كل ورقة خضراء تراها هي مصنع شمسي استثنائي. داخلها يحدث أحد أهم التفاعلات الكيميائية على سطح الأرض - التمثيل الضوئي، وهو عملية تحول ضوء الشمس والماء وثاني أكسيد الكربون إلى سكر وأكسجين. والصبغة الخضراء التي تسمح بكل هذا هي الكلوروفيل.
الكلوروفيل هو جزيء عضوي معقد يتكون من حلقة بورفرين تحتوي على ذرة مغنيسيوم في مركزها، مع سلسلة فيتول طويلة مثبتة عليها. يُوجد في البلاستيدات الخضراء - عضيات خاصة في خلايا النباتات والطحالب. يمتص الكلوروفيل الضوء في نطاق الأحمر (640-680 نانومتر) والأزرق البنفسجي (430-450 نانومتر) بكفاءة كبيرة، لكنه يعكس الضوء الأخضر - وهذا السبب الذي يجعلنا نرى الأوراق باللون الأخضر.
تتم عملية التمثيل الضوئي في مرحلتين رئيسيتين. المرحلة الأولى، تفاعلات الضوء أو التفاعلات المشرقة، تحدث في أغشية التيلاكويد داخل البلاستيدات الخضراء. عندما تصيب فوتونات الضوء جزيئات الكلوروفيل، يتم استخدام طاقة الفوتون لـ "إثارة" الإلكترونات إلى مستوى طاقة أعلى. ثم تنتقل الإلكترونات ذات الطاقة العالية عبر سلسلة نقل الإلكترونات - سلسلة بروتينات مصنعة في غشاء التيلاكويد - مما ينتج ATP (أدينوسين ثلاثي الفوسفات، جزيء تخزين الطاقة العالمي) وNADPH (عامل خفض قوي). يحدث تحلل الماء في هذه المرحلة، مما يطلق الأكسجين كمنتج ثانوي - وهو الأكسجين الذي نتنفسه مباشرة نتيجة لهذا التفاعل.
المرحلة الثانية، دورة كالفن أو تفاعلات الظلام، تحدث داخل السيتوسبلازما للبلاستيدات الخضراء ولا تتطلب الضوء بشكل مباشر. تستخدم هذه المرحلة ATP وNADPH المنتجين في التفاعلات المشرقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون من الهواء إلى جزيئات السكر - الجلوكوز والسكريات الأخرى. الإنزيم الرئيسي هو RuBisCO (ريبولوز-1,5-بيسفوسفات كاربوكسيلاز/أكسجيناز)، والذي يُعتقد أنه الإنزيم الأكثر وفرة على الأرض. يقوم RuBisCO بدمج CO₂ مع جزيء سكري خام من 5 ذرات كربون لبدء عملية بناء السكر.
المعادلة المبسطة للتمثيل الضوئي هي: 6CO₂ + 6H₂O + الضوء → C₆H₁₂O₆ + 6O₂. ومع ذلك، وصفها بأنها "مختصرة" هو مضلل - فالعملية الحقيقية تتضمن مئات التفاعلات المختلفة، وتُدار بواسطة عدة عشرات من الإنزيمات، وتتم في عدة مللي ثوانٍ داخل أغشية مرتبة بشكل استثنائي.
أهمية التمثيل الضوئي للحياة على الأرض لا يمكن تقييمها بشكل كافٍ. تأتي معظم الطاقة في النظم البيئية على الأرض في النهاية من التمثيل الضوئي - سواء بشكل مباشر من خلال النباتات التي نأكلها، أو بشكل غير مباشر من خلال الحيوانات التي تأكل النباتات. كما أن الوقود الأحفوري مثل النفط والغاز الطبيعي والفحم ليس سوى طاقة شمسية تم "تخزينها" عبر التمثيل الضوئي بواسطة الكائنات الحية القديمة منذ ملايين السنين.
يحاول العلماء تقليد التمثيل الضوئي بشكل اصطناعي - وهو ما يُعرف باسم التمثيل الضوئي الاصطناعي - كوسيلة لإنتاج وقود نظيف من ضوء الشمس والماء. وإذا نجحوا، فقد يغير هذا قطاع الطاقة ويُسهم في مواجهة تغير المناخ. يبدو الكلوروفيل البسيط بلونه الأخضر حقًا هو الأساس للحياة كما نعرفها.