تاريخ دراسة عملية التنفس في النباتات قصير. ماذا تتنفس النباتات؟ كيفية استخدام المعرفة المكتسبة

التنفس هو خاصية عالمية لجميع الكائنات الحية التي تعيش على الأرض. وجوهر هذه العملية عند النباتات كما عند الحيوانات هو امتصاص الأكسجين الذي يتفاعل مع المركبات العضوية الموجودة في أنسجة كائناتها لتكوين ثاني أكسيد الكربون والماء. عند التنفس، يستخدم الكائن النباتي نفسه الماء، ويطلق النبات ثاني أكسيد الكربون في الفضاء المحيط. يتميز التنفس بأنه يتم استهلاك المواد العضوية لإطلاق الطاقة، أي أنها عملية عكسية لعملية التمثيل الضوئي، حيث تتراكم العناصر الغذائية في أنسجة النبات. خلال ساعات النهار، تنتج جميع النباتات تقريبًا الأكسجين، ولكن التنفس يحدث أيضًا في خلاياها، وهو أقل كثافة. في الليل، تحدث عملية التنفس بشكل أكثر نشاطا، بينما تتوقف عملية التمثيل الضوئي دون الوصول إلى الضوء.

إن حياة الخلية النباتية، وبالتالي وجود النبات ككل، لا يمكن تحقيقه إلا في حالة التدفق المستمر للطاقة والمواد البلاستيكية، والتي يمكن اعتبارها مواد بناء. من وجهة نظر الطبيعة الكيميائية، فإن عملية التنفس عبارة عن سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال المترافقة التي تتكون من روابط عديدة تحدث على مستوى العضيات الخلوية ويصاحبها انهيار المواد العضوية مع الاستخدام اللاحق للطاقة الموجودة فيها لتغذية النباتات. التنفس الخارجي هو تبادل الغازات بين جسم النبات والبيئة من خلال ثغور الأوراق والعدس الموجودة في لحاء جذوع الأشجار. الأعضاء التنفسية للنباتات العليا هي الأوراق الخضراء والسيقان (جذوع الأشجار)، وبالنسبة للطحالب - جميع خلاياها. مبدأ التنفس لدى بعض البكتيريا، التي تحصل على الطاقة اللازمة للوجود من خلال أكسدة المواد المعدنية، يختلف كثيرا عن النوع القياسي. وهكذا، فإن البكتيريا الآزوتية تعمل على أكسدة الأمونيا إلى حمض النيتريك، بينما تقوم البكتيريا الكبريتية بأكسدة كبريتيد الهيدروجين إلى حمض الكبريتيك.

يحدث التنفس الخلوي للنباتات في هياكل خلايا خاصة - الميتوكوندريا. علاوة على ذلك، فإن هذه العضيات من الخلايا النباتية لديها عدد من الاختلافات المهمة عن تلك الموجودة في الحيوانات، والتي ترتبط بخصائص الحياة النباتية (نمط الحياة المرتبط، والحاجة إلى تغيير التمثيل الغذائي وفقًا للظروف البيئية المتغيرة). لذلك، تمتلك النباتات مسارات إضافية لأكسدة المركبات العضوية وإنتاج إنزيمات بديلة. من الناحية التخطيطية، تبدو عملية التنفس وكأنها تفاعل أكسدة السكريات من خلال الأكسجين الممتص إلى الماء وثاني أكسيد الكربون. وهذا يولد الحرارة التي تظهر بوضوح أثناء إنبات البذور وازدهار أزهار بعض أنواع النباتات. لا ينبغي اعتبار التنفس مجرد عملية لتوفير الطاقة لنمو وتطور الكائن النباتي. أهمية عملية تنفس النبات كبيرة جداً. في المراحل المتوسطة من هذه العملية، يتم تشكيل عدد من المركبات العضوية، والتي يتم استخدامها بعد ذلك في التفاعلات الأيضية المختلفة، على سبيل المثال، البنتوزات والأحماض العضوية. على الرغم من أن التنفس والتمثيل الضوئي متضادان بطبيعتهما، إلا أنهما غالبًا ما يكملان بعضهما البعض، حيث أنهما مصدران لحاملات الطاقة (ATP، NADP-H) والأيضات في الخلية. في الظروف الجافة، يمكن للمياه المنطلقة من خلال التنفس أن تمنع النبات من الجفاف. ولكن ليس في جميع الحالات، فإن تكثيف هذه العملية مفيد للنبات، لأن الإطلاق المفرط لطاقة التنفس في شكل حرارة يؤدي إلى فقدان غير ضروري للمادة الجافة للخلية.

