تم إلغاء تنشيط البوابة. يُرجَى الاتصال بمسؤول البوابة لديك.

شارح الدرس: التنفس في النباتات الأحياء

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نَصِف عملية التنفس في النبات، ونناقش العلاقة بين التنفس والبناء الضوئي.

نحن نعرف أن النباتات يمكنها صنع غذائها بنفسها. فمن خلال عملية البناء الضوئي، تقوم النباتات الخضراء بتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين في وجود ضوء الشمس. وتستخدم النباتات هذا الجلوكوز لتستمد منه الطاقة التي تحتاجها للبقاء على قيد الحياة، ولكن كيف تحصل النباتات على هذه الطاقة من جزيئات الجلوكوز؟ بالنسبة إلى النباتات والحيوانات، تتحرر الطاقة من الجزيئات الكبيرة في الغذاء من خلال عملية التنفس.

تعريف: البناء الضوئي

البناء الضوئي هو العملية التي تحوِّل النباتات الخضراء من خلالها ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكريات، مثل الجلوكوز، وأكسجين، وذلك في وجود ضوء الشمس.

يمكن وصف التنفس الخلوي بأنه عملية تكسير المركبات التي تحتوي على الكربون، مثل الجلوكوز، داخل الخلايا لتحرير الطاقة. وتُخزن هذه الطاقة كطاقة كيميائية، في صورة جزيئات ATP. وتُسمى المركبات التي يتم تكسيرها «الركائز» أو «المتفاعلات»، أما المركبات الناتجة فتُسمى «نواتج التفاعل».

تعريف: التنفس الخلوي

التنفس الخلوي عملية تحدث في الكائنات الحية؛ وفيها تتكسَّر المركبات التي تحتوي على الكربون، مثل الجلوكوز، لإطلاق طاقة في صورة جزيئات ATP.

تعيش بعض الكائنات، مثل العتائق والبكتيريا، في بيئات ذات مستويات منخفضة من الأكسجين. وتتنفس خلايا هذه الكائنات عن طريق تكسير الجزيئات في غياب الأكسجين، وتُسمى هذه العملية التنفس اللاهوائي. ولكن، في معظم النباتات والكائنات الراقية الأخرى، يحدث تكسير الجزيئات في وجود الأكسجين، من خلال تفاعلات أكسدة تامة. وهذا النوع من التنفس يُسمى التنفس الهوائي.

تعريف: التنفس الهوائي

التنفس الهوائي هو العملية التي تُطلَق من خلالها الطاقة في الخلايا في وجود الأكسجين.

الركيزة الأكثر شيوعًا في التنفس الخلوي هي الجلوكوز، بالرغم من أنه في بعض الحالات يمكن استخدام جزيئات البروتين والدهون أيضًا. الجلوكوز هو جزيء سكر بسيط يتكون من حلقة سداسية الكربون. في التنفس الهوائي، تتكسر الروابط الكيميائية الموجودة بين ذرات الكربون من خلال التفاعل مع الأكسجين، وهذا يؤدي إلى إطلاق طاقة وثاني أكسيد الكربون والماء.

مصطلح رئيسي: الجلوكوز

الجلوكوز هو جزيء سكر أحادي بسيط يتكون من ست ذرات كربون، ويعد الركيزة الأكثر شيوعًا في عملية التنفس الخلوي.

تُخزَّن الطاقة المنطلقة في صورة جزيئات ATP، أي الأدينوسين الثلاثي الفوسفات. وعندما تحتاج الخلايا إلى الطاقة للقيام ببعض العمليات، يمكن تكسير جزيئات ATP لإطلاق الطاقة المخزنة بها. ومع ذلك، تختلف جزيئات ATP عن الجزيئات المخزَّنة الأخرى، مثل الكربوهيدرات والدهون، في أنها تعمل مصدر طاقة سريعًا وسهلًا لخلايا الجسم، فهي لا تحتاج إلى كمية كبيرة من الطاقة لكي تتكسر مقارنة بكمية الطاقة التي تحتاجها الجزيئات الكبيرة. ولذلك تُوصف جزيئات ATP بأنها «عملة الطاقة» في الكائنات الحية.

