شارح الدرس: النقل في نسيج الخشب الأحياء

مثال ١: وصف أوعية نقل الماء في النبات

يوضح الشكل الآتي مخططًا مبسطًا لحركة الماء عبر أجزاء النبات. من خلال أي وعاء نقل يتحرك معظم الماء؟

1. نسيج الخشب.
2. اللحاء.
3. الوريد.
4. الجدران الخلوية.

الحل

الماء ضروري لكي يتمكن النبات من الازدهار والنمو. فهو المتفاعل الرئيسي في البناء الضوئي، وهو الطريقة التي تصنع بها النباتات غذاءها. لكن بالرغم من أن الجذور هي ما نرويه بالماء، فإنها ليست أهم موقع للماء. تحتاج النباتات إلى الكثير من الماء؛ لأنه خلال عملية البناء الضوئي، تُفقَد كمية كبيرة من الماء مباشرة إلى الهواء الجوي في عملية تسمى النتح. لذا، في النبات، يحقق الماء أقصى فائدة منه عندما يمكنه الانتقال من الجذور إلى الأوراق، التي تُعد موقع البناء الضوئي.

خلال البناء الضوئي، تنتج النباتات غذاءها باستخدام ضوء الشمس والماء. وتمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون من الهواء الجوي عبر مسامَّ صغيرة في أوراقها تسمى الثغور. وأثناء قيام النباتات بعملية البناء الضوئي لصنع غذائها، تفقد أيضًا كمية كبيرة من الماء بسبب النتح. النتح هو تبخر الماء من الأوراق في صورة بخار ماء.

عندما يتبخر الماء من الأوراق، يُشد المزيد من الماء إلى الأوراق من أوعية نسيج الخشب، التي تصل الماء الموجود في التربة بالماء في الأوراق مباشرةً. وأوعية نسيج الخشب عبارة عن تراكيب طويلة جدًّا تشبه الأنبوب مكونة من خلايا مستقلة متراصة بحيث تتصل نهاية كل منها بالأخرى. لا توجد جدران طرفية على خلايا نسيج الخشب، وعليه تكون الأوعية أنابيب مفتوحة باستمرار، ويمكن أن يتحرك الماء خلالها بسهولة وبدون قوة. تكون أنسجة نسيج الخشب في البداية خلايا حية، لكن مع نضج هذه الخلايا، تمر بعملية تفكيك منظمة للمساعدة في تكوين الأنابيب المجوفة التي تكوِّن أوعية نسيج الخشب. والوظيفة الرئيسية لأوعية نسيج الخشب هي نقل الماء في اتجاهٍ واحد لأعلى من الجذور، عبر الساق، وإلى الأوراق.

ومن ثمَّ، يتحرك معظم الماء في الشكل الموضح عبر أجزاء النبات باستخدام نسيج الخشب بوصفه وعاءً للنقل.

مثال ٢: وصف أوعية نقل الماء في النبات

أي عبارة تفسر نظرية حركة الماء بفعل الضغط الجذري تفسيرًا دقيقًا؟

1. الضغط الجذري هو القوة التي تدفع الماء عموديًّا من الجذور خلال الخشب.
2. الضغط الجذري هو القوة التي تسحب الماء خلال الخشب من الجذور.
3. الضغط الجذري يدفع الماء إلى جدران خلايا اللحاء لنقلها إلى أجزاء النبات.
4. الضغط الجذري هو ترابط جزيئات الماء مع جدران خلايا الشعيرات الجذرية.

الحل

حتى بعد أن اكتشف العلماء أن أوعية نسيج الخشب هي التي تنقل الماء إلى جميع أجزاء النبات، إلا أنه كان من الضروري تحديد آليات عملية النقل. ركزت إحدى النظريات حول كيفية نقل الماء في النبات على تحديد إذا ما كانت القوى الفيزيائية المؤثرة على أوعية نسيج الخشب هي التي قد تساعد في نقل الماء لأعلى عكس الجاذبية. ومن القوى الفيزيائية التي وُضعت في الاعتبار الضغط الجذري.

فعندما تقطع ساق نبات عند القاعدة، ستتمكن من رؤية العصارة تسري لأعلى من الجذور. ومن هذه الملاحظة، اقترح عالم نبات آخر، وهو د. بريستلي، أن الضغط الجذري قد يمثل القوة الفيزيائية الكامنة وراء نقل الماء في النباتات. ولعلك تتذكر أنه بسبب تدرجات الضغط، تسري الموائع من المناطق العالية الضغط إلى المناطق المنخفضة الضغط. وهذا الضغط العالي في الجذور هو الذي يتسبب في سريان الماء لأعلى الساق، وهذه هي الظاهرة التي استخدمها د. بريستلي أساسًا لنظرية الضغط الجذري. والضغط الجذري هو الضغط الموجب الذي ينشأ في أوعية نسيج الخشب في الجذر أثناء الامتصاص النشط للماء في بعض النباتات.

