نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سنعرف كل شيء عن عملية مميزة في النباتات تسمى «النتح». سوف نستعرض كيفية عملها، والتراكيب النباتية المشاركة فيها، وكيف تؤثر الظروف البيئية المختلفة على سرعة حدوثها. سنعرف أيضًا كيف يمكننا استخدام جهاز يسمى البوتومتر (مقياس النتح) في المعمل لدراسة معدل النتح. هيا نبدأ!
لعلكم تتذكرون أن النباتات تقوم بعملية البناء الضوئي. هذا التفاعل الكيميائي، الذي يحدث غالبًا في الأوراق، يستخدم الطاقة الضوئية لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. يستخدم النبات الجلوكوز بعد ذلك لإمداده بالطاقة التي يحتاج إليها. لكن من أين تحصل النباتات على ثاني أكسيد الكربون والماء اللذين تحتاج إليهما للقيام بعملية البناء الضوئي في الأساس؟ يستمد الماء من التربة، ويمتصه النبات من خلال جذوره. ينتشر ثاني أكسيد الكربون داخل النبات من خلال مسام صغيرة على الأوراق تسمى «الثغور». لهذه المسام دور آخر وهو أنها عندما تكون مفتوحة، يمكن للماء أن يتبخر ثم ينتشر إلى خارج النبات في صورة بخار ماء. يعرف فقدان الماء من النبات باسم «النتح»، وهو موضوع هذا الفيديو.
دعونا نلق نظرة عن قرب على الثغور كي نفهم دورها في النتح فهمًا كاملًا. كما ذكرنا، الثغور عبارة عن مسام صغيرة توجد في البشرة، وهي الطبقة الخارجية من الخلايا التي تغطي الأوراق. تعرف كل فتحة من فتحات المسام بالثغر، وتعرف مجتمعة بالثغور. عادة ما تحتوي الأوراق في سطحها السفلي على ثغور أكثر من سطحها العلوي. يتكون كل ثغر من خليتين على شكل حبة الفول تسميان الخليتين الحارستين، وتحيطان بفتحة الثغر. الجدار الداخلي للخلية الحارسة يكون سميكًا ومرنًا، في حين يكون الجدار الخارجي أقل سمكًا بكثير. الخليتان الحارستان مسئولتان عن تنظيم فتح الثغور وإغلاقها.
يمكننا ملاحظة أن الثغر الموجود في هذا الشكل مغلق في الوقت الحالي. عندما تكون هناك حاجة إلى فتح الثغور، على سبيل المثال عند شروق الشمس مع بدء البناء الضوئي، تضخ المواد المذابة مثل أيونات البوتاسيوم والكلوريد إلى الخليتين الحارستين عن طريق النقل النشط. وهذا يقلل جهد الماء داخل الخليتين الحارستين، وهو ما يسبب انتقال الماء إليهما بفعل الخاصية الأسموزية. عند دخول الماء إلى الخليتين الحارستين، يزداد الضغط داخل هاتين الخليتين وتصبحان منتفختين أو ممتلئتين. يؤدي هذا الضغط إلى ابتعاد الجدران الداخلية للخليتين الحارستين بعضها عن بعض، وهو ما يؤدي إلى فتح الثغر الذي يمكن أن تنتشر من خلاله الغازات وبخار الماء. يحدث عكس هذه العملية عندما تكون هناك حاجة إلى إغلاق الثغور. تفقد الخليتان الحارستان الماء ومن ثم تفقدان انتفاخهما.
والآن بعد أن تناولنا تركيب الثغور ووظيفتها، هيا نتتبع المسار الذي يسلكه الماء خلال التراكيب المختلفة للنبات أثناء النتح. كما نعلم، تمتص النباتات الماء من التربة من خلال جذورها. تحتوي الجذور على خلايا متخصصة، تسمى خلايا الشعيرات الجذرية، تمتد في التربة وتزيد مساحة السطح المتاحة إلى أقصى درجة من أجل امتصاص الماء. كما هو موضح في هذا الشكل، تكون التربة التي ينمو فيها النبات عادة منطقة ذات تركيز أعلى للماء مقارنة بخلايا الشعيرات الجذرية. نتيجة لذلك، يتحرك الماء عبر الأغشية الخلوية إلى خلايا الشعيرات الجذرية عن طريق الخاصية الأسموزية.