مصطلح رئيسي: الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP)

الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP) هو الجزيء الذي يخزِّن الطاقة الكيميائية في الكائنات الحية.

مثال ١: نواتج عملية التنفس الهوائي

أيُّ الغازات الآتية يَنْتج من التنفُّس الهوائي؟

  1. أول أكسيد الكربون.
  2. ثاني أكسيد الكبريت.
  3. الأكسجين.
  4. الهيدروجين.
  5. ثاني أكسيد الكربون.

الحل

الكائنات الحية تستمد الطاقة من الغذاء خلال عملية التنفس. بالنسبة إلى النباتات ومعظم الكائنات الراقية، يحدث ذلك في وجود الأكسجين، من خلال عملية تُسمى التنفس الهوائي.

المركبات المعقدة التي يتم تكسيرها أثناء عملية التنفس تُسمى «المتفاعلات»، أما المركبات الناتجة فتُسمى «النواتج». ويعد الجلوكوز المتفاعل الأكثر شيوعًا في عملية التنفس الخلوي. والجلوكوز هو سكر بسيط يتكون من ست ذرات كربون.

أثناء عملية التنفس الهوائي، يتفاعل الجلوكوز مع الأكسجين لإطلاق الطاقة، وثاني أكسيد الكربون، والماء.

إذن الغاز الذي ينتج من عملية التنفس الهوائي هو ثاني أكسيد الكربون.

تحتوي الخلايا على عضيات تؤدي وظائف محددة. في الخلايا النباتية، تحدث عملية البناء الضوئي في عضيات تُسمى البلاستيدات الخضراء، وهي توجد في الأجزاء الخضراء من النباتات. تحتوي البلاستيدات الخضراء على صبغة تُسمى الكلوروفيل؛ وهي التي تعطي النباتات لونها الأخضر. والكلوروفيل هو إحدى الصبغات الموجودة في خلايا النباتات، والتي تسمح لها بامتصاص الطاقة من ضوء الشمس، وهو ما يمكِّنها من تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين.

مصطلح رئيسي: البلاستيدات الخضراء

البلاستيدات الخضراء هي العضيات التي تحتوي على الكلوروفيل في الخلايا النباتية، وتحدث فيها عملية البناء الضوئي.

من ناحية أخرى، تحدث عملية التنفس في عضيات تُسمى «الميتوكوندريا». ويُطلق على الميتوكوندريا عادةً «وحدات توليد إمداد الطاقة في الخلية»؛ وذلك لأنها تكسر الجلوكوز إلى طاقة يمكن حملها على الجزيئات الحاملة للطاقة، مثل جزيئات ATP، بحيث تستخدمها الخلايا عند الحاجة.

مصطلح رئيسي: الميتوكوندريا

الميتوكوندريا (المفرد: ميتوكندريون) هي العضيات التي تحدث فيها عملية التنفس واطلاق الطاقة في الخلايا.

يمكن رؤية هاتين العضيتين الرئيسيتين في الشكل 1 الذي يوضح رسمًا مبسطًا لخلية نباتية.

الشكل 1: شكل يوضح البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا في خلية نباتية.

في النباتات، تتم عملية البناء الضوئي جنبًا إلى جنب مع عملية التنفس. فنواتج أحد هذين التفاعلين تمثل متفاعلات التفاعل الآخر. ولفهم ذلك بوضوح، دعونا نلقِ نظرة على المعادلة الخاصة بكل عملية.

معادلة: البناء الضوئي

أزءأان++ﺿ

معادلة: التنفس

)PTA(ءأانأز+++

قد تلاحظ أن هذين التفاعلين عكس بعضهما تمامًا. فنواتج تفاعل البناء الضوئي هي نفس جزيئات المتفاعلات في تفاعل التنفس، والعكس صحيح.

