إن التخدير الفوتوسي هو محرك الحياة على الأرض، والعملية الكيميائية الحيوية التي تحول بها النباتات والطحالب والبوكتيريا إلى الطاقة الكيميائية، وهذه العملية لا تحافظ على الكائنات الحية التي تؤديها فحسب، بل تنتج أيضا الأوكسجين الذي نتنفسه والمركبات العضوية التي تشكل أساس كل نظام إيكولوجي تقريبا، وقد عمل العلماء منذ قرون على إزالة أحدث آليات تبادل الصور المميزة من خلال العلم.

أوائل الاكتشافات: مؤسسة بحوث التخصيب الفوتوسينية

وقد بدأت الدراسة العلمية للصور التوليفية في القرن السابع عشر، ولكن أول تجارب واضحة قام بها رجال الدين والعالم جوزيف بريستلي في السبعينات، حيث قام بريستلي بإبراز برائحة من النعناع في حاوية مغلقة مع شمعة أحرقت، وبعد عدة أيام، وجد أن الشمعة يمكن إعادة تقطيعها، مما يدل على أن النباتات يمكن أن تطلق أولاً " قمراً " .

وبعد ذلك بفترة وجيزة، توسع الطبيب الهولندي جان إنغنوسز في أعمال بريسلي، وأظهر في سلسلة من التجارب أن الأثر التصالحي للنباتات يتطلب ضوء الشمس، وأظهر أن الأجزاء الخضراء من النباتات هي وحدها القادرة على إنتاج الأكسجين وأن العملية توقفت في ظلام، ولاحظ إنغنوس أيضا أن النباتات، مثل الحيوانات، تستهلك الأكسجين في عملية ليلية نسميها الآن الارتعاش.

وفي القرن التاسع عشر، قام نيكولاس - تيودوري دي ساوسيور بتحديد كمية دور الماء وثاني أكسيد الكربون، حيث أظهر قياس الكتلة التي تزرع في الحاويات المختومة أن النباتات تكتسب كتلة من ثاني أكسيد الكربون مأخوذة من الهواء والماء من التربة، وكانت هذه خطوة حاسمة في الاعتراف بأن التخصيب الضوئي هو عملية اصطناعية تبنى المادة العضوية من مدخلات الفولية في وقت لاحق.

وقد جلب القرن العشرين في وقت مبكر كشافات جديدة، حيث قام أخصائي الأحياء المجهرية الهولندي كورنيليس فان نيل بمقارنتها بالصور التوليبية في النباتات الخضراء بتثبيت الصور البكتيرية، واقترح أن يكون الأوكسجين الذي تطلقه النباتات يأتي من الماء وليس من ثاني أكسيد الكربون، وقد تأكد افتراض فان نيل في الأربعينات باستخدام الاكستولوكسجين - 18، وهو تقنية تعقبت مسار مسار الظواهر الخفيفة المائية خلال الدراسات.

جهاز المثقاب: الكلوروبستات والرسوم

ويعتمد الفهم الحديث للصور التوليبية على دراسة كلوروبلاست، والأعضاء المتخصصين حيث تحدث العملية، وتوجد كلوروبلاست في خلايا الأوراق الميزوفية، وترتبط بإضافة نسيج مزدوج، وفي داخله، يوجد نظام داخلي معقد اسمه بيوت الغدة الدرقية، الخنازير ومجمعات البروتينات التي تلتقط طاقة خفيفة.

The primary pigment responsible for capturing light is chlorophyll a], a molecule that absorbs light most strongly in the blue and red spectrum and reflects green spectrum, giving leaves their characteristic color. Accessory pigments such as chlorophyll b

وتنظم المضاعفات في مجمعات التعبئة الخفيفة التي تملكها محطات الرد المتحركة، حيث أن مركز الرد على المواد الكيميائية هو جزيء متخصص من الكلوروفيل يخضع لفصل عندما يكون متحمسا، ويبدأ تحويل الطاقة الخفيفة إلى طاقة كيميائية، وفي النباتات، يعمل جهازان مختلفان للنظم الضوئية في شكل ثامن (PSII) وجهاز للتصوير الضوئي (Photosystemtem II) إلى الأبد.

ردود فعل الخفيف: من الصور إلى ATP و NADPH

إن ردود الفعل التي تعتمد على الضوء هي المرحلة التي تحول فيها ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية، وهذه ردود الفعل تحدث على حمض الغدة الدرقية وتنطوي على سلسلة من مجمعات البروتين: PSII، ومجمع الكيسترومي ب6f، و PSI، إلى جانب Synthase.

الماء المنتشرة وثورة الأوكسجين

(و) عندما يضرب (ميشيل) الإضاءة (بي إس 2) يُظهر إلكترون في مركز رد الفعل (بي 680) الذي يُنقل إلى جزيء مقبل، ويُعادل (بيست) إلى (هوبروس)

سلسلة النقل الإلكترونية وسلسلة التليفزيون

وتُنقل الإلكترونيات عالية الطاقة من نظام PSII على امتداد سلسلة من الناقلات، بما في ذلك البلازما، ومجمع الطوابق الخفيفة، والجهاز الإلكتروني المزود بالأجهزة، حيث تُستخدم الطاقة لضخ البروتونات من المفاعلات الحرارية إلى الشهوانية، وبناء مُنتجات بروتونية مُنقَلة.

