علم الأحياء الضوئي

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

علم الأحياء الضوئي هو الدراسة العلمية للتفاعلات المفيدة والضارة للضوء (أو الإشعاع غير المؤين تقنيًا ) في الكائنات الحية . [ 1 ] يشمل هذا المجال دراسة الفيزياء الضوئية، والكيمياء الضوئية، والتمثيل الضوئي ، والتكوين الضوئي ، والمعالجة البصرية ، والإيقاعات اليومية ، والحركة الضوئية، والتألق البيولوجي ، وتأثيرات الأشعة فوق البنفسجية . [ 2 ]

يُعتبر الحد الفاصل بين الإشعاع المؤين والإشعاع غير المؤين عادةً طاقة فوتون أكبر من 10 إلكترون فولت، [ 3 ] وهو ما يتوافق تقريبًا مع كل من طاقة التأين الأولى للأكسجين، وطاقة تأين الهيدروجين عند حوالي 14 إلكترون فولت. [ 4 ]

عندما تتلامس الفوتونات مع الجزيئات، تستطيع هذه الجزيئات امتصاص طاقة الفوتونات وتصبح مثارة. ثم تتفاعل مع الجزيئات المحيطة بها، محفزةً تغيرات " كيميائية ضوئية " و"فيزيائية ضوئية" في البنية الجزيئية. [ 1 ]

الفيزياء الضوئية

يركز هذا المجال من علم الأحياء الضوئي على التفاعلات الفيزيائية بين الضوء والمادة. فعندما تمتص الجزيئات فوتونات تتناسب مع احتياجاتها من الطاقة، فإنها تُحفز إلكترونًا من غلاف التكافؤ من الحالة الأرضية إلى حالة مثارة، فتصبح أكثر نشاطًا. هذه عملية سريعة للغاية، لكنها بالغة الأهمية للعديد من العمليات الحيوية. [ 5 ]

الكيمياء الضوئية

المصدر: [ 6 ]

يدرس هذا الفرع من علم الأحياء الضوئي تفاعل الجزيء عند امتصاصه للطاقة الضوئية. كما يدرس ما يحدث لهذه الطاقة، فقد تُطلق على شكل حرارة أو تألق ضوئي، مما يؤدي إلى عودة الجزيء إلى حالته الأرضية.

هناك ثلاثة قوانين أساسية في الكيمياء الضوئية :

  1. القانون الأول للكيمياء الضوئية : يشرح هذا القانون أنه لكي تحدث الكيمياء الضوئية، يجب امتصاص الضوء.
  2. القانون الثاني للكيمياء الضوئية : يشرح هذا القانون أنه سيتم تنشيط جزيء واحد فقط بواسطة كل فوتون يتم امتصاصه.
  3. قانون بنسن-روسكو للتبادلية : يشرح هذا القانون أن الطاقة الموجودة في المنتجات النهائية للتفاعل الكيميائي الضوئي ستكون متناسبة بشكل مباشر مع إجمالي الطاقة التي امتصها النظام في البداية.

علم الأحياء الضوئي للنباتات

يعتمد نمو النبات وتطوره بشكل كبير على الضوء . تُعدّ عملية التمثيل الضوئي من أهم العمليات الكيميائية الحيوية للحياة على الأرض، وهي ممكنة بفضل قدرة النباتات على استخدام الطاقة من الفوتونات وتحويلها إلى جزيئات مثل NADPH و ATP ، ثم تثبيت ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى سكريات تستخدمها النباتات في نموها وتطورها. [ 7 ] ولكن التمثيل الضوئي ليس العملية النباتية الوحيدة التي يحركها الضوء، فهناك عمليات أخرى مثل التغيرات الضوئية وفترة الإضاءة النباتية، وهي بالغة الأهمية لتنظيم النمو الخضري والتكاثري، فضلاً عن إنتاج المستقلبات الثانوية النباتية . [ 8 ]

عملية التمثيل الضوئي

تُعرَّف عملية البناء الضوئي بأنها سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تقوم بها الخلايا الضوئية لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية وتخزينها في روابط الكربون-كربون في الكربوهيدرات . [ 9 ] وكما هو معروف، تحدث هذه العملية داخل البلاستيدات الخضراء في خلايا النباتات الضوئية، حيث توجد أصباغ ماصة للضوء مُدمجة في أغشية تراكيب تُسمى الثايلاكويدات . [ 9 ] يوجد نوعان رئيسيان من الأصباغ في الأنظمة الضوئية للنباتات الراقية : الكلوروفيل (أ أو ب) والكاروتينات . [ 7 ] تُنظَّم هذه الأصباغ لزيادة استقبال الضوء ونقله إلى أقصى حد، وهي تمتص أطوال موجية محددة لتوسيع نطاق كمية الضوء التي يمكن التقاطها واستخدامها في تفاعلات الأكسدة والاختزال الضوئية . [ 7 ]

الإشعاع النشط ضوئياً (PAR)

