تطلق النباتات الأكسجين الذي هو نتاج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي، ونحن نتنفس الأكسجين حتى تتمكن خلايانا من إجراء التنفس الخلوي وتوليد ATP. الفرق بين البناء الضوئي والتنفس الخلوي يتمثل في أنهما تفاعلان بيولوجيان في البيئة يكملان بعضهما البعض. كلاهما يحدثان في تفاعلات متشابهة تحدث بطريقة معينة. خلال عملية التنفس، يتم إنتاج الماء وثاني أكسيد الكربون من الأكسجين والجلوكوز، بينما يتم إنتاج الجلوكوز والأكسجين من ثاني أكسيد الكربون والماء خلال عملية التمثيل الضوئي.
عملية التنفس في النبات
- عملية التنفس في النباتات تشمل جزءا من وظائفها، حيث تستخدم النباتات السكريات التي تم إنتاجها من خلال التمثيل الضوئي بالإضافة إلى الأكسجين لإنتاج الطاقة اللازمة لنمو النبات، وفي كثير من الأحيان يكون التنفس هو العكس التام لعملية التمثيل الضوئي، وفي البيئة الطبيعية، يقوم النبات بإنتاج طعامه للبقاء على قيد الحياة.
- تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون (CO2) من البيئة لإنتاج السكريات والأكسجين (O2)، والتي يمكن استخدامها لاحقًا كمصدر للطاقة. وفي حين يحدث التمثيل الضوئي في الأوراق والسيقان فقط، يحدث التنفس في الأوراق والسيقان والجذور لدى النباتات. وتمثل عملية التنفس الخلوي على النحو التالي:
- C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 32 ATP (طاقة)
- مثل عملية التمثيل الضوئي، يحصل النباتات على الأكسجين من الهواء عن طريق الثغور. يحدث التنفس في الميتوكوندريا داخل الخلية بوجود الأكسجين، ويعرف ذلك بـ `التنفس الهوائي`. يوجد نوعان من التنفس في النباتات: التنفس الداكن والتنفس الضوئي. يحدث النوع الأول بغض النظر عن وجود الضوء، بينما يحدث النوع الثاني فقط عند وجود الضوء.
عملية التنفس عند الإنسان
التنفس: تتمعملية إطلاق الطاقة عن طريق أكسدة الطعام بالتنفس، حيث يتم دخول الهواء المؤكسج إلى الخلايا لتكسير الطعام وإطلاق الطاقة.
آلية التنفس:
- يتم سحب الهواء إلى الجسم من خلال فتحتي الأنف.
- يتحرك الهواء من التجويف الأنفي إلى البلعوم ثم يصل إلى القصبة الهوائية عبر فتحة صغيرة تسمى المزمار.
- تنقسم القصبة الهوائية إلى قسمين، أسفل الرقبة وتنتهي بشعبتين تؤديان إلى الرئتين، وتفرعاتها تنتهي بأصغر القصيبات التي تنتهي في الحويصلات الهوائية.
- تتميز جدران الحويصلات الهوائية بالرقة وتغطيها الشعيرات الدموية لتمكين تبادل الغازات في الرئتين.
- في الحويصلات الهوائية، يتم تبادل الغازات واستبدال ثاني أكسيد الكربون من الدم بالأوكسجين وإزالته من الجسم.
- تتم عملية التنفس في البشر عن طريق سحب الهواء إلى الرئتين.
- عندما يتنفس الشخص، يتحرك الحجاب الحاجز للأسفل ويتمدد تجويف الصدر ويسحب الهواء الغني بالأكسجين إلى الرئتين. وعندما يزفر الشخص، يسترخي الحجاب الحاجز ويعود تجويف الصدر إلى وضعه الطبيعي ويخرج الهواء الغني بثاني أكسيد الكربون من الجسم.
العوامل المؤثرة على عملية التنفس في النبات
- دور درجة حرارة الهواء: يتم تنفس النبات طوال اليوم لمدة 24 ساعة، ولكن التنفس الليلي يكون أكثر وضوحا بسبب توقف عملية البناء الضوئي. في الليل، يجب أن تكون درجة حرارة النباتات أبرد من النهار لتجنب الإجهاد. يشبه تنفس المرء خلال سباق الماراثون، إذ يتنفس العداء بشكل أسرع وأكثر بنشاط من الشخص الذي يقف بلا حراك، وبالتالي يزيد معدل تنفس العداء ودرجة حرارة جسمه. ينطبق هذا المبدأ على النباتات، حيث ترتفع درجة حرارتها ليلا ويزيد معدل التنفس، مما يمكن أن يؤدي إلى تلف الأزهار وضعف نمو النبات.
