدات خضراء لكل خلية. ما هي هذه البلاستيدات الخضراء؟ التمثيل الضوئي هو دورهم الرئيسي ، لكنه بعيد عن الدور الوحيد. لفهم أهميتها بوضوح في الحياة النباتية ، من المهم معرفة العديد من جوانب أصلها وتطورها. كل هذا موصوف في باقي المقال
أصل البلاستيدات الخضراء
إذن ، ما هي البلاستيدات الخضراء ، علمنا. من أين أتت هذه العضيات؟ كيف طورت النباتات جهازًا فريدًا من نوعه يحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مركبات عضوية معقدة؟
حاليًا ، بين العلماء ، تسود وجهة نظر الأصل التعايش الداخلي لهذه العضيات ، نظرًا لأن حدوثها المستقل في الخلايا النباتية أمر مشكوك فيه إلى حد ما. من المعروف أن الحزاز هو تكافل بين الطحالب والفطريات. تعيش الطحالب أحادية الخلية داخل خلية الفطر. يقترح العلماء الآن أنه في العصور القديمة ، توغلت البكتيريا الزرقاء الضوئية في الخلايا النباتية ، ثم فقدت جزئيًا "استقلاليتها" ، ونقلت معظم الجينوم إلى النواة.
لكن العضوي الجديد احتفظ بميزته الرئيسية بالكامل. إنها مجرد عملية التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، فإن الجهاز نفسه ، الضروري لتنفيذ هذه العملية ، يتشكل تحتالسيطرة على نواة الخلية والبلاستيدات الخضراء نفسها. وبالتالي ، فإن تقسيم هذه العضيات والعمليات الأخرى المرتبطة بتنفيذ المعلومات الجينية إلى الحمض النووي تتحكم فيه النواة.
الدليل
مؤخرًا ، لم تكن فرضية الأصل بدائية النواة لهذه العناصر شائعة جدًا في المجتمع العلمي ، واعتبرها الكثيرون "اختراعات هواة". ولكن بعد تحليل متعمق لتسلسل النيوكليوتيدات في الحمض النووي للبلاستيدات الخضراء ، تم تأكيد هذا الافتراض ببراعة. اتضح أن هذه الهياكل متشابهة للغاية ، بل مرتبطة ، بالحمض النووي للخلايا البكتيرية. لذلك ، تم العثور على تسلسل مماثل في البكتيريا الزرقاء التي تعيش بحرية. على وجه الخصوص ، تبين أن جينات مركب تصنيع ATP ، وكذلك في "آلات" النسخ والترجمة ، متشابهة للغاية.
المحفزات التي تحدد بداية قراءة المعلومات الجينية من الحمض النووي ، وكذلك متواليات النوكليوتيدات النهائية المسؤولة عن إنهائها ، يتم تنظيمها أيضًا في صورة ومثال البكتيريا. بالطبع ، يمكن لمليارات السنين من التحولات التطورية إجراء العديد من التغييرات على البلاستيدات الخضراء ، لكن التسلسلات في جينات البلاستيدات الخضراء ظلت كما هي تمامًا. وهذا دليل قاطع على أن البلاستيدات الخضراء كان لها بالفعل سلف بدائية النواة. قد يكون الكائن الحي الذي تطورت منه البكتيريا الزرقاء الحديثة.
تطوير البلاستيدات الخضراء من proplastids
العضيات "الكبار" يتطور من proplastids. هذا صغير ، عديم اللون تمامًاعضية لا يتجاوز عرضها بضعة ميكرونات. إنه محاط بغشاء كثيف ثنائي الطبقة يحتوي على DNA دائري خاص بالبلاستيدات الخضراء. هذه "أسلاف" العضيات ليس لها نظام غشاء داخلي. نظرًا لصغر حجمهم ، فإن دراستهم صعبة للغاية ، وبالتالي هناك القليل جدًا من البيانات حول تطورهم.
من المعروف أن العديد من هذه البروتوبلاستيدات موجودة في نواة كل خلية بويضة من الحيوانات والنباتات. أثناء نمو الجنين ، ينقسمون وينتقلون إلى خلايا أخرى. من السهل التحقق من ذلك: الصفات الوراثية المرتبطة بطريقة ما بالبلاستيدات تنتقل فقط عبر خط الأم.
