كومة ساخنة صغيرة


كومة ساخنة صغيرة

المحللات الميكروبية تسخن الأشياء.

فليس هناك فناء؟ لا يوجد مشكلة. اصنع كومة سماد داخلية صغيرة وابحث عن دليل على التمثيل الغذائي الميكروبي.

 

الأدوات والخامات

 

  • مبرد ستايروفوم، له غطاء، مقاسه ما بين 6 بوصات و12 بوصة (15 سم و30 سم) طولًا وعرضًا من الداخل (قد لا يعمل مبرد بمقاس داخلي أصغر).
  • ما يكفي من السماد، ويفضل أن يكون من كومة نشطة، لملء نصف المبرد تقريبًا.
  • بن مطحون بحجم السماد نفسه (كثيرًا ما تدخر المقاهي المحلية البن المطحون لك؛ فاحرص على إزالة أي مرشحات قبل استخدامها).
  • ماء.
  • ملعقة كبيرة.
  • صينية بحافة تكون كبيرة ما يكفي لحمل المبرد (ليست ظاهرة بالصورة).
  • مقياس حرارة (يفضل أن يكون مقياس حرارة ذا مسبار، ولكن مقياس الحرارة الزجاجي العادي يعمل أيضًا).
  • اختياري: أنواع أخرى من التربة أو الرمال، وورق ممزق، وبقايا طعام، وطنجرة ضغط، وسكر.

التجميع

  1. ضع كميتين متساويتين من السماد والبن المطحون في المبرد، بحيث تملأ ثلثيه. أضف ماء وامزج باستخدام الملعقة حتى يصبح الخليط مبتلًا عند اللمس، ولكن ليس مبلولًا لدرجة أن يتسرب منه الماء عندما تحمل حفنةً منه في يدك.
  1. ضع مقياس الحرارة عميقا في الخليط ودَوِّن درجة الحرارة الأولية. (إذا كان لديك مقياس حرارة بمسبار يمكنك تركه داخل الخليط طوال فترة التجربة.)
  1. ضَع الغطاء على المبرد، وضَع المبرد على الصينية، واتركه كما هو لمدة 24 ساعة.

 

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

بعد مرور حوالي 24 ساعة، ارفع الغطاء، واستشعر خليط السماد والبن بيدك. ماذا تلاحظ؟ قِس حرارة الخليط. قارن درجة حرارة الخليط بدرجة حرارة الغرفة وبدرجة الحرارة الأولية التي سجلتها قبل ذلك.

تابع درجة حرارة الخليط يوميًّا لمدة أسبوع. ماذا يحدث؟

إذا لاحظت أن درجة الحرارة تنخفض على مدار الأسبوع، قَلِّب الخليط قليلًا لتهويته ثم ضع الغطاء. قِس درجة الحرارة مرة أخرى بعد مرور 24 ساعة.


 

ما الذي يحدث؟

يعج السماد بالكائنات (البكتريا، والفطر، والديدان، وغيرها من اللافقريات) التي تُكَسِّر، أو تحلل، مركبات الكربون والنيتروجين المعقدة في المواد النباتية والحيوانية الميتة. وعملية التحلل تنتج طاقة، بعضها تستخدمها المحللات، وبعضها الآخر يأخذ شكل حرارة.

البن المطحون غذاء ممتاز للمحللات، لذلك عند خلط السماد بالبن؛ فإنك توفر وجبة للكائنات الدقيقة التي تعيش في السماد. بمرور الوقت يفترض أن تلاحظ أن درجة حرارة خليط السماد والبن ترتفع، وهي زيادة يفترض أن تشعر بها بيدك.

يحتاج التحلل في كومة السماد الخاصة بك إلى الأكسجين والماء ومصدر غذائي. تلك هي الأشياء ذاتها التي تحتاجها – بصفتك حيوانًا – لتعيش؛ ومثل كومة السماد فإنك تنتج كميةً لا بأس بها من الحرارة.

عملية التمثيل الغذائي المنتجة للطاقة بتكسير الكربوهيدرات، أو السكريات، في الغذاء تسمى التنفس الخلوي. والتنفس الخلوي يتشابه بشكل أساسي في الحيوانات، والنباتات، وكثير من الكائنات الدقيقة. إلا أن التنفس الخلوي الذي يحدث في «الكومة الساخنة» الصغيرة الخاصة بك يدخل فيه تكسير السليولوز – وهي خطوة إضافية لا تحدث في الحيوانات مثلك.

السليولوز، المعروف باسم الألياف، هو أحد أهم أشكال الكربوهيدرات التي تصنعها النباتات. فالكائنات الدقيقة في كومة السماد (وفي أحشاء حيوانات كثيرة، بما في ذلك الأبقار والماعز) لديها إنزيمات يمكنها تكسير السليولوز إلى مكوناته من السكريات، من ثم يمكن استخدامها في التنفس الخلوي.

في نهاية الأمر ستبرد كومة السماد الصغيرة الخاصة بك؛ حين ينفد الغذاء والماء والأكسجين لدى الكائنات الدقيقة. ويمكنك محاولة إنعاشها مرة أخرى بإضافة مزيد من البن كغذاء، وبلها إذا جفت، وتهويتها بتقليبها لإضافة الأكسجين.

