علم الحياة الكموميالحياة ظاهرة تنتج عن منظومة من الجزيئات العضوية العالية التنظيم والتعقيد، وجزيئات لا عضوية، وتتبادل المواد والطاقة والمعلومات. مع البيئة، وهي جزء منها. وحيث إن التكاثر والنمو والتي تؤدي إلى الزيادة في العدد والكتلة على التوالي، من الخواص الأساسية للمنظومة الحية، فهي تأخذ من المواد والطاقة والمعلومات أكثر مما تفقد. وهكذا فهي ليست في حالة توازن مع البيئة وبسبب التفاعل ما بين الكائنات الحية وبينها والبيئة، فإن المادة بضمنها العناصر المعدنية تتحرك بدورات. وحيث إن كمية المادة في المحيط الأحيائي (Biosphere) ثابتة، فلا بد من الطاقة لتفعيل دورات المادة، وإلا فإن انسياب المادة في النهاية سيتوقف بسبب زيادة الإنتروبي. والإنتروبي هو مقياس للعشوائية واللانظام أو الشواش، وهو في تزايد مستمر حسب القانون الثاني للديناميكا الحرارية؛ أي إن الأشياء تتجه عموما نحو التفكُّك والتبسيط؛ وعليه فإن الحفاظ على حالة النظام والتعقيد للمنظومة الحية يقتضي بالضرورة تخفيض الإنتروبي بتصديره إلى البيئة؛ عن طريق التزود المستمر بالطاقة. وما الموت إلا انقطاع سيل الطاقة والمواد والمعلومات إلى المنظومة الحية، وبالتالي تحولها إلى جزء مماثل لأجزاء البيئة المحيطة غير الحية، وبدء التفسخ والتحلُّل ووصولها إلى حالة التوازن معها. وهكذا يصبح التعريف الأبسط للحياة هو القدرة على استغلال الطاقة والسيطرة عليها (2016 ,Olso & Straub).

كل فرد من المحيط الحيوي بحاجة إلى مصدر للطاقة؛ فالحيوانات العليا تستخدم المواد العضوية الجاهزة من سلسلة من حيوانات أخرى تنتهي بحيوانات تتغذى على النباتات أو الطحالب أو بعض أنواع البكتيريا. والحيوانات الدنيا والفطريات والكثير من أنواع البكتيريا، تعتمد على تلك الأحياء أيضًا الأحياء التي تعتمد على أحياء أخرى في الحصول على الطاقة، هي أحياء غيرية التغذية Heterotrophic). والأحياء التي تكون مصدرًا أوليًا للطاقة لنفسها، ومن ثم لغيرها، هي أحياء ذاتية التغذية (Autotrophic) وهي تعتمد مباشرةً على الطاقة الشمسية، وعلى الطاقة الكيميائية المخزونة في بعض المواد. يصل إلى كوكب الأرض من الطاقة الشمسية ما قَدْرُه 166 بيتا واط W)10¹⁵ =(1PW . يعكس الكوكب إلى الفضاء %30 منها، وتمتص الغيوم 19% ويتبقى 85 بيتا واط قابلة للاستغلال على الكوكب. ما يُستخدم في التركيب الضوئي من الطاقة الشمسية جزء صغير فقط، هو 75 تيرا واطW) 10¹² TW =1) للمقارنة، فإن متوسط الاستهلاك البشري من الطاقة سنة 2010 م هو 16 تيرا واط (2016 ,.Mirkovic et al).

الأحياء الذاتية التغذية تُميَّز إلى أحياء تعتمد على طاقة ضوء الشمس كمصدر أولي للطاقة، وتُسمَّى ذاتية التغذية الضوئية (Photoautotrophic) وتشمل النباتات الخضراء والطحالب والسيانوبكتيريا (Cyanobacteria البكتيريا الخضراء المزرقة) والبكتيريا الأرجوانية وبكتيريا الكبريت الخضراء وأحياء تعتمد على الطاقة الكيميائية في بعض المواد اللاعضوية، وتُسمَّى ذاتية التغذية الكيميائية (Chemoautotrophic). هذه الأحياء تشمل البكتيريا المؤكسدة للكبريت Protobacteria وAquafica والأركيا المكونة للميثان والبكتيريا المؤكسدة للحديد.

المجموعة الأخيرة تعتمد على أكسدة الهيدروجين أو كبريتيد الهيدروجين أو الميثان أو أيونات الحديدوز أو الأمونيا للحصول على الطاقة الأولية لتحويل ثاني أوكسيد الكاربون أو الميثان إلى مركبات سكرية.

