عمليات تبادل الغازات في النباتات الخضراء
تشترك النباتات مع غيرها من الكائنات الحية في مجموعة من العمليات الحيوية مثل النمو والتكاثر والتنفس. يُعتبر التنفس عملية كيميائية تتضمن سلسلة من التفاعلات التي تؤدي إلى إنتاج الطاقة اللازمة لبقاء الكائنات الحية. هذه العملية تتطلب حركة الهواء من المحيط الخارجي إلى داخل الكائن الحي من خلال أنسجة متخصصة، تمامًا كما يحدث في الأنف والرئتين لدى البشر والحيوانات، حيث يتم إدخال الأكسجين وطرد ثاني أكسيد الكربون.
تتميز النباتات بنقص وجود أجهزة متخصصة للتنفس، كما هو الحال لدى الحيوانات والبشر، ولكنها تعتمد على هياكل تُعرف بالثغور (بالإنجليزية: Stomata) الموجودة في أوراقها، إضافة إلى الأنسجة المسامية أو العدسية (بالإنجليزية: Lenticels) المتواجدة في جذوع النباتات. هذه الهياكل تلعب دورًا هامًا في عمليات تبادل الغازات داخل النباتات.
آلية التنفس في النباتات الخضراء
سنستعرض فيما يلي آليات التنفس المختلفة في النباتات الخضراء:
التنفس من خلال ثغور الأوراق
تتسنى عملية التنفس في النباتات عبر مختلف أجزائها من الأوراق والساق إلى الجذور. وتتميز هذه العملية بأنها تحدث بمعدل أبطأ مقارنةً بالإنسان والحيوان. يتم فتح الثغور في الأوراق، التي تتكون من زوج من الخلايا الحارسة، مما يسمح بدخول الأكسجين. تشبه هذه العملية شكل الكعكة، حيث تكون الثغور مفتوحة لتسمح بدخول الغاز ثم تغلق مرة أخرى.
الجدران الخلوية المحيطة بالخلايا النباتية تمنحها الدعم والحماية، وعند تعرض الخلايا الحارسة لمؤثر خارجي مثل الضوء، يحدث زيادة في الضغط داخلها مما يؤدي إلى فتح الثغور وخروج الغازات. وهذه العملية لا تزال موضع دراسة وبحث من قبل العلماء.
التنفس من خلال الساق
في النباتات الصغيرة، يسهم الساق في تسهيل نفاذ الهواء عبر الثغور المسامية الموجودة في الخلايا المختلفة. بينما في النباتات الكبيرة ذات السيقان الخشبية، تعتمد عملية التنفس على تبادل الغازات من خلال الأنسجة العدسية.
التنفس من خلال الجذور
بالنسبة للجذور، تمتص الأكسجين من الفجوات في التربة، حيث تستخدمه لتوليد الطاقة اللازمة لنقل الأملاح والمواد العضوية إلى باقي أجزاء النبات. تجدر الإشارة إلى أن النباتات تصدر ثاني أكسيد الكربون ليلاً، مما ينصح بعدم النوم تحت الأشجار أو بالقرب من النباتات لتفادي خطر الاختناق بسبب تراكم كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون.
العوامل المؤثرة في تنفس النباتات الخضراء
هناك عدة عوامل تؤثر على تنفس النباتات، نذكر منها:
- درجة حرارة البيئة المحيطة
كلما كانت درجة حرارة البيئة أقل، كانت كفاءة التنفس أعلى وأضرارها أقل، خاصة خلال الليل حين لا تكون عملية البناء الضوئي نشطة. الدفء الليلي يعزز من معدل التنفس، مما يؤدي إلى إرهاق النبات ويؤثر سلبًا على إنتاج المحاصيل ونموها.
- نفاذية التربة ووجود المسامات
تؤثر نفاذية التربة بشكل كبير على تنفس الجذور، فالتربة ذات المسامات تسمح بتركيز أعلى من الأكسجين، وبالتالي تعزز عملية التنفس.
- كمية مياه الري
يمكن للنبات تنفس الأكسجين المذاب في الماء بفاعلية أعلى مقارنةً بالهواء، بشرط مراعاة درجة حرارة الوسط الذي تنمو به الجذور. الحرارة المرتفعة تقود إلى تقليص كمية الأكسجين المذاب، ولهذا يجب ضبط تكرار الري وفقًا لاحتياجات النبات.
التنفس وعلاقة البناء الضوئي
خلال عملية التنفس، تمتص النباتات الأكسجين من الجو بشكل مستمر، لتتفاعل مع السكر الناتج عن عملية البناء الضوئي التي تحدث نهارًا، وتحصل على الطاقة الضرورية لحياتها، وفقًا للمعادلة التالية:
(طاقة) C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 32 ATP
تعرف عملية البناء الضوئي بأنها عملية تصنيع الغذاء في النباتات، وتحدث نهارًا في الأجزاء الخضراء مثل الأوراق والسيقان. تتضمن هذه العملية امتصاص ثاني أكسيد الكربون من الهواء وإطلاق الأكسجين. ومن أهم الفروقات بين العمليتين التنفس والبناء الضوئي ما يلي:
| وجه المقارنة | عملية التنفس | عملية البناء الضوئي |
| مكان الحدوث | في جميع أجزاء النبات | في الأجزاء الخضراء فقط |
| وقت الحدوث | ليلًا ونهارًا | نهارًا فقط وبوجود الضوء |
| الطاقة | تحرير الطاقة بتحويل طاقة الوضع إلى طاقة حركية | تخزين طاقة الشمس وتحويلها إلى طاقة وضع |
| الحرارة | التفاعل طارد للحرارة | التفاعل يحتاج للحرارة |
| مكونات الهواء | غاز الأكسجين | غاز ثاني أكسيد الكربون |
| المنتجات النهائية | غاز ثاني أكسيد الكربون وغاز الهيدروجين | سكر وماء وأكسجين |