فيديو: امتصاص المعادن الأحياء • الصف الثاني الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سنوضح الفرق بين المغذيات الكبرى والمغذيات الصغرى التي تحتاج إليها النباتات. وسنستعرض الآليات التي تستخدمها النباتات في امتصاص هذه المغذيات الأساسية لمساعدتها على البقاء على قيد الحياة، وسنتدرب على تطبيق معرفتنا ومهاراتنا في استخدام التمثيلات البيانية للإجابة عن بعض الأسئلة التدريبية.

تحتاج جميع الكائنات الحية إلى شكل من أشكال المغذيات لكي تبقى على قيد الحياة. وتعد المغذيات ضرورية لمجموعة كبيرة من الوظائف داخل أجسام الكائنات الحية، مثل الحصول على الطاقة وتوفير المواد اللازمة لبناء مواد أخرى تساعد على النمو وإصلاح الأنسجة التالفة. وتشارك بعض المغذيات في التحكم في بعض العمليات الحيوية وضمان عملها بشكل صحيح.

ستحتاج النباتات، مثل هذا النبات، إلى أن يكون بعض من مغذياتها في صورة معادن. والمعادن مغذيات غير عضوية لا يمكن للكائن الحي تخليقها، وإنما يحتاج إلى تناولها أو امتصاصها. فالحيوانات، مثل الإنسان، قادرة على تناول المعادن التي تحتاج إليها، ومن ثم امتصاصها عبر جدار الجهاز الهضمي. ولكن، لا تمتلك النباتات جهازًا هضميًّا، وبدلًا من ذلك تحصل على هذه المعادن عن طريق الامتصاص. وعادة ما توجد المعادن في التربة، ويمكن للنباتات امتصاص هذه المغذيات من التربة عبر مجموعاتها الجذرية عالية التخصص.

تتكون الجزيئات الحيوية الموجودة داخل خلايا جميع الكائنات الحية على الأرض بوجه عام من ثلاثة عناصر رئيسية هي: الكربون، والهيدروجين، والأكسجين. وفي الحقيقة، فإن الكربوهيدرات، التي تستخدم بشكل أساسي للحصول على الطاقة، يتكون اسمها من المقطع «كربو» لأنها تحتوي على الكربون، والمقطع «هيدرو» لأنها تحتوي على الهيدروجين، وتحتوي أيضًا على الأكسجين الذي يمثله الجزء الأخير من الاسم «ات». وتتكون الليبيدات، التي يمكن استخدامها أيضًا بوصفها مصدرًا للطاقة، من الكربون، والهيدروجين، والأكسجين بشكل أساسي. أما البروتينات، التي يمكن استخدامها في بناء المواد، من بين العديد من الوظائف الأخرى، فهي تحتوي على نسبة كبيرة من الكربون، والهيدروجين، والأكسجين أيضًا.

ولكن، ثمة العديد من العناصر والمعادن الأخرى الضرورية لأي كائن حي سليم، والتي قد تختلف حسب نوع الكائن الحي. ففي النباتات، تنقسم المغذيات الضرورية المطلوبة إلى مجموعتين أساسيتين: المغذيات الكبرى والمغذيات الصغرى. والمغذيات الكبرى أو ‪macronutrients‬‏ هي المغذيات التي يحتاج إليها الكائن الحي بكميات كبيرة نسبيًّا. وفي الواقع، البادئة «ماكرو» أو ‪macro‬‏ تعني كبيرًا. على سبيل المثال، يعد النيتروجين أحد المكونات الأساسية للأحماض الأمينية. ويمكن امتصاص النيتروجين من التربة عبر جذور النبات، ومن ثم يستخدم لإنتاج الأحماض الأمينية التي ترتبط معًا لتكوين البروتينات. والبروتينات واحدة من الجزيئات الأربعة الحيوية الكبرى في الكائنات الحية. ومن ثم، يلزم توفر النيتروجين بكميات كبيرة.

وفي حالة نقص النيتروجين بالتربة، لن يكون النبات قادرًا على امتصاصه بالقدر الذي يحتاج إليه، ومن ثم، ستبدأ الأوراق في التحول إلى اللون الأصفر، وقد يموت النبات في النهاية. وكما ذكرنا سابقًا، يعد الكربون، والهيدروجين، والأكسجين مكونات أساسية لجميع المركبات العضوية في النباتات تقريبًا. ومن ثم فإن نقص هذه العناصر سيؤدي إلى ضعف نمو النبات، نظرًا لعدم قدرته على تخليق الكربوهيدرات، أو الليبيدات، أو حتى البروتينات. وهذا سيؤدي إلى ذبول النبات وموته في النهاية.

