كيف تحصل المخلوقات الحية على الطاقة؟
9-1 كيف تحصل المخلوقات الحية على الطاقة؟
How Organisms Obtain Energy?
الأهداف
- تلخص قوانين الديناميكا الحرارية.
- تقارن بين المخلوقات ذاتية التغذي وغير ذاتية التغذي.
- تصف آلية عمل 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.
الفكرة الرئيسية
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.
تحولات الطاقة
Energy Transformations
معظم التفاعلات والعمليات الكيميائية في خلايا الجسم مستمرة، حتى لو ظننت أنك لا تستهلك أي طاقة.
فالجزيئات الكبيرة تُبنى وتتحلل، وتنتقل المواد عبر الغشاء الخلوي، وكذلك تنتقل المعلومات الوراثية. هذه الأنشطة الخلوية جميعها تحتاج إلى الطاقة energy، وهي القدرة على إنجاز شغل.
ويبين الشكل 9-1 بعض المحطات الرئيسية في دراسة الطاقة الخلوية.
أما الديناميكا الحرارية thermodynamics فهي دراسة تدفق الطاقة وتحولها في الكون.
قوانين الديناميكا الحرارية
Laws of Thermodynamics
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.
فمثلًا تتحول الطاقة المخزنة في المواد الغذائية إلى طاقة كيميائية عندما تأكل، وتتحول إلى طاقة ميكانيكية عندما تركض أو تركل الكرة.
الشكل 9-1
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: هو جوزف فون مول أول من لاحظ وجود البلاستيدات الخضراء في الخلايا النباتية.
- 1881-1882: أُظهرت البلاستيدات الخضراء على أنها عضيات مسؤولة عن عملية البناء الضوئي.
- 1948: اكتشف يوجين كندي وألبرت لينهينجر أن الميتوكندريا مسؤولة عن التنفس الخلوي.
- 1980: اكتشف خورخي ميكالا في أثناء دراسته الميتوكندريا في خلايا الفئران أن توقف الميتوكندريا عن العمل يسبب الموت.
- 1993: اكتشفت مستحسنات تدل على أن بعض الخلايا النباتية تقوم بعملية البناء الضوئي.
- 2002: اقترحت جويتن موكبا-ناليبوتانو وزملاؤها أن الميتوكندريا الموجودة داخل الخلية السرطانية قد تؤدي إلى الكشف المبكر عن السرطان، وربما إلى علاجات جديدة له.
ينص القانون الثاني في الديناميكا الحرارية على حدوث فقدان في الطاقة عند تحولها من شكل إلى آخر. وعمومًا، فإن الطاقة التي تُفقد أو تضيع تتحول إلى طاقة حرارية.
وتعد السلسلة الغذائية مثالًا واضحًا على القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومن المعروف أن كمية الطاقة القابلة للاستخدام والمتوافرة في المستوى الغذائي الأعلى تتناقص على نحو مستمر في السلسلة الغذائية.
ذاتية التغذي وغير ذاتية التغذي
Autotrophs and Heterotrophs
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 مصدرًا للطاقة. أما بعضها الآخر، ومنها النباتات، كما في الشكل 9-2، فتسمى المخلوقات ذاتية التغذي ضوئية؛ لأنها تقوم بتحويل الطاقة الضوئية من الشمس إلى طاقة كيميائية.
أما المخلوقات غير ذاتية التغذي، مثل حشرة المن والدعسوقة في الشكل 9-2، 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".
الشكل 9-2
سخر الله عز وجل الشمس لتكون المصدر الرئيس لمعظم الطاقة في المخلوقات الحية. وتنتقل الطاقة من المخلوقات الذاتية التغذي إلى المخلوقات غير ذاتية التغذي.
- الشمس.
- ذاتي التغذي.
- غير ذاتي التغذي.
- غير ذاتي التغذي.
قارن بين الديناميكا الحرارية والمخلوقات الحية في الشكل.
عملية الأيض
Metabolism
تُشار 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.
- مسارات البناء.
في مسار الهدم تتحرر 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، تعد عملية البناء الضوئي photosynthesis مسار البناء؛ حيث تحول طاقة 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.
وكما يبين الشكل 9-3، يمكن للطاقة المخزنة بين جزيئات سكر الجلوكوز الناتج عن عملية البناء الضوئي أن تنتقل إلى مخلوقات حية أخرى عند استهلاك هذه الجزيئات في صورة غذاء.
الشكل 9-3
النظام البيئي يكون فيه البناء الضوئي والتنفس الخلوي دورة مستمرة.
حدد مساري الهدم والبناء في الشكل.
مكونات الشكل
- ضوء الشمس.
- البناء الضوئي: ذاتي التغذي.
