متابولیسم؛ فتوسنتز و تنفس

متابولیسم

سلول‌های بدن جانداران برای تأمین انرژی لازم برای ادامه‌ی زندگی، مولکول‌های غذایی را تجزیه می‌کنند و انرژی حاصل از این تجزیه در مولکول‌های مخصوصی که به اختصار ATP نامیده‌ایم اندوخته می‌شود. سپس در موقع نیاز مولکول‌های ATP تجزیه و انرژی اندوخته‌ای را آزاد می‌سازند. به کمک این انرژی مولکول‌های جدید و مورد نیاز در سلول ساخته می‌شوند. این عمل سلول را ماده سازی می گویند که به رشد سلول منجر می‌شود. به مجموعه‌ی واکنش‌های شیمیایی پیوسته‌ای که ضمن آنها انرژی ذخیره، آزاد یا تبدیل می‌گردد، متابولیسم می‌گویند. مهم‌ترین فرایند زیستی که ضمن آن انرژی لازم برای اعمال حیاتی همه‌ی جانداران به دام می افتد و ذخیره می‌شود فتوسنتز نام دارد که موضوع اصلی این مقاله است. موضوع دیگری که در این مبحث با آن آشنا می‌شوید تنفس است که شامل واکنش‌های انرژی زا در درون سلول‌هاست.

فتوسنتز

امروزه حدود ۹۰ درصد از انرژی لازم برای وسایل نقلیه، کارخانه‌ها، هزاران وسیله‌ی الکتریکی، کامپیوتر و وسایل ارتباطی از زغال سنگ و نفت و گاز تأمین می‌شود. انرژی موجود در نفت گاز و زغال سنگ میلیون‌ها سال پیش به وسیله گیاهان اولیه از نور خورشید گرفته شده و طی فرایندهایی به انرژی موجود در سوخت‌های فسیلی تبدیل گردیده است.

انرژی مصرفی در صنایع مختلف یادشده نسبت به انرژی مورد نیاز جانداران روی زمین بسیار کم اهمیت به نظر می‌رسد. هر سلول زنده، برای رشد، تولید مثل، فعالیت‌های فیزیکی و انجام واکنش‌های شیمیایی به انرژی نیاز دارد و تأمین کنندگان این انرژی، جانداران فتوسنتز کننده‌اند. به علاوه اکسیژن لازم برای فرایندهای آزاد سازی انرژی در سلول‌ها نیز در نتیجه‌ی فرایند فتوسنتز به وجود می‌آید. بنابراین انرژی و اکسیژن لازم برای فعالیت‌های زیستی جانداران از جمله انسان از راه فتوسنتز تأمین می‌شود.

فتوسنتز فرایند ذخیره انرژی است که در حضور نور در جانداران سبزینه دار رخ می‌دهد . ضمن این فرایند انرژی نور خورشید به دام می افتد و در مولکولهای قند، که از ترکیب CO2 و H2O حاصل می‌آیند، ذخیره می‌شود. وقتی در کلروپلاست ها آب و دی اکسید کربن با هم ترکیب می‌شوند، قند حاصل می‌آید و اکسیژن به عنوان یک ماده‌ی دفعی آزاد و وارد جو می‌شود. فرایند را می‌توان به اختصار این گونه نشان داد:

۶CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2

فرایند فتوسنتز در کلروپلاست‌ها صورت می‌گیرد و برای انجام آن دی اکسید کربن، آب و نور مورد نیازند؛ چنان که کلروپلاست‌ها را سالم از درون سلول بیرون آورده و در شرایط مناسب قرار دهند، فرایند فتوسنتز و فراورده‌های حاصل از آن تولید می‌شود.

دی اکسید کربن: مقدار این گاز در جو حدود ۰/۰۳ درصد است. این گاز از طریق روزنه‌های هوایی وارد برگ می‌شود، سپس در لایه نازک آبی که دیواره سلول‌های میانبرگ را فرا گرفته حل و از طریق انتشار وارد سلول‌ها می‌شود و به کلروپلاست ها می‌رسد.

مقدار دی اکسید کربنی که به طور دائم در طول روز به وسیله‌ی همه‌ی گیاهان سبز از جو گرفته می‌شود هنگفت است. برای مثال بوته‌های ذرت (به تعداد ۱۰۰۰۰۰) که در یک جریب زمین کاشته شده‌اند در فصل رشد بیش از ۲۵۰۰ کیلو گرم کربن در خود ذخیره می‌کنند. برای تأمین این مقدار کربن حدود ۱۱ تن دی اکسید کربن لازم است.

دی اکسید کربن مصرف شده در فتوسنتز، کربن و اکسیژن موجود در ساختمان قند را تأمین می‌کند.

آب: کمتر از ۱٪ از آبی که گیاه جذب می‌کند در فتوسنتز مصرف می‌شود و بقیه تبخیر و یا در تورژسانس و فعالیت‌های زیستی دیگر سلول‌ها به کار می‌رود با آن که در دی اکسید کربن هم اکسیژن وجود دارد، اما اکسیژنی که در فتوسنتز از گیاه دفع می‌شود از تجزیه‌ی آب حاصل می‌آید. این کار به کمک ایزوتوپ سنگین اکسیژن (O2) به عنوان ردیاب نشان داده شد. به این ترتیب که اگر به جای اکسیژن معمولی (O2) در آب، از ایزوتوپ اکسیژن (O2) استفاده کنیم. پس از انجام واکنش، اکسیژن سنگین آزاد می‌شود.

