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.

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».

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.

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.

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.

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.

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.

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

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.

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

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.