تولیدکنندگی
همه‌ی جانوران، به طور مستقیم یا غیرمستقیم، غذا و انرژى مورد نیاز خود را از گیاهان مى‌گیرند. در بخش‌هاى مختلف گیاهان، مانند ریشه، ساقه، برگ، میوه و دانه‌ی آنها، اندوخته‌هاى غذایی که داراى انرژىِ نهفته است، وجود دارد. گیاهان انرژى مورد نیاز خود را از خورشید مى‌گیرند. بنابراین می‌توان گفت هر گیاه کارخانه‌ی سیار بزرگى است که انرژى نورانى خورشید را به انرژى شیمیایى تبدیل مى‌کند. تبدیل انرژى نورانى به انرژى شیمیایى را که توسط گیاهان انجام مى‌شود، فتوسنتز مى‌نامند.
در فتوسنتز مواد خامى که مصرف می‌شوند، کربن‌دى‌اکسید و آب هستند و آنچه حاصل مى‌آید، اکسیژن و هیدرات‌هاى کربن است. یکى از مهمترین هیدرات‌هاى کربنى که در فتوسنتز ساخته مى‌شود گلوکز است. هیدرات‌هاى کربن به دنبال واکنش‌هاى دیگرى که درون سلول‌ها انجام می‌گیرد، ممکن است به سایر مواد آلى مانند چربى‌ها، پروتئین‌ها و غیره تبدیل شوند.
وَن‌هلمونت که در فصل اول با یکى از کارهاى علمى او آشنا شدید، یکى از نخستین آزمایش‌هاى مربوط به فتوسنتز را انجام داد. او تصمیم گرفت این عقیده را که «گیاهان مواد مورد نیاز خود را از خاک مى‌گیرند» مورد بررسى علمى قرار دهد. او براى اینکار، آزمایشى طراحى و اجرا کرد و نتیجه‌ی آن را به این صورت نوشت:
«مقدارى خاک را آنقدر حرارت دادم تا کاملاً خشک شد. ۹۰ کیلوگرم خاک خشک شده را در بشکه‌اى ریختم و در آن قلمه‌ی بیدى کاشتم. خاک را به مدت ۵ سال با آب باران آبیارى مى‌کردم. وزن قلمه‌ی بید در آغاز آزمایش ۲/۲۵ کیلوگرم بود، اما پس از پنج سال وزن آن به ۷۶/۹۰ کیلوگرم رسید. در تمام این مدت روى بشکه را با پوشش آهنى سوراخ‌دارى پوشانده بودم. وزن برگ‌هاى پاییزى هر سال را اندازه نگرفتم. در پایان پنج سال خاک بشکه را خشک و سپس وزن کردم. فقط ۵۶/۶ گرم از وزن آن کاسته شده بود؛ بنابراین ۷۴/۶۵ کیلوگرم اضافه وزن ریشه، تنه و شاخه‌هاى درخت از آب خالص حاصل شده است».
الف) به نظر شما در طراحى آزمایش این دانشمند چه نقصى وجود داشت؟
ب) اگر شما مى‌خواستید آزمایش ون‌هلمونت را دوباره طراحى و اجرا کنید، چه تغییرى در طراحى این آزمایش انجام مى‌دادید؟
ج) فکر مى‌کنید چرا او روى بشکه را پوشانده بود؟
بیشتر بدانید
حدود ۳ میلیارد سال پیش، وضعیت زمین، جوّ و موجودات زنده، مثل امروز نبود. در آن هنگام فقط ۰/۰۴ درصد جوّ آن زمان بىشتر از نیتروژن، بخار آب و کربن‌دى‌اکسید تشکیل شده بود.
موجودات زنده‌اى که در آن هنگام زندگى مى‌کردند، فقط باکترى‌هاى بى‌هوازى بودند، یعنى باکترى‌هایى که بدون نیاز به اکسیژن، مواد آلى را به الکل یا به اسید تبدیل مى‌کنند و از این راه انرژى به دست مى‌آورند. چنین باکترى‌هایى که در آب‌ها زندگى مى‌کردند، هنوز هم روى کره‌ی زمین فراوان‌اند.
در حدود ۲/۵ میلیارد سال پیش، موجودات زنده‌ی فتوسنتز کننده بر روى زمین پدیدار شدند و شروع به آزاد کردن اکسیژن از آب کردند. تقریباً همه‌ی اکسیژن موجود در جوّ کنونى، محصول فتوسنتز است.