۶CO2 +12H2O → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

هرگاه مقدار آب در محیط کم باشد، می‌تواند به طور غیر مستقیم بر میزان فتوسنتز اثر بگذارد، زیرا در محیط خشک روزنه‌ها بسته می‌شوند و تأمین دی اکسید کربن مختل می‌شود.

نور: از خورشید طیف وسیعی از پرتوها به فضا منتشر می‌شود. میزان این انرژی را در هر ثانیه معادل یک میلیون برابر تمام ذخایر سوخت‌های فسیلی کره زمین محاسبه کرده‌اند. این پرتوها به صورت ذرات کوچکی به نام فوتون یا کوآنتوم متراکم و پراکنده می‌شوند. فوتون‌ها دارای تواتر بوده و انرژی هر فوتون بستگی به میزان تواتر آن دارد. اثرات برخورد یک فوتون به ماده بستگی به انرژی فوتون و نوع ماده دارد. فوتون‌ها یا پرتوهایی که طول موج کم‌تری داشته باشند انرژی و قدرت نفوذ بیشتر و آن‌هایی که طول موج بیشتری دارا باشند انرژی و قدرت نفوذ کمتری دارند. در ضمن هر قدر پرتوها دارای انرژی بیشتری باشند نیروی بیشتری را برای جابه جا کردن الکترون‌های یک ماده خواهند داشت.

پس از جذب بعضی از پرتوهای نور خورشید به ویژه پرتوهای قرمز به وسیله‌ی رنگیزه ی کلروفیل واکنشی در مولکول‌های آن به وجود می‌آید که به آن واکنش فتوشیمیایی گویند. بدین معنی که پس از جذب انرژی فوتونها به وسیله‌ی کلروفیل یکی از الکترون‌های مولکول آن به مدار بالاتر یعنی به سطح انرژی بالاتری منتقل می‌شود. چنین مولکولی را مولکول تحریک شده می‌گوییم. این مولکول‌ها بسیار ناپایدارند و به سرعت انرژی دستاوردی را از دست می‌دهند و به وضع پایدار اولیه باز می‌گردند. این انرژی ممکن است به صورت گرما یا نور و فلوئورسانس، از دست برود ولی در فرایند فتوسنتز این انرژی در واکنش‌های شیمیایی یعنی واکنش‌های نقل و انتقال الکترون شرکت می‌کند و نتیجه‌ی آن ذخیره‌ی این انرژی به صورت انرژی شیمیایی در مواد آلی است.

کلروفیل: چند نوع کلروفیل شناخته شده است که در همه آنها یک اتم منیزیوم وجود دارد.

ساختمان کلروفیل با بخش آهن دار هموگلوبین خون جانوران شباهت دارد. هر مولکول کلروفیل یک سر و یک دم دارد. سر، اتم منیزیوم را در بر دارد و دم از یک زنجیره‌ی ۲۰ کربنی ساخته شده است.

غشای تیلاکوئیدهای کلروپلاست‌های بیشتر گیاهان دو نوع کلروفیل دارد: کلروفیل a و کلروفیل ۵. کلروفیل a سبز متمایل به آبی و کلروفیل b سبز متمایل به زرد است. به طور معمول مقدار کلروفیل a در کلروپلاست، سه برابر مقدار کلروفیل ۵ است. کلروفیل b و رنگیزه‌های دیگر، انرژی نور جذب شده را به کلروفیل a منتقل می‌کنند. این امر سبب می‌شود که فتوسنتز در طیف وسیع‌تری از نور صورت گیرد. در بعضی جلبک‌ها، کلروفیل b وجود ندارد و به عوض آن کلروفیل c یا d دیده می‌شود.

رنگیزه‌های دیگری که همراه کلروفیل یافت می‌شوند عبارتند از کاروتنوئیدها و فیکوبیلین‌ها. از کاروتنوئیدها، کاروتن (به رنگ نارنجی) و گزانتوفیل (به رنگ زرد) معروف‌اند. فیکوبیلین ها انواع مختلفی دارند و مسئول پیدایش رنگ‌های گوناگون در جلبک‌ها هستند.

شکل ۱- واکنش‌های نوری فتوسنتز، تولید غیرچرخه‌ای ATP و تولید چرخه‌ای الکترون

تولید ترکیبات آلی در گیاه

از قندهای سه کربنی ساده طی فرایندهایی قندهای ۶ کربنی حاصل می‌آیند. مهم‌ترین قند ۶ کربنی گلوکز است. هرگاه دو مولکول قند ۶ کربنی با هم ترکیب شوند، دو قندی‌ها یا دی ساکاریدها را به وجود می‌آورند. ساکاروز و مالتوز دو تا از دی ساکاریدهای مهم هستند. هرگاه n مولکول گلوکز با هم ترکیب شوند، قندهای مفصل‌تری به وجود می‌آورند که به آن‌ها پلی ساکارید می‌گویند. نشاسته و سلولز از پلی ساکاریدهای عمده‌اند. سلولز در گیاه نقش ساختمانی دارد (آیا می‌دانید چرا؟) و منبع عمده انرژی برای جانوران گیاهخوار در طبیعت است. نشاسته در طول روز در برگ‌ها ساخته می‌شود، به همین جهت برای اثبات انجام فتوسنتز از وجود نشاسته استفاده می‌شود. نشاسته به طور عمده در دانه‌ها (گندم، ذرت و برنج) اندوخته می‌شود.

