الأوراق والتركيب الضوئي

لاحظ جان بابتيستا فان هيلمونت الفيزيائي البلجيكي في القرن السابع عشر نمو شجرة الصفصاف وأخذ بعض القياسات في إحدى تجاربه العلمية· وفي البداية قام بوزن الشجرة ثم وزنها مرة ثانية بعد مرور خمس سنوات فوجد أن وزنها زاد 75 كيلوغراماً، مع أن التربة في الوعاء الذي نما فيه النبات لم تنقص سوى بضعة غرامات خلال هذه المدة· وكشف الفيزيائي فان هيلمونت في هذه التجربة أن التربة في الوعاء لم تكن السبب الوحيد في نمو شجرة الصفصاف بما أن النبات قد استخدم كمية صغيرة جداً من التربة لينمو إذن يجب أن يكون قد تلقى تغذية من مكان آخر· 34

لا تستخدم النباتات التربة فقط عند إنتاج غذائها؛ فهي تستخدم -إلى جانب المعادن في التربة -الماء وثاني أكسيد الكربون من الجو· وتأخذ المعادن الرئيسية وتحولها بواسطة معامل مصغرة في أوراقها وبذلك تقوم بعملية التركيب الضوئي· وقبل تفحص المراحل المتعددة للتركيب الضوئي من المفيد أن نلقي نظرة على الأوراق التي تلعب دوراً هاماً في هذه العملية ·

التركيب العام للأوراق

عند دراسة النباتات من وجهة نظر التركيب العام أو من قبل علم الأحياء المجهري نلاحظ أن الأوراق تمتلك أنظمة دقيقة ومعقدة جداً لإنتاج الطاقة، ولكي تنتج الأوراق هذه الطاقة تحتاج إلى أخذ الحرارة من ثاني أكسيد الكربون من الخارج · لنلق أولاً نظرة على التركيب الخارجي للأوراق، والأسطح الخارجية للأوراق واسعة مما يمكنها من تبادل الغازات (مثل امتصاص ثاني أكسيد الكربون وطرح الأكسجين) الضرورية للتركيب الضوئي ·
الأوراق والتركيب الضوئي 030

يمكّن شكل الأوراق العريض والمنبسط جميع الخلايا من أن تكون قريبة من السطح، وبفضل هذا يتم تبادل الغازات بشكل أسهل وبإمكان ضوء الشمس أن يصل إلى جميع الخلايا التي تقوم بالتركيب الضوئي· ولنتخيل ماذا سيحدث إذا لم تكن الأوراق عريضة ومسطحة وكان لها أي شكل هندسي أو عشوائي آخر فلن تستطيع القيام بالتركيب الضوئي، ما عدا المناطق المعرضة مباشرة لأشعة الشمس· وهذا يعني أن النباتات لن تكون قادرة على إنتاج الطاقة أو الأكسجين بشكل كافٍ· وينتج عن ذلك نقص في الطاقة بالنسبة إلى الكائنات· ولا تنتهي الأنظمة ذات التصميم الخاص'' عند هذا الحد· فبفضل خاصية الانتقاء الضوئي تتجه أنسجة الورقة إلى الضوء، وهذا ما يدفع أوراق النباتات للاتجاه نحو الشمس، ويمكن ملاحظة ذلك في النباتات التي توضع في أوعية· وعلينا أن نلقي نظرة على التركيب الفيزيولوجي للأوراق لكي نفهم كيف تحدث هذه العمليات ذات الأهمية الحيوية ·
الأوراق والتركيب الضوئي 031

