نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سنكتشف كيف يحدث التنفس في النبات، ونناقش العلاقة الوثيقة بين التنفس والبناء الضوئي. أيضًا، سنلقي نظرة على بعض التجارب البسيطة التي يمكن أن نجريها لدراسة التنفس، واكتشاف كيفية تكيف النباتات مع هذه العملية الحيوية.
إذا كنت تظن أن الحيوانات وحدها هي التي يمكنها القيام بعمليات حيوية معقدة، فعليك إعادة التفكير في هذا الأمر. فعلى الرغم من أن النباتات لا يمكنها الحركة والانتقال من مكان إلى آخر كما نفعل نحن، فإنها تقوم بالكثير من العمليات المعقدة التي تتطلب طاقة، وهي تستمد هذه الطاقة من خلال التنفس الخلوي. التنفس هو العملية الخلوية التي يتكسر خلالها الجلوكوز لإطلاق طاقة في صورة جزيئات الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، أو ATP اختصارًا. علينا الانتباه جيدًا لأن عملية التنفس تتضمن «إطلاق» الطاقة المخزنة لا «إنتاجها»، لأنه وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية، الطاقة لا تفنى ولا تستحدث.
هناك نوعان من التنفس. النوع الأول هو التنفس الهوائي، الذي يتطلب أكسجين، والنوع الثاني هو التنفس اللاهوائي، الذي لا يتطلب أكسجين. وعلى الرغم من أن بعض الكائنات، مثل البكتيريا، تستمد طاقتها من التنفس اللاهوائي فقط، فإن النباتات قادرة على التنفس بكلتا الطريقتين. لكن التنفس الهوائي هو الأكثر شيوعًا في النباتات، لذا سنركز عليه في هذا الفيديو. حسنًا، أين يحدث التنفس في النبات؟
كما هو الحال في الخلايا الحيوانية، تحتوي الخلايا النباتية على الميتوكوندريا، وتعرف الواحدة منها بالميتوكندريون. بداخل الميتوكوندريا، يحدث تفاعل الأكسدة للجلوكوز، المعروف بالتنفس الهوائي، لإطلاق طاقة. قبل أن نتناول هذا التفاعل بمزيد من التفصيل، دعونا نذكر أنفسنا ببعض التعريفات المهمة.
في أي تفاعل كيميائي، المتفاعلات هي المواد التي تكون موجودة في بداية التفاعل، ويحدث لها تغير أثناء التفاعل. أما النواتج فهي مواد تتكون أثناء التفاعل، ومن ثم فإنها تكون موجودة في نهايته. الآن، دعونا نتعرف على متفاعلات التنفس ونواتجه من خلال النظر إلى معادلتيه الكلامية والكيميائية. توضح هاتان المعادلتان أن التنفس هو عملية يتفاعل خلالها الجلوكوز مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء، وإطلاق طاقة في صورة جزيئات ATP. في معادلات التفاعل، مثل هاتين المعادلتين، توجد المتفاعلات دائمًا على الجانب الأيسر من السهم، في حين توجد النواتج دائمًا على الجانب الأيمن من السهم. إذن، بالنسبة إلى عملية التنفس، المتفاعلان هما الجلوكوز والأكسجين، والنواتج هي ثاني أكسيد الكربون والماء، بالإضافة إلى الطاقة التي تطلق.
في حين تحصل الحيوانات، بما في ذلك الإنسان، على الجلوكوز من الطعام عند هضمه، ربما تتذكر أن النباتات تستخدم الضوء المستمد من الشمس لتصنع الجلوكوز اللازم من خلال عملية تسمى البناء الضوئي. دعونا نلق نظرة على معادلتي البناء الضوئي. يمكننا أن نستنتج من هاتين المعادلتين أن البناء الضوئي هو العملية التي يتفاعل خلالها ثاني أكسيد الكربون مع الماء في وجود طاقة ضوئية لإنتاج الجلوكوز والأكسجين. ما الذي تلاحظه عند مقارنة تفاعل البناء الضوئي بتفاعل التنفس؟
لعلك لاحظت أن نواتج التنفس هي نفسها متفاعلات البناء الضوئي والعكس صحيح، فنواتج البناء الضوئي هي نفسها متفاعلات التنفس. وهذا يعني وجود علاقة وثيقة بين هذين التفاعلين. في حين يحدث التنفس في الميتوكوندريا، يحدث البناء الضوئي في البلاستيدات الخضراء المجاورة لها. من المهم أيضًا ملاحظة أن التنفس يمكن أن يحدث ليلًا ونهارًا، في حين أن البناء الضوئي يحدث فقط في النهار لأنه يعتمد على الطاقة الضوئية المستمدة من الشمس.
يمكننا أن ندرس التنفس وعلاقته بالبناء الضوئي عن طريق إجراء بعض التجارب البسيطة في المختبر. يوضح هذا الشكل إعداد التجربة الأولى. لدينا نبات مزروع في أصيص وكأس زجاجية تحتوي على ماء الجير. ماء الجير هو محلول رائق عديم اللون من هيدروكسيد الكالسيوم، وهو يستخدم غالبًا في التجارب العلمية. في وجود ثاني أكسيد الكربون، يتكون راسب من كربونات الكالسيوم، يتسبب في تعكير ماء الجير. من ثم، يمكننا أن نستخدمه لمعرفة إذا ما كان ثاني أكسيد الكربون قد تكون أم لا.
في إعداد التجربة الموضح، يوضع النبات وماء الجير أسفل ناقوس زجاجي. هذا يمنع دخول الغازات مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون إلى المنطقة المحيطة بالنباتات أو الخروج منها. وأخيرًا، يغطى الناقوس الزجاجي بقطعة قماش سوداء سميكة لمنع وصول أي ضوء إلى النبات. بعد ذلك، نترك إعداد هذه التجربة دون تغيير مدة 24 ساعة. أوقف الفيديو لحظة، وانظر إذا ما كان بإمكانك أن تتنبأ بما سنراه عندما نكشف الغطاء عن الناقوس الزجاجي بعد 24 ساعة. هيا نر إذا ما كنت على صواب.
سبق أن ذكرنا أن النباتات تتنفس باستمرار، ومن ثم يتكسر الجلوكوز والأكسجين إلى ثاني أكسيد كربون وماء. يستهلك ثاني أكسيد الكربون الناتج في عملية التنفس عادة بوصفه أحد متفاعلات عملية البناء الضوئي. لكن، بما أن النبات لا يمكنه الحصول على أي ضوء في هذه التجربة، لن يتمكن من القيام بالبناء الضوئي. لذا، يطلق ثاني أكسيد الكربون من النبات إلى الهواء الموجود داخل الناقوس الزجاجي. يتسبب ثاني أكسيد الكربون هذا في تعكير ماء الجير، وهو ما يوضح أن التنفس يحدث داخل النباتات. الآن دعونا نر كيف يمكن استخدام إعداد تجربة مشابهة لدراسة العلاقة بين التنفس والبناء الضوئي.
كما يتضح لك من الشكل، أعدت التجربة الثانية بالطريقة نفسها التي أعدت بها التجربة الأولى. الفرق الوحيد أنه في هذه المرة، بدلًا من تغطية الناقوس الزجاجي بقطعة قماش سوداء، يعرض إعداد التجربة لمصدر ضوء، وهو في هذه الحالة مصباح. إذن، ماذا سيحدث إذا تركنا هذا الإعداد مدة 24 ساعة؟ هذه المرة، بالإضافة إلى أن النبات يتنفس، فإنه يكون قادرًا على القيام بعملية البناء الضوئي لأنه يستمد طاقة ضوئية من المصباح. وهذا يعني أن ثاني أكسيد الكربون الناتج أثناء التنفس يستخدم فورًا بوصفه متفاعلًا في عملية البناء الضوئي؛ ومن ثم، لا يطلق النبات ثاني أكسيد كربون على الإطلاق في الهواء داخل الناقوس، ويظل ماء الجير رائقًا. هذا يوضح أن البناء الضوئي يحدث جنبًا إلى جنب مع التنفس في النباتات، وأن التفاعلين يتداخلان بحيث تكون نواتج أحدهما متفاعلات للآخر والعكس صحيح.
رغم أن نواتج التنفس توفر المتفاعلات اللازمة من أجل البناء الضوئي والعكس صحيح، فهذا ليس كل ما في الأمر. ربما تكون على دراية بفكرة أن النبات يعد بمنزلة مصرف خالص للكربون. هذا يعني أن القدر الذي يمتصه من ثاني أكسيد الكربون من أجل البناء الضوئي أكبر مما يطلقه بعد التنفس، على الرغم من أنه يمكنه فقط القيام بالبناء الضوئي أثناء النهار. وهو أيضًا مصدر خالص للأكسجين، وهو ما يعني أنه ينتج قدرًا أكبر من الأكسجين خلال البناء الضوئي مما يستهلكه أثناء التنفس.
إذن، كيف تتكيف النباتات من أجل تبادل الغازات مع بيئتها المحيطة؟ إذا كبرت مقطعًا من ورقة نبات، يمكنك أن تلاحظ أنها تحتوي على الكثير من الفتح الصغيرة على سطحها. تعرف كل فتحة من هذه الفتح بالثغر، وتعرف مجتمعة بالثغور. هذه الثغور يمكن أن تفتح وتغلق للتحكم في انتشار ثاني أكسيد الكربون والأكسجين داخل النبات وخارجه. وعندما تفتح، فإنها أيضًا تسمح للماء – وهو أحد نواتج التنفس – بأن ينتشر خارج النبات إلى الغلاف الجوي في صورة بخار ماء. ساق النبات أيضًا تحتوي على تراكيب مهمة لتبادل الغازات.
المسام التي يمكن أن تلاحظها في هذا الشكل تسمى عديسات. وعلى عكس الثغور، فإنها تكون مفتوحة دائمًا. تسهل العديسات تبادل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين وبخار الماء مع الغلاف الجوي. التكيف الأخير الذي سنتناوله يوجد في الجذور. تحتوي الجذور على أنواع متخصصة من الخلايا تسمى خلايا الشعيرات الجذرية، كالتي تراها في هذا الشكل. لخلايا الشعيرات الجذرية مساحة سطح كبيرة لزيادة مقدار الماء الذي يمكنها امتصاصه إلى أقصى حد. هذا الماء يمكن أيضًا أن يكون مصدرًا للأكسجين المذاب، الذي يمكن أن يستخدمه النبات بعد ذلك من أجل التنفس.
وبذلك نكون قد تعلمنا كل شيء عن التنفس في النباتات. لذا دعونا نتناول بعض الأسئلة التدريبية لاختبار معرفتنا بهذا الموضوع.
أي الغازات الآتية ينتج من التنفس الهوائي؟ (أ) ثاني أكسيد الكبريت، (ب) أول أكسيد الكربون، (ج) ثاني أكسيد الكربون، (د) الأكسجين، (هـ) الهيدروجين.
التنفس هو العملية الخلوية التي يتكسر خلالها الجلوكوز لإطلاق طاقة في صورة جزيئات الأدينوسين الثلاثي الفوسفات، أو ATP للاختصار. وكما هو الحال في الخلايا الحيوانية، تكون الخلايا النباتية قادرة على القيام بنوعين من التنفس: الهوائي، الذي يتطلب أكسجين، واللاهوائي، الذي لا يتطلب أكسجين. يدور هذا السؤال حول التنفس الهوائي، وهو النوع الأكثر شيوعًا. لذا، دعونا نتناوله بمزيد من التفصيل.