چربی‌ها (لیپیدها) از تغییر شکل قندها حاصل می‌آیند. عناصر سازنده لیپیدها همان عناصر قندهاست تنها نسبت آنها با هم تفاوت دارد. لیپیدها هم بیشتر در دانه‌ها اندوخته می‌شوند.

پروتئین‌ها از لحاظ عناصر سازنده با قندها و چربی‌ها تفاوت دارند. در این ترکیبات علاوه بر کربن، اکسیژن و هیدروژن که در چربی‌ها و قندها یافت می‌شوند، نیتروژن (N) نیز وجود دارد. بنابراین قندها نمی‌توانند به تنهایی پروتئین‌ها را تولید کنند.

برای تولید پروتئین‌ها گیاه باید به طریقی ترکیبات نیتروژن را به دست آورد.

بازده فتوسنتز

بازده یک دستگاه از طریق اندازه‌گیری انرژی مصرف شده (مفید) نسبت به انرژی دستگاه، تعیین می‌شود. طبق قانون دوم ترمودینامیک تبدیل انرژی در هیچ دستگاهی صد در صد نیست، یعنی همه انرژی داده شده به یک دستگاه به انرژی قابل استفاده تبدیل نمی‌شود، در واقع هیچ تبدیلی در انرژی صورت نمی‌گیرد مگر این که همراه آن مقداری از انرژی به صورت گرما هدر رود. بر این اساس از کل انرژی خورشیدی که به برگ می‌تابد حدود ۵/۰- ۵/۳ درصد، در انجام فرایند فتوسنتز مصرف و به صورت انرژی شیمیایی نهفته در مواد آلی مانند هیدرات‌های کربن اندوخته می‌شود و بقیه آن به صورت‌های مختلف مانند باز تابش، گرما، تبخیر و غیره هدر می‌رود. با توجه به میزان استاندارد بازده در موتورهای معمولی، می‌بینیم که این بازده بسیار پایین است اما باید به خاطر داشته باشیم که انرژی خورشید مداوم و بسیار عظیم است و در مجموع با همین بازده کم انرژی لازم برای کنش‌های زیستی در روی زمین فراهم می‌شود. به علاوه فیزیولوژیست ها کوشش دارند که این بازده را از طریق برقراری شرایط بهینه برای فتوسنتز بالا ببرند و در این راه موفقیت‌های چشمگیری نیز به دست آمده است.

عوامل مؤثر بر شدت فتوسنتز

شدت فتوسنتز را از میزان اکسیژنی که در واحد زمان از گیاه متصاعد می‌شود و یا از میزان دی اکسید کربنی که در واحد زمان جذب گیاه می‌شود محاسبه می‌کنند. در شدت فتوسنتز عوامل درونی و عوامل بیرونی مؤثراند.

عوامل درونی: مهم‌ترین عوامل درونی عبارت‌اند از نوع ساختار برگ و محتوی کلروفیلی آن، انباشتگی فراورده‌های فتوسنتزی در درون سلول‌های حاوی کلروفیل، تأثیر سیتوپلاسم از نظر وجود آنزیم‌های ضروری جهت انجام واکنش‌ها، همچنین سن اندام‌های فتوسنتز کننده. به علت تفاوتی که اندام‌های فتوسنتز کننده‌ی گیاهان با یکدیگر دارند، چنان چه شرایط خارجی برای آن‌ها کاملاً یکسان باشند، باز هم شدت فتوسنتز متفاوتی خواهند داشت.

عوامل بیرونی: این عوامل عبارت‌اند از غلظت CO2 که افزایش آن به ویژه چنان چه شدت نور زیاد باشد بر شدت فتوسنتز می‌افزاید. اثر شدت نور و کیفیت نور بر گیاهان متفاوت است. گیاهان را از نظر بردباری نسبت به کمیت نور به سه گروه آفتاب خواه، سایه خواه و گیاهانی که به حد متوسطی از شدت نور نیازمندند تقسیم می‌کنند. چون در فرایند فتوسنتز آنزیم‌های متعددی شرکت می‌کنند و در اصل، واکنش‌ها از نوع بیوشیمیایی هستند، دما تأثیر عمده‌ای بر شدت فتوسنتز دارد. افزایش دما همراه با افزایش شدت روشنایی بر میزان فتوسنتز می‌افزاید. از عوامل بیرونی دیگر می‌توان از آب و میزان مواد کانی در خاک نام برد زیرا با مطالعه‌ی نقش آب در واکنش‌ها و با توجه به فرمول کلروفیل و عناصر شرکت کننده در آن نقش عناصر کانی معلوم می‌شود. برای مثال، گیاهانی که دچار کمبود نیتروژن، منیزیم و آهن هستند، برگ‌های رنگ پریده دارند که در این برگ‌ها شدت فتوسنتز پایین است.

شکل ۲- تأثیر غلظت CO2 بر میزان فتوسنتز. غلظت طبیعی CO2 در هوا (۰/۰۳ درصد) حتی در شدت نور زیاد نیز موجب پایین بودن میزان فتوسنتز است.

شکل ۳- تأثیر دما بر میزان فتوسنتز، به طوری که ملاحظه می‌شود در شدت‌های نور کم، دما تأثیری بر فتوسنتز ندارد، در صورتی که در شدت‌های نور زیاد میزان فتوسنتز تحت تأثیر شدت گرما است.

تنفس

گیاهان و سایر جانداران موقعی می‌توانند به زندگی ادامه دهند که قدرت تجزیه‌ی مولکول‌های پیچیده‌ی مواد آلی (غذا) و استفاده از انرژی اندوخته شده در آن‌ها را دارا باشند. عمل اکسیداسیون مواد آلی که منتهی به آزادشدن انرژی می‌شود مستلزم جذب اکسیژن از راه منافذ روی برگ، ساقه و ریشه‌ی گیاه است. بنابراین تظاهرات خارجی تنفس عبارت است از جذب O2 و دفع CO2، یعنی مبادلات گازی بین گیاه و محیط. ولی به طوری که در زیست شناسی جانوری مطالعه می‌کنید تنفس واقعی یعنی واکنش‌های شیمیایی اساسی که منجر به شکسته شدن مولکول‌های مواد آلی و رهاشدن انرژی می‌شود در درون سلول‌ها انجام می‌پذیرد و ما از آنها به عنوان تنفس سلولی نام می‌بریم. بنابراین در برابر فرایند فتوسنتز که به ساخته شدن مواد آلی منتهی می‌شود، فرایند تنفس قرار دارد که طی آن مولکول‌های حاصل از عمل فتوسنتز شکسته و انرژی آزادشده از آنها صرف فعالیت‌های حیاتی مانند ساختن برخی از مواد، جذب و جابه جایی مواد محلول، جنبش‌های سیتوپلاسمی و جنبش اندام‌های گیاه، به وجود آمدن پتانسیل الکتریکی و به طور کلی رشد و نمو می‌شود. در این بخش، مسائلی از تنفس که ویژه‌ی فرمانروی گیاهان است مورد توجه قرار می‌گیرد. در گیاهان اندام‌های ویژه‌ای جهت رساندن اکسیژن به سلول‌ها و انتقال دی اکسید کربن حاصل از تنفس آن‌ها به خارج، وجود ندارد. تبادل گازها از راه روزن‌ها، روزنه‌ها و عدسک‌ها انجام می‌پذیرد. در بین سلول‌های تشکیل دهنده‌ی اندام‌های گیاه وجود حفرات کوچک و بزرگ و اتاقک‌های زیر روزنه‌ای و سلول‌های کروی با حفرات فراوان در زیر عدسک‌ها موجب می‌شوند که تبادلات گازی در گیاه به سهولت انجام شود. گازهای حاصل از فرایند تنفس و فتوسنتز بر حسب قوانین انتشار گازها بین اندام‌های گیاه و محیط خارج مبادله می‌گردد. در ریشه‌ها نیز عمل تنفس با استفاده از هوای موجود بین ذرات خاک انجام می‌شود و چنانچه برای مدت طولانی فضاهای موجود بین ذرات خاک از آب پر شود، بسیاری از گیاهان دچار خفگی ریشه شده و آثار آن پس از مدتی در بخش هوایی ظاهر می‌شود. از جمله‌ی این آثار بی رنگ شدن شاخه و برگ‌های نورسته، ریزش اندام‌های تولید مثلی و توقف در رشد گیاه است. در عده‌ای از گیاهان مردابی انشعاباتی از ریشه به خارج از آب آمده تشکیل اندام‌های تنفسی به نام شش ریشه‌ها را می‌دهند که برای تبادل هوا کمک مؤثری به شمار می‌آیند.

شدت تنفس

مقدار اکسیژن جذب شده و یا دی اکسید کربن دفع شده را در واحد زمان، شدت تنفس می گویند. اگر تعریف شدت فتوسنتز را به خاطر بیاوریم، ملاحظه می‌کنیم که تبادلات گازی در این دو فرایند عکس یکدیگرند. در تنفس اکسیژن و کربوهیدرات به مصرف می‌رسد و آب و CO2 تولید می‌شود، در صورتی که در فتوسنتز آب و CO2 به مصرف می‌رسد و اکسیژن و کربوهیدرات‌ها به وجود می‌آیند.

شواهد مختلف نشان می‌دهد که بخشی از دی اکسید کربن دفع شده در عمل تنفس در فرایند فتوسنتز مورد استفاده قرار می‌گیرد و بخشی از اکسیژن آزاد شده در فتوسنتز، در تنفس استفاده می‌شود. در نور کم شدت این دو فرایند برابر می‌شود و در نتیجه به مقداری که O2 تشکیل می‌گردد صرف تنفس شده و به مقداری که CO2 به وجود می‌آید، در فتوسنتز مورد مصرف قرار می‌گیرد. شدت نوری که در آن این چنین موازنه‌ای برقرار می‌شود نقطه جبران گویند.