أثناء التنفس، يتكسر الجلوكوز الناتج عن البناء الضوئي من خلال التفاعل مع الأكسجين؛ وهو ناتج آخر من نواتج البناء الضوئي. وهذه هي طريقة إطلاق الطاقة، في صورة جزيئات ATP، من الغذاء الذي تصنعه النباتات عن طريق البناء الضوئي. من ناحية أخرى ثاني أكسيد الكربون والماء الناتجين من عملية التنفس يستخدما كمتفاعلين في البناء الضوئي. وهذا هو ما يوضحه الشكل 2.

الشكل 2: شكل يوضح العلاقة بين عملية البناء الضوئي وعملية التنفس الخلوي في النباتات.

مثال ٢: الحصول على الجلوكوز كمتفاعل في عملية التنفس الخلوي

تحتاج النباتات إلى الجلوكوز للقيام بالتنفس. ما الطريقة التي تحصل بها النباتات على أغلب هذا الجلوكوز؟

  1. يُنتج الجلوكوز أثناء النتح.
  2. يُنقل الجلوكوز عن طريق النقل النشط من التربة إلى الجذور.
  3. يُنتج الجلوكوز أثناء البناء الضوئي.
  4. ينتشر الجلوكوز إلى الأوراق عبر الثغور المفتوحة.

الحل

تصنع النباتات الخضراء غذاءها في وجود ضوء الشمس من خلال عملية تُسمى «البناء الضوئي». في النباتات، تتم عملية البناء الضوئي جنبًا إلى جنب مع عملية التنفس. فنواتج أحد هذين التفاعلين تمثل متفاعلات التفاعل الآخر. لنفهم ذلك، دعونا نلقِ نظرة على معادلة كل تفاعل.

البناء الضوئي: أزءأان++ﺿ

التنفس: )PTA(ءأانأز+++

كما نرى، يُستخدم كل من الجلوكوز والأكسجين الناتجين من عملية البناء الضوئي كمتفاعلين في عملية التنفس، حيث يتم تكسيرهما وينتج عن ذلك ثاني أكسيد الكربون وماء وطاقة.

ومن ثَمَّ، فإن النباتات تحصل على أغلب الجلوكوز من خلال عملية البناء الضوئي.

دعونا نناقش مفهوم التنفس في النباتات ونتناول بعض الأسئلة حول كيفية اختلاف هذه العملية عن التنفس في الحيوانات.

بشكل عام، لا توجد إجابة مباشرة للسؤال عما إذا كانت النباتات تتنفس أم لا. فالنباتات، كما تعلمنا، تحتاج إلى الأكسجين في عملية التنفس الهوائي؛ لتكسير الجلوكوز إلى طاقة. وأثناء هذه العملية، تتحرر جزيئات ثاني أكسيد الكربون. ولكن، على عكس الحيوانات، فإن النباتات ليس لديها أجهزة متخصصة للتنفس.

كما رأينا، تشترك العديد من جزيئات الغازات في عمليتي التنفس والبناء الضوئي. ويمكن للنباتات أن تستمد جزيئات الغازات التي تحتاجها من الغلاف الجوي وأن تطلق أيضًا نواتج تفاعلاتها من خلال تبادل الغازات

مصطلح رئيسي: تبادل الغازات

تبادل الغازات هو العملية التي تستمد النباتات من خلالها جزيئات الغازات التي تحتاجها من الغلاف الجوي، وتطلق كذلك النواتج الغازية لتفاعلاتها.

معدل تبادل الغازات في النباتات يكون منخفضًا إلى حدٍّ ما مقارنةً بمعدل تبادل الغازات في الحيوانات؛ وذلك لأن نواتج عملية التنفس في النباتات تُستخدَم عادة كمتفاعلات في عملية البناء الضوئي. وهذا يعني أن النواتج لا تحتاج إلى الانتشار في الغلاف الجوي بكميات كبيرة. وفي أغلب الأحيان، لا تحتاج النباتات أيضًا إلى امتصاص كمية أكسجين كبيرة من الغلاف الجوي للتنفس؛ لأنه يتكون بالفعل عن طريق البناء الضوئي.