"الكلة كالفين" "تأليف الكربون في "السكر

دورة كالفين التي كشفها الكيميائي الحيوي الأمريكي ميلفين كالفين وزملائه في الخمسينات باستخدام الكربون الإشعاعي 14 هي المرحلة الثانية من التثبيت الضوئي، وهي تحدث في ملعب الكلوروبلاست وتستخدم برنامج ATP وNADPH المتولدين في ردود الفعل الخفيفة لإصلاح ثاني أكسيد الكربون في الجزيئات العضوية.

وتبدأ الدورة في ثلاث مراحل: تحديد الكربون وخفضه وتجديده من الرايبولوز-1-5 بيزوفاته، وهي مادة تُعتبر في الدرجة الأولى أن الانزيم الرومي - بيسكو (يُعزى إلى انخفاض معدل الكربون - 5 - 1) - ثنائي الفينيل متعدد الكلور - أكسيد الكربون يحفز على نحو غير فعال التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكربون - ثنائي الفينيل متعدد الكلور.

وفي مرحلة التخفيض، تُعدّ هذه المادة ثلاثية الأبعاد من نوع الجنس من الفوسفوريدات المُنقَّحة من قبل شركة ATP، وتُخفض هذه المادة من خلال الشبكة الوطنية لتنمية الصحة لتكوين الخلايا الفيزيائية - 3 - فوسفات (G3P) وتخرج بعض جزيئات G3P من الدورة التي ستستخدم في تركيب الغلوكوس، والنجم، والمركبات العضوية الأخرى؛ أما الباقي فيستمر في مرحلة التجديد لإعادة بناء الجزيئات الثابتة من طراز RBP باستخدام جهاز توجيهي 12.

Photorespiration: A Costly Side Reaction and Evolutionary Adaptations

يبدأ التلخيص عندما يستخدم مكتب تنسيق العمليات الكيميائية الأكسجين بدلاً من ثاني أكسيد الكربون، ينتج جزيئاً واحداً من ثلاثي بوتيلات PGA وجزيء واحد من الفوسفوريكولات (2-فوسفوري كولايل) ويُطلق مسار الإنقاذ للفسفوريكليكولات، ويُدعى التلطخ الضوئي، ويستهلك ATP، ويطلق ثاني أكسيد الكربون، مما يقلل من الكفاءة العامة للصور المسبب في ظروف التخثري بنسبة 30 في المائة.

(ب) تُستخدم تركيبة الصور الاصطناعية من نوع C4، التي تطورت بشكل مستقل أكثر من 60 مرة، فصلاً مكانياً لتركيز ثاني أكسيد الكربون في موقع شركة RuBisCO.() وفي محطات C4 (مثل الذرة والسكر) تُثبت ثاني أكسيد الكربون في مجمع (أكسسوسات) في خلايا محمية مائية منفصلة، ثم تنتقل إلى زنزانات خام تستخدم فيها ثاني أكسيد الكربون في دورة التكيّف الضوئي(4).

وكان فهم الأساس الجزيئي للجيم 4 واتفاقية الذخائر العنقودية محور تركيز رئيسي للبحوث الحديثة في مجال التوحيد الضوئي، بهدف هندسة هذه المسارات في المحاصيل من النوع جيم-3 مثل الأرز والقمح لتحسين كفاءة استخدام المياه والعائد، وتحاول الآن نهج البيولوجيا التركيبية استحداث آلية بسيطة لتركيز الكربون تستند إلى مضخات مركبات الكربون التي توجد في البينوبكتيريا.

أحدث المنافذ والهندسة الوراثية

وقد شهد العقدان الماضيان تقدما ملحوظا في الفهم والتلاعب الجزيئيين للصور التليفزيونية، وبوجود تسلسل جيني، وتحرير الجينات CRISPR-Cas9، والبيولوجيا الهيكلية العالية الاستبانة، يمكن للباحثين الآن أن يعدلوا الآلية الاصطناعية الضوئية بدقة غير مسبوقة.

تحسين كفاءة مكتب تنسيق العمليات

وقد ظلت الجهود المبذولة لإعداد مشروع أفضل في جمهورية صربسكا جارية منذ سنوات، حيث ستكشف متغيرات روسبيكو من مختلف الكائنات الحية - بما في ذلك الطحالب الحمراء، والخصائص السيانوية، وحتى بعض العلماء الكيميائيين - التركيبيين الذين يأملون في تحديد أشكال ذات معدلات بلورة أعلى، وانخفاض كفاءة التجميل، وقد أدى التطور المباشر في المختبر إلى حدوث انزيمات متطورة في مجال التكوينات الأجنبية، ولكن هذه الدراسات تحسنت.

هندسة مسارات صناعية

كما أعاد الباحثون تصميم دورة كالفين نفسها، فعلى سبيل المثال، استحدث العلماء مسارات بديلة لتحديد الكربون من الكائنات الأخرى، مثل مسارات الغدة الصمغية الاصطناعية أو " دورة سواتل " الاصطناعية (دورة تحديد ثاني أكسيد الكربون المصطنعة تماماً التي أنشئت في عام 2019، بينما أظهر فريق يقوده توبيس أرب دورة اثينية عالية الكفاءة تتفوق على مراحل التنفيذ التطرفية.

وثمة نهج آخر ينطوي على زيادة كفاءة عمليات الضبط الضوئي، فقد أنشأ الباحثون، عن طريق تغيير حجم وتكوين الهوائيات الخفيفة، نباتات يمكن أن تتسامح مع الكثافة العالية الضوء دون التثبيط الضوئي، وأظهرت آلية " التصفيات غير الكيميائية " التي تُبطل الطاقة الزائدة، تعزيزاً للعائدات في المحاكمات الميدانية بنسبة تصل إلى 20 في المائة.

تحسين كفاءة استخدام المياه والتسامح

ويطرح تغير المناخ تهديدات متزايدة لانتاجية المحاصيل من خلال الجفاف والحرارة وارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون، ويجري استخدام الهندسة الوراثية لتعزيز قدرة النباتات على مواجهة هذه الضغوط، كما أن زيادة الضغط على الجينات التي تنطوي على توليف المحميات، والانزيمات المضادة للأوكسيد، أو عوامل التكرير الإجهادية يمكن أن تحسن الأداء الاصطناعي للصور في ظل ظروف ضارة.

Photosynthesis and Climate Change

ويكتسي فهم التوحيد الضوئي أهمية حاسمة في التصدي لتغير المناخ، فمن ناحية، يمكن للأعضاء الاصطناعية - وخاصة النباتات البرية والفولطون - التي تعمل كبواليع كربون رئيسية، وتستوعب نحو 30 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية سنوياً، وتحفز حماية وتعزيز هذه البواليع الطبيعية من خلال إعادة التحريج، والممارسات الزراعية، وتخصيب المحيطات، من ناحية أخرى، يستكشف الباحثون كيفية تأثير ثاني أكسيد الكربون الموثق.

وتعتمد الطاقة الأحيائية التي تُلتقط وتخزن الكربون على تركيب الصور الاصطناعية لإنتاج الكتلة الأحيائية التي تُحرق بعد ذلك لأغراض الطاقة، مع ما ينتج عن ذلك من ثاني أكسيد الكربون من مصادرة ومخزنة تحت الأرض، كما أن تحسين الكفاءة الاصطناعية للمحاصيل التي تستخدم الطاقة الأحيائية (مثلاً، البراغيث، القطبية) يعزز مباشرة قدرة هذه التكنولوجيا ذات التأثير السلبي.

الاتجاهات المستقبلية: تركيبة فوتوغرافية فنية وما بعدها

والهدف النهائي من البحوث التوليفية للصور هو تكرار أو حتى تجاوز كفاءة الطبيعة في نظام اصطناعي، ويهدف تركيب الصور الفوتوغرافية إلى استخدام ضوء الشمس لتقسيم المياه وإنتاج وقود الهيدروجين، أو تخفيض ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل مثل الميثانول، مما أدى إلى اختلال طبقة زي - شيتي للصور الطبيعية مع عوامل حافزة غير مستغلة (مثلاً، ولكن التركات)

وثمة حدود مذهلة أخرى هي دور الآثار الكمية في التليفزيون الضوئي، وقد أظهرت التجارب أن نقل الطاقة في مجمعات الصيد الضوئي قد ينطوي على التماسك الكمي، حيث تنتقل الطاقة في وقت واحد على مسارات متعددة قبل أن تستقر في مركز الرد، وفي حين أن هذا البحث الكمي في مجال البيولوجيا يشير إلى أن التطور قد يكون قد استغل ظواهر كمية فرعية لتعظيم التلقيح الضوئي.

وأخيراً، لا تزال دراسة التليفزيون الضوئي تُبلغ علم الفلك، فبفهم المتطلبات الدنيا لتصوير الصور الأوكسجينية - الماء الخفيف، وثاني أكسيد الكربون، وبعض العناصر المتبجلة - يصقلون بحثهم عن طلاءات معتادة، ويمكن أن يشير التوقيع الطيف على الأكسجين والبخار المائي في الغلاف الجوي للكوكب إلى وجود حياة اصطناعية.

خاتمة

إن الرحلة العلمية لفهم التليفزيون الضوئي هي إحدى المغاوير الكبيرة للبيولوجيا، ومن شمعة بريستلي والنعناع إلى هياكل الاستبانة الذرية للنظم الضوئية، فإن كل انجاز يعمق تقديرنا لهذه العملية المتميزة، واليوم، فإن الهندسة الوراثية والبيولوجيا التركيبية توفر أدوات غير مسبوقة لتحسين كفاءة التصوير الضوئي، التي يمكن أن تساعد على تغذية عدد متزايد من السكان، وتخفيف حدة التغير في المناخ، وإنتاج وقود غير معروف.

External Resources:]