תהליכי הזנה בצמחים

חזרה3

מנין לצמחים חומרים לגידולם ?

בפרק הראשון קראנו לצמחים יצרנים, מכיוון שהם יוצרים בעצמם את החומרים האורגניים שבגופם מחומרים אי-אורגניים. מהיכן מקבלים הצמחים את החומרים הנחוצים לגידולם? לדוגמה: חקלאי זורע בשדהו זרעי תירס, הזרעים נובטים ומתפתחים במשך כמה חודשים לצמחים, שגובהם כשני מטרים. החקלאי אוסף את קלחי התירס נושