ما الذي يحدث؟
تحتل النباتات جزءًا أساسيًّا من السلسلة الغذائية ودورة الكربون، وذلك لقدرتها على التمثيل الضوئي، وهي العملية البيوكيميائية التي تُحَصَّل من خلالها الطاقة من الشمس والمادة من الهواء وتُخَزَّن. فعند أي نقطة من هذه التجربة، فإن عدد أقراص أوراق النبات الطافية مؤشر غير مباشر للمعدل الصافي للتمثيل الضوئي.
في التمثيل الضوئي، يستخدم النبات الطاقة من الشمس، والماء، وثاني أكسيد الكربون من الهواء؛ لتخزين الكربون والطاقة في هيئة جزيئات جلوكوز. وغاز الأكسجين منتج ثانوي لهذا التفاعل؛ فيفسر إنتاج الأكسجين عن طريق كائنات التمثيل الضوئي الغلاف الجوي الأرضي الغني بالأكسجين.
يمكن كتابة معادلة التمثيل الضوئي كما يلي:
C6H12O6 + 6O2 → (طاقة ضوئية) + 6CO2 + 6H2O
في تجربة أقراص أوراق النبات، كل العناصر اللازمة للتمثيل الضوئي موجودة. فيوفر مصدر الضوء الطاقة الضوئية، ويوفر المحلول الماء، وتوفر بيكربونات الصوديوم ثاني أكسيد الكربون الذائب.
عادةً ما تطفو المادة النباتية في الماء؛ وهذا لأن أوراق النبات بها هواء في الفراغات بين الخلايا، ما يساعدها على جمع غاز ثاني أكسيد الكربون من البيئة لاستخدامه في التمثيل الضوئي. وعندما تفرض فراغًا طفيفًا على أقراص أوراق النبات في المحلول يُجبَر هذا الهواء على الخروج فيأخذ المحلول محله؛ ما يتسبب في غرق الأوراق.
عندما ترى الفقاعات الدقيقة تتشكل على أقراص أوراق النبات أثناء التجربة، فأنت فعليًّا ترصد الإنتاج الصافي لغاز الأكسجين بوصفه منتجًا ثانويًّا للتمثيل الضوئي. وتراكم الأكسجين على الأقراص يجعلها تطفو. قد يتأثر معدل إنتاج الأكسجين بكثافة مصدر الضوء، ولكن هناك معدلًا أقصى، بعده لن تزيد الطاقة الضوئية الإضافية من التمثيل الضوئي.
لاستخدام الطاقة المخزنة بفعل التمثيل الضوئي، تستخدم النباتات (مثل كل الكائنات الأخرى ذات الميتوكوندريا) عملية التنفس، وهي ببساطة عكس عملية التمثيل الضوئي. في التنفس، يتكسر الجلوكوز؛ لينتج طاقة يمكن للخلية أن تستخدمها، وهذا التفاعل يستخدم الأكسجين وينتج ثاني أكسيد الكربون بوصفه منتجًا ثانويًّا. ولأن أقراص أوراق النبات مادة نباتية حية لا تزال تحتاج إلى الطاقة، فإنها تستخدم غاز الأكسجين بالتوازي أثناء التنفس وتنتج غاز الأكسجين أثناء التمثيل الضوئي. لذلك، فإن فقاعات الأكسجين التي تراها تمثل المنتجات الصافية للتمثيل الضوئي، مخصومًا منها الأكسجين المستخدم في التنفس.
عندما تضع أقراص ورق النبات الطافية في الظلام، فإنها تغرق في نهاية المطاف. فبدون الطاقة الضوئية لا يحدث تمثيل ضوئي، ولهذا لا ينتج مزيد من غاز الأكسجين. مع ذلك، يستمر التنفس في الظلام، لذا تستخدم الأقراص غاز الأكسجين المتراكم. كذلك فإنها تنتج غاز ثاني أكسيد الكربون أثناء التنفس، ولكن ثاني أكسيد الكربون يذوب في الماء المحيط بسهولة أكثر من غاز الأكسجين، ولا يُحبَس في الفراغات الخلالية.
|