مما يعني أن كل جزء من أجزاء النبات يقوم بتوفير احتياجاته لعملية تبادل الغازات، ولا يكثر نقل الغازات بين أجزاء النبات. فالجذور والسيقان والأوراق تحتوي على تراكيب ولديها أوجه تكيف تسمح لها بالحصول على المتفاعلات التي تحتاجها من الغلاف الجوي وبإطلاق نواتج عمليتي التنفس والبناء الضوئي.

دعونا نلقِ نظرة على كل من هذه التراكيب ونفهم كيفية مساعدتها للنباتات على تبادل الغازات مع الغلاف الجوي.

تحتوي الأوراق على فتحات تسمى «ثغور»؛ وهي عبارة عن مسام صغيرة توجد على سطح الورقة. وهذه الثغور تفتح وتغلق حسب الحاجة إلى تبادل الغازات، كما هو موضح في الشكل 3. وتلعب هذه الفتحات أيضًا دورًا في السماح بانتشار بخار الماء من النباتات إلى الغلاف الجوي.

تعريف: الثغور

الثغور (المفرد: ثغر) هي مسام توجد على بشرة الأوراق، ويحدث من خلالها تبادل الغازات مع الغلاف الجوي.

الشكل 3: شكل يوضح الثغور الموجودة على سطح الورقة، والتي تلعب دورًا في عمليتي تبادل الغازات والنتح.

تلعب ساق النبات وجذوره دورًا مهمًّا أيضًا في تبادل الغازات، وكذلك في امتصاص الماء وانتشاره. وذلك لوجود مسام تُسمى «عديسات» على سطحها يمكن من خلالها تبادل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والماء مع الغلاف الجوي. كما توجد بالجذور أيضًا تراكيب متخصصة تُسمى «خلايا الشعيرات الجذرية»؛ وهي تمتد إلى الفراغات الهوائية في التربة، كما هو في الشكل 4 الموضح الأسفل

تعريف: العديسات

العديسات هي فتحات موجودة على أسطح سيقان النباتات وجذورها، وتحدث من خلالها عملية تبادل الغازات مع الغلاف الجوي.

تعريف: خلايا الشعيرات الجذرية

خلايا الشعيرات الجذرية هي تراكيب دقيقة تشبه الشعر تمتد إلى التربة وتزيد مساحة سطح الجذور إلى أكبر أقدر ممكن، وذلك لامتصاص الماء.

الشكل 4: شكل يوضح الشعيرات الجذرية للنبات وكيف تتمتد إلى الفراغات الهوائية في التربة.

تتميز خلايا الشعيرات الجذرية، الموضحة في الشكل 4، بأن لها مساحة سطح كبيرة لزيادة كفاءة امتصاص الماء من التربة إلى أقصى حد، ومن الممكن أن يحتوي هذا الماء على أكسجين مذاب ومغذيات.

مثال ٣: الحصول على الأكسجين كأحد المتفاعلات في التنفس الخلوي

تحتاج النباتات إلى الأكسجين للقيام بالتنفُّس الهوائي. أيٌّ من الآتي ليس أحد طرق حصول النباتات على الأكسجين؟

  1. يُستخدَم الأكسجين الذي يُنتِجه النبات أثناء البناء الضوئي في التنفُّس.
  2. يذوب الأكسجين في الماء، ويدخل جذور النبات.
  3. ينتشر الأكسجين إلى الأوراق عبر الثغور.
  4. يحصل النبات على الأكسجين الذي يتنفسه من خلال المسارات الهوائية المفتوحة في الورقة.

الحل

التنفس الهوائي هو العملية التي يتم من خلالها تكسير الجلوكوز في وجود الأكسجين لإنتاج الطاقة. وتستمد النباتات الأكسجين اللازم لهذه العملية من خلال مجموعة متنوعة من الطرق.