فعالیت
۱- چند گیاه گوجه فرنگى را در شرایط مختلف از نظر مقدار CO2 هوا، در آزمایشگاه رویانده‌ا‌یم و نتایج شدت فتوسنتز آنها را در جدول زیر یادداشت کرده‌ایم:
الف) نمودارى از نتایج بالا را رسم و آن را تفسیر کنید.
| درصد CO2 موجود در هوا | مقدار اکسیژن آزاد شده (واحد اختیارى) |
| صفر ۰/۰۲ ۰/۰۴ ۰/۰۶ ۰/۰۸ ۰/۱ ۰/۱۲ ۰/۱۴ ۰/۱۶ ۰/۱۸ ۰/۲ | صفر ۲ ۲۹ ۳۵ ۳۹ ۴۲ ۴۵ ۴۶ ۴۶ ۴۶ ۴۶ |
ب) اگر درصد CO2 هوا ۰/۰۳، یعنى به میزان عادى CO2 هوا باشد شدت فتوسنتز چقدر خواهد بود؟
ج) هنگام این آزمایش‌ها شدت نور یکسان بود. این کار چه اهمیتى دارد؟
د) چگونه مى‌توانیم به محصول گوجه فرنگى‌هایى که آنها را در گلخانه‌ها پرورش می‌دهیم بیفزاییم؟
۲- نمودار زیر شدت فتوسنتز را در یک گیاه در دماهاى مختلف نشان مى‌دهد.
شکل ۱- شدت فتوسنتز در دماهاى مختلف
الف) حداکثر شدت فتوسنتز در چه دمایى انجام می‌شود؟
ب) چرا شدت فتوسنتز در دماى بالاتر از ۳۵ درجه‌ی سانتیگراد کاهش مى‌یابد؟
ج) درصد کربن دى‌اکسید هوا، هنگام انجام این آزماىش ۰/۰۳ بوده است. اگر غلظت CO2 هوا، ۰/۱ درصد باشد، شدت فتوسنتز چگونه خواهد بود؟
د) چه عوامل دیگرى به جز دما و غلظت CO2 مى‌شناسید که بر فتوسنتز اثر مى‌کند؟
بخش‌هاى فتوسنتز کننده‌ی گیاهان
همه‌ی بخش‌هاى سبز گیاهان فتوسنتز انجام مى‌دهند. ماده‌ی سبز موجود در گیاهان که سبزینه یا کلروفیل نام دارد، آغازکننده‌ی واکنش‌هاى فتوسنتزى است. بخش‌هایى از گیاه که کلروفیل ندارند، فتوسنتز انجام نمی‌دهند.
کلروپلاستها که در سلول‌هاى گیاهان وجود دارند، محل استقرار مولکول‌هاى کلروفیل هستند. سلول‌هاى برگ بیشترین تعداد کلروپلاستها را دارند و به این دلیل برگ‌ها، اندام‌هاى اصلى فتوسنتز به شمار مى‌آیند. برگ‌ها علاوه بر کلروپلاست فراوان، ویژگی‌هاى دیگرى نیز دارند که توانایى آنها را براى انجام فتوسنتز به حداکثر مى‌رسانند.
فعالیت
۱- برگ‌هاى بعضى از گیاهان قرمز است. آیا چنین گیاهانى فتوسنتز انجام مى‌دهند؟ توضیح دهید.
۲- کلروفیل فقط در حضور نور تولید مى‌شود، به همین دلیل بخش‌هاى زیرزمینى گیاهان کلروفیل ندارند؛ اما پوسته بعضى از غده‌هاى سیب زمینى، سبزرنگ است. سبز بودن بعضى از غده‌هاى سیب زمینى چه اطلاعاتى درباره‌ی محیطى که آنها را نگهدارى کرده‌اند، به ما مى‌دهد؟
ساختار برگ: اگرچه بسیارى از برگ‌ها بسیار نازک هستند، اما هریک از چند لایه‌ی سلولی تشکیل شده‌اند. دو لایه‌ی سلولی که سطح بالایى و پایینى برگ را مى‌پوشانند اپیدرم یا روپوست نامیده می‌شوند. سلول‌هاى روپوست بسیارى از گیاهان کلروپلاست ندارند. شکل بعضى از سلول‌هاى روپوست که سلول‌هاى نگهبان روزنه نام دارند، با سایر سلول‌هاى روپوست تفاوت دارد. سلول‌هاى نگهبان روزنه، لوبیایى شکل‌اند و به گونه‌اى روبه‌روى یکدیگر قرار گرفته‌اند که میان آنها روزنه‌اى به وجود مى‌آید. سلول‌هاى نگهبان روزنه مى‌توانند روزنه را باز کنند یا بسته نگه دارند. این سلول‌ها معمولاٌ در روپوست پایینى فراوان‌ترند و برخلاف سایر سلول‌هاى روپوست کلروپلاست دارند.