يتسبب دفع جزيئات الماء من التربة إلى داخل الجذور، بفعل الخاصية الأسموزية في حدوث ضغط يؤثر لأعلى يسمى الضغط الجذري. بسبب هذا الضغط، يدفع الماء الممتص من التربة لأعلى عبر نسيج الخشب بالساق. نسيج الخشب هو النسيج الوعائي المسئول عن نقل الماء والمعادن الذائبة من الجذور إلى ساق النبات وأوراقه. في بعض النباتات، يمكن أن تكون هذه المسافة طويلة جدًّا. على سبيل المثال، قد تنمو أشجار السكويا الساحلية حتى ارتفاع يصل إلى 115 مترًا. ومع ذلك، لا يوفر الضغط الجذري إلا قوة كافية لدفع عمود الماء للصعود لأعلى حتى ارتفاع يصل إلى متر تقريبًا. إذن، كيف ينقل الماء إلى الجزء المتبقي؟ الإجابة بالطبع عن طريق النتح، فهو يوفر معظم القوة اللازمة لنقل الماء في النباتات.
هنا، يمكننا أن نرى مقطعًا عرضيًّا لورقة نبات، يوضح بعض الخلايا الرئيسية المكونة لها. أثناء النتح، عندما يصل الماء إلى الورقة ويخرج من أوعية نسيج الخشب، يتبخر في طبقة النسيج المتوسط الإسفنجي لخلايا الأوراق. بعبارة أخرى، تتغير حالته ويتحول من الحالة السائلة، أي الماء، إلى الحالة الغازية، أي بخار الماء. بما أن تركيز جزيئات بخار الماء في هواء الغلاف الجوي المحيط بالنبات أقل مقارنة بتركيز الجزيئات في الفراغ داخل فتحة الثغر، فإن جزيئات بخار الماء تنتشر مع اتجاه تدرج تركيزها عبر فتحة الثغر، من الورقة إلى الغلاف الجوي.
لعلكم تتساءلون عن سبب حركة بخار الماء إلى خارج الورقة بفعل الانتشار، في حين أننا نتوقع عادة أن الماء يتحرك بفعل الخاصية الأسموزية. لا تحدث الخاصية الأسموزية إلا عندما يكون الماء في حالة سائلة. لكن نظرًا لتحوله إلى بخار ماء هنا، وهو غاز، نجد أنه يخرج عبر الثغر عن طريق الانتشار بدلًا من ذلك. بينما يدفع الضغط الجذري جزيئات الماء لأعلى عبر أنسجة الخشب، يؤثر النتح على جزيئات الماء بقوة شد لأعلى؛ مما يجعلها تتحرك لأعلى إلى داخل الأوراق وتحل محل الجزيئات المفقودة. يعرف ذلك بأنه الشد الناتج عن النتح. هذه القوة هي التي تسمح للنباتات بنقل الماء المحمل بالمعادن الذائبة إلى جميع المواقع التي تحتاج إليه. يعد النتح أيضًا وسيلة لتبريد الأوراق في الظروف المناخية الحارة.
لا يحدث النتح وفق المعدل نفسه دائمًا. فهو يتأثر بالتغيرات التي تحدث في البيئة التي ينمو فيها النبات. توجد أربعة عوامل رئيسية تؤثر على معدل النتح. العامل الأول هو شدة الضوء. كلما زادت شدة الضوء، يزيد معدل النتح أيضًا. ويرجع ذلك إلى أنه عندما تكون شدة الضوء عالية، يمكن للنباتات القيام بعملية البناء الضوئي بمعدل أعلى، حيث يتحول ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. ومن ثم، تفتح الثغور للسماح بانتشار ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي إلى داخل الأوراق. وبما أن الثغور تكون مفتوحة، يحدث النتح أيضًا عن طريق انتشار بخار الماء إلى خارج الأوراق. هذا بدوره يؤدي إلى شد المزيد من جزيئات الماء من الجذور إلى الأوراق، لتحل محل الجزيئات المفقودة.