لكن، من المُلاحظ عادة أن الضغط الجذري يكون منخفضًا بوجه عام، ولا يكفي لرفع الماء إلى قمم الأشجار الطويلة جدًّا. علاوة على ذلك، لا يحتاج نقل الماء دائمًا إلى الجذور. وأفضل طريقة لملاحظة هذا هي باستخدام زهور حديثة الزراعة ومكسبات اللون للأغذية. فعند وضع زهور مقطوعة في كوب من الماء الملون، سيبدأ ظهور لون الماء في بتلات الزهور بعد بضعة أيام، بسبب نقل الماء لأعلى في نسيج الخشب. ومن هذا المنطلق، نلاحظ أن نقل الماء قد حدث في هذه الزهور المقطوعة حتى في حالة عدم وجود جذور! إذن، لا يمكن تفسير نقل الماء لأعلى الساق في حالة عدم وجود جذور باستخدام نظرية الضغط الجذري.

ومن ثَمَّ، فإن أفضل تفسير لنظرية حركة الماء بواسطة الضغط الجذري هي أن الضغط الجذري هو القوة التي تدفع الماء من الجذور عموديًّا لأعلى نسيج الخشب.

مثال ٣: تعريف قوى التجاذب بين جزيئات الماء

تهدف نظرية التماسك والتلاصق لحركة الماء إلى تفسير كيفية نقل الماء خلال نسيج الخشب. أي عبارة تفسر معنى التماسك في حركة الماء تفسيرًا دقيقًا؟

1. يشير التماسك إلى قوى التجاذب بين جزيئات الماء داخل نسيج الخشب.
2. يشير التماسك إلى قوى التجاذب التي تحدث بين جزيئات الماء وجدران نسيج الخشب.
3. يشير التماسك إلى قوة شد الماء خلال نسيج الخشب، حيث ينتشر بخار الماء من الثغور.
4. يشير التماسك إلى حركة الماء من التربة إلى الجذر من منطقة يقل فيها تركيز المُذاب إلى منطقة يزيد فيها تركيز المُذاب.

الحل

كلما تبخر الماء من الأوراق، يُشد المزيد من الماء إلى الأوراق من أوعية نسيج الخشب، الذي يوصِّل الماء الموجود التربة بالماء في الأوراق مباشرة. وأوعية نسيج الخشب عبارة عن تراكيب طويلة جدًّا تشبه الأنبوب وهي مكونة من خلايا مستقلة متراصة بحيث تتصل نهاية كل منها بالأخرى. لا توجد جدران طرفية في خلايا نسيج الخشب، وعليه تشكل الأوعية أنابيب مفتوحة باستمرار يمكن أن يتحرك خلالها الماء بسهولة وبدون الحاجة إلى قوة دفع. تبدأ أنسجة الخشب خلايا حية، لكن مع نضج الخلايا، تمر بعملية تفكيك منظمة للمساعدة في تكوين الأنابيب المجوَّفة التي تكون أوعية نسيج الخشب. والوظيفة الرئيسية لنسيج الخشب هي نقل الماء في اتجاه واحد لأعلى من الجذور، عبر الساق، وإلى الأوراق.

تنجذب جزيئات الماء في أوعية نسيج الخشب بقوة بعضها إلى بعض؛ ما يجعلها «تتقارب معا». وهذا «التقارب» بين جزيئات الماء يُسمى التماسك، ويرجع إلى تكوين روابط هيدروجينية قوية بين جزيئات الماء المختلفة. وتتسبب خاصية التماسك بين جزيئات الماء في تكوين عمود من الماء، حيث يتبع كل جزيء من الماء جزيئًا تاليًا له، في وعاء نسيج الخشب. ويحدث التماسك بين جزيئين مختلفين من جزيئات الماء، بينما التلاصق هو التجاذب بين جزيء واحد من الماء وجدران وعاء نسيج الخشب.

ولذلك، فإن أفضل تفسير لمعنى التماسك في حركة الماء هو الخيار (أ): يشير التماسك إلى قوى الجذب بين جزيئات الماء داخل نسيج الخشب.

