كتاب : أساسيات فسيولوجيا النبات العملية
تأليف : حشمت سليمان الدسوقي
عدد صفحات الكتاب : 289 صفحة
ما هو علم وظائف النبات، ولماذا هو مهم؟
علم وظائف النبات هو فرع من علم النبات يُعنى بدراسة وظائف النبات وكيفية نموه وتطوره وتكاثره. ويشمل جميع جوانب حياة النبات، بدءًا من المستوى الجزيئي والخلوي وصولًا إلى تفاعلات النبات مع بيئته. يُعدّ فهم علم وظائف النبات أساسيًا لتحسين إنتاج المحاصيل وتطوير منتجات نباتية جديدة.
ما هي الفوائد الرئيسية لعلم وظائف الأعضاء النباتية؟
يُعدّ البناء الضوئي أحد المجالات الرئيسية في علم وظائف الأعضاء النباتية. وهو عملية بيولوجية أساسية تُمكّن النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا من تحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز (سكر بسيط) وأكسجين. تلعب هذه العملية دورًا حاسمًا في استدامة الحياة على الأرض، إذ تُشكّل الآلية الرئيسية لالتقاط الطاقة وتخزينها، فضلًا عن إنتاج الأكسجين الذي نتنفسه. يحدث البناء الضوئي داخل عضيات متخصصة تُسمى البلاستيدات الخضراء، وتوجد بشكل أساسي في خلايا أوراق النبات. تحتوي البلاستيدات الخضراء على صبغة تُسمى الكلوروفيل، وهي التي تُعطي النباتات لونها الأخضر المميز. يمكن تقسيم هذه العملية إلى مرحلتين رئيسيتين: التفاعلات الضوئية والتفاعلات غير الضوئية (المعروفة أيضًا بدورة كالفن).
ما هي التفاعلات الضوئية؟
خلال التفاعلات الضوئية، تمتص جزيئات الكلوروفيل في البلاستيدات الخضراء طاقة الضوء، وتحديدًا في نطاقي الأزرق والأحمر من الطيف الكهرومغناطيسي. تُثير هذه الطاقة الإلكترونات داخل الكلوروفيل، مُطلقةً سلسلة من تفاعلات نقل الإلكترون. أثناء انتقال الإلكترونات عبر هذه السلسلة، تُطلق الطاقة وتُستخدم لتوليد الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP)، وهو جزيء يُخزن الطاقة وينقلها داخل الخلايا. في الوقت نفسه، تُستغل الطاقة المُطلقة خلال سلسلة نقل الإلكترون لتحليل جزيئات الماء، مُطلقةً الأكسجين كمنتج ثانوي. تُعرف هذه العملية بالتحلل الضوئي. تُستخدم الإلكترونات من الماء لتعويض الإلكترونات المفقودة من جزيئات الكلوروفيل، مما يضمن استمرار نشاطها.
ما هي التفاعلات غير المعتمدة على الضوء؟
تحدث التفاعلات غير المعتمدة على الضوء، أو دورة كالفن، في ستروما البلاستيدات الخضراء. في هذه المرحلة، تُستخدم الطاقة المُكتسبة خلال التفاعلات المعتمدة على الضوء لتحويل جزيئات ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز. تبدأ العملية بتثبيت ثاني أكسيد الكربون، حيث يحفز إنزيم روبيسكو (ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات كربوكسيلاز/أوكسيجيناز) دمج ثاني أكسيد الكربون في مركب يُسمى ريبولوز-1،5-ثنائي فوسفات (RuBP). الجزيء الناتج غير مستقر ويتفكك إلى جزيئين من فوسفوجليسيرات (PGA). من خلال سلسلة من التفاعلات المحفزة بالإنزيم، يتحول PGA إلى جليسرالدهيد-3-فوسفات (G3P)، وهو مركب ثلاثي الكربون. تُستخدم بعض جزيئات G3P لإعادة توليد RuBP، مما يسمح باستمرار دورة كالفن، بينما تُستخدم جزيئات أخرى لتخليق الجلوكوز والكربوهيدرات الأخرى. تتطلب عملية تخليق الجلوكوز طاقة على شكل ATP وإلكترونات يوفرها الإنزيم المساعد NADPH (نيكوتيناميد أدينين ثنائي نيوكليوتيد فوسفات).
إلى جانب إنتاج الجلوكوز، تلعب عملية البناء الضوئي دورًا حيويًا في دورة الكربون العالمية. فمن خلال امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، تُساعد النباتات في تنظيم تركيزه، مما يُخفف من آثار تغير المناخ. كما تُساهم عملية البناء الضوئي في إنتاج الأكسجين، إذ يُحافظ إطلاق الأكسجين خلال التفاعلات الضوئية على مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي اللازمة للتنفس الهوائي في الكائنات الحية.
