اسم الصورة: خط زمني لفهم الطاقة الضوئية

اسم الصورة: خط زمني لفهم الطاقة الضوئية

5-1

كيف تحصل المخلوقات الحية على الطاقة؟
How Organisms Obtain Energy?

الفكرة الرئيسة تستخدم جميع المخلوقات الحية الطاقة للقيام بوظائفها الحيوية.

الربط مع الحياة يطلق على بعض المدن أحيانًا "مدينة لا تنام"؛ لعدم توقف الحركة فيها. وهي في ذلك تشبه الخلايا الحية التي تقوم بنشاطات مستمرة وثابتة.

الأهداف
تصف قانوني الديناميكا الحرارية.
تقارن بين المخلوقات ذاتية التغذي وغير ذاتية التغذي.
تصف التركيب جزيء الطاقة ATP في الخلية.

مراجعة المفردات
المستوى الغذائي: كل خطوة في السلسلة الغذائية أو الشبكة الغذائية.

المفردات الجديدة
الطاقة
الديناميكا الحرارية
عملية الأيض
التنفس الخلوي
أدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP

Energy Transformations
تحولات الطاقة

معظم التفاعلات والعمليات الكيميائية في خلايا الجسم مستمرة، حتى لو ظننت أنك لا تستهلك أي طاقة. فالجزيئات الكبيرة تبنى وتحلل، وتنتقل المواد عبر الغشاء الخلوي. وكذلك تنقل المعلومات الوراثية. هذه الأنشطة الخلوية جميعها تحتاج إلى الطاقة energy، وهي القدرة على إنجاز شغل. ويبين الشكل 5-1 بعض المحطات الرئيسة في دراسة الطاقة الخلوية. أما الديناميكا الحرارية thermodynamics فهي دراسة تدفق الطاقة وتحولها في الكون.

Laws of Thermodynamics
قوانين الديناميكا الحرارية

يسمى القانون الأول في الديناميكا الحرارية قانون حفظ الطاقة، وينص على أن الطاقة يمكن أن تتحول من شكل إلى آخر، ولكن لا يمكن أن تفنى أو تستحدث إلا بمشيئة الله سبحانه وتعالى. فمثلاً تتحول الطاقة المختزنة في المواد الغذائية إلى طاقة كيميائية عندما تأكل، وتتحول إلى طاقة ميكانيكية عندما تركض أو تركل الكرة.

الشكل 5-1
فهم الطاقة الضوئية
أدت الاكتشافات العلمية إلى فهم أكبر لعملية البناء الضوئي والتنفس الخلوي.

1772 تمكن جوزف بريستلي من تحديد أن النباتات تأخذ ثاني أكسيد الكربون وتطلق الأكسجين.
1844 هوغو فون مول أول من لاحظ وجود البلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية.
1881-1882 أظهر البلاستيدات الخضراء أنها عضيات مسؤولة عن عملية البناء الضوئي.
1948 اكتشف يوجين كينيدي وألبرت لهنجر أن الميتوكندريا مسؤولة عن التنفس الخلوي.

اسم الصورة: الشمس مصدر الطاقة للمخلوقات الحية

الشكل 5-2 سخر الله جل وعلا الشمس لتكون المصدر الرئيس لمعظم الطاقة في المخلوقات الحية، وتنتقل الطاقة من المخلوقات الذاتية التغذي إلى المخلوقات غير الذاتية التغذي.

الشمس
ذاتي التغذي
غير ذاتي التغذي
غير ذاتي التغذي

ينص القانون الثاني في الديناميكا الحرارية على حدوث فقدان في الطاقة عند تحولها من شكل إلى آخر. وعموماً، فإن الطاقة التي تفقد أو تضيع، تتحول إلى طاقة حرارية. وتعد السلسلة الغذائية مثالاً واضحاً على القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومن المعروف أن كمية الطاقة القابلة للاستخدام والمتوافرة في المستوى الغذائي الأعلى تتناقص على نحو مستمر في السلسلة الغذائية.

Autotrophs and Heterotrophs
ذاتية التغذي وغير ذاتية التغذي

خلق الله سبحانه وتعالى المخلوقات ذاتية التغذي لكي تكون قادرة على صنع غذائها بنفسها. فبعض ذاتية التغذي التي تسمى ذاتية التغذي كيميائية تستخدم المواد غير العضوية مثل كبريتيد الهيدروجين مصدراً للطاقة. أما بعضها الآخر - ومنها النباتات، كما في الشكل 5-2 - فتسمى المخلوقات ذاتية التغذي ضوئية؛ لأنها تقوم بتحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى طاقة كيميائية. أما المخلوقات غير الذاتية التغذي مثل حشرة المن والدعسوقة في الشكل 5-2 فهي مخلوقات حية تحتاج إلى ابتلاع الطعام وهضمه للحصول على الطاقة.