مثال ٤: وصف معدل النتح في النباتات

يوضح الشكل العلاقة بين الوقت خلال اليوم ومعدل سريان الماء خلال النبات. بين أي ساعة خلال اليوم كان أعلى معدل للنتح؟

1. من 12 مساءً إلى 6 مساءً.
2. من 2 صباحًا إلى 8 صباحًا.
3. من 10 صباحًا إلى 2 مساءً.
4. من 2 صباحًا إلى 6 مساءً.
5. من 8 مساءً إلى 10 مساءً.

الحل

العوامل البيئية الأربعة الرئيسية التي يمكن أن تؤثر على معدل النتح هي: الضوء، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والهواء. وفي النهار، تساعد هذه العوامل البيئية النبات على النتح بسرعة كبيرة؛ ما يزيد من كمية الماء التي يستخدمها النبات خلال اليوم. ويرتبط معدل النتح بسريان الماء خلال النبات.

يمكن أن تؤثر هذه العوامل تأثيرًا كبيرًا على معدل النتح. فكلما نتح المزيد من الماء، كان الشد الناتج عن النتح عند «أعلى» نسيج الخشب أقوى. إذن، في أثناء النهار، يحفز ضوء الشمس فتح ثغور الورقة؛ ما يسرع النتح. والارتفاع في درجة الحرارة يزيد من طاقة حركة جزيئات الماء؛ ما يعني أنها تتبخر أسرع، ومن ثم يزيد معدل النتح. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا أن تزيد الرطوبة المنخفضة وسرعة الرياح العالية من معدل النتح في الأوراق بزيادة تدرج التركيز بين داخل الورقة ومحيطها.

على سبيل المثال، يحفز الضوء فتح الثغور ويرفع درجة حرارة الورقة، ما يسرع النتح. وهذا يحدث لأن الماء يتبخر أسرع كلما ارتفعت درجة الحرارة. فكلما نتح المزيد من الماء بسرعة، احتاج النبات إلى المزيد من الماء لتبريد النبات واستخدامه في البناء الضوئي. أيضًا في أثناء النهار، تقل الرطوبة وتزيد سرعة الرياح. وهذا يعني أن الهواء المحيط يكون أكثر جفافًا، وتزداد حركة الهواء حول الثغور، ما يساعد على نتح الماء بسرعة أكبر، ما يؤدي مرة أخرى إلى زيادة كمية الماء الذي يسري خلال النبات. لكن في الليل، يقل الضوء، وتقل درجة الحرارة، وتزيد الرطوبة، وتقل الرياح. واستجابة للتغير في هذه العوامل البيئية، تنغلق الثغور ويتوقف النتح.

في التمثيل البياني، نلاحظ أن معدل سريان الماء يتم تتبعه بمرور الوقت من اليوم.

بدءًا من نقطة الوقت الأولى على اليسار، في الساعة الثانية عشرة صباحًا، نلاحظ أن معدل سريان الماء منخفض جدًّا. يستمر انخفاض معدل سريان الماء من الساعة الثانية عشرة صباحًا إلى نحو الساعة العاشرة صباحًا. وبدءًا من الساعة العاشرة صباحًا، يمكننا ملاحظة الزيادة في سريان الماء خلال النبات حتى نحو الساعة الثانية عشرة مساءً، وهو ما يشير إليه ميل الخط لأعلى في التمثيل البياني. وهذا يشير إلى أن معدل سريان الماء يرتفع بين الساعة العاشرة صباحًا والساعة الثانية عشرة مساءً.

يظل معدل سريان الماء مرتفعًا بشكل ثابت من الساعة 12 مساءً إلى الساعة 6 مساءً. وهذا يعني أن معدل سريان الماء يكون ثابتًا ومرتفعًا خلال هذه الفترة. وعند الساعة السادسة مساءً، يبدأ خط التمثيل البياني في الانخفاض حتى الساعة العاشرة مساءً.

يمكننا تقييم الخيارات المُعطاة لتحديد الفترة الزمنية التي يكون فيها معدل سريان الماء مرتفعًا. الخيار الأول هو الثانية عشرة مساءً والسادسة مساءً. ومن التمثيل البياني، نلاحظ أن معدل سريان الماء مرتفع جدًّا.

إذن، بناء على التمثيل البياني الموضح الذي يبين العلاقة بين الوقت خلال اليوم ومعدل سريان الماء خلال النبات، كان أعلى معدل للنتح بين الثانية عشرة مساءً والسادسة مساءً.