اگر شدت تنفس را در گیاه در تاریکی اندازه گیرند، میزان اکسیژن جذب شده بیانگر شدت تنفس است. حال اگر شدت فتوسنتز همین گیاه در روشنایی را بخواهیم از مقدار اکسیژن آزاد شده معلوم کنیم، چون مقداری از آن در تنفس به کار رفته، عدد حاصل نمی‌تواند نمایانگر شدت فتوسنتز باشد مگر مقدار اکسیژنی که در تنفس مصرف کرده به آن بیفزاییم. به طور کلی باید توجه داشت که گیاهانی که تحت تأثیر روشنایی کافی قرار دارند میزان اکسیژن رهاشده از آن‌ها بین ۵ تا ۱۰ برابر میزان اکسیژن مصرف شده در تنفس است. در نتیجه، گیاهان با وجودی که خود تنفس می‌کنند منبع تولید اکسیژن و کارخانه‌ی بزرگ مصرف CO2 در طبیعت هستند.

شدت تنفس در گیاهان و در یک گیاه بر حسب اندام‌های مختلف متفاوت است ولی در هر حال در مقایسه با تنفس جانوران خونگرم، تنفس در گیاهان بسیار ضعیف است. در اندام‌های در حال رشد و جوان و در دانه‌های در حال رویش میزان تنفس بالا است. همچنین در گل‌های در حال باز شدن و به ویژه در اندام‌های تولید مثلی تنفس شدید است.

اثر عوامل درونی و بیرونی در تنفس

فیزیولوژیست ها در پاسخ به این که آیا میزان تنفس گیاه در تاریکی و در روشنایی نسبت به هم متفاوت است یا خیر آزمایش‌های متعددی انجام داده‌اند. تا این که اخیراً مشخص گردید که در بعضی از گیاهان، روشنایی محرک افزایش تنفس است، به این پدیده تنفس نوری گفته می‌شود. فرایند تنفس به شدت، تحت تأثیر دمای محیط است زیرا که در مراحل مختلف تجزیه‌ی قند، آنزیم‌هایی دست اندر کارند و واکنش‌های شیمیایی متعددی انجام می‌شود که همگی تحت تأثیر دمای محیط قرار دارند. افزایش اکسیژن محیط نیز موجب افزایش شدت تنفس است. به طوری که در صفحات قبل دیدیم شدت تنفس بر حسب سن و نوع اندام‌های مختلف گیاه متفاوت است. افزایش رطوبت به ویژه در دانه‌ها عامل بسیار مهمی در افزایش تنفس و در افزایش فعالیت‌های گیاه است.

باید توجه داشت که هریک از عوامل خارجی در درجهی ویژه‌ای شدت تنفس را به بیشترین حد می‌رسانند و این درجه بستگی به نوع گیاه و شرایط محیط دارد.

برای مطالعه

کسر تنفسی

اگر گازهای تنفسی گیاه را به طور دقیق بررسی کنیم می‌بینیم که معمولاً حجم دی اکسید کربن دفع شده از گیاه برابر حجم اکسیژن جذب شده نیست. نسبت بین این دو را کسر تنفسی می‌نامیم. این کسر بر حسب مراحل مختلف رویش و گل دادن گیاه متفاوت بوده و تا حدودی نوع ماده‌ای که در واکنش‌های تنفسی تجزیه می‌شود را مشخص می‌سازد.

در صورت تجزیه هیدرات‌های کربن این کسر برابر یک می‌شود.

در تجزیه‌ی مواد لیپیدی کسر تنفسی کمتر از یک می‌شود.

در تجزیه‌ی مواد پروتئینی نیز کسر تنفسی معمولاً کمتر از یک است.

در شکستن مولکول اسید مالیک کسر تنفسی از یک بیشتر خواهد بود.

گرما در گیاهان

در فرایند تنفس بخشی از انرژی حاصل صرف کارهای حیاتی گیاه و بخشی در اندام‌های مختلف اندوخته می‌شود (چگونه). همچنین در نتیجه‌ی این واکنش‌ها مقداری از انرژی به صورت گرما از گیاه خارج می‌شود. گرمای حاصل بر حسب مراحل مختلف رویش گیاه و نوع اندام بسیار متفاوت است. بیشترین حد آن در هنگام جوانه زدن و در هنگام تولید اندام‌های زایشی است. هنگامی که دانه‌های در حال جوانه زدن و یا گل‌های در حال تشکیل مجتمع باشند، گرمای حاصل محسوستر و مشخص‌تر است. اگر درون گل شیپوری که مجموع گل‌ها بر روی محوری به نام میله چه قرار گرفته و به وسیله برگه‌ی بزرگی احاطه شده، دماسنجی را وارد کنیم نسبت به دمای خارج چند درجه افزایش نشان می‌دهد. به طوری که حتی بدون به کار بردن دماسنج با وارد کردن انگشت، بالا بودن درجه‌ی دما را می‌توانیم به خوبی احساس کنیم.