يمثل الكربون وحده نسبة 45 في المائة تقريبًا من الكتلة الجافة لأي نبات. ويعد المغنيسيوم أحد المكونات الأساسية للكلوروفيل، وهو الصبغة الرئيسية الموجودة في البلاستيدات الخضراء في معظم النباتات الخضراء التي تمتص ضوء الشمس لتوفير الطاقة الضوئية اللازمة لعملية البناء الضوئي. وبما أن عملية البناء الضوئي هي الطريقة التي يستخدمها النبات لصنع غذائه، فلا بد من امتصاص المغنيسيوم من التربة بكميات كبيرة. ومن دون المغنيسيوم، لن يخلق الكلوروفيل. وستتحول أوراق النبات إلى اللون الأصفر ولن تحدث عملية البناء الضوئي.

في النباتات التي تنتج الزهور عادة، يمكن أن يؤدي عدم توفر المغذيات إلى منع نمو هذه الزهور. ومن بين المغذيات الأخرى التي تحتاج إليها النباتات بكميات كبيرة الفوسفور، والبوتاسيوم، والكالسيوم، والكبريت. أما المغذيات الصغرى أو ‪micronutrients‬‏ بالإنجليزية، فهي العناصر المطلوبة بكميات أقل كثيرًا، ليس أكثر من بضعة ملليجرامات لكل لتر، لذا، يمكن الإشارة إليها بالعناصر النزرة. وفي الحقيقة، فإن البادئة «ميكرو» أو ‪micro‬‏ تعني صغيرًا أو قليلًا.

تعمل معظم المغذيات الصغرى بوصفها عوامل مساعدة في التفاعلات الإنزيمية. والعامل المساعد مكون غير بروتيني لإنزيم ما، يساعد الإنزيم على تحفيز تفاعل معين. وكما ترى، عندما يرتبط العامل المساعد بالإنزيم، فإنه يسمح للركائز بالارتباط بسهولة أكبر. فالحديد على سبيل المثال، أحد العوامل المساعدة للبروتينات التي تشارك في العمليات الأيضية المهمة، مثل التنفس الخلوي والبناء الضوئي. وتتضمن المغذيات الصغرى الأخرى التي تحتاج إليها النباتات المغنيسيوم، والزنك، والبورون، والكلور، والنحاس، والموليبدينوم.

بعض المغذيات التي تحتاج النباتات إلى امتصاصها ستكون في صورة أيونات. والأيونات هي ذرات أو مجموعات من الذرات المشحونة كهربيًّا، والتي تكون جزيئًا يحمل شحنة كهربية. ويطلق على الأيونات الموجبة الشحنة، مثل البوتاسيوم، والكالسيوم، والمغنيسيوم اسم كاتيونات. ويطلق على الأيونات السالبة الشحنة، مثل الكبريتات، والنيترات، والكلور اسم أنيونات. وثمة طريقة مفيدة لتذكر الفرق بين الكاتيونات والأنيونات، وهي أن الجزء «كات» من كلمة كاتيونات يذكرنا بكلمة ‪cat‬‏ باللغة الإنجليزية والتي تعني قطة، وبما أن القطط تعد مصدرًا للبهجة والطاقة الإيجابية، فسنتذكر أن الكاتيونات موجبة الشحنة. في حين تذكرنا كلمة «أنيون» بكلمة ‪onion‬‏ في اللغة الإنجليزية والتي تعني البصل، والبصل يجعلنا نبكي، ومن ثم نتذكر أن الأنيونات سالبة الشحنة. وإن لم تكن من محبي القطط، فعليك التفكير في طريقة أخرى لتذكر هذا الفرق.

والآن، دعونا نتناول كيفية امتصاص جذور النباتات لهذه الكاتيونات والأنيونات. يوضح هذا الشكل صورة مكبرة لواحدة من خلايا الشعيرات الجذرية، وهي خلايا متخصصة تكون جزءًا كبيرًا من جذور النباتات. وتمثل المنطقة المحيطة بالخلية التربة، في حين تمثل النقاط الوردية كاتيونات الكالسيوم في التربة. في حالة أيونات الكالسيوم هذه، يمكنك ملاحظة أن تركيزها في التربة المحيطة أعلى مما هو عليه في خلية الشعيرات الجذرية. وفي هذه الحالة، تنتقل هذه الأيونات إلى داخل خلية الشعيرات الجذرية بواسطة عملية تسمى الانتشار. والانتشار هو انتقال الجسيمات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة منخفضة التركيز.