تصنع النباتات غذاءها من خلال البناء الضوئي. وتتضمن هذه العملية تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. وتتم عملية البناء الضوئي جنبًا إلى جنب مع التنفس، فنواتج كل تفاعل تمثل متفاعلات التفاعل الآخر. وهذا يعني أن الجلوكوز والأكسجين الناتجين من عملية البناء الضوئي يُستخدمان في عملية التنفس الهوائي لإطلاق الطاقة.

حيث يوفر كل جزء من أجزاء النبات ما يحتاجه للتنفس. جميع جذور النبات وسيقانه وأوراقه تتنفس، وهي تحتوي على تراكيب متخصصة لهذا الغرض. فعلى أسطح الأوراق توجد مسام صغيرة تُسمى «الثغور»، وهي تفتح وتغلق حسب حاجة النبات لتبادل الغازات مع الغلاف الجوي. إذا احتاج النبات إلى امتصاص أكسجين من الغلاف الجوي، فمن الممكن أن ينتشر في الورقة عبر هذه المسام.

تحتوي الجذور أيضًا على تراكيب متخصصة تسمى «الشعيرات الجذرية»، وهي تمتد إلى الفراغات الهوائية في التربة. يمكن لهذه الشعيرات الجذرية أن تمتص الماء من التربة وتوصله إلى النبات، ومن الممكن أن يحتوي هذا الماء على أكسجين مذاب ومغذيات.

من الخيارات المعطاة لنا، نجد أن الطريقة الوحيدة التي لا تستطيع النباتات استخدامها للحصول على الأكسجين الذي تتنفسه من خلال المسارات الهوائية المفتوحة في الورقة. فالأوراق، كما تعلمنا، لا تحتوي على مسارات هوائية مفتوحة، بل تحتوي على مسام صغيرة تُسمى «الثغور»، وهي تفتح وتغلق حسب حاجة النبات لتبادل الغازات.

من المثير للاهتمام في النباتات أن جميع الخلايا الحية لها سطح معرض للهواء المحيط. وهذا يعني أن الغازات يمكن أن تنتشر بسهولة من سطح النبات إلى الغلاف الجوي، دون الحاجة إلى وجود جهاز خاص بذلك في النبات. حتى في الأشجار ذات السيقان والجذور الخشبية السميكة، تكون الخلايا الحية مُرتبة في صورة طبقات رقيقة أسفل سطح اللحاء مباشرةً. ويتيح ترتيبها بهذه الصورة وجود فراغات هوائية بحيث تتعرض جميع الخلايا الحية للهواء. أما الخلايا الموجودة في الطبقات الأعمق من سيقان هذه النباتات، فهي خلايا ميتة، توفر دعمًا ميكانيكيًّا فقط ولا تحتاج إلى التنفس.

من المهم أن تتذكر أنه بينما لا تقوم النباتات بعملية البناء الضوئي إلا في النهار عندما يتوفر ضوء الشمس، فإن عملية التنفس الخلوي تحدث باستمرار، ليلًا ونهارًا. لذلك، يحدث تبادل الغازات مع الغلاف الجوي بصورة أكبر في الليل، وذلك أثناء تنفس النبات وعدم حدوث عملية البناء الضوئي بسبب غياب ضوء الشمس. ومن ثَمَّ، بدلًا من أن يستمد النبات الأكسجين الناتج عن البناء الضوئي، يستمده من الغلاف الجوي ليلًا. وبالمثل، فإن ثاني أكسيد الكربون الناتج عن حدوث التنفس ليلًا ينتشر في الغلاف الجوي بدلًا من استخدامه كمتفاعل في البناء الضوئي.

دعونا الآن نلقِ نظرة على تجربة بسيطة يمكن إجراؤها لفهم عملية التنفس الخلوي.

يوضح الشكل 5 نباتًا صغيرًا مزروعًا في أصيص وكوبًا مفتوحًا به ماء جير، ويوجد فوق الاثنين ناقوس زجاجي. نغطي هذا الناقوس بقطعة قماش سوداء سميكة ونتركه هكذا لمدة 24 ساعة.