يبرز الغشاء الداخلي للبروتوبلاستيد في العضوي أثناء التطور. من هذه الهياكل ، تنمو أغشية الثايلاكويد ، وهي المسؤولة عن تكوين الحبيبات والصفائح من سدى العضوي. في الظلام الدامس ، يبدأ البروتوباستيد في التحول إلى طليعة البلاستيدات الخضراء (الأثيوبلاست). يتميز هذا العضوي الأولي بحقيقة وجود هيكل بلوري معقد بداخله. بمجرد أن يضرب الضوء ورقة النبات ، يتم تدميره تمامًا. بعد ذلك ، يحدث تكوين البنية الداخلية "التقليدية" للبلاستيدات الخضراء ، والتي تتكون فقط من الثايلاكويدات والصفائح.
الاختلافات في مصانع تخزين النشا
تحتوي كل خلية ميستيم على العديد من هذه البروبلاستيدات (يختلف عددها تبعًا لنوع النبات وعوامل أخرى). بمجرد أن يبدأ هذا النسيج الأولي في التحول إلى ورقة ، تتحول العضيات السليفة إلى بلاستيدات خضراء. لذا،تحتوي أوراق القمح الصغيرة التي أكملت نموها على بلاستيدات خضراء بحجم 100-150 قطعة. الأمور أكثر تعقيدًا بعض الشيء بالنسبة للنباتات القادرة على تراكم النشا.
يخزنون هذه الكربوهيدرات في البلاستيدات المسماة amyloplasts. ولكن ما علاقة هذه العضيات بموضوع مقالنا؟ بعد كل شيء ، لا تشارك درنات البطاطس في عملية التمثيل الضوئي! اسمحوا لي أن أوضح هذه المسألة بمزيد من التفصيل.
اكتشفنا ماهية البلاستيدات الخضراء ، على طول الطريق ، وكشفنا عن ارتباط هذا العضوي بهياكل الكائنات بدائية النواة. الوضع هنا مشابه: لقد اكتشف العلماء منذ فترة طويلة أن amyloplasts ، مثل البلاستيدات الخضراء ، تحتوي بالضبط نفس الحمض النووي وتتكون من نفس البروتوبلاستيدات بالضبط. لذلك ، يجب النظر إليها من نفس الجانب. في الواقع ، يجب اعتبار البلاستيدات الأميلوبلاستية نوعًا خاصًا من البلاستيدات الخضراء.
كيف تتشكل خلايا الأميلوبلاست؟
يمكن للمرء رسم تشابه بين البروتوبلاستيدات والخلايا الجذعية. ببساطة ، تبدأ أرومات الأميلوبلاست من نقطة ما في التطور على طول مسار مختلف قليلاً. ومع ذلك ، فقد تعلم العلماء شيئًا مثيرًا للفضول: لقد تمكنوا من تحقيق التحول المتبادل للبلاستيدات الخضراء من أوراق البطاطس إلى صانعات الأميلوبلاست (والعكس صحيح). المثال القانوني المعروف لكل تلميذ هو أن درنات البطاطس تتحول إلى اللون الأخضر في الضوء.
معلومات أخرى حول طرق التمايز بين هذه العضيات
نعلم أنه في عملية نضج ثمار الطماطم والتفاح وبعض النباتات الأخرى (وفي أوراق الأشجار والأعشاب والشجيرات في الخريف)"التحلل" ، عندما تتحول البلاستيدات الخضراء في خلية نباتية إلى صانعات صبغية. تحتوي هذه العضيات على أصباغ تلوين ، كاروتينات.
يرجع هذا التحول إلى حقيقة أنه في ظل ظروف معينة ، يتم تدمير الثايلاكويدات تمامًا ، وبعد ذلك تكتسب العضية تنظيمًا داخليًا مختلفًا. هنا نعود مرة أخرى إلى القضية التي بدأنا مناقشتها في بداية المقال: تأثير النواة على تطور البلاستيدات الخضراء. إنه ، من خلال بروتينات خاصة يتم تصنيعها في سيتوبلازم الخلايا ، هي التي تبدأ عملية إعادة هيكلة العضويات.