مثال ٥: فهم تغير الشد بتغير معدل النتح في النباتات

يوضح التمثيل البياني الآتي العلاقة بين الوقت من اليوم ومعدل سريان الماء في النبات. بين أي ساعة تكون قوة الشد أقوى ما يُمكن؟

1. من 12 مساءً إلى 6 مساءً.
2. من 2 صباحًا إلى 8 صباحًا.
3. من 6 صباحًا إلى 12 مساءً.
4. من 6 مساءً إلى 10 مساءً.
5. من 4 صباحًا إلى 10 صباحًا.

الحل

يمكن أن تؤثر العوامل البيئية التي تزيد من النتح تأثيرًا كبيرًا على الضغط السلبي، أو الشد، على الماء في الورقة. والعوامل البيئية الأربعة الرئيسية التي يمكن أن تؤثر على معدل النتح هي: الضوء، ودرجة الحرارة والرطوبة، والهواء. وعند زيادة كمية الماء التي تخرج في النتح، يسرى المزيد من الماء خلال أجزاء النبات.

إذن، في أثناء النهار، تساعد هذه العوامل البيئية النبات على النتح بسرعة كبيرة؛ ما يزيد من كمية الماء التي يستهلكها النبات خلال اليوم. وكلما زاد نتح النبات، زاد الشد على سطح الورقة. والزيادة في الشد في نسيج الخشب قوية للغاية لدرجة أنها يمكن أن تقلل قطر الجذع!

في الليل، يخفت الضوء، وتقل درجة الحرارة، وتزيد الرطوبة، وتهدأ الرياح. واستجابة للتغير في هذه العوامل البيئية، تنغلق الثغور ويتوقف النتح. في النبات أثناء الليل، يظل الماء منحصرًا في الساق وفي الورقة من خلال تلاصق الماء بجدران أوعية نسيج الخشب وتماسك جزيئات الماء معًا. وعندما يقل الشد في نسيج الخشب، يزيد قطر الجذع!

يمكن تلخيص هذه العلاقة كما يلي: عندما يزيد معدل النتح، يزيد الشد، ويتقلص الجذع. وعندما ينخفض معدل النتح، يقل الشد، ويتمدد الجذع.

في التمثيل البياني، نلاحظ أنه يتم تتبع معدل سريان الماء مع الوقت من اليوم. بدءًا من نقطة الزمن الأولى على اليسار، عند الساعة الثانية عشرة صباحًا، نلاحظ أن معدل سريان الماء منخفض جدًّا، ويستمر من الثانية عشرة صباحًا إلى العاشرة صباحًا. وعندما يقل معدل سريان الماء، يقل معدل النتح أيضًا؛ ومن ثَمَّ يقل الشد أيضًا.

عند الساعة العاشرة صباحًا، يتزايد سريان الماء حتى حوالي الساعة الثانية عشرة مساءً، وهو ما يشير إليه ميل الخط لأعلى في التمثيل البياني. فكلما زاد معدل النتح، زاد الشد. بعد ذلك، يظل معدل سريان الماء مرتفعًا بثبات من الساعة الثانية عشرة مساءً إلى نحو الساعة السادسة مساءً. وهذا يعني أن معدل سريان الماء يظل ثابتًا ومرتفعًا خلال هذه الفترة؛ ومن ثَمَّ يظل الشد ثابتًا. عند الساعة السادسة مساءً، يبدأ خط التمثيل البياني في الانخفاض حتى الساعة العاشرة مساءً، وذلك لانخفاض معدل سريان الماء والشد.

يطلب منا السؤال تحديد الفترة الزمنية التي يكون فيها الشد أقوى ما يمكن في نسيج الخشب. يتسبب ارتفاع معدل النتح في زيادة الشد. فعندما يزيد النتح، يزيد معدل سريان الماء ليعوض الماء المفقود بفعل النتح بسرعة. إذن، الإجابة الصحيحة في الاختيارات المعطاة هي الفترة الزمنية التي يكون فيها معدل سريان الماء أعلى ما يمكن. ومن قراءة التمثيل البياني، كان معدل سريان الماء مرتفعًا بين الساعة الثانية عشرة مساءً والساعة السادسة مساءً.

ومن ثَمَّ، بناء على التمثيل البياني الموضح الذي يبين العلاقة بين الوقت من اليوم ومعدل سريان الماء عبر النبات، يكون الشد أقوى ما يمكن في نسيج الخشب فيما بين الساعة الثانية عشرة مساءً والسادسة مساءً.