جمال الطبيعة يتكون من النباتات والأشجار والزهور والعشب. وبدون كل هذا، سيكون من المستحيل الوجود ببساطة، لأن النباتات تنتج الأكسجين الذي نحتاجه للتنفس. ولكن، بغض النظر عن مدى سخافة الأمر، فإن النباتات تتنفس أيضًا. دعونا معرفة كيف تتنفس النباتات.

كيف يحدث التنفس عند النبات؟

يغطي تنفس النباتات جميع أجزائها - السيقان والأوراق والجذور والفواكه والزهور. تماما مثل البشر والحيوانات، تتنفس النباتات الأكسجين، وتمتصه مع ثاني أكسيد الكربون من الهواء. أثناء التنفس، تنفق النباتات الكربوهيدرات التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الضوئي. ومن ناحية أخرى، فإن عملية التمثيل الضوئي هي عملية تتشكل فيها المواد العضوية، وهي مميزة فقط للنباتات الخضراء. تتكون المادة العضوية من الماء، والمواد الغذائية التي توفرها الجذور، والطاقة الشمسية أو الضوء، وثاني أكسيد الكربون، الذي يتم امتصاصه من الهواء. يحدث هذا النشاط الضوئي في الظروف الطبيعية فقط خلال ساعات النهار، وخلال الوقت المتبقي، تترك جميع المنتجات المتراكمة الأوراق وأجزاء أخرى من النبات. منتجات عملية التمثيل الضوئي هي الكربوهيدرات (النشا والسكر) والبروتينات. يتأثر التمثيل الضوئي بدرجة الحرارة والهواء والماء وعوامل أخرى.

يعتبر التنفس العملية المعاكسة لعملية التمثيل الضوئي. خصوصيتها هي استمراريتها طوال اليوم. أتساءل ما هي النباتات التي تستخدمها للتنفس؟ المادة التنفسية الرئيسية هي السكر، وعند نقصه تتحلل الأحماض العضوية والدهون والبروتينات. يؤثر التنفس على عملية النمو بطريقة مباشرة. تعمل الطاقة الكيميائية التي يتم إطلاقها أثناء التنفس كمصدر لعملية تكوين أعضاء نباتية جديدة. إذا تم انتهاك عملية التنفس في نظام الجذر، فقد يهدد ذلك بموت النبات. كل هذا يؤكد وحدة عملية التمثيل الضوئي والتنفس في الكائن النباتي.

للإجابة على سؤال ما الذي تتنفسه النباتات، يمكننا أن نقول على وجه اليقين أن التنفس هو عملية كيميائية حيوية معقدة، ونتيجة لذلك تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون باستخدام الثغور الموجودة على الأوراق، ومن خلالها تطلق الأكسجين.

على الرغم من أن معظم النباتات تنتج الأكسجين خلال ساعات النهار، إلا أن العملية العكسية تحدث أيضًا في خلاياها: حيث يتم امتصاص الأكسجين أثناء التنفس. في الليل، في غرفة مليئة بالنباتات، يمكنك ملاحظة انخفاض في تركيز الأكسجين وفي نفس الوقت زيادة في تركيز ثاني أكسيد الكربون. في الواقع، تحدث عملية التنفس في الخلايا النباتية الحية على مدار الساعة، لكن معدل تكوين الأكسجين نتيجة لعملية التمثيل الضوئي في الضوء عادة ما يتجاوز معدل امتصاصه. تماما مثل الحيوانات التنفس الخلوييحدث في النباتات في عضيات خلوية خاصة - الميتوكوندريا وهي أكسدة المواد العضوية بالأكسجين الجزيئي مع إطلاق الطاقة. تتشابه المبادئ العامة لتنظيم عملية التنفس على المستوى الجزيئي في النباتات والحيوانات. ومع ذلك، نظرًا لحقيقة أن النباتات تعيش نمط حياة مرتبطًا، فإن عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها يجب أن تتكيف باستمرار مع الظروف الخارجية المتغيرة، وبالتالي فإن تنفسها الخلوي له بعض الميزات (مسارات أكسدة إضافية، إنزيمات بديلة).

التنفس الخارجي(التنفس على مستوى النبات بأكمله) هو امتصاص الجسم للأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون. يحدث تبادل الغازات بين النبات والبيئة جزئيًا عن طريق الانتشار (انظر الفيزياء والكيمياء) من خلال الأنسجة الغشائية وأيضًا من خلال الهياكل المتخصصة لتبادل الغازات - الثغور (انظر بوتيكا)، وفي الأعضاء الخشبية من خلال العدس (انظر علم النبات) والشقوق في نباح. يعد التنفس على مستوى النبات بأكمله مؤشرًا متكاملاً يمكن أن تختلف قيمته بشكل كبير اعتمادًا على الكائن ومرحلة التطور والحالة الفسيولوجية وعمل العوامل البيئية. معدل التنفس للأعضاء والأنسجة النباتية المختلفة ليس هو نفسه. تتميز أعلى كثافة للتنفس بالأنسجة سريعة النمو (النسيج الإنشائي، ومناطق الاستطالة، والأنسجة غير المتمايزة)، والبذور النابتة، والخلايا الغدية، وما إلى ذلك.

في كل من النباتات والحيوانات، يؤدي التنفس ثلاث وظائف رئيسية. أولاً، تزويد الخلايا بالطاقة اللازمة - يتم تحويل الطاقة المنبعثة أثناء أكسدة الكربوهيدرات إلى أشكال قابلة للتحويل من الطاقة الخلوية - ∆μH + وATP. الوظيفة الثانية التي لا تقل أهمية هي تزويد الخلية بالأيضات التي تتشكل أثناء أكسدة الجلوكوز وتستخدم في عمليات التخليق الحيوي المختلفة. الوظيفة الثالثة تتعلق بالتوليد الحراري، أي. تبديد الطاقة على شكل حرارة.

يتعامل علم وظائف الأعضاء الحديث للتنفس النباتي مع قضايا مثل التغيرات الكمية والنوعية في استقلاب الجهاز التنفسي استجابة للتغيرات في الظروف الخارجية، وكفاءة الطاقة في التنفس، وهيكل وآليات عمل إنزيمات الأكسدة والاختزال، واستخدام المنتجات الوسيطة من قبل النباتات في مختلف عمليات التخليق الحيوي، ودراسة المسارات البديلة لنقل الإلكترون ومبادئ تنظيم سلاسل نقل الإلكترون في أغشية التزاوج.

تشكل المشكلات الأيضية التي لا تتعلق مباشرة بالتنفس، ولكنها تحدث بمشاركة الأكسجين الجزيئي، وكذلك مشكلة تفاعل الخلايا مع أنواع الأكسجين التفاعلية، قسمًا مهمًا في فسيولوجيا الإجهاد.

الأدب:

بوليفوي ف. فسيولوجيا النباتات: كتاب مدرسي. للبيول. متخصص. الجامعات - م: أعلى. المدرسة، 1989. - 464 ص.

فسيولوجيا النبات: كتاب مدرسي للطلاب. الجامعات / د. أليخينا ، يو.في. بالنوكين، ف. جافريلينكو وآخرون؛ إد. آي بي. إرماكوفا. - م: مركز النشر "الأكاديمية"، 2005. - 640 ص.