لا يمكن أن يحدث البناء الضوئي في الظلام. بناء على ذلك، تغلق الثغور عندما تكون شدة الضوء منخفضة. هذا لا يؤدي إلى منع ثاني أكسيد الكربون من الانتقال إلى داخل الأوراق فحسب، بل يعني أيضًا انتشار كمية ضئيلة جدًّا من بخار الماء خارج الأوراق بفعل النتح. ينطبق النمط نفسه على درجة الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة، يزيد معدل النتح أيضًا. يرجع ذلك إلى أنه عندما تصبح الظروف المناخية أشد حرارة، تكتسب جزيئات الماء الموجودة داخل الورقة مزيدًا من الطاقة، وهذا يعني أنها تصبح أكثر حركة وانتشارًا إذ تتكسر القوى بين الجزيئية الضعيفة بينها. هذه هي عملية التبخر التي تحول الماء إلى بخار ماء وتسمح له بالانتشار خارج الثغور بسرعة أكبر.
إذا تعرضت النباتات إلى درجات حرارة عالية لفترات طويلة جدًّا، فقد تفقد الكثير من الماء وهذا قد يؤدي إلى إتلاف أنسجتها. للحد من فقدان الماء بفعل النتح، تغلق الثغور الموجودة على سطح الأوراق مع ارتفاع درجة الحرارة. وقد تذبل أوراق بعض النباتات من أجل الحفاظ على الماء. وذلك لأن الذبول يؤدي إلى تساقط الأوراق؛ ومن ثم تقليل مساحة السطح المتاحة لحدوث النتح. بعض النباتات التي تنمو في البيئات الحارة والجافة، مثل الصبار، لها أوجه تكيف تساعدها على البقاء على قيد الحياة. على سبيل المثال، تتخذ أوراقها شكل الأشواك؛ مما يقلل من مساحة السطح المتاحة لحدوث النتح. كما أن لها سيقانًا سميكة ولحمية تسمح لها بتخزين الماء.
العامل التالي الذي علينا تناوله هو الرطوبة. تشير الرطوبة إلى تركيز بخار الماء في الهواء. إذا كانت الرطوبة عالية، فهذا يعني وجود تركيز مرتفع لبخار الماء في الهواء. كلما زادت الرطوبة، يقل معدل النتح. وذلك لأن النتح يعتمد على انتشار بخار الماء خارج الورقة من خلال الثغور. إضافة إلى ذلك، يحدث الانتشار بشكل أسرع عند وجود تدرج تركيز شديد الانحدار، أي عند وجود فرق كبير بين تركيز بخار الماء داخل الورقة والتركيز خارج الورقة. كما تلاحظون من هذا الشكل، عند ارتفاع الرطوبة، نجد بالفعل تركيزًا عاليًا لبخار الماء في الغلاف الجوي. إذن، لا يوجد فرق كبير بين داخل الورقة وخارجها. وبناء على ذلك، يكون معدل النتح منخفضًا.
العامل الرابع والأخير الذي سنتناوله هو سرعة الرياح. كلما زادت سرعة الرياح، يزيد معدل النتح أيضًا. وكما هو الحال مع الرطوبة، يرجع ذلك إلى الحفاظ على تدرج تركيز شديد الانحدار لبخار الماء. عند سرعات الرياح العالية، وبمجرد خروج بخار الماء من الورقة بفعل الانتشار، تحمله الرياح بعيدًا في الحال، وذلك في نفس الوقت الذي يسحب فيه مزيد من الماء من الجذور إلى الأوراق. لذلك، يوجد دائمًا فرق كبير بين تركيز بخار الماء داخل الورقة والتركيز خارج الورقة. وعليه، يكون معدل الانتشار مرتفعًا؛ ومن ثم يكون معدل النتح مرتفعًا.