- تحتاج الجذور إلى الأكسجين: كما ذكرنا سابقا، تتنفس الجذور أيضا، وتعمل الركيزة كموقع لتبادل الهواء بين منطقة الجذر والغلاف الجوي، حيث تحتاج النباتات إلى كميات مختلفة من الأكسجين وفقا لأنظمتها الجذرية، ومن ثم فإن نظام جذر البوينسيتيا يحتاج إلى الكثير من الأكسجين ويجب استخدام ركيزة ذات مسامية هواء عالية، بينما يمكن لنظام جذر الهوستا العيش في طبقة سفلية ذات قدرة عالية على الاحتفاظ بالماء. وتتمثل آلية الدفاع للنباتات التي تعيش تحت ظروف غارقة في الماء أو شديدة الجفاف في إنماء جذور هوائية من الساق فوق تاج الجذر مباشرة، ولكن يجب أن تكون الرطوبة النسبية المحيطة مرتفعة للحفاظ على نمو الجذر خارج الركيزة، ومن المهم أن يحتوي وسط النمو على ما يكفي من الأكسجين حتى تعمل جذور النبات بشكل صحيح.
- الظروف المثالية لمنطقة الجذر: المفتاح لنمو النبات المثالي هو الحفاظ على بيئة منطقة الجذر المثلى دون التضحية بالموارد المالية. يمكن للجذور أن تأخذ الأكسجين من الماء للتنفس بدلا من الهواء، لذلك من المهم سقي النباتات بانتظام لتطهير الهواء الراكد واستبداله بالأكسجين النقي. يجب أيضا مراعاة درجة حرارة منطقة الجذور، حيث ينخفض تركيز الأكسجين في الماء مع زيادة درجة الحرارة.
- أهمية الهواء في الركائز العضوية: : يعد تنفس الجذور من الأمور الأساسية في الإنتاج العضوي، حيث تحتوي منطقة الجذور على كائنات حية دقيقة طبيعية تقوم بتحويل العناصر الغذائية العضوية إلى أيونات قابلة للاستخدام، وهذه الكائنات الدقيقة تحتاج إلى الأكسجين للتنفس والعمل، لذلك يجب الحرص على توفير كمية كافية من الأكسجين للجذور والكائنات الحية الدقيقة، ويفضل استخدام وسط نمو عالي المسامية وحاويات عميقة لتجفيف الأرض بشكل جيد بعد الري وترك مساحة كافية لتدفق الهواء.
التنفس الضوئي في النباتات
- يستخدم التمثيل الضوئي في النباتات الضوء لتحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى سكريات تغذي النباتات. ومع ذلك، يستخدم النباتات الطاقة الضوئية في عملية التنفس الضوئي لاستهلاك الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون والماء.
- يؤثر التنفس الضوئي على جزء من عملية التمثيل الضوئي. وفي الظروف الجوية الحالية، تفقد النباتات حوالي 25٪ من الطاقة التي تمتصها من خلال عملية التمثيل الضوئي بسبب التنفس الضوئي.
- يعتقد البعض أن التنفس الضوئي للنباتات كان له دور في التطور الأولي عندما كانت نسبة ثاني أكسيد الكربون في الهواء أعلى. وهناك تفسير آخر يشير إلى أن النباتات تستخدم التنفس الضوئي لتقليل عملية التمثيل الضوئي في ظروف معينة مثل الإجهاد الناتج عن الإضاءة الشديدة، وذلك لتجنب تلف جهاز التمثيل الضوئي.
- بسبب الغموض الذي يحيط بعملية التنفس الضوئي، بدأ بعض العلماء في العمل على تطوير هندسة نباتات المحاصيل وراثيًا لتقليل التنفس الضوئي. ولكن إحدى الدراسات أشارت إلى أن التنفس الضوئي يلعب دورًا مهمًا بالفعل في نمو النباتات.
- أفاد الباحثون في جامعة كاليفورنيا في ديفيس بأن التنفس الضوئي يسمح للنباتات بتحويل النيتروجين غير العضوي إلى شكل من النترات الضرورية لنمو النبات. ويساعد هذا في تفسير سبب صعوبة نمو النباتات في ظروف منخفضة الأكسجين وثاني أكسيد الكربون، حيث يتم تثبيط التنفس الضوئي.
- يقال إن الاحتباس الحراري يؤثر في عملية البناء الضوئي. فالثمثيل الضوئي يساعد في تقليل الاحتباس الحراري عن طريق امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي، مما يقلل من تركيزه وتأثيره الحراري. كما يتم إطلاق الأكسجين مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال هذه العملية، مما يقلل أيضا من تركيز ثاني أكسيد الكربون. ويستخدم النبات الكربون للنمو، في حين يحترق أو يتحلل النبات ويعزل الكربون.