الشكل 5: تجربة توضح عملية التنفس في النباتات. وُضع نبات صغير، مزروع في أصيص، وكوب من ماء الجير معًا، داخل ناقوس زجاجي مُغطى بقطعة قماش سوداء سميكة لمدة 24 ساعة.

ماء الجير هو اسم آخر لمحلول مركب يُسمى «هيدروكسيد الكالسيوم». في وجود ثاني أكسيد الكربون، يتحول هيدروكسيد الكالسيوم إلى كربونات الكالسيوم؛ وهو مركب أبيض يترسب من المحلول. وهو ما يجعل ماء الجير يبدو معكرًا.

عند إزالة قطعة القماش، نجد أن ماء الجير الموجود في الكوب قد تحول من سائل نقي إلى معلق معكر. دعونا نطبق ما تعلمناه عن التنفس في النباتات لفهم هذه الملاحظة.

تتنفس النباتات باستمرار، كما تعلمنا، حيث تكسر الجلوكوز والأكسجين إلى ثاني أكسيد كربون وماء. وعادةً ما يُستخدم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس كمتفاعل في عملية البناء الضوئي. إلا أنه في الظلام، عندما يكون حدوث البناء الضوئي غير ممكنًا، ينتشر ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من خلال المسام الموجودة على أسطح أوراق النباتات وسيقانها وجذورها. في الإعداد التجريبي الموضح، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون الناتج هذا مع ماء الجير، أو هيدروكسيد الكالسيوم، ويحوله إلى كربونات الكالسيوم. وفيما يلي معادلة كلامية توضح هذا التفاعل.

معادلة: ماء الجير وثاني أكسيد الكربون

ءتامأانروام++

ثمة طريقة أخرى مشوِّقة يمكن من خلالها استخدام إعداد التجربة هذا لتوضيح العلاقة بين البناء الضوئي والتنفس.

نستخدم كوبًا آخر من ماء الجير الرائق، ولكن بدلًا من تغطية الناقوس الزجاجي بقطعة قماش سوداء، نعرِّضه لمصدر ضوء، كما هو موضح في الشكل 6.

الشكل 6: تجربة توضح العلاقة بين عملية التنفس وعملية البناء الضوئي في النباتات.

بعد ترك الناقوس هكذا لمدة 24 ساعة، نلاحظ أن ماء الجير لم يتعكر، على عكس ما حدث في التجربة السابقة. ويرجع ذلك إلى أنه عند وجود طاقة ضوئية، يقوم النبات بعمليتي البناء الضوئي والتنفس باستمرار. ولذلك يُستخدم ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس كركيزة لعملية البناء الضوئي، بدلًا من إطلاقه في الغلاف الجوي. ومن ثَمَّ، لا يتحول ماء الجير، أو هيدروكسيد الكالسيوم، إلى كربونات الكالسيوم.

دعونا نستعرض النقاط الرئيسية لما تعلمناه عن التنفس في النباتات.

النقاط الرئيسية

  • تحصل النباتات على الطاقة عن طريق عملية التنفس الخلوي، والتي يتكسر فيها الجلوكوز إلى ثاني أكسيد كربون وماء لتحرير الطاقة.
  • تتم عملية البناء الضوئي جنبًا إلى جنب مع عملية التنفس، حيث تمثل نواتج أحد هذين التفاعلين متفاعلات التفاعل الآخر.
  • تحدث عملية التنفس ليلًا ونهارًا، بينما لا يمكن أن تحدث عملية البناء الضوئي إلا نهارًا، في وجود ضوء الشمس.
  • تحدث عملية التنفس الخلوي الهوائي في الميتوكوندريا.
  • تُخزَّن الطاقة الناتجة عن عملية التنفس الخلوي في صورة جزيئات من الأدينوسين الثلاثي الفوسفات (ATP)، والتي يمكن للخلايا تكسيرها واستخدامها عند الحاجة إلى طاقة.
  • تحتوي النباتات على ثغور، وعديسات، وشعيرات جذرية تسمح بتبادل الغازات مع الغلاف الجوي.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.