يمكننا قياس معدل النتح ودراسة كيفية تأثره بالتغيرات البيئية باستخدام جهاز البوتومتر (مقياس النتح). كما نلاحظ في هذا الشكل، يتكون البوتومتر من أنبوب طويل به جزء مقطوع من ساق نبات في أحد طرفيه، وكأس ماء في الطرف الآخر. الجهاز بالكامل مملوء بالماء، ويوجد على امتداد طوله أنبوب شعري يحتوي على فقاعة هواء، وهي ممثلة هنا باللون الوردي. تتمثل فكرة البوتومتر في أنه عندما يمتص الماء عن طريق ساق النبات ثم ينتقل إلى خارج النبات بفعل النتح، يؤدي الشد الناتج عن النتح المؤثر على الماء إلى تحرك فقاعة الهواء عبر الأنبوب الشعري في اتجاه النبات. عند وضع مسطرة بجوار الأنبوب الشعري، يمكننا قياس المسافة التي قطعتها الفقاعة لتدوين تقديرات معدل النتح.
دعونا نحاك تجربة بسيطة. أولًا، نتأكد من أن موضع فقاعة الهواء عند علامة الصفر على المسطرة. بعد ذلك، نستخدم ساعة إيقاف لقياس المسافة التي تقطعها فقاعة الهواء في فترة زمنية محددة. في هذا المثال، حددنا زمن التجربة بأنه 60 ثانية، ولاحظنا أن فقاعة الهواء قطعت مسافة قدرها 15 ملليمترًا. يمكننا الآن استخدام المعادلة الموضحة هنا، وهي السرعة تساوي المسافة مقسومة على الزمن، لحساب قيمة تقريبية لمعدل النتح في ساق النبات. السبب في كونها مجرد قيمة تقريبية هو أن الماء الذي يمتصه النبات لن ينتشر كله خارج الأوراق أثناء النتح. من المحتمل أن يستهلك بعضه في عمليات أخرى في النبات مثل البناء الضوئي.
إذا قسمنا المسافة التي قطعتها فقاعة الهواء، وتساوي 15 ملليمترًا، على الزمن الذي استغرقته لقطع هذه المسافة، ويساوي 60 ثانية، يمكننا حساب أن فقاعة الهواء كانت تتحرك بسرعة 0.25 ملليمتر لكل ثانية، وهو ما يعطينا كذلك تقديرًا جيدًا جدًّا لمعدل النتح.
كما رأينا بالفعل، ثمة عدة عوامل بيئية تؤثر على معدل النتح. يمكننا استخدام إعدادات البوتومتر التي وضحناها للتو لقياس هذه التأثيرات. إذا وضعنا مصدر ضوء، مثل مصباح، على مسافات مختلفة من النبات، يمكننا قياس تأثيرات تغيير شدة الضوء على معدل النتح. وإذا فعلنا الشيء نفسه ولكن مع استخدام مدفأة أو مروحة هذه المرة، يمكننا قياس تأثيري درجة الحرارة أو سرعة الرياح. أخيرًا، إذا رششنا النبات بالماء ثم ربطنا كيسًا من البلاستيك فوقه للحفاظ على وجود الماء بداخله، فيمكننا محاكاة البيئة الرطبة وقياس مدى تأثيرها على معدل النتح.
من المهم ملاحظة أننا عند قياس تأثير كل من هذه الظروف المختلفة، يجب إبقاء جميع العوامل الأخرى دون تغيير. تعرف هذه باسم المتغيرات الضابطة. وهي تتيح لنا التأكد من أن أي تغير نراه في النتائج يرجع إلى التغييرات التي أجريناها على الظرف المحدد محل الدراسة. والآن بعد أن تعلمنا كل شيء عن النتح، دعونا نجرب سؤالًا تدريبيًّا.