فعالیت عملی ۱:

بررسی تولید ماده آلی (نشاسته) در فتوسنتز

وسایل و مواد لازم:

۱- گلدان گل شمعدانی

۲- الکل سفید

۳- یدبدوره

۴- بشر

۵- شیشه ساعت یا ظرف پتری

طرز عمل:

۱- یک برگ از گل شمعدانی را که مدت ۲۴ ساعت در برابر نور قرار داشته از شاخه جدا کنید. ابتدا آن را در آب جوش فرو ببرید و بلافاصله از آن خارج سازید سپس آن را در ظرف الکل جوش قرار دهید.

توجه: برای به جوش آوردن الکل، باید آن را در آب جوش قرار داد و هرگز نباید الکل را مستقیم حرارت داد.

۲- برگ بیرنگ شده را پس از بیرون آوردن از الکل، در ظرف پتری قرار دهید و کمی آب روی آن بریزید و بعد کمی یدیدوره (تنطور ید) به آن اضافه کنید.

٣- به تغییر رنگ حاصل در برگ توجه کنید. این رنگ، معرف وجود چه ماده‌ای در برگ است؟ این ماده در اثر چه فرایندی در برگ به وجود آمده است؟

برای درک کامل مطلب، باید آزمایش‌های دیگر را انجام دهید و نتیجه گیری کلی از آن‌ها شما را به درک فرآیند فتوسنتز راهنمایی خواهد کرد.

تبصره: به خاطر بیاورید که در آزمایش‌های قبل، شناسایی نشاسته را با یدیدوره مشاهده کردید. نشاسته نوعی پلی ساکارید است که در اثر فتوسنتز در برگ گیاهان ساخته می‌شود.

فعالیت عملی ۲ 

آیا برای انجام فتوسنتز، نور لازم است؟

وسایل و مواد لازم:

۱- یک گلدان شمعدانی

۲- بشر در اندازه‌های کوچک و بزرگ

۳- الکل اتیلیک (الکل سفید)

۴- محلول بدیدوره

۵- چراغ الکلی- سه پایه با توری نسوز

روش انجام آزمایش:

۱- گلدان گل شمعدانی را به مدت ۴۸ ساعت در محفظه‌ی تاریکی قرار می‌دهیم.

۲- سپس قطعه‌ای کاغذ سیاه را (مطابق شکل) روی یکی از برگ‌های آن سنجاق می‌کنیم و بعد آن را به مدت یک یا دو روز در مقابل نور قرار می‌دهیم. (برای این منظور می‌توانید از چراغ مطالعه استفاده کنید.).

۳- برگی را که کاغذ سیاه به آن چسبانیده‌ایم از شاخه جدا می‌کنیم و آن را پس از فرو بردن در آب جوش، در الکل بسیار گرم (نزدیک به درجه‌ی جوش) می‌گذاریم تا رنگ برگ کاملاً در الکل حل شده و برگ سفید شود.

توجه: برای گرم کردن الکل، نباید آن را مستقیم حرارت داد؛ بلکه ظرف الکل را در ظرف بزرگتری که محتوی آب جوش است قرار می‌دهیم.

۴- برگ را پس از بیرون آوردن از الکل، در ظرفی (مثلاً یک شیشه ساعت بزرگ) قرار می‌دهیم و روی آن محلول نسبتاً رقیق یدیدوره می‌ریزیم.

۵- تغییر رنگ حاصل در برگ را مشاهده و با محلی که به وسیله کاغذ سیاه پوشیده شده بود مقایسه کنید و نتایج را بنویسید.

شکل ۴- بررسی لزوم نور در انجام عمل فتوسنتز

پرسش

۱- با توجه به آنچه در آزمایش قبل آموخته‌اید می دانید کهید معرف نشاسته است، تغییر رنگ حاصل در برگ معرف وجود چه ماده‌ای است؟

۲- آیا برای تشکیل این ماده (…..) نور لازم است؟ چرا؟

پرسش

۱- کدام بخش برگ، کلروفیل وجود نداشت و در کدام بخش برگ، نشاسته ساخته شده بود؟

۲- از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

فعالیت عملی ۳:

آیا برای انجام فتوسنتز، وجود کلروفیل لازم است؟

وسایل و مواد لازم:

۱- گلدان گل حسن یوسف

۲- بشر در اندازه‌های کوچک و بزرگ

۳- شیشه ساعت

۴- الکل سفید

۵- محلول یدیدوره

۶- چراغ الکلی- سه پایه با توری نسوز

روش انجام آزمایش:

۱- گلدان گل حسن یوسف را که لبه‌ی برگ‌های آن فاید کلروفیل است، به مدت ۲۴ ساعت در مقابل نور شدید می‌گذاریم.

۲- یکی از برگ‌های آن را از شاخه جدا می‌کنیم و با آن همانند آزمایش قبلی، عمل می‌کنیم.

۳- پس از ریختن یدیدوره به روی برگ بی رنگ شده، مشاهدهی خود را یادداشت می‌کنیم.

شکل ۵- بررسی لزوم کلروفیل در عمل فتوسنتز

فعالیت عملی ۴:

 آیا در فتوسنتز دی اکسید کربن لازم است؟

وسایل و مواد لازم:

۱- گلدان گل شمعدانی

۲- ظرف شیشه‌ای بزرگ با درپوش چوب پنبه‌ای

۳- قیف شیشه‌ای

۴- KOH و یا NaOH جامد

۵- الکل سفید

۶- محلول یدیدوره

طرز عمل:

۱- سه برگ از گلدان شمعدانی که به مدت ۴۸ ساعت در تاریکی قرار داشته باشد جدا کنید.