لا يجب أن تكون رائحة كومة السماد الصغيرة الخاصة بك كريهة؛ فإذا بدأت رائحتها تفسد، فعلى الأرجح أنك تشهد تنفسًا لاهوائيًّا، وهو نوع مختلف من التنفس تقوم به كائنات دقيقة لا تحتاج إلى أكسجين. تلك الكائنات الدقيقة سيئة بالنسبة لك بقدر رائحتها الكريهة؛ لذا عليك التخلص من الكومة الساخنة ذات الرائحة فورًا.

عندما يتعلق الأمر بالسماد، فإن الحجم مهم؛ فكومة سماد كبيرة بالحجم الذي يترك خارجًا ينتج الحرارة ويحافظ عليها أكثر بكثير من كومتك الصغيرة. بالمثل، فإن كومة سماد صغيرة جدًّا (نتيجة استخدام مبرد أصغر من المقاس المشار إليه) قد لا تنتج ما يكفي من حرارة لتقيسها. مع ذلك، فإن العمليات التي تحدث في كومة سماد تحدث في جميع التربات تقريبًا في كل مكان على الكوكب؛ إلا أنها تحدث ببطء أكثر ومستويات أقل.


 

المضي قُدمًا

إذا أردت أن تختبر أكثر، جرب أن تستخدم أكثر من مبرد بمخاليط مختلفة لترى ما يؤثر في درجة حرارة الكومة، وبالتالي معدل التحليل. فهل تعمل تربة الأصيص بالطريقة نفسها التي يعمل بها السماد عند مزجه بالبن المطحون؟ وهل ينتج السماد وحده حرارة؟ وماذا عن البن المطحون وحده؟ إذا رأيت زيادة في الحرارة في أي من تلك المخاليط، في ظنك، بماذا  يخبرك هذا عن الأشياء التي تستخدمها؟

هل هناك مصادر غذائية تنتج حرارة أكثر من غيرها؟ اختبر لترى ما يفضله أصدقاؤك من الميكروبات: جرب أن تضيف ورقًا ممزقًا (ستحتاج ماءً أكثر) أو بقايا الطعام (احذر؛ فقد تنتج رائحة كريهة). أو أضف نصف كوب سكر إلى خليطك لترى ماذا يحدث.

جرب إزالة جميع الميكروبات بتعقيم المواد المتفاعلة (تربة الأصيص، أو السماد، أو بقايا الطعام). للتعقيم، بلل مادتك المتفاعلة واطبخها في طنجرة ضغط على 12.5 رطل لكل بوصة مربعة (0.86 بار). كيف يؤثر ذلك في التحلل؟

سجل درجة الحرارة على فترات منتظمة، وارسم رسمًا بيانيًّا للتغيرات. كم من الوقت يلزم لتسخن الكومة الساخنة الصغيرة الخاصة بك؟ ما أقصى حرارة تصل إليها؟ كم من الوقت يلزم لتنخفض حرارتها، وبأي سرعة ترتفع مرة أخرى إذا أضفت مزيدًا من الغذاء أو الهواء؟ في ظنك، ماذا يعني هذا فيما يتعلق بالموارد اللازمة للتنفس وتوليد الحرارة؟

الوجبة العلمية الخفيفة هذه جزء من مجموعة تلقي الضوء على الفنانين والعلماء والمخترعين والمفكرين السود، والذين تساعد أعمالهم أو توسع فهمنا للظاهرة محض الاستكشاف في الوجبة الخفيفة.

د. سوزان بيير (1991-الحاضر)، في الصورة أعلاه، عالمة أحياء ميكروبية، وعالمة كيمياء حيوية، ومعلمة علوم بيئية، تتركز أبحاثها حول التغير البيئي العالمي. د. بيير، كانت جزءًا من طاقم تدريس العلوم بالإكسبلوراتوريوم، وتهتم بشكل خاص بتأثيرات التغير المناخي في العلاقات الأولية بين النباتات والميكروبات والتربات. يمكنك معرفة المزيد عن تلك العلاقات ببناء كومتك الساخنة الصغيرة الخاصة بك.


 

نصائح للمعلمين

يمكن أن يقدم هذا النشاط أساسًا لمختبر للتحقق في التنفس الخلوي؛ فدرجة حرارة الكومة الساخنة الصغيرة قياس غير مباشر لمعدل تنفس الكائنات في السماد. التجارب المشار إليها في قسم «المضي قدمًا» يمكن أن تساعد الطلاب في جمع البيانات لمدخلات ومخرجات التنفس – الموصوفة في المعادلة أدناه – وإيجاد دليل على كيفية تأثير كل عنصر في معدل التنفس.

 

C6H12O6 (جلوكوز) + O2 (غاز الأكسجين) --> CO(ثاني أكسيد الكربون) + H2O (ماء) +
طاقة (أدينوسين ثلاثي الفوسفات وحرارة)

 

ثاني أكسيد الكربون من المنتجات الثانوية للتنفس؛ فإذا كان لديك مقياس دقيق لثاني أكسيد الكربون قد تستطيع قياس المستويات المرتفعة منه بالقرب من كومة السماد (أو من زفيرك). وثاني أكسيد الكربون مادة لها كتلة، وبالتالي فإن الكتلة الكلية لكومة السماد الخاصة بك تنخفض بينما يخرج ثاني أكسيد الكربون.


 

المصادر

تعرف إلى المزيد عن السماد بمقياس أكبر في هذه الحلقة من «ابنِ الإكسبلوراتوريوم الخاص بك» Build Your Own Exploratorium.


 

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©