طفو ضوئي


طفو ضوئي

الضوء يخفف أوراق النبات.

تحصل كائنات التمثيل الضوئي على الطاقة من الشمس والمادة من الهواء؛ لتصنع الغذاء الذي نأكله، وفي الوقت نفسه تنتج الأكسجين الذي نتنفسه. في هذه الوجبة العلمية الخفيفة يجعل الأكسجين الذي تنتجه عملية التمثيل الضوئي فتات أوراق النبات تطفو مثل الفقاقيع في الماء.

 

عرض فيديو

الأدوات والخامات

 

  • صودا الخبز (بيكربونات الصوديوم).
  • مقياس الجرام.
  • ماء.
  • صابون أطباق سائل.
  • ملعقة أو أي أداة أخرى (لمزج الخليط).
  • ماصة شرب أو خرامة ورق.
  • أوراق سبانخ أو لبلاب.
  • سرنجة 10-مل (بدون إبرة).
  • كوب بلاستيك شفاف (مقاس كوب واحد) أو دورق 250-مل.
  • مصباح ساطع أو ما يعادل 100-واط في التركيب (يفضل أن يكون مع مشبك).
  • عداد وقت.
  • ورق وقلم (أو ما يشبه ذلك) لتسجيل النتائج.
  • اختياري: موقف حلقة، ورقائق معدنية، ومقياس حرارة، وثلج، وماء ساخن، ومرشحات جل ملونة.

التجميع

  1. اصنع محلول بيكربونات 0.1٪ بمزج 0.5 جرام صودا خبز مع كوبــين (500 مل) ماء. أضف إلى هذا المحلول بضع قطرات من صابون الأطباق السائل وامزج برفق، متفاديًا تكوين فقاعات في الخليط.
  1. باستخدام ماصة الشرب أو خرامة الورق، اقطع 10 دوائر من أوراق النبات (انظر الصور أدناه). (تعمل الماصات بشكل أفضل مع السبانخ، بينما تعمل خرامات الورق بشكل أفضل مع اللبلاب.)

 

     

 

  1. انزع المكبس من السرنجة، وكذلك انزع الغطاء من طرفها إن وجد. ضع أقراص ورق النبات داخل برميل السرنجة وادفعها نحو الطرف. إذا كان معك ماصة، يمكنك نفخ الأقراص برفق داخل المكبس (انظر الصور أدناه).

 

  

 

  1. أعد المكبس في السرنجة، واحرص على عدم لمس أقراص ورق النبات أو إتلافها (انظر الصورة أدناه).

 

 

  1. اسكب 150 مل من محلول البيكربونات في الكوب. حاول أن تتفادى تكوين الفقاعات.
  1. اسحب حوالي 6-8 مل من محلول البيكربونات داخل السرنجة. يفترض أن تطفو أقراص ورق النبات في المحلول (انظر الصور أدناه).

 

  

 

  1. احمل السرنجة بحيث يكون طرفها إلى أعلى، وأخرج الهواء بدفع المكبس برفق.
  1. أحكم غلق طرف السرنجة بإصبعك، وبرفقٍ اسحب المكبس، ما ينتج فراغًا طفيفًا. يفترض أن ترى فقاعات دقيقة تخرج من أقراص ورق النبات. حافظ على الفراغ لبضع ثوانٍ، ثم اترك المكبس؛ ليعود إلى الوراء (انظر الصور أدناه). يفترض أن تبدأ بعض الأقراص في الغرق.

 

      

 

  1. كرر الخطوات السابقة عدة مرات، حتى تغرق جميع الأقراص إلى قاع المحلول (انظر الصورة أدناه). (قد تحتاج إلى التربيت على المكبس لإخراج الفقاعات كي تغرق جميع الأقراص.)

 

 

  1. عندما تستقر جميع الأقراص في قاع المحلول، برفقٍ انزع المكبس واسكب الأقراص والمحلول في الكوب؛ فيفترض أن تستقر في قاع الكوب (انظر الصور أدناه). إذا طفت أي من الأقراص، انزعها من الدورق.