هيكل كلوروبلاست
بعد أن تحدثنا عن أصل وتطور البلاستيدات الخضراء ، يجب أن نتناول هيكلها بمزيد من التفصيل. علاوة على ذلك ، فهو ممتع للغاية ويستحق مناقشة منفصلة.
يتكون الهيكل الأساسي للبلاستيدات الخضراء من غشاءين من البروتين الدهني ، داخلي وخارجي. يبلغ سمك كل منها حوالي 7 نانومتر ، والمسافة بينهما 20-30 نانومتر. كما في حالة البلاستيدات الأخرى ، تشكل الطبقة الداخلية هياكل خاصة تبرز في العضوي. في البلاستيدات الخضراء الناضجة ، هناك نوعان من هذه الأغشية "الملتوية" في وقت واحد. شكل الصفائح اللحمية السابقة ، والأخيرة تشكل أغشية الثايلاكويد.
لاميلا و ثايلاكويدات
وتجدر الإشارة إلى أن هناك ارتباطًا واضحًا بين غشاء البلاستيدات الخضراء والتكوينات المماثلة الموجودة داخل العضوي. الحقيقة هي أن بعض طياته يمكن أن تمتد من جدار إلى آخر (كما في الميتوكوندريا). لذلك يمكن أن تشكل الصفائح إما نوعًا من "الحقيبة" أو متفرعةشبكة الاتصال. ومع ذلك ، غالبًا ما تكون هذه الهياكل موازية لبعضها البعض وغير متصلة بأي شكل من الأشكال.
لا تنس أنه يوجد داخل البلاستيدات الخضراء أيضًا ثايلاكويدات غشائية. هذه هي "أكياس" مغلقة مرتبة في كومة. كما في الحالة السابقة هناك مسافة 20-30 نانومتر بين جدارين من التجويف. تسمى أعمدة هذه "الأكياس" بالحبوب. يمكن أن يحتوي كل عمود على ما يصل إلى 50 ثايلاكويدًا ، وفي بعض الحالات يوجد أكثر من ذلك. نظرًا لأن "الأبعاد" الإجمالية لهذه الأكوام يمكن أن تصل إلى 0.5 ميكرون ، فيمكن أحيانًا اكتشافها باستخدام مجهر ضوئي عادي.
يمكن أن يصل العدد الإجمالي للحبوب الموجودة في البلاستيدات الخضراء للنباتات العليا إلى 40-60. يلتصق كل ثايلاكويد بشدة بالآخر بحيث تشكل أغشيته الخارجية مستوى واحدًا. يمكن أن تصل سماكة الطبقة عند التقاطع إلى 2 نانومتر. لاحظ أن مثل هذه الهياكل ، التي تتكون من الثايلاكويدات والصفائح المجاورة ، ليست غير شائعة.
في أماكن اتصالهم توجد أيضًا طبقة ، تصل أحيانًا إلى نفس 2 نانومتر. وهكذا ، فإن البلاستيدات الخضراء (هيكلها ووظائفها شديدة التعقيد) ليست بنية متجانسة واحدة ، ولكنها نوع من "الحالة داخل الدولة". في بعض الجوانب ، لا تقل بنية هذه العضيات تعقيدًا عن البنية الخلوية بأكملها!
غراناس مترابطة بدقة بمساعدة lamellae. لكن تجاويف الثايلاكويدات ، التي تشكل الأكوام ، تكون مغلقة دائمًا ولا تتواصل مع الغشاء بأي شكل من الأشكال.الفراغ. كما ترون ، هيكل البلاستيدات الخضراء معقد للغاية.
ما الأصباغ التي يمكن العثور عليها في البلاستيدات الخضراء؟
ما الذي يمكن احتوائه في سدى كل بلاستيدات خضراء؟ هناك جزيئات DNA فردية والعديد من الريبوسومات. في خلايا الأميلوبلاست ، تترسب حبيبات النشا في السدى. وفقًا لذلك ، تحتوي الكروموبلاستس على أصباغ تلوين هناك. بالطبع ، هناك العديد من أصباغ البلاستيدات الخضراء ، ولكن الأكثر شيوعًا هو الكلوروفيل. وهي مقسمة إلى عدة أنواع في وقت واحد:
- المجموعة أ (أزرق-أخضر). يحدث في 70 ٪ من الحالات ، وهو موجود في البلاستيدات الخضراء لجميع النباتات والطحالب العليا.