نظراً لمحدودية كمية الصبغات في خلايا التمثيل الضوئي النباتية، فإن نطاق الأطوال الموجية التي تستخدمها النباتات في عملية التمثيل الضوئي محدود. يُطلق على هذا النطاق اسم "الإشعاع النشط ضوئياً (PAR)". ويتطابق هذا النطاق تقريباً مع الطيف المرئي للعين البشرية، ويمتد في أطوال موجية تتراوح بين 400 و700  نانومتر تقريباً. [ 10 ] يُقاس الإشعاع النشط ضوئياً بوحدة ميكرومول /ثانية / متر مربع ، وهو يقيس معدل وشدة الضوء المشع بوحدة الميكرومول لكل وحدة مساحة سطحية وزمن، والذي تستخدمه النباتات في عملية التمثيل الضوئي. [ 11 ]

الإشعاع النشط بيولوجيًا ضوئيًا (PBAR)

الإشعاع النشط ضوئياً بيولوجياً (PBAR) هو نطاق من طاقة الضوء يتجاوز الإشعاع النشط ضوئياً (PAR) ويشمله . ويُستخدم تدفق الفوتونات الضوئية البيولوجية (PBF) لقياس الإشعاع النشط ضوئياً بيولوجياً (PBAR).

التشكّل الضوئي

تشير هذه العملية إلى تطور مورفولوجيا النباتات التي تتوسطها الضوء ويتم التحكم فيها بواسطة 5 مستقبلات ضوئية متميزة: UVR8، وكريبتوكروم، وفوتوتروبين، وفيتوكروم r، وفيتوكروم fr. [ 12 ] يمكن للضوء أن يتحكم في العمليات المورفوجينية مثل حجم الورقة واستطالة الساق.

تُحدث أطوال موجات الضوء المختلفة تغيراتٍ متباينة في النباتات. [ 13 ] فعلى سبيل المثال، يُنظّم الضوء الأحمر والأحمر البعيد نموّ السيقان واستقامة براعم الشتلات الخارجة من الأرض. [ 14 ] كما تُشير بعض الدراسات إلى أن الضوء الأحمر والأحمر البعيد يزيدان من كتلة جذور الطماطم [ 15 ] ونسبة تجذير نباتات العنب. [ 16 ] من جهة أخرى، يُنظّم الضوء الأزرق والأشعة فوق البنفسجية إنبات النبات واستطالته، بالإضافة إلى عمليات فسيولوجية أخرى مثل تنظيم الثغور [ 17 ] والاستجابة للإجهاد البيئي. [ 18 ] وأخيرًا، كان يُعتقد أن الضوء الأخضر غير مُتاح للنباتات بسبب نقص الأصباغ التي تمتصّه. إلا أنه في عام 2004، وُجد أن الضوء الأخضر يُمكن أن يُؤثّر على نشاط الثغور، واستطالة سيقان النباتات الصغيرة، وتوسّع الأوراق. [ 19 ]

المستقلبات النباتية الثانوية

هذه المركبات هي مواد كيميائية تنتجها النباتات كجزء من عملياتها البيوكيميائية، وتساعدها على أداء وظائف معينة وحماية نفسها من مختلف العوامل البيئية. في هذه الحالة، يمكن لبعض المستقلبات، مثل الأنثوسيانين والفلافونويدات والكاروتينات، أن تتراكم في أنسجة النبات لحمايتها من الأشعة فوق البنفسجية وشدة الضوء العالية جدًا [ 20 ].