أي من الآتي يمثل التفسير الصحيح للعلاقة بين درجة الحرارة ومعدل النتح؟ (أ) مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد معدل النتح؛ لأن جزيئات الماء تنتقل من الورقة بشكل أسرع عن طريق النقل النشط. (ب) مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد معدل النتح؛ لأن جزيئات الماء تنتشر من الورقة بشكل أسرع. (ج) مع انخفاض درجة الحرارة، يزداد معدل النتح؛ لأن جزيئات الماء تنتقل من الورقة بشكل أسرع عن طريق النقل النشط. (د) مع ارتفاع درجة الحرارة، ينخفض معدل النتح؛ لأن جزيئات الماء تنتشر من الورقة بشكل أبطأ.
أولًا، هيا نشرح العلاقة بين درجة الحرارة ومعدل النتح. نجد أنه كلما ارتفعت درجة الحرارة، يزيد معدل النتح أيضًا. يشير خيارا الإجابة (ج) و(د) إلى أن العلاقة العكسية صحيحة. لذا، يمكننا استبعادهما فورًا؛ إذ لا يمكن أن يكون أي منهما صحيحًا. ينص خيارا الإجابة (أ) و(ب) على العلاقة الصحيحة، لكن أحدهما فقط يحتوي على التفسير الصحيح. إذن، هيا نكتشف أيهما الصحيح.
أمامنا هنا شكل بسيط لمنظر جانبي لإحدى الأوراق. تحتوي خلايا الورقة على الماء لأنها تحتاجه بوصفه متفاعلًا في عملية البناء الضوئي، وكذلك لأنه من النواتج الثانوية للتنفس الخلوي. تحتوي الورقة أيضًا على مسام صغيرة توجد في الجانب السفلي في الغالب، وتسمى الثغور. يتمثل الدور الرئيسي للثغور في السماح بانتشار ثاني أكسيد الكربون إلى داخل الورقة، لأنه متفاعل آخر في عملية البناء الضوئي. وفي الوقت نفسه، تسمح لجزيئات الماء بالخروج من الورقة. وهي العملية التي تعرف باسم النتح.
قبل خروج جزيئات الماء من الورقة، نجد أنها تتبخر. لعلكم تتذكرون أن هذه هي العملية التي تتغير فيها حالة السائل، وهو الماء في هذه الحالة، ليصبح غازًا. عندما يكون الماء في حالته الغازية، فإنه يسمى بخار الماء. ولأن تركيز بخار الماء داخل الورقة أعلى من تركيزه خارجها، تخرج جزيئات الماء من الورقة بفعل الانتشار. كلما ارتفعت درجة الحرارة، تكتسب جزيئات الماء مزيدًا من الطاقة. هذا يعني زيادة حركتها، وبالتالي تتبخر وتنتشر من الورقة بدرجة أسرع. لهذا السبب يزيد معدل النتح كلما ارتفعت درجة الحرارة. وبذلك نكون قد حددنا أن خيار الإجابة الذي مثل التفسير الصحيح للعلاقة بين درجة الحرارة ومعدل النتح هو (ب). مع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد معدل النتح؛ لأن جزيئات الماء تنتشر من الورقة سريعًا.
لنلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو بمراجعة النقاط الرئيسية. النتح هو فقدان الماء من أوراق النبات عبر الثغور. توجد خليتان حارستان تنظمان فتح وإغلاق كل فتحة من فتحات الثغور. يعمل كل من الضغط الجذري والشد الناتج عن النتح معًا لنقل الماء لأعلى نسيج الخشب. يتأثر معدل النتح بمجموعة من العوامل البيئية. أخيرًا، يمكن قياس معدلات النتح في ظل ظروف مختلفة باستخدام جهاز يسمى البوتومتر.