- المجموعة ب (أصفر-أخضر). تم العثور على نسبة 30٪ المتبقية أيضًا في الأنواع الأعلى من النباتات والطحالب.
- المجموعات C و D و E أكثر ندرة. توجد في البلاستيدات الخضراء لبعض أنواع الطحالب والنباتات السفلية.
ليس من غير المألوف أن تحتوي الأعشاب البحرية الحمراء والبنية على أنواع مختلفة تمامًا من الأصباغ العضوية في البلاستيدات الخضراء. تحتوي بعض الطحالب بشكل عام على جميع أصباغ البلاستيدات الخضراء الموجودة تقريبًا.
وظائف Chloroplast
بالطبع ، وظيفتها الرئيسية هي تحويل الطاقة الضوئية إلى مكونات عضوية. يحدث التمثيل الضوئي نفسه في الحبوب بمشاركة مباشرة من الكلوروفيل. يمتص طاقة ضوء الشمس ، ويحولها إلى طاقة الإلكترونات المثارة. هذا الأخير ، الذي يحتوي على فائض من الإمداد ، ينبعث من الطاقة الزائدة ، والتي تستخدم لتحلل الماء وتوليف ATP. عندما ينكسر الماء ، يتشكل الأكسجين والهيدروجين.الأول ، كما كتبنا أعلاه ، هو منتج ثانوي ويتم إطلاقه في الفضاء المحيط ، ويرتبط الهيدروجين ببروتين خاص ، وهو الفيروكسين.
يتأكسد مرة أخرى ، وينقل الهيدروجين إلى عامل الاختزال ، والذي يتم اختصاره في الكيمياء الحيوية باسم NADP. وفقًا لذلك ، شكله المختزل هو NADP-H2. ببساطة ، ينتج التمثيل الضوئي المواد التالية: ATP و NADP-H2 ومنتج ثانوي على شكل أكسجين.
دور الطاقة لـ ATP
يعتبر ATP المتكون مهمًا للغاية ، حيث إنه "المركب" الرئيسي للطاقة الذي يذهب إلى الاحتياجات المختلفة للخلية. يحتوي NADP-H2 على عامل اختزال ، وهو الهيدروجين ، وهذا المركب قادر على التخلص منه بسهولة إذا لزم الأمر. ببساطة ، إنه عامل اختزال كيميائي فعال: في عملية التمثيل الضوئي ، تحدث العديد من التفاعلات التي لا يمكن أن تستمر بدونها.
بعد ذلك ، تدخل إنزيمات البلاستيدات الخضراء ، التي تعمل في الظلام وخارج الحبة: الهيدروجين من عامل الاختزال وطاقة ATP بواسطة البلاستيدات الخضراء من أجل البدء في تخليق عدد من المواد العضوية. نظرًا لأن التمثيل الضوئي يحدث في ظروف الإضاءة الجيدة ، يتم استخدام المركبات المتراكمة لاحتياجات النباتات نفسها خلال الوقت المظلم من اليوم.
يمكنك أن تلاحظ بحق أن هذه العملية تشبه بشكل مثير للريبة التنفس في بعض الجوانب. كيف يختلف التمثيل الضوئي عنه؟ سيساعدك الجدول في فهم هذه المشكلة.
| عناصر المقارنة | التمثيل الضوئي | التنفس |
| عندما يحدث | النهار فقط ، في ضوء الشمس | في أي وقت |
| أين يتسرب | تحتوي على خلايا الكلوروفيل | جميع الخلايا الحية |
| الأكسجين | تسليط الضوء | الامتصاص |
| CO2 | الامتصاص | تسليط الضوء |
| مادة عضوية | توليف ، تقسيم جزئي | انقسام فقط |
| الطاقة | ابتلاع | يبرز |
هكذا يختلف التمثيل الضوئي عن التنفس. يوضح الجدول الاختلافات الرئيسية بينهما.