شکل ۲- برش برگ
سطحى از سلول‌هاى روپوست را که در تماس با هواى بیرون از برگ قرار دارد، ماده‌اى موم مانند به نام کوتین می‌پوشاند. به لایه‌ی کوتینى روى روپوست کوتیکول مى‌گویند. کوتیکول سلول‌هاى زیرین خود را در برابر سرما، نفوذ میکروب‌ها و تبخیر آب حفاظت مى‌کند.
بین لایه‌هاى روپوست بالایى و پایینى دو یا چند لایه‌ی سلولى کلروپلاست‌دار وجود دارد. این لایه‌ها میان‌برگ نامیده مى‌شوند. رگبرگ‌هایی که در میان برگ دیده مى‌شوند، کار انتقال مواد و همچنین استحکام برگ را به عهده دارند. آب از راه آوندهاى چوبى موجود در رگبرگ‌ها وارد مى‌شود و محصولات فتوسنتزى، مانند هیدرات‌هاى کربن، در برگ‌هاى بالغ به وسیله‌ی آوندهاى آبکشى از برگ خارج مى‌شوند. انشعاب‌هاى ضخیم و باریک رگ برگ‌ها همه‌ی بخش‌هاى برگ را زیر پوشش خود قرار مى‌دهد.
نشاسته در برگ‌ها: خواندید که، مهمترین محصول فتوسنتز، گلوکز است. گلوکز مولکولى بسیار کوچک است و به راحتى در آب حل و با سایر مولکول‌ها ترکیب می‌شود. بنابراین براى انباشته شدن در گیاه مناسب نیست. گیاهان گلوکزى را که مى‌خواهند در خود ذخیره کنند، به صورت نشاسته درمى‌آورند. صدها یا حتى هزاران مولکول گلوکز با هم ترکیب مى‌شوند و یک مولکول نشاسته به وجود می‌آورند. بنابراین نشاسته مولکولى بسیار درشت و سنگین است. در برگ‌هایی که فتوسنتز انجام مى‌دهند، مقدار قابل توجهى نشاسته وجود دارد. نشاسته در بخشه‌ایی از گیاه، مانند ساقه، ریشه، میوه‌ها و دانه‌ها انباشته مى‌شود.
فعالیت
علت هرىک از موارد زیر را توضیح دهید:
الف) رشد گیاهانى که برگ‌هاى ابلق (سفید و سبز) دارند آهسته‌تر از گیاهان دیگر است.
ب) گیاهان آکواریوم موجب جلوگیرى از مرگ ماهی‌ها مى‌شوند.
ج) بسیارى از برگ‌ها نازک هستند، اما سطح وسیع دارند.
سایر فراورده‌هاى فتوسنتز
اکسیژن و گلوکز فرآورده‌هاى فتوسنتز هستند؛ اما همانگونه که گفتیم، گلوکز مى‌تواند به سایر مواد آلى، از جمله نشاسته و سلولز تبدیل شود.
مولکول‌هاى گلوکز در گیاهان مى‌توانند پس از تغییراتى به چربى تبدیل شوند. همانطورکه مى‌دانید در بسیارى از دانه‌هاى گیاهى چربى وجود دارد.
پروتئین‌ها نیز از تغییر مولکول‌هاى گلوکز به وجود مى‌آیند، اما گلوکز براى تبدیل شدن به پروتئین نیاز به نیتروژن دارد. گیاهان، نیتروژن مورد نیاز خود را از خاک مى‌گیرند.
فعالیت
گیاهانی که معمولاً براى آزمایش‌هاى فتوسنتزى مورد استفاده قرار مى‌گیرند، گیاهان آبزى هستند، مانند گیاهانى که در آکواریوم‌ها کاربرد دارند. اکسیژنی که این گیاهان تولید می‌کنند به شکل حباب، از آنها خارج می‌شود. با توجه به این اطلاعات، آزمایش‌هایى را طرح‌ریزى کنید که:
الف) اثر شدت نور را بر شدت فتوسنتز نشان دهد.
ب) اثر دما را بر شدت فتوسنتز نشان دهد.
شکل ۳- آزاد شدن اکسیژن از گیاهى آبزى که در حال انجام فتوسنتز است.