يمكننا تذكر أن التنفس الهوائي يحدث في عضيات تسمى الميتوكوندريا. دعونا نلق نظرة على معادلة التفاعل الكيميائي الذي يحدث هنا. من هذه المعادلة، يمكننا أن نلاحظ أن الجلوكوز يتفاعل مع الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء وطاقة في صورة جزيئات ATP. المواد الموضحة على الجانب الأيسر من السهم تعرف بالمتفاعلات، لأنها تكون موجودة في بداية التفاعل. والمواد الموضحة على الجانب الأيمن من السهم تعرف بالنواتج لأنها تنتج أثناء التفاعل.
الآن، دعونا نعد إلى السؤال. الغازان الوحيدان المشاركان في التنفس الهوائي هما ثاني أكسيد الكربون والأكسجين. والسؤال يطلب منا أن نحدد الغاز الذي ينتج بواسطة التفاعل. نحن نعلم أن الأكسجين متفاعل. إذن، الغاز الذي ينتج عن التنفس الهوائي ثاني أكسيد الكربون، أي الخيار (ج).
دعونا نجرب سؤالًا آخر.
بافتراض أن النبات حي وسليم، أي من الاستنتاجات الآتية ينطبق على التجربة الموضحة؟ (أ) يتنفس النبات لكن لن يقوم بعملية البناء الضوئي. (ب) يقوم النبات بعملية البناء الضوئي ولن يتنفس. (ج) لن يتنفس النبات أو يقوم بعملية البناء الضوئي. (د) يقوم النبات بعملية البناء الضوئي ويتنفس.
دعونا نحذف الخيارات الآن، ونذكر أنفسنا بما تعلمناه عن التنفس والبناء الضوئي. ربما تتذكر أن الخلايا النباتية تقوم بتفاعلين كيميائيين مهمين للغاية. الأول هو التنفس، والثاني هو البناء الضوئي. التنفس الهوائي هو العملية التي يتكسر خلالها الجلوكوز في وجود الأكسجين لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء وإطلاق طاقة في صورة جزيئات ATP. وهذا يوضح كيف تحصل النباتات على الطاقة التي تحتاج إليها للبقاء على قيد الحياة. والبناء الضوئي هو العملية التي تحول النباتات خلالها كلًّا من ثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين باستخدام الطاقة الضوئية.
نظرًا لأن البناء الضوئي يعتمد على الطاقة الضوئية، فإنه لن يحدث إلا عند سطوع الشمس، أو في وجود مصدر آخر للضوء. على الجانب الآخر، يحدث التنفس باستمرار، سواء في وجود مصدر ضوء أو من دونه. الآن دعونا نتناول إعداد التجربة الموضح في الشكل.
نعلم من السؤال أن النبات المزروع في الأصيص حي وسليم؛ ومن ثم، فنحن نعلم أنه يتنفس. ويمكننا أيضًا أن نلاحظ أن النبات يستمد طاقة ضوئية من هذا المصباح، وهو ما يعني أنه يقوم بعملية البناء الضوئي أيضًا. إذن، نستنتج من هذا أنه في حالة إعداد التجربة الموضح، الإجابة الصحيحة هي الخيار (د) يقوم النبات بعملية البناء الضوئي ويتنفس.
دعونا نلخص ما تعلمناه في هذا الفيديو بمراجعة النقاط الرئيسية. علمنا أن التنفس هو العملية التي يتكسر خلالها الجلوكوز لإطلاق طاقة في صورة جزيئات ATP. والتنفس الهوائي يحدث في الميتوكوندريا. الجلوكوز والأكسجين هما المتفاعلان في عملية التنفس؛ وثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة هي النواتج.
التنفس يرتبط ارتباطًا وثيقًا بالبناء الضوئي؛ حيث إن نواتج أحد التفاعلين تكون متفاعلات في الآخر. التنفس في النباتات يحدث طوال الوقت، في حين أن البناء الضوئي يمكن أن يحدث في الضوء فقط. وأخيرًا، النباتات بها ثغور وعديسات وخلايا شعيرات جذرية، تسمح لها بأن تتبادل الغازات والماء مع بيئتها المحيطة.