 

  

 

  1. ثبت جهاز الإضاءة الخاص بك بحيث يتدلى على ارتفاع 12 بوصة (30 سم) فوق الطاولة. قد تحتاج إلى استخدام موقف حلقة لعمل هذا.
  1. ضع الدورق أسفل الإضاءة (انظر الصورة أدناه).

 


 

ماذا تفعل وماذا تلاحظ؟

أنر الإضاءة، وابدأ في حساب الوقت، وشاهد أقراص أوراق النبات في أسفل الكوب. لاحظ أي فقاعات دقيقة تتشكل حول حواف الأقراص وأسفلها. بعد بضع دقائق، يفترض أن تبدأ الأقراص في الطفو نحو سطح المحلول. سجل عدد الأقراص الطافية كل دقيقة، حتى تطفو جميع الأقراص.

كم من الوقت يمر حتى يطفو أول قرص؟ كم من الوقت يمر لتطفو نصف الأقراص؟ ماذا عن جميع الأقراص؟

عندما تطفو جميع الأقراص، حاول أن تضع الكوب في خزانة أو غرفة مظلمة، أو غَطِ الكوب بشريحة معدنية. تفحص الكوب بعد مرور خمس عشرة دقيقة تقريبًا. ماذا يحدث للأقراص؟


 

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) + 6CO+ 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.


المضي قُدمًا

حاول أن تغير عوامل أخرى قد تؤثر في التمثيل الضوئي ولاحظ ما يحدث. كم من الوقت يمر لتطفو الأقراص في ظل ظروف مختلفة؟ على سبيل المثال، يمكنك مقارنة آثار الأنواع المختلفة من مصادر الضوء – المصابيح ذات القوة الكهربائية الأقل أو الأكثر توهجًا، أو الفلورية، أو مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء LED. يمكنك تغيير درجة حرارة المحلول بوضع الدورق في حمام ثلج أو وعاء أكبر به ماء ساخن. يمكنك زيادة تركيز بيكربونات الصوديوم أو تخفيضها في المحلول، أو نزعها تمامًا. يمكنك أن تحاول التعرف إلى نطاق الأطوال الموجية للضوء المستخدم في التمثيل الضوئي بتغليف الدورق وتغطيته بمرشحات الجِل الملونة التي تنزع أطوال موجية معينة.


 

نصائح للمعلمين

هذه التجربة قابلة جدًّا للتعديل، ما يُمَكِّن الطلاب من تصميم تحقيقات من شأنها تحديد كمية آثار المتغيرات المختلفة في معدل التمثيل الضوئي. ومن المفيد تعريف الطلاب بالبروتوكول الأساسي قبل تغيير ظروف التجربة.

اطلب من طلابك التفكير جيدًا حول كيفية عزل متغير واحد في كل مرة. فمن المهم الحفاظ على استمرارية أجزاء معينة من تركيب التجربة (على سبيل المثال، المسافة بين مصدر الضوء والدورق، ونوع مصباح الضوء المستخدم، ودرجة حرارة المحلول، وارتفاع المحلول، وما إلى ذلك. فمن شأن معالجات معينة القضاء على التمثيل الضوئي كليًّا)؛ الماء بدون بيكربونات، ودرجة الحرارة المنخفضة جدًا، والظلام التام.

إحدى الطرق النموذجية لجمع البيانات في هذه التجربة تسجيل عدد الأقراص الطافية على فترات منتظمة مدتها دقيقة واحدة. فيسهل رسم هذا بيانيًّا؛ حيث يمثل المحور «س» الزمن والمحور «ص» عدد الطافيات.

لعمل المقارنات بين المعالجات، فإن الرقم المستخدم عادة هو النقطة الزمنية التي يكون عندها نصف أقراص العينة طافية، وهو ما يعرف أيضًا بـ«E50».


 

المصادر

وصفت هذه التجربة في الأصل في:

Steucek, Guy L., Robert J. Hill, and Class/Summer 1982. 1985. “Photosynthesis I: An Assay Utilizing Leaf Disks.” The American Biology Teacher, 47(2): 96–99.


 

Exploratorium, 2020 

by the Exploratorium 2020 ©