گیاهان براى ساختن مواد نیتروژن‌دار مورد نیاز خود، به نیتروژن احیاج دارند؛ اما نمى‌توانند از نیتروژن موجود در جوّ استفاده کنند. نیتروژن مورد نیاز گیاهان معمولاً به صورت ترکیب‌هاى نیتروژن‌دار موجود در خاک که در آب حل مى‌شوند، از راه ریشه به گیاه وارد مى‌شود. به این دلیل در خاک‌هایى که کمبود مواد نیتروژنى دارند، معمولاً گیاهى نمى‌روید.
باکترى‌هایی که در خاک زندگى مى‌کنند، به طور طبیعى این ترکیب‌هاى نیتروژن‌دار مورد نیاز گیاهان را فراهم مى‌کنند. اما اگر بخواهیم از قطعه زمینى سریع‌تر از حدى که در طبیعت انجام می‌شود، محصول برداریم، مثلاً کشاورزى کنیم، با مشکل کمبود مواد معدنى، به ویژه ترکیب‌هاى نیتروژن‌دار روبه‌رو مى‌شویم. در این حال یکى از راه‌حل‌هاى آسان آن است که به سراغ کودهاى شیمیایى نیتروژن‌دار برویم. این نوع کودها اگرچه باعث افزایش محصولات کشاورزى مى‌شوند، اما استفاده‌ی زیاد از آنها، محیط زىست را آلوده مى‌کند و باعث بیمارى انسان و جانوران مى‌شود. در این باره در فصل بوم‌شناسى کمى بیشتر صحبت خواهیم کرد.
پرسش و تحقیق
۱- کدامیک از این جانداران تولید کننده و کدام مصرف کننده است؟
آدمى، قارچ، جلبک، زنبور عسل
۲- در مولکول کلروفیل عنصر منیزیم وجود دارد. یک گیاه سالم را درون مایعى که عنصر منیزیم نداشت، کاشتیم. چند هفته بعد، برگ‌هاى آن به تدریج زرد شد و مقدار نشاسته در برگ‌هاى آن کاهش یافت:
الف) علت زرد شدن تدریجى برگ‌ها چیست؟
ب) چرا مقدار نشاسته موجود در برگ‌هاى زرد شده، کاهش یافت؟
۳- تعداد روزنه‌هاى سطح زیرین بعضى برگ‌ها بسیار بیشتر از سطح بالایى آن است. این ویژگى چه فایده‌هایى دارد؟
۴- چه ویژگی‌هایى برگ را براى انجام عمل فتوسنتز مناسب می‌سازند؟
۵- فتوسنتز کنندگان اصلى و عمده‌ی کره‌ی زمین کدامند؟ چرا؟
۶- چرا همه‌ی فتوسنتزکنندگان آبزى حداکثر تا عمق صد مترى آب مى‌توانند زندگى کنند؟
۷- فتوسنتز در کدام بخش‌هاى برگ بیشتر صورت مى‌گیرد؟ چرا؟
۸- یک پژوهشگر در یک مزرعه تعدادى گیاه ذرت کاشته بود. او یک روز شروع به نمونه‌بردارى از این گیاهان کرد و براى اینکار هر چهار ساعت یک بار چند گیاه را از خاک درآورد و مقدار قند موجود در برگ‌هاى آنها را اندازه گرفت. او این کار را به مدت یک شبانه‌روز ادامه داد و نتایجى را که به دست آورد، در جدول زیر نشان داد:
| زمان | غلظت قند* |
| ۴ بامداد | ۰/۴۵ |
| ۸ صبح | ۰/۶ |
| ۱۲ ظهر | ۱/۷۵ |
| ۴ بعدازظهر | ۲ |
| ۸ بعدازظهر | ۱/۴ |
| ۱۲ نیمه شب | ۰/۵ |
| ۴ بامداد | ۰/۴۵ |
* اعداد این ستون درصد جرم قند را در وزن خشک برگ نشان مى‌دهد.
الف) از این داده‌ها نمودارى رسم کنید. غلظت قند را در این نمودار روى محور عمودى نشان دهید.
ب) در ساعت‌هاى ۲ بامداد و ۱۰ صبح غلظت قند چقدر بوده است؟
ج) در چه ساعتى از شبانه‌روز غلظت قند حداکثر بوده است؟ فکر مى‌کنید علت چیست؟
د) فکر مى‌کنید چرا غلظت قند در ۲۴ ساعت متغیر بوده است؟