باختصار، البناء الضوئي عملية كيميائية حيوية مُعقدة تُمكّن النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا من تحويل ضوء الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء إلى جلوكوز وأكسجين. تُوفر هذه العملية للكائنات الحية الطاقة اللازمة للنمو والبقاء، كما تُنظم مستويات ثاني أكسيد الكربون وتُنتج الأكسجين في الغلاف الجوي. تتجاوز أهمية البناء الضوئي الكائنات الحية الفردية، إذ يلعب دورًا محوريًا في الحفاظ على توازن الحياة على الأرض. ومن المجالات المهمة الأخرى في فسيولوجيا النبات التنفس.
ما هو دور تنفس النبات؟
التنفس النباتي عملية بيولوجية حيوية تحدث في خلايا النبات، تمكنها من تكسير الجزيئات العضوية وإطلاق الطاقة اللازمة لمختلف الأنشطة الخلوية. وكما هو الحال في الحيوانات، يتضمن التنفس النباتي تحويل الجلوكوز والأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء والطاقة على شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). وينقسم التنفس النباتي إلى نوعين رئيسيين: التنفس الهوائي والتنفس اللاهوائي. يُعد التنفس الهوائي الشكل الأكثر شيوعًا ويتطلب وجود الأكسجين، بينما يحدث التنفس اللاهوائي في غياب الأكسجين.
كيف يعمل التنفس الهوائي؟
يحدث التنفس الهوائي في النباتات داخل عضيات متخصصة تُسمى الميتوكوندريا. تبدأ العملية بتكسير الجلوكوز، الذي يُحصل عليه من خلال عملية البناء الضوئي أو من الكربوهيدرات المخزنة. خلال عملية تحلل الجلوكوز، تُكسر جزيئات الجلوكوز إلى جزيئين من البيروفات. تُنتج هذه العملية كمية صغيرة من ATP وNADH (نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد)، وهو جزيء يحمل إلكترونات عالية الطاقة. تدخل جزيئات البيروفات الناتجة أثناء عملية تحلل الجلوكوز إلى الميتوكوندريا، حيث تخضع لمزيد من المعالجة من خلال دورة كريبس، المعروفة أيضًا بدورة حمض الستريك أو دورة حمض الستريك (TCA). خلال هذه الدورة، يتحلل البيروفات إلى ثاني أكسيد الكربون، مطلقًا طاقة إضافية على شكل ATP وNADH وناقل إلكتروني آخر يسمى FADH2 (فلافين أدينين ثنائي النوكليوتيد).
كيف يرتبط تنفس النبات بعملية البناء الضوئي؟
تنفس النبات عملية مستمرة تحدث بشكل متواصل في جميع خلايا النبات الحية، بما في ذلك الجذور والسيقان والأوراق والأزهار. يختلف معدل التنفس تبعًا لعوامل مثل درجة الحرارة وشدة الضوء والنشاط الأيضي للنبات. على سبيل المثال، غالبًا ما تؤدي مراحل النمو النشط والتكاثر إلى زيادة معدلات التنفس. بينما يستهلك التنفس الأكسجين وينتج ثاني أكسيد الكربون، يجب عدم الخلط بينه وبين البناء الضوئي، الذي يستهلك ثاني أكسيد الكربون وينتج الأكسجين. تحدث هاتان العمليتان، التنفس والبناء الضوئي، في وقت واحد في النباتات، وتشكلان دورة متوازنة تحافظ على التوازن العام للغازات في الغلاف الجوي.
باختصار، يُعد تنفس النبات عملية أيضية حيوية تحول الجلوكوز والأكسجين إلى ثاني أكسيد الكربون والماء وجزيئات ATP. ويوفر الطاقة اللازمة لنمو النبات وصيانته وتكاثره. يحدث التنفس الهوائي في وجود الأكسجين داخل الميتوكوندريا، بينما يحدث التنفس اللاهوائي في غيابه.
كيف تنقل النباتات الماء والمغذيات عبر أنسجتها؟
تتمتع النباتات بقدرة مذهلة على نقل الماء والمغذيات عبر أنسجتها، مما يضمن نموها وتطورها وبقاءها بشكل سليم. وتتم هذه العملية المعقدة من خلال آليتين أساسيتين: حركة الماء عبر الجهاز الوعائي للنبات، وامتصاص المغذيات ونقلها عبر الجذور. تتم حركة الماء في النباتات بشكل رئيسي عبر شبكة متخصصة من الأنسجة تُعرف باسم الخشب. يتكون الخشب من خلايا مترابطة تُشكل أنابيب طويلة مجوفة، تمتد من الجذور إلى الأوراق والأجزاء الهوائية الأخرى للنبات. يعمل هذا النظام كقناة لنقل الماء، مدفوعًا بعملية تُعرف باسم النتح.
----------------
---------------------