- سكر + O2.
- التنفس الخلوي: غير ذاتي التغذي.
- CO2 + H2O.
تجربة استهلالية
مراجعة: بناءً على ما قرأت عن تحولات الطاقة، كيف تجيب الآن عن أسئلة التحليل؟
تجربة 9-1
ربط البناء الضوئي بالتنفس الخلوي
كيف يعمل البناء الضوئي والتنفس الخلوي معًا في النظام البيئي؟
استخدم كاشفًا كيميائيًا لاختبار انتقال ثاني أكسيد الكربون خلال عمليتي البناء الضوئي والتنفس الخلوي.
خطوات العمل
- املأ بطاقة السلامة في دليل التجارب العملية.
- اعمل جدول بيانات لتسجيل حيوانات أنبوب الاختبار، وظروف التعامل مع كل منها، واللون في البداية واللون النهائي لمحتوياتها بعد التفاعل.
- قس 100 mL من محلول بروموثيمول الأزرق BTB إلى كأس زجاجية باستعمال ماصة، انفخ في المحلول برفق إلى أن يتحول إلى اللون الأصفر.
تحذير: لا تتذوق.
- املأ أربعة أنابيب اختبار كبيرة بمحلول BTB الأصفر الناتج من الخطوة 3.
- غط أحد الأنبوبين بورق الألومنيوم، ثم ضع نباتًا مائيًا طوله 6 cm في كلا الأنبوبين، وأغلقهما بإحكام، ثم ضعهما في حامل أنابيب في ضوء خافت طوال الليل.
- سجل ملاحظاتك في جدول البيانات الناتج من الخطوة 3.
التحليل
- قارن بين اللون في أنابيب الاختبار الأربعة.
- فسر كيف توضح نتائجك اعتماد البناء الضوئي والتنفس الخلوي أحدهما على الآخر؟
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 9-3، حيث تعد المواد الناتجة عن أحد التفاعلات مواد متفاعلة للتفاعل الآخر.
ATP: وحدة الطاقة الخلوية
ATP: The Unit of Cellular Energy
الطاقة توجد الطاقة في أشكال عدة، منها:
- الطاقة الضوئية.
- الطاقة الميكانيكية.
- الطاقة الحرارية.
- الطاقة الكهربائية.
في المخلوقات الحية يتم تخزين الطاقة الكيميائية داخل الجزيئات الحيوية، ويمكن تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة عند الحاجة.
فمثلًا تتحول الطاقة الكيميائية المخزنة في الجزيئات الحيوية إلى طاقة ميكانيكية عند انقباض العضلات.
ويعد جزيء الطاقة أدينوسين ثلاثي الفوسفات Adenosine triphosphate - ATP من الجزيئات الحيوية التي تزود الخلايا بالطاقة الكيميائية.
تركيب جزيء الطاقة
ATP structure
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 انتشارًا في خلايا جميع أنواع المخلوقات الحية.
وكما يبين الشكل 9-4 فإن جزيء ATP عبارة عن نيوكليوتيد يتكون من قاعدة نيتروجينية هي: الأدنين، وسكر الرايبوز، وثلاث مجموعات من الفوسفات.
الشكل 9-4
ينتج عن تحلل جزيء ATP طاقة تدعم الأنشطة الخلوية في المخلوقات الحية.
مكونات الشكل
- أدنين.
- سكر رايبوز.
- مجموعة فوسفات ثلاثية.
- ATP.
- H2O.
- ADP.
- مجموعة فوسفات ثنائية.
- فوسفات.
- طاقة.
وظيفة جزيء الطاقة
ATP function
يحرر جزيء ATP الطاقة عندما تنكسر الرابطة بين مجموعة الفوسفات الثانية والثالثة، مكونًا جزيئًا يسمى أدينوسين ثنائي الفوسفات ADP، ومجموعة فوسفات حرة، الشكل 9-4.
تُخزن الطاقة في الرابطة الفوسفاتية التي تتشكل عندما يرتبط جزيء ADP مع مجموعة فوسفات أخرى لتكون جزيء ATP.
ويمكن تحويل جزيئات ATP و ADP بإضافة أو حذف مجموعة فوسفات، كما في الشكل 9-4.
وفي بعض الأحيان يتحلل جزيء ADP إلى جزيء أدينوسين أحادي الفوسفات AMP، بفقد مجموعة فوسفات إضافية، والطاقة المتحررة بفعل هذا التفاعل قليلة جدًا؛ لذا فإن معظم تفاعلات الطاقة في الخلية تتضمن جزيئات ATP و ADP.
التقويم 9-1
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 الرئيسية
- الفكرة الرئيسية: 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.
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.