12H₂S + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆(carbonhydeate) + 6H₂O + 12S

ومن المرجح أن هذه الأحياء مثلت الطريق الأقدم تطوريًا في التغذية الذاتية؛ حيث لا يتوفر الضوء الكافي في أعماق المحيطات، ولم يكن الأوكسجين الغازي الحر متوفرًا.

تشير التقديرات إلى أن حوالي 200 مليار طن من غاز ثاني أوكسيد الكاربون يتم تحويله إلى كتلة حيوية حوالي 40% من الكتلة الحيوية يتم إنتاجها بواسطة العوالق النباتية البحرية. ومعظم الكاربون يُضمن بشكل مواد عضوية عن طريق اختزاله في عملية التركيب الضوئي (2002 ,Taiz & Zeiger). الأركيا تستخدم مساراتٍ غير دورة كالفن من أجل تكوين CoA – Acety1 كوسيلة لتثبيت الكاربون من Berg et al., 2010) CO₂).

الأحياء الذاتية التغذية الضوئية والتي تستخدم آلية التركيب الضوئي تُميَّز إلى مجموعتين:

الأحياء الأوكسجينية التركيب الضوئي: وهي الأحياء التي تُنتج الأوكسجين في التركيب الضوئي، وتشمل النباتات الخضراء والطحالب والسيانوبكتيريا، وهي مصدر الكاربون العضوي والأوكسجين الغازي في كوكب الأرض. تعتمد الأحياء الأوكسجينية على صبغات كلوروفيل a والمنظومة الضوئية I والمنظومة الضوئية II في الحصول على طاقة الضوء، واستغلالها في أكسدة جزيئات الماء.

الأحياء اللاأوكسجينية التركيب الضوئي: وهي أنواع من البكتيريا لا تُنتج الأوكسجين في عملية التركيب الضوئي والذي يُعرف بالتركيب الضوئي اللاأوكسجيني (Anoxygenic photosynthesis). هذه البكتيريا لا تتمكن من استخدام جزيئات الماء كمانحات للإلكترونات، وإنما تستخدم الكبريتيد والهيدروجين أو المواد العضوية. وهكذا فهي لا تُسهم في تكوين الأوكسجين في الطبيعة، لكنها تُسهم في تكوين المواد العضوية. البكتيريا اللاأوكسجينية تستخدم صبغة الكلوروفيل البكتيري (Bacteriochlorophyll) ومنظومة ضوئية واحدة؛ هي أما النظام الضوئي I في بعض الأنواع أو النظام الضوئي II في أنواع أخرى.

أحياء التركيب الضوئي اللاأوكسجينية تشمل البكتيريا الأرجوانية Purple) (bacteria مثل أنواع Rhodospirillum التي تعود إلى شعبة Proteobacteria، وبكتيريا الكبريت الخضراء (Green sulfur bacteria) مثل أنواع Chlorobium العائدة إلى شعبة Chlorobi وأنواع Heliobacterium تعود إلى شعبة Firmicutes وChloracidobacterium thermophilum تعود إلى شعبة Acidobacteria وGem–matimonas phototrophica تعود إلى شعبة Gemmatimonadees وغيرها (2016 ,(Hanada.

يعتبر التركيب الضوئي من بين أهم المواضيع في علوم الحياة، واستقطب جهود آلاف العلماء في سبيل دراسته وفهم آلياته عبر عدد هائل من الأبحاث. وكدلالة على ذلك فإنه أفضى إلى حصول باحثيه على جائزتي نوبل في الكيمياء؛ الأولى سنة 1961 م؛ حيث حصل عليها Melvin Calvin باكتشافه دورة تثبيت الكاربون والمعروفة باسمه، والثانية سنة 1988 م، وحصل عليها سوية Johann Desenhofer وRobert Huber وHartmut Michel لاكتشافهم التركيب الثلاثي الأبعاد لمركز التفاعل في التركيب الضوئي.

يختلف ميكانيك الكم عن الميكانيك التقليدي في النظر إلى العالم عند التعامل مع الأبعاد الصغيرة جدا والأحداث السريعة جدًّا. وهكذا، وعلى خلاف الميكانيك التقليدي، لا تتماشى التأثيرات الكمومية مع خبرتنا اليومية بسهولة، بل غالبًا ما تكون مناقضة للبديهة التي اعتدنا عليها. وهكذا تضعنا الأبعاد والأزمنة التي تحصل فيها عمليات التركيب الضوئي قرب حدود ميكانيك الكم والميكانيك التقليدي وفي مديات التأثيرات الكمومية القابلة للقياس (2018 Keren & Paltiel,). ولغرض فهم عملية التركيب الضوئي ودور ميكانيك الكم فيه لا بد من استعراض العناصر التي تلعب الأدوار الرئيسة فيه، وهي الضوء والصبغات ونظم استقبال ومعالجة الطاقة.