علماء الأحياء الضوئية

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 سميث، كيندريك سي. (2014). "ما هو علم الأحياء الضوئي؟" . تم الاسترجاع في 2018-08-02 .
  2. ↑ سميث، كيندريك (2013-03-08). علم الأحياء الضوئي . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ISBN 9781461580614.
  3. ↑ روبرت ف. كليفلاند الابن؛ جيري ل. أولسيك (أغسطس 1999). "أسئلة وأجوبة حول الآثار البيولوجية والمخاطر المحتملة للمجالات الكهرومغناطيسية ذات الترددات الراديوية" (ملف PDF) (الطبعة الرابعة ). واشنطن العاصمة: مكتب الهندسة والتكنولوجيا، لجنة الاتصالات الفيدرالية. مؤرشف (ملف PDF) من الأصل بتاريخ 20 أكتوبر 2011. تم الاطلاع عليه بتاريخ 2 أغسطس 2018 . 
  4. ↑ جيم كلارك (2000). "طاقة التأين" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 26-11-2011 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 02-08-2018 .
  5. ↑ "أساسيات الفيزياء الضوئية" . photobiology.info . تم ​​الاطلاع عليه بتاريخ 24-11-2019 .
  6. ↑ "أساسيات الكيمياء الضوئية" . photobiology.info . تم ​​الاطلاع عليه بتاريخ 24-11-2019 .
  7. 1 2 3 إيشهورن بيلودو، صموئيل؛ وو، بو-سين؛ روفيكيري، آن-صوفي؛ ماكفرسون، سارة؛ ليفسرود، مارك (29-03-2019). "تحديث حول بيولوجيا الضوء النباتية وآثارها على إنتاج القنب" . مجلة فرونتيرز إن بلانت ساينس . 10 296. Bibcode : 2019FrPS...10..296E . doi : 10.3389/fpls.2019.00296 . ISSN 1664-462X . PMC 6455078. PMID 31001288 .   
  8. ↑ ليفسرود، مارك ج.؛ كوبسيل، دين أ.؛ سامز، كارل إي. (ديسمبر 2008). "تأثير الإشعاع الصادر من الثنائيات الباعثة للضوء ذات الأطوال الموجية المختلفة على المستقلبات الثانوية في الكرنب الأجعد" . مجلة هورت ساينس . 43 (7): 2243-2244 . doi : 10.21273/hortsci.43.7.2243 . ISSN 0018-5345 . 
  9. 1 2 كوبر، جيفري م. (2018). الخلية : منهج جزيئي . ISBN  9781605357072. OCLC 1085300153 . 
  10. ↑ مكري، ك. ج. (يناير 1971). "طيف الفعل، والامتصاص، والعائد الكمي لعملية التمثيل الضوئي في المحاصيل الزراعية". الأرصاد الجوية الزراعية . 9 : 191-216 . Bibcode : 1971AgMet...9..191M . doi : 10.1016/0002-1571(71)90022-7 . ISSN 0002-1571 . 
  11. ↑ يونغ، أندرو جون (ديسمبر 1991). "دور الكاروتينات في الحماية الضوئية في النباتات العليا". فيزيولوجيا النبات . 83 (4): 702-708 . doi : 10.1034/j.1399-3054.1991.830426.x (غير نشط في 5 ديسمبر 2025). ISSN 0031-9317 . {{cite journal}}: صيانة CS1: رقم التعريف الرقمي غير نشط اعتبارًا من ديسمبر 2025 ( رابط )
  12. ↑ بوكوك، تيسا (سبتمبر 2015). "الثنائيات الباعثة للضوء وتعديل المحاصيل المتخصصة: استشعار الضوء وشبكات الإشارة في النباتات" . مجلة هورت ساينس . 50 (9): 1281-1284 . doi : 10.21273/hortsci.50.9.1281 . ISSN 0018-5345 . 
  13. ↑ سابين سكاندولا، الحاصلة على درجة الدكتوراه (14 مايو 2020). "علم الأحياء الضوئي: أهمية ضوء النبات" . G2V Optics.
  14. ↑ ماكنيليس، تيموثي دبليو؛ دينغ، شينغ وانغ (نوفمبر 1995). "التحكم الضوئي في النمط المورفولوجي للشتلات" . خلية النبات . 7 ( 11): 1749-1761 . Bibcode : 1995PlanC...7.1749M . doi : 10.2307/3870184 . ISSN 1040-4651 . JSTOR 3870184. PMC 161035. PMID 8535132 .    
  15. ↑ فو، نغوك-ثانغ؛ كيم، يونغ-شيك؛ كانغ، هو-مين؛ كيم، إيل-سيوب (فبراير 2014). "تأثير التشعيع قصير المدى خلال فترتي ما قبل وما بعد التطعيم على نسبة نجاح التطعيم وجودة شتلات الطماطم". البستنة والبيئة والتكنولوجيا الحيوية . 55 (1): 27-35 . doi : 10.1007/s13580-014-0115-5 . ISSN 2211-3452 . S2CID 16250222 .  
  16. ↑ بوديل، بوسبا راج؛ كاتاكا، إيكو؛ موتشيوكا، ريوسوكي (30 نوفمبر 2007). "تأثير الثنائيات الباعثة للضوء الأحمر والأزرق على نمو وتكوين العنب". زراعة الخلايا والأنسجة والأعضاء النباتية . 92 (2): 147-153 . doi : 10.1007/s11240-007-9317-1 . ISSN 0167-6857 . S2CID 24671493 .  
  17. ↑ شوارتز، أ.؛ زايغر، إ. (مايو 1984). "الطاقة الأيضية لفتح الثغور. أدوار الفسفرة الضوئية والفسفرة التأكسدية". بلانتا . 161 ( 2): 129-136 . Bibcode : 1984Plant.161..129S . doi : 10.1007/bf00395472 . ISSN 0032-0935 . PMID 24253600. S2CID 12539218 .   
  18. ↑ جوينز، جي دي؛ يوريو، إن سي؛ سانوو، إم إم؛ براون، سي إس (1997). "التشكل الضوئي، والتمثيل الضوئي، وإنتاج بذور نباتات القمح المزروعة تحت مصابيح LED حمراء مع وبدون إضاءة زرقاء إضافية" . مجلة علم النبات التجريبي . 48 (7): 1407-1413 . doi : 10.1093/jxb/48.7.1407 . ISSN 0022-0957 . PMID 11541074 .  
  19. ↑ فولتا، كيفن م. (يوليو 2004). الضوء الأخضر يحفز استطالة الساق المبكرة، ويعاكس تثبيط النمو الناتج عن الضوء1 . الجمعية الأمريكية لعلماء الأحياء النباتية. OCLC 678171603 . 
  20. ↑ ديميج-آدامز، باربرا. (22-11-2014). التخميد غير الضوئي وتبديد الطاقة في النباتات والطحالب والبكتيريا الزرقاء . ISBN 978-94-017-9032-1. OCLC 1058692723 .