التمثيل الضوئي عند النباتات : العلماء يكشفون السر..

لقد حل العلماء جزءاً مهماً من الغموض الذي يكتنف عملية التمثيل الضوئي photosynthesis لدى النباتات ، و ذلك من خلال التركيز على الأحداث الأولية الفائقة السرعة التي من خلالها تلتقط البروتينات الضوئية photosynthetic proteins  الضوء، و تستخدمه لبدء سلسلة من تفاعلات نقل الإلكترون.

لطالما عملت النباتات على تسخير و استغلال طاقة الشمس لمئات ملايين السنين.

كما عكفت كل من الطحالب Algae  والبكتيريا الضوئية photosynthetic bacteria على فعل الشيء نفسه ، كل ذلك بكفاءة ومرونة ملحوظة.

و إذن ، فلا عجب أن يكون العلماء قد سعوا لفترة طويلة لفهم كيفية قيام النباتات بذلك ، و ذلك على أمل استخدام هذه المعرفة لتحسين الأجهزة التي من صنع الإنسان مثل الألواح الشمسية solar panels  وأجهزة الاستشعار sensors .

و قد قام علماء من مختبر أرغون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory ، بالعمل جنباً إلى جنب مع متعاونين من جامعة واشنطن Washington University في سانت لويس St. Louis ، قاموا بحل جزء حاسم من هذا الغموض القديم ، مستمرين في الأحداث الأولية فائقة السرعة التي من خلالها البروتينات التركيبية الضوئية التقاط الضوء واستخدامه لبدء سلسلة من ردود الفعل نقل الإلكترون.

العملية داخل النباتات الكترونية بامتياز

قال عالم الفيزياء الحيوية في أرغون فيليب لايون Philip Laible : " يجب أن تفهم عملية انتقال الإلكترون من أجل فهم كيف تعمل البيولوجيا على تغذية جميع أنشطتها العميقة ".و  يتابع : "حيث تعتبر حركة الإلكترونات أمراً حاسماً : إنها الكيفية التي ينجز بها العمل داخل الخلية."

و تبدأ هذه العمليات في الكائنات العضوية الضوئية photosynthetic organisms ، بامتصاص فوتون photon  من الضوء بواسطة أصباغ متمركزة في البروتينات.

حيث يقوم كل فوتون بدفع إلكترون عبر غشاء يقع داخل حجر صغيرة متخصصة داخل الخلية.

و قالت ديبورا هانسون  Deborah Hanson ، عالمة الكيمياء الحيوية في أرغون: "يعتبر فصل الشحنة عبر الغشاء - و جعله مستقراً - أمراً  بالغ الأهمية لأنه يولد طاقة تعمل على تغذية نمو الخلايا".

و قد اكتسب فريق البحث في جامعة أرغون وواشنطن Argonne and Washington University  نظرة ثاقبة حول الخطوات الأولية في هذه العملية : رحلة الإلكترون electron's journey .

و منذ ما يقرب من 35 عاماً ، عندما تم الكشف عن الهيكل الأول لهذه الأنواع من المجمعات أو المجموعات  ، فوجئ العلماء باكتشاف أنه بعد امتصاص الضوء ، واجهت عمليات نقل الإلكترون معضلة: إذ كان هناك طريقان محتملان ليسافر أو ينتقل عبرها الإلكترون.

و في الطبيعة ، تستخدم كل من النباتات والطحالب والبكتيريا الضوئية واحدة منها فقط - ولم يكن لدى العلماء أي فكرة عن السبب في ذلك .

إلا أن ما عرفوه هو أن دفع أو تقدم الإلكترون عبر الغشاء - الذي يحصد طاقة الفوتون بفعالية - يتطلب خطوات متعددة.

الاكتشافات تطرح أسئلة مثيرة للبحث في المستقبل 

لقد تمكن علماء  أرغون وجامعة واشنطن من التدخل في كل واحدة منها لتغيير مسار الإلكترون electron's trajectory .

وقال ديوي هولتن Dewey Holten ، الكيميائي في جامعة واشنطن: "لقد أمضينا في هذا الطريق أكثر من ثلاثة عقود ، وهو إنجاز رائع يفتح العديد من الفرص".

يوضح مقال العلماء الأخير ، "تبديل الجوانب Switching sides - إعادة فصل الشحنة الأساسية المعاد هندستها في مركز التفاعل الضوئي البكتيري Reengineered primary charge separation in the bacterial photosynthetic reaction center" ، و الذي تم نشره في دورية وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم Proceedings of the National Academy of Sciences ، كيف أنهم  اكتشفوا نسخة هندسية من هذا المركب البروتيني protein complex الذي أدى إلى تبديل استخدام الممرات ، وتمكين المسار الذي كان غير نشط أثناء تعطيل الآخر.

و قالت كريستين كيرماير Christine Kirmaier ، الكيميائية بجامعة واشنطن و قائدة المشروع: "إنه من الملفت للنظر أننا تمكنا من تغيير اتجاه النقل الإلكتروني الأولي". وتتابع : " في الطبيعة ، اختار الإلكترون مساراَ واحداً بنسبة 100% من الوقت.

و لكن من خلال جهودنا ، تمكنا من تحويل الإلكترون إلى مسار بديل بنسبة 90% من الوقت. وهذه الاكتشافات تطرح أسئلة مثيرة للبحث في المستقبل."

ونتيجة لجهودهم ، أصبح العلماء الآن أكثر من أي وقت مضى قادرين على تصميم أنظمة نقل الإلكترون التي يمكنهم من خلالها إرسال الإلكترون في طريق يختارونه.

وقال لابل Laible : "هذا مهم لأننا نكتسب القدرة على تسخير تدفق الطاقة لفهم مبادئ التصميم التي ستؤدي إلى تطبيقات جديدة للأنظمة اللاأحيائية abiotic systems ".

و يضيف : " و سيتيح لنا هذا تحسين كفاءة العديد من الأجهزة التي تعمل بالطاقة الشمسية بشكل كبير ، إذ أن هناك احتمالية كبيرة لجعلها أصغر بكثير.

كما أننا نمتلك فرصة هائلة هنا لفتح مجالات جديدة تماماً للتفاعلات الكيميائية الحيوية الذي يحركها الضوء ، تلك التي لم يتم تصورها من قبل الطبيعة ، فإذا استطعنا فعل ذلك ، فسيكون ذلك جباراً ".

المصدر