المفردات
أصل الكلمة

ذاتي التغذي Autotroph
من الكلمة اليونانية Autotrophos وتعني "بناء المخلوق الحي غذاءه بنفسه".

1980 اكتشف جورج ميكا أثناء دراسته الميتوكندريا في ذبابة الفاكهة والفئران أن توقف الميتوكندريا عن العمل يسبب الهرم.

1993 اكتشف مستحاثات (أحافير) تدل على أن بعض الخلايا النباتية تقوم بعملية البناء الضوئي.

2002 اقترحت جوزفين موكا-نابوتانو أن الاختلالات في الميتوكندريا السرطانية قد تؤدي إلى الكشف المبكر عن السرطان، وربما إلى علاجات جديدة له.

اسم الصورة: علاقة البناء الضوئي والتنفس الخلوي

Metabolism
عملية الأيض

يشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية في الخلية بعملية تسمى عملية الأيض metabolism. وتسمى سلسلة التفاعلات الكيميائية التي تعد المادة الناتجة عن أحد تفاعلاتها مادة متفاعلة للتفاعل التالي مسار الأيض. ومسارات الأيض نوعان: مسارات الهدم، ومسارات البناء. ففي مسار الهدم تتحلل الطاقة نتيجة تحلل الجزيئات الكبيرة إلى جزيئات صغيرة. أما مسار البناء فيستخدم الطاقة الناتجة عن مسار الهدم في بناء جزيئات كبيرة من جزيئات صغيرة. وينتج عن العلاقة بين مسارات الهدم والبناء تدفق مستمر للطاقة في المخلوق الحي.

تنتقل الطاقة باستمرار بين عمليات الأيض داخل المخلوقات الحية في النظام البيئي. فعلى سبيل المثال تعد عملية البناء الضوئي photosynthesis مسار بناء، حيث تحول الطاقة الشمس الضوئية إلى طاقة كيميائية تستخدمها الخلية. وفي هذا التفاعل تستخدم المخلوقات الحية الذاتية التغذي طاقة الضوء من الشمس وثاني أكسيد الكربون والماء لتكون سكر الجلوكوز والأكسجين. كما يبين الشكل 5-3. يمكن للطاقة المختزنة في جزيئات سكر الجلوكوز الناتج من عملية البناء الضوئي أن تنتقل إلى مخلوقات حية أخرى عند استهلاك هذه الجزيئات في صورة غذاء.

الشكل 5-3
في النظام البيئي، يكون البناء الضوئي والتنفس الخلوي دورة مستمرة.
حدد مسارات الهدم والبناء في الشكل.

ضوء الشمس
البناء الضوئي
ذاتي التغذي
سكر + O2
التنفس الخلوي
غير ذاتي التغذي
CO2 + H2O

تجربة استهلالية
مراجعة بناء على ما قرأته عن تحولات الطاقة، كيف تجيب الآن عن أسئلة التحليل؟

اسم الصورة: تجربة 5-1 ربط البناء الضوئي بالتنفس الخلوي

تجربة 5-1
ربط البناء الضوئي بالتنفس الخلوي

كيف يعتمد البناء الضوئي والتنفس الخلوي معًا في النظام البيئي؟ استخدم كاشفًا حيويًّا لاختبار انتقال ثاني أكسيد الكربون خلال عمليتي البناء الضوئي والتنفس الخلوي.

خطوات العمل

• املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
• اعمل جدول بيانات لتسجيل عينات أنابيب الاختبار، وظروف التعامل مع كل منها، واللون في البداية واللون النهائي لمحتوياتها بعد التفاعل.
• أضف 10 mL من محلول بروموثيمول الأزرق (BTB) إلى كأس زجاجية. استخدم ماصة لنفخ الهواء برفق إلى أن يتحول لون اللون إلى الأصفر.
• املأ 4 أنابيب اختبار كبيرة بمحلول BTB الأصفر الناتج عن الخطوة 3.
• غط أحد الأنبوبين بورق الألمنيوم، ثم ضع نباتًا مائيًّا طوله 6 cm في كلا الأنبوبين، وأغلقهما بإحكام، ثم ضعهما في حامل أنابيب في ضوء خافت طوال الليل.
• سجل ملاحظاتك في جدول البيانات الناتج عن الخطوة 3.

التحليل

• قارن لون محتوى الأنبوبين بعد تغطيتهما بورقة الألومنيوم.
• فسر كيف توضح نتائجك اعتماد البناء الضوئي والتنفس الخلوي أحدهما على الآخر؟

الصفحة 125

يعد التنفس الخلوي cellular respiration مسار هدم تتحلل فيه المواد العضوية لتحرر الطاقة اللازمة للخلية. حيث يستخدم الأكسجين في التنفس الخلوي لتحليل المواد العضوية، فينتج عنها ثاني أكسيد الكربون والماء. لاحظ الدورات الطبيعية لهذه العمليات في الشكل 5-3، حيث تعد المواد الناتجة عن أحد التفاعلات مواد متفاعلة للتفاعل الآخر.

ATP: The Unit of Cellular Energy
ATP: وحدة الطاقة الخلوية

الطاقة توجد الطاقة في أشكال عدة، منها: الطاقة الضوئية، والطاقة الميكانيكية، والطاقة الحرارية، والطاقة الكهربائية. وفي المخلوقات الحية يتم تخزين الطاقة الكيميائية داخل الجزيئات الحيوية، ويمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة عند الحاجة. فمثلاً تتحول الطاقة الكيميائية المختزنة في الجزيئات الحيوية إلى طاقة ميكانيكية عند انقباض العضلات.

ويعد جزيء الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات Adenosine triphosphate، ATP من أهم الجزيئات الحيوية التي تزود الخلايا بالطاقة الكيميائية.

ATP structure
تركيب جزيء الطاقة

يعد جزيء (ATP) مخزنًا للطاقة الكيميائية التي تستخدمها الخلايا في التفاعلات المتنوعة. وعلى الرغم من وجود جزيئات ناقلة أخرى للطاقة خلال الخلايا، فإن جزيء (ATP) يعد من الجزيئات الناقلة الأكثر شيوعًا في خلايا جميع أنواع المخلوقات الحية. وكما يبين الشكل 5-4 فإن جزيء (ATP) عبارة عن نيوكليوتيد يتكون من قاعدة نيتروجينية هي: الأدينين، وسكر الرايبوز، وثلاث مجموعات من الفوسفات.

اسم الصورة: تركيب جزيء ATP وتحوله إلى ADP

الشكل 5-4
ينتج عن تحلل جزيء ATP طاقة تدعم الأنشطة الخلوية في المخلوقات الحية.

أدينين
مجموعة فوسفات ثلاثية
سكر رايبوز
ATP
H2O
أدينين
مجموعة فوسفات ثنائية
سكر رايبوز
ADP
فوسفات
طاقة

الصفحة 126

ATP function
وظيفة جزيء الطاقة

يحرر جزيء (ATP) الطاقة عندما تنكسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والثالثة، مكونًا جزيئًا يسمى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) ومجموعة فوسفات حرة، الشكل 5-4. تختزن الطاقة في الرابطة الفوسفاتية التي تتشكل عندما يرتبط جزيء (ADP) مع مجموعة فوسفات أخرى ليتكون جزيء (ATP). ويمكن تحول جزيئات (ATP) و(ADP) بإضافة أو حذف مجموعة فوسفات، كما في الشكل 5-4. وفي بعض الأحيان يتحول جزيء ADP إلى جزيء أدينوسين أحادي الفوسفات (AMP) بفقد مجموعة فوسفات إضافية، والطاقة المتحررة تفعل هذا التفاعل قليلة جدًّا؛ لذا فإن معظم تفاعلات الطاقة في الخلية تتضمن جزيئات ATP وADP.

اسم الصورة: التقويم 5-1

التقويم 5-1

الخلاصة

• تسيطر قوانين الديناميكا الحرارية على انتقال الطاقة وتحولها من شكل إلى آخر في المخلوقات الحية.
• تصنع بعض المخلوقات الحية غذاءها بنفسها، في حين يحصل بعضها الآخر على الطاقة من الغذاء الذي يتناوله.
• تخزن الخلايا الطاقة وتحررها بتفاعلات الهدم والبناء.
• الطاقة المتحررة من تحلل جزيء ATP تدعم الأنشطة الخلوية.

فهم الأفكار الرئيسة

• الفكرة الرئيسة حدد المصدر الرئيس للطاقة في المخلوقات الحية.
• اشرح قانون الديناميكا الحرارية الأول.
• قارن بين مساري البناء والهدم.
• فسر كيف يخزن جزيء ATP الطاقة، ويحررها؟

التفكير الناقد

• الكتابة في علم الأحياء اكتب مقالة تصف فيها قوانين الديناميكا الحرارية مستخدمًا أمثلة من علم الأحياء في دعم أفكارك.
• استخدم التشابه لتوضيح العلاقة بين عمليتي البناء الضوئي والتنفس الخلوي.