إذا نظرنا إلى ورقة مقسومة بالعرض نرى تركيباً متكونا من أربع طبقات؛ الأدمة: وهي التي تغطي أعلى الورقة وأسفلها، ولا تتضمن اليخضور ودورها هو حماية الورقة من التأثيرات الخارجية· البشرة: طبقة شمعية غير لا تسمح للماء بالنفاذ وتغطي القسم الخارجي من الأدمة· وعندما ننظر إلى الطبقات الداخلية من الورقة نرى أنها مكونة عموماً من طبقتين من الخلايا، منها خلايا غنية باليخضور بشكل صفوف لا ثغرات فيها وهي الطبقة الحاجزة التي تشكل النسيج الداخلي، وتقوم بعملية التركيب الضوئي؛ وتأتي تحتها الطبقة الإسفنجية التي تمكّن الورقة من التنفس· وهناك جيوب هوائية بين طبقات الخلايا في هذا النسيج· وكما رأينا فلكل طبقة من هذه الطبقات وظيفة مهمة في بنية الورقة· وهذا التنظيم له أهمية كبيرة بالنسبة إلى عملية التركيب الضوئي لأنه يمكّن الورقة من أن تنشر الضوء وتوزعه بشكل أفضل مما يزيد قدرتها على القيام بعملية التنفس والتركيب الضوئي· ويوجد في الغابات المطرية الاستوائية الكثيفة على سبيل المثال نزعة لنمو النباتات ذات الأوراق الضخمة، ولهذا أسباب مهمة جداً: فمن الصعب على ضوء الشمس أن يصل إلى جميع أقسام النباتات المجموعة معاً بشكل متساوٍ حيث الأشجار كثيفة والمطر يهطل بشدة في أغلب الأحيان، وهذا ما يجعل من الضروري أن تزيد النباتات من مساحة الورقة لكي تلتقط الضوء· وفي تلك المناطق حيث تدخل أشعة الشمس بصعوبة من الضروري لأسطح الأوراق أن تكون كبيرة لكي يتمكن النبات من إنتاج الغذاء، وبفضل هذه الميزة تتعرض النباتات الاستوائية للشمس بأحسن طريقة ممكنة ·

الأوراق والتركيب الضوئي 032

من ناحية ثانية توجد الأوراق الصغيرة في المناخات الجافة والقاسية لأنه في هذه الظروف المناخية يكون فقدان الحرارة مضراً جداً، فكلما كبر سطح الورقة ازداد تبخر الماء وفقدان الحرارة؛ ولهذا السبب فإن سطح الورقة التي تلتقط الضوء صمم بحيث يمكنها من حفظ الماء بأكثر الطرق اقتصادية، فانكماش الأوراق في البيئة الصحراوية يصل إلى مستويات كبيرة، وعلى سبيل المثال نجد في نبات الصبار أشواكا بدل الأوراق· ويتم التركيب الضوئي في هذا النبات من قبل الساق اللبية التي تخزن الماء · إن ذلك لا يكفي للتحكم في عملية فقدان الماء لأنه مهما صغر حجم الورقة فوجود المسام الدقيقة في الأدمة يعرضها لخسارة مزيد من الماء، ولهذا السبب توجد آلية لتعويض التبخر، والنبات له طريقة لتنظيم التبخر الزائد عن طريق التحكم في درجة فتحات المسام إما بتوسيعها أو بتقليصها حسب الحاجة ·

إن التقاط الضوء للقيام بعملية التركيب الضوئي ليس هو العمل الوحيد الذي تقوم به الأوراق الوحيد، فمن المهم لها أيضاً أن تحصل على ثاني أكسيد الكربون من الجو وتوجهه إلى المناطق التي تقوم بعملية التركيب الضوئي، وهي تقوم بذلك بواسطة المسام الموجودة في أوراقها ·

الثغيرة: تصميم دقيق

دور هذه المسامات المجهرية على سطح الأوراق هو نقل الضوء والماء وأخذ ثاني أكسيد الكربون الضروري لعملية التركيب الضوئي من الهواء· ويمكن للمسام أن تغلق أو تفتح حسب الحاجة· وعندما تفتح يتم تبادل الأكسجين وبخار الماء بين خلايا الورقة مع ثاني أكسيد الكربون المطلوب لعملية التركيب الضوئي· وبهذه الطريقة يطرح الإنتاج الفائض وتُمتص المواد المطلوبة للاستفادة منها · أحد أهم سمات المسام أنها توجد في الجانب السفلي من الأوراق مما يخفف التأثيرات المؤذية لأشعة الشمس إلى أدنى حد· ولو كانت المسام التي تطرح الماء في النبات على سطح الأوراق بأعداد كبيرة لكانت معرضة للشمس لفترات طويلة مما يجعلها تطرح الماء باستمرار، وفي هذه الحالة يموت النبات نتيجة نقصان الماء ·

يسمح تركيب المسام المجوف بتبادل الغازات بين الورقة والهواء· ويعتمد فتح المسام على الظروف الخارجية (مستويات الضوء والحرارة والرطوبة وثاني أكسيد الكربون) والحالة الداخلية للنبات خاصة مستوى الماء فيه· وينظم فتح المسام أو إغلاقها عملية تبادل الغازات والماء · هناك تفاصيل دقيقة في بنية المسام صممت مع الأخذ بعين الاعتبار جميع العوامل الخارجية؛ وكما نعرف فإن مستويات الرطوبة ودرجة الحرارة والغاز وتلوث الهواء في تغير دائم· وتمتلك مسام الأوراق بنية تتكيف مع الظروف المتغيرة ·