أخبار
حل لغز التمثيل الضوئي عند النبات بعد عقود من الغموض
نجح فريق من العلماء من المعهد الهندي للعلوم (IISc) ومعهد كاليفورنيا للتقنية (Caltech) في حل لغز حاسم في قلب عملية التمثيل الضوئي : لماذا يبدأ تدفّق الإلكترونات الحيوي من جانب واحد فقط ضمن مركب بروتيني متناظر تماما.
لطالما اعتُبرت عملية التمثيل الضوئي – التي تمكّن النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا من تحويل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية – من أكثر العمليات الحيوية تعقيدا.
ورغم الدراسة المكثفة لهذه العملية، بقيت جوانب عديدة منها غير مفهومة، خاصةً في مراحلها الأولى التي تشمل سلسلة معقدة من نقل الإلكترونات بين الجزيئات الصبغية.
ما هو اللغز الذي حيّر العلماء لعقود؟
العملية تبدأ من مركب بروتيني-صبغي يُعرف باسم نظام التمثيل الضوئي الثاني (Photosystem II - PSII)، الذي يحبس طاقة الشمس ويفكّك جزيئات الماء، منتجا الأكسجين ومرسلاً الإلكترونات عبر سلسلة من البروتينات.
يتكوّن PSII من ذراعين متماثلين يُعرفان باسم D1 وD2، يحتوي كل منهما على جزيئات كلوروفيل وصبغات "الفيئوفيتين" المرتبطة بها، وتعمل هذه الصبغات على تمرير الإلكترونات نحو ناقلات تُعرف باسم "البلاستوكونين".
ورغم التماثل البنيوي بين الذراعين، أظهرت الدراسات أن الإلكترونات تتدفّق فقط عبر فرع D1، بينما يظل D2 خاملاً – وهو ما شكّل لغزا مستمرا للباحثين.
نظام "الضوئي الثاني" PSII
في هذه الدراسة المنشورة في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (PNAS)، استخدم الفريق مزيجا من محاكاة الديناميكا الجزيئية، وحسابات كوانتية دقيقة، بالإضافة إلى نظرية ماركوس (الحائزة على نوبل في مجال نقل الإلكترونات)، لرسم المشهد الطاقي لحركة الإلكترونات في كلا الفرعين.
لماذا تتدفّق الإلكترونات في فرع واحد فقط؟
أظهرت التحليلات أن فرع D2 يواجه حاجزا طاقيا أعلى بكثير من نظيره D1، وتحديدا في المرحلة التي تنتقل فيها الإلكترونات من الفيئوفيتين إلى البلاستوكونين. حيث تتطلب هذه الخطوة في D2 طاقة تنشيط تبلغ ضعف ما هو مطلوب في D1، ما يجعل انتقال الإلكترونات غير مُجْدٍ من الناحية الطاقية.
كما أظهرت المحاكاة أن مقاومة D2 لحركة الإلكترونات أعلى بمقدار 100 مرة مقارنة بـ D1.
رسم خريطة للطاقة لفهم الآلية الدقيقة
يشير الباحثون إلى أن هذه الفروقات قد تكون ناجمة عن اختلافات طفيفة في البيئة البروتينية المحيطة بالصبغات. فمثلاً، يمتلك الكلوروفيل في فرع D1 حالة إثارة طاقية أدنى من نظيره في D2، ما يجعله أكثر قدرة على جذب ونقل الإلكترونات.
ومن خلال محاكاة التيار والجهد الكهربائي في كلا الفرعين، تبيّن أن تدفّق الإلكترونات في D2 يواجه مقاومة طاقية لا يمكن للإلكترونات التغلب عليها، مما يفسّر غياب النشاط في هذا الفرع.
إمكانات هائلة لتصميم أنظمة اصطناعية شبيهة بالطبيعة
تُفتح هذه النتائج آفاقا جديدة لتعديل أو إعادة توجيه تدفّق الإلكترونات في أنظمة التمثيل الضوئي.
على سبيل المثال، يقترح الباحثون إمكانية استبدال مواقع الصبغات في فرع D2، بحيث يتم وضع الكلوروفيل مكان الفيئوفيتين، ما قد يخفّض حاجز الطاقة ويُعيد النشاط الإلكتروني إلى هذا الفرع.
ويقول الأستاذ برابال ك. مايتي من قسم الفيزياء في IISc:
"تشكل أبحاثنا خطوة مهمة لفهم التمثيل الضوئي الطبيعي بعمق أكبر، وقد تساعد هذه النتائج في تصميم أنظمة صناعية فعالة قادرة على تحويل الطاقة الشمسية إلى وقود كيميائي، مما يدعم تطوير حلول مبتكرة ومستدامة للطاقة المتجددة."
من جانبه، علّق البروفيسور بيل غودارد من معهد كالتك، أحد المشاركين في الدراسة: "إنه مثال رائع على كيفية دمج نظريات متعددة المستويات لحل مشكلة علمية معقدة، رغم أن بعض الألغاز لا تزال تنتظر التفسير الكامل."
تابعوا آخر الأخبار من icon news على WhatsApp
تابعوا آخر الأخبار من icon news على Telegram
نسخ الرابط :
مقالات أخرى من تصنيف : علوم وتكنولوجيا