بعض "المفارقات"
تحدث معظم التفاعلات الإضافية هناك ، في سدى البلاستيدات الخضراء. يختلف المسار الإضافي للمواد المركبة. لذا ، فإن السكريات البسيطة تتخطى العضوي مباشرة ، وتتراكم في أجزاء أخرى من الخلية في شكل عديد السكاريد ، وخاصة النشا. في البلاستيدات الخضراء ، يحدث كل من ترسب الدهون والتراكم الأولي لسلائفها ، والتي تفرز بعد ذلك إلى مناطق أخرى من الخلية.
يجب أن يكون مفهوماً بوضوح أن جميع تفاعلات الاندماج تتطلب كمية هائلة من الطاقة. مصدره الوحيد هو نفس التمثيل الضوئي. هذه عملية تتطلب غالبًا الكثير من الطاقة التي يجب الحصول عليها ،تدمير المواد المتكونة نتيجة التوليف السابق! وبالتالي ، فإن معظم الطاقة التي يتم الحصول عليها في مسارها يتم إنفاقها على إجراء العديد من التفاعلات الكيميائية داخل الخلية النباتية نفسها.
يتم استخدام بعض منها فقط للحصول مباشرة على تلك المواد العضوية التي يأخذها النبات من أجل نموه وتطوره أو ترسبه على شكل دهون أو كربوهيدرات.
هل البلاستيدات الخضراء ثابتة؟
من المقبول عمومًا أن العضيات الخلوية ، بما في ذلك البلاستيدات الخضراء (هيكلها ووظائفها التي وصفناها بالتفصيل) ، تقع بدقة في مكان واحد. هذا ليس صحيحا. يمكن أن تتحرك البلاستيدات الخضراء حول الخلية. لذلك ، في الإضاءة المنخفضة ، يميلون إلى اتخاذ موقع بالقرب من الجانب الأكثر إضاءة من الخلية ، في ظروف الإضاءة المتوسطة والمنخفضة ، يمكنهم اختيار بعض المواضع الوسيطة التي يمكنهم من خلالها "التقاط" معظم ضوء الشمس. وتسمى هذه الظاهرة "انجذاب ضوئي".
مثل الميتوكوندريا ، تعتبر البلاستيدات الخضراء عضيات مستقلة إلى حد ما. لديهم الريبوسومات الخاصة بهم ، فهم يصنعون عددًا من البروتينات المحددة للغاية التي لا يستخدمونها إلا من قبلهم. حتى أن هناك مجمعات إنزيمية محددة ، يتم خلالها إنتاج دهون خاصة ، وهي ضرورية لبناء قذائف الصفيحة. لقد تحدثنا بالفعل عن أصل بدائية النواة لهذه العضيات ، ولكن يجب أن نضيف أن بعض العلماء يعتبرون البلاستيدات الخضراء أحفادًا قديمة لبعض الكائنات الطفيلية التي أصبحت في البداية متعايشة ، ثم بعد ذلك تمامًاأصبحت جزءًا لا يتجزأ من الخلية.
أهمية البلاستيدات الخضراء
بالنسبة للنباتات ، من الواضح - هذا هو تخليق الطاقة والمواد التي تستخدمها الخلايا النباتية. لكن التمثيل الضوئي هو عملية تضمن التراكم المستمر للمواد العضوية على نطاق كوكبي. من ثاني أكسيد الكربون والماء وأشعة الشمس ، يمكن للبلاستيدات الخضراء تخليق عدد كبير من المركبات المعقدة عالية الجزيئات. هذه القدرة مميزة لهم فقط ، ولا يزال الشخص بعيدًا عن تكرار هذه العملية في ظروف اصطناعية.
كل الكتلة الحيوية الموجودة على سطح كوكبنا تدين بوجودها إلى هذه العضيات الأصغر ، والتي تقع في أعماق الخلايا النباتية. بدونهم ، بدون عملية التمثيل الضوئي التي يقومون بها ، لن تكون هناك حياة على الأرض في مظاهرها الحديثة.
نأمل أن تكون قد تعلمت من هذا المقال ما هو البلاستيدات الخضراء وما هو دورها في الكائن النباتي.