ألق نظرة على هذا الشكل على اليسار وحدد الاتجاه الذي تعتقد أن الجسيمات ستسلكه عند انتقالها. إذا انتقلت الجسيمات بالانتشار، فإنها ستنتقل من اليسار إلى اليمين لأن الجانب الأيسر يحتوي على تركيز أعلى من الجسيمات مقارنة بالجانب الأيمن. وستستمر هذه العملية حتى يصبح تركيزا كلا الجانبين من هذا الأيون متساويين تقريبًا. والانتشار عملية سلبية، فهي لا تحتاج إلى طاقة من الكائن الحي نفسه. وعندما تنتقل الجسيمات بالانتشار، فإنها توصف في بعض الأحيان على أنها تنتقل مع تدرج تركيزها من منطقة عالية التركيز إلى منطقة منخفضة التركيز. وثمة طريقة تساعدك على تذكر ذلك وهي إذا كنت تقود دراجتك من أعلى تل هبوطًا، فلن تحتاج إلى بذل أي طاقة. فالهبوط عملية سلبية، وستهبط من أعلى التل مثلما تنتقل الجسيمات في عملية الانتشار مع تدرج تركيزها.

علاوة على ما سبق، يكون الجدار الخلوي لخلايا الشعيرات الجذرية رفيعًا نسبيًّا ليسمح بمرور المواد مثل الماء والأيونات. ويمكن أن يوصف أيضًا بأنه منفذ، لأنه يسمح بنفاذ العديد من المواد من خلاله. وأسفل الجدار الخلوي، يوجد غشاء سطح الخلية. ويمكن أن يوصف هذا الغشاء بأنه شبه منفذ لأنه يسمح بمرور بعض الأيونات من خلاله ويمنع مرور أيونات أخرى إذا كانت، على سبيل المثال، ذات حجم كبير أو مشحونة. ولكننا نعلم أن الأيونات مشحونة. إذن، كيف تمر الأيونات عبر غشاء سطح الخلية؟ يتسم الغشاء الخلوي لخلايا الشعيرات الجذرية أيضًا بالنفاذية الاختيارية. وهذا يعني أن بإمكانه السماح لبعض المواد بالمرور إلى داخل الخلية طبقًا لاحتياجات الخلية الحالية. وثمة قنوات مدمجة في غشاء سطح الخلية تسمح بمرور هذه المواد بعينها من خلاله.

في بعض الأحيان، يكون تركيز الأيونات في خلية الشعيرات الجذرية أعلى من تركيزها في التربة، على سبيل المثال، أيونات البوتاسيوم هذه. هذه الأيونات لا تزال بحاجة إلى الانتقال إلى داخل خلية الشعيرات الجذرية، أي إنها ستنتقل من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز، ما يعني أنها ستنتقل عكس تدرج تركيزها. وإذا تذكرنا مثال الدراجة السابق، ماذا نحتاج في اعتقادك لكي نصعد إلى أعلى التل؟ إن صعود التل على دراجة عملية نشطة، تمامًا مثل انتقال المواد عكس تدرج تركيزها من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز. وعليه، تتطلب هذه العملية بذل طاقة من الكائن الحي نفسه. وفي حالة عدم وجود أي طاقة مبذولة، ستبدأ الدراجة في الهبوط لأسفل التل مرة أخرى.

بما أن أيونات البوتاسيوم هذه لا تستطيع الانتشار إلى داخل الخلية، فإنها ستنتقل إلى داخل الخلية عكس تدرج تركيزها باستخدام عملية تسمى النقل النشط. وتصف هذه العملية حركة الجسيمات عبر الغشاء البلازمي من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز باستخدام مدخلات من الطاقة. وهذه الطاقة اللازمة للنقل النشط تكون في صورة جزيئات ‪ATP‬‏، وهي جزيئات تحمل الطاقة موجودة في جميع الخلايا الحية.