۲- بلافاصله برای مشخص کردن وجود یا عدم وجود نشاسته، یکی از برگ‌ها را آزمایش کنید. نتیجه را یادداشت کنید.

۳- یکی از برگ‌ها را داخل ظرفی قراد دهید و در درون آن (کنار برگ) سود یا پتاس خشک بگذارید. برای این که هوای وارد شده به این ظرف عاری از CO2 شود، در سر راه ورود هوا به ظرف، سود یا پتاس بگذارید. (به شکل توجه کنید.)

۴- برگ دیگر را در لیوان آبی بگذارید.

۵- هر دو برگ اخیر را در مقابل نور قرار دهید. پس از ۲۴ ساعت هر دو برگ را برای مشخص کردن وجود نشاسته در آن‌ها، آزمایش کنید و نتایج را بنویسید.

شکل ۶- بررسی لزوم CO2 در انجام عمل فتوسنتز

پرسش

۱- در کدام یک از سه برگ مورد آزمایش که از یک گیاه کند شده‌اند، نشاسته ساخته شده است؟ چرا؟

۲- چرا در ظرف سربسته، همراه با برگ، پتاس یا سود قرار می‌دهیم؟

۳- نتیجه گیری کلی شما از این آزمایش چیست؟

فعالیت عملی ۵:

آیا در فتوسنتز گیاهان، اکسیژن تولید می‌شود؟

وسایل و مواد لازم:

۱- لوله آزمایش

۲- بشر

۳- لوله شیشه‌ای با لوله پلاستیکی که بتوان بر سر لوله شیشه‌ای نصب کرد.

۴- گیره برای بستن لوله‌ی پلاستیکی ۵ پایه برای نگهداری دستگاه آزمایش

۵- الودآ (گیاه سبز آبزی) Elodea

طرز عمل:

۱- شاخه‌ی کوچکی از الودا را با تیغ قطع می‌کنیم.

۲- شاخه را داخل یک لوله‌ی آزمایش که درون آب است قرار می‌دهیم، به طوری که سر قطع شده‌ی شاخه، درون لوله‌ی شیشه‌ای قرار گیرد. ( قبلاً درون لوله‌ی شیشه‌ای آب ریخته‌ایم.)

۳- لوله‌ی آزمایش محتوى الوِدآ را در مقابل نور می‌گذاریم. حباب‌هایی از انتهای بریده شده‌ی الوِدآ خارج می‌شود که در بالای لوله‌ی شیشه‌ای جمع می‌شود. با بستن گیره بر روی بخش پلاستیکی لوله، می‌توان از خروج گاز جلوگیری کرد و آن را جمع آوری نمود.

۴- به نظر شما گاز خارج شده چیست؟

برای تشخیص این که گاز حاصل اکسیژن است یا نه می‌توانید آن را به روی یک کبریت گداخته منتقل کنید.

می‌دانید که اکسیژن، کبریت گداخته را مشتعل می‌کند.

شکل ۷- بررسی اثر نور در فتوسنتز و مشاهده ی خروج گاز اکسیژن از گیاه

پرسش

۱- از این آزمایش، چه نتیجه‌ای به دست می‌آورید؟

۲- اگر نور را قطع کنید، آیا خروج گاز قطع می‌شود؟ چرا؟

۳- آیا می‌توانید همین آزمایش را با گیاه غیر آبزی انجام دهید و نتیجه بگیرید؟ آزمایش کنید.

فعالیت عملی ۶:

روش استخراج کلروفیل از برگ

وسایل و مواد لازم:

۱- برگ‌های اسفناج

۲- هاون چینی

۳- الکل سفید

۴- لوله‌ی آزمایش- بشر- قیف شیشه‌ای- پایه

۵- کاغذ صافی

چگونگی انجام آزمایش

۱- چند برگ اسفناج را در هاون چینی به همراه الکل سفید، له می‌کنیم.

۲- محلول حاصل را به وسیله کاغذ صافی که روی یک قیف شیشه‌ای قرار داده‌ایم صاف می‌کنیم و محلول صاف شده را در یک لوله‌ی آزمایش جمع آوری می‌کنیم.

۳- اگر این محلول را که محلول الکل کلروفیل خام نامیده می‌شود به روش کروماتوگرافی مورد آزمایش قرار دهیم، وجود کلروفیل و مواد رنگی دیگر (زرد رنگ و قرمزرنگ) را در آن می‌توانیم مشخص کنیم.

روش ساده جهت کروماتوگرافی

مقداری از ماده‌ی رنگی مورد نظر (مثلاً کلروفیل خام) را روی نواری از کاغذ صافی می‌گذاریم و بعد آن را خشک می‌کنیم (لازم است که این عمل تکرار شود) سپس انتهای این نوار را بدون این که لکه رنگی در حلال قرار گیرد، در حلال (در این جا الکل سفید است) قرار می‌دهیم. مواد رنگی در کاغذ صافی به همراه حلال بالا می‌روند و هریک برحسب جرم حجمی خود با فاصله از دیگر مواد رنگی مخلوط در ماده رنگی اولیه قرار می‌گیرند. و به این ترتیب از یکدیگر جدا می‌شوند و مشخص می‌گردند.

جدا کردن مواد رنگی به وسیله بنزین

شرح: در یک لوله‌ی آزمایش CC 2 محلول الکلی کلروفیل خام بریزید و ۱ تا CC2 بنزین سفید به آن اضافه کنید و آن را تکان دهید و بی حرکت بگذارید. در این حالت، محلول مزبور به دو قسمت تقسیم می‌شود: محلول کلروفیل در بنزین در رو قرار می‌گیرد و محلول گزانتوفیل و کاروتن در الکل در زیر قرار خواهد گرفت.

شکل ۸- جدا کردن رنگیزه های موجود در برگ

شکل ۹- کروماتوگرافی برای جدا کردن رنگ‌های موجود در برگ

شکل ۱۰- دو دستگاه کروماتوگرافی که در یک نوع آن حرکت حلال از بالا به پایین و در دیگری از پایین به بالاست.

پرسش

۱- چند نوع مواد رنگی دیگری در محلول کلروفیل خام وجود دارد؟

۲- آیا روش ساده دیگری می‌شناسید که بتوانید کلروفیل را از سایر مواد رنگی موجود در محلول الکلی کلروفیل خام جدا کنید؟

فعالیت عملی ۷:

مشاهده‌ی مصرف اکسیژن در گیاهان

وسایل و مواد لازم:

۱- لوله آزمایش

۲- پایه و گیره مخصوص (به شکل توجه کنید)

۳- لوله شیشه‌ای مویین

۴- کاغذ مدرج

۵- پنبه

۶- بشر

۷- لوله لاستیکی و گیره

۸- پتاس

۹- جوهر

۱۰- دانه‌های نخود در حال رویش

توجه: پتاس، ماده‌ای است بسیار قلیایی ؛ دقت کنید که روی پوست دست و پا لباستان نریزد. چنانچه با پوست دست و پا چشمتان تماس پیدا کرد، بلافاصله آن را با آب به مدت حداقل ده دقیقه بشویید.

روش انجام آزمایش:

۱- نصف یک لوله‌ی آزمایش را از دانه‌های نخود در حال رویش پر کنید.

تبصره: برای رویاندن دانه‌های نخود کافی است آن‌ها را به مدت دو روز در ظرفی قرار دهید و پارچه‌ای روی آن‌ها بگذارید و مرتباً پارچه را مرطوب نگهدارید.

پس از این که رویش ریشه دانه‌های نخود آغاز شد، می‌توانید آزمایش را با آن‌ها انجام دهید.

۲- در یک لوله‌ی آزمایش دیگر تا نصف آن، دانه‌های در حال رویشی بریزید که قبلاً آن‌ها را جوشانیده‌اید.

سؤال: جوشانیدن چه اثری در دانه‌ها دارد؟

۳- بر روی دانه‌ها، در هر دو لوله‌ی آزمایش کمی پنبه بگذارید و روی آن مقداری پتاس خشک بریزید.

۴- چوب پنبه‌ای به دهانه‌ی لوله‌های آزمایش بگذارید که از آن دو لوله رد شده و به داخل لوله آزمایش رفته باشد. بر سر یکی از لوله‌ها، قطعه‌ای لوله‌ی لاستیکی متصل است که می‌توان آن را به وسیله‌ی گیره‌ای باز و بسته کرد و لوله‌ی دیگر یک لوله به شکل L است که مویین می‌باشد.

۵- سر لوله‌ی مویین یک قطره جوهر بگذارید. به شاخه بلند لوله مویین یک ورقه کاغذ مدرج میلی متری متصل کنید.

۶- لوله‌های آزمایش را روی پایه‌ای ثابت کنید و پس از مدتی تغییر محل جوهر را در لوله مویین مشاهده و یادداشت کنید.

۷- نتایج حاصل را در دو لوله با یکدیگر مقایسه کنید. سرعت حرکت قطره‌ی جوهر را در یک دقیقه مشخص کنید.

شکل ۱۱- بررسی میزان اکسیژن مصرف شده در هنگام رویش دانه‌های نخود

پرسش

۱- چرا از دانه‌های در حال رویش برای آزمایش استفاده می‌کنیم؟

۲- پتاس خشک چه نقشی در آزمایش دارد؟

۳- علت حرکت قطره‌ی جوهر چیست؟

۴- چرا در لوله‌ی آزمایشی که نخودهای جوشیده شده ریخته شده است تغییر مکانی در قطره جوهر مشاهده نمی‌شود.

۵- نتیجه گیری کلی شما از این آزمایش چیست؟

خودآزمایی

۱- چرا با مصرف دایمی نیتروژن، مقدار این عنصر در خاک تقریباً ثابت باقی می‌ماند؟

۲- چگونه می‌توان بازدهی فتوسنتز را افزایش داد؟ (بحث کنید)

۳- عوامل درونی مؤثر بر شدت تنفس در گیاه کدام اند؟

۴- برای نشان دادن اثرات مقدار CO2 بر شدت فتوسنتز کدام پارامترها را باید کنترل کرد؟

۵- این اصطلاحات را تعریف کنید: نقطه جبران، شدت تنفس، شش ریشه.