دعونا نحاول تفسير بعض البيانات التجريبية على تمثيل بياني يوضح النقل النشط للمعادن في نوع محدد من الكائنات الحية التي تقوم بعملية البناء الضوئي. يتكون جنس النيتيلا من عدة أنواع من الطحالب الخضراء التي تنمو في الماء، ويمكننا رؤية أحد هذه الأنواع في هذا الرسم على اليمين. وفي التمثيل البياني على اليسار، يمكننا رؤية تركيز أيونات الكلور، والبوتاسيوم، والمغنيسيوم، والكالسيوم، والصوديوم، في كل من خلايا النيتيلا والماء المحيط بها. ويمكننا أن نلاحظ أيضًا أنه بالنسبة إلى كل أيون، يكون التركيز في الماء المحيط أقل نسبيًّا مما هو عليه في خلايا النيتيلا.

ولكننا نعلم أن جميع هذه الأيونات ضرورية للحفاظ على حياة الكائن الحي وصحته. وفي الحقيقة، يعد البوتاسيوم، والمغنيسيوم، والكالسيوم من المغذيات الكبرى. وعليه، لا بد أن تمتصها الطحالب بكميات كبيرة نسبيًّا. وإذا نظرنا عن قرب إلى إحدى خلايا طحالب النيتيلا، يمكننا ملاحظة، على سبيل المثال، أن أيونات المغنيسيوم، التي لم ترسم بالحجم الطبيعي، ذات تركيز أقل في الماء المحيط عما هي عليه في خلية النيتيلا. وعليه، لن تتمكن هذه الأيونات من الانتشار إلى داخل الجذر.

إذن، ما الذي يجب أن يحدث من وجهة نظرك كي تمتص هذه المغذيات؟ أوقف الفيديو مؤقتًا وحاول التوصل إلى الإجابة بناء على ما تعلمته حتى الآن. إذا كانت إجابتك هي النقل النشط، فقد توصلت إلى الإجابة الصحيحة. وإذا قلت إن ذلك سيتطلب طاقة في صورة جزيئات ‪ATP‬‏، فهذه إجابة أفضل. ستنقل هذه الأيونات، عن طريق النقل النشط، باستخدام الطاقة التي توفرها جزيئات ‪ATP‬‏ إلى داخل خلايا الطحلب للحفاظ على بقائه.

بالعودة إلى التمثيل البياني، يمكننا ملاحظة أن هذه الأيونات تمتص بشكل انتقائي. ولعلك تتذكر أن هذا يشير إلى أن النباتات تمتص أيونات معينة أكثر من غيرها، بناء على حاجتها الغذائية. على سبيل المثال، تمتص طحالب النيتيلا كمية أكبر من أيونات الكلور مقارنة بأيونات الصوديوم. كما أن تدرج التركيز بين الماء المحيط وخلايا النيتيلا يكون أشد انحدارًا بالنسبة إلى أيونات الكلوريد مما هو عليه بالنسبة إلى أيونات الصوديوم، ما يعني بشكل عام أنه يلزم بذل مزيد من الطاقة لنقل أيونات الكلور إلى داخل الخلية مقارنة بالطاقة اللازمة لنقل أيونات الصوديوم.

دعونا نر مقدار ما يمكننا تذكره عن امتصاص المعادن في النباتات من خلال حل سؤالين تدريبيين.

إذا كان هناك تركيز عال من أيونات البوتاسيوم في التربة، فستنتقل الأيونات إلى منطقة التركيز الأقل داخل الجذور. ما المصطلح الذي يطلق على هذه العملية؟ (أ) الانتشار، (ب) التخليق، (ج) الخاصية الأسموزية، (د) الهضم، (هـ) النقل النشط.

كما هو الحال بالنسبة إلى البشر، يجب أن تحصل النباتات على كمية محددة من المغذيات المختلفة حتى تظل على قيد الحياة وتكون بصحة جيدة. ويعد البوتاسيوم من المغذيات الضرورية للنبات حيث إنه يؤدي دورًا مهمًّا في العمليات الحيوية مثل تخليق البروتين والبناء الضوئي. عندما توجد الجسيمات أو الجزيئات بتركيز كبير في منطقة معينة، فإنها تميل إلى الانتشار والانتقال إلى المناطق التي يكون فيها تركيز هذه الجسيمات أو الجزيئات أقل. وإذا حدثت هذه العملية على سطح الغشاء مثلما هو الحال في الجذور، تستمر أيونات البوتاسيوم في الانتقال عبر هذا الغشاء من المنطقة عالية التركيز إلى المنطقة منخفضة التركيز إلى أن يصبح تركيز الجزيئات على جانبي الغشاء متساويًا. وتعرف هذه العملية بالانتشار.

ويوصف الانتشار بأنه عملية سلبية لأنه لا يتطلب أي طاقة لانتقال الجسيمات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة منخفضة التركيز. في هذا السؤال، نعلم أن تركيز البوتاسيوم في التربة عال، وأنه ينتقل إلى منطقة منخفضة التركيز في الجذور. وعليه، نعلم أن أيونات البوتاسيوم ستنتقل عن طريق الانتشار إلى الجذور حيث التركيز الأقل.

دعونا نتناول سؤالًا آخر معًا لتطبيق معرفتنا ومهاراتنا في استخدام التمثيلات البيانية.

يوضح التمثيل البياني مقارنة بين خلايا طحالب النيتيلا والماء المحيط. ما العملية التي تحصل من خلالها طحالب النيتيلا على المزيد من الكالسيوم ‪(Ca²⁺)‬‏ من الماء المحيط؟

يجب على النباتات والطحالب، مثل الأنواع التي تنتمي إلى جنس النيتيلا الموضح في الصورة هنا، الحصول على العديد من مغذياتها من الوسط المحيط بها. وتعيش الطحالب مثل النيتيلا في البيئات المائية، وتمتص المغذيات من الماء المحيط بها. ثمة طريقتان رئيسيتان لامتصاص الأيونات المعدنية مثل الكالسيوم إلى داخل خلايا الطحالب. الانتشار، وهو انتقال الجسيمات من منطقة عالية التركيز إلى منطقة منخفضة التركيز، ويوصف أحيانًا بأنه الانتقال مع تدرج التركيز. على سبيل المثال، إذا كان تركيز أيونات الكالسيوم في الماء المحيط خارج خلايا النيتيلا أعلى منه في داخلها، فستنتقل إلى داخل خلايا النيتيلا من خلال عملية الانتشار عن طريق النقل السلبي، وهي عملية سلبية لا تحتاج إلى استخدام مدخلات طاقة.

أما النقل النشط، فهو انتقال الجسيمات عكس تدرج تركيزها من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة عالية التركيز. والنقل النشط، كما يشير الاسم، عملية نشطة، ويتطلب حدوثها توفر مدخلات من الطاقة. وإذا كان تركيز الأيونات داخل خلايا النيتيلا أعلى منه في الماء المحيط، فلا بد أن تنتقل هذه الأيونات من خلال النقل النشط إلى داخل الخلايا باستخدام مدخلات طاقة من الكائن الحي نفسه.

وإذا عدنا لننظر إلى التمثيل البياني، فسيمكننا ملاحظة أن أيونات الكالسيوم موجودة بتركيز أعلى داخل خلايا النيتيلا مقارنة بالماء المحيط. ومع ذلك، قد تظل الطحالب بحاجة إلى مزيد من أيونات الكالسيوم للقيام بالعمليات الحيوية الأساسية. وللحصول على مزيد من أيونات الكالسيوم، يجب أن ينقلها النبات عكس تدرج تركيزها من منطقة منخفضة التركيز خارج الخلية في الماء المحيط إلى منطقة عالية التركيز نسبيًّا داخل الخلايا. وكما رأينا، فإن الطريقة التي يتبعها النبات لفعل ذلك هي استخدام النقل النشط. ومن ثم، نستنتج أن الطريقة التي يمكن أن تستخدمها خلايا النيتيلا لامتصاص مزيد من الكالسيوم من الماء المحيط هي النقل النشط.

دعونا الآن نلخص ما تعلمناه عن امتصاص المعادن من خلال استعراض النقاط الرئيسية الواردة في هذا الفيديو. تعلمنا أن جميع الكائنات الحية تحتاج إلى شكل من أشكال المغذيات منها الأيونات المعدنية للحفاظ على بقائها. وعندما لا تحصل النباتات على المغذيات الأساسية اللازمة لها، يمكن أن يتغير لون أوراقها وتذبل، بل وقد تموت. المغذيات الكبرى هي المغذيات التي تحتاج إليها النباتات بكميات كبيرة نسبيًّا، أما المغذيات الصغرى فتكون مطلوبة بكميات أقل. وأخيرًا، تعلمنا أن هناك عمليتين أساسيتين تمتص من خلالهما النباتات والطحالب المغذيات؛ عملية الانتشار، عن طريق النقل السلبي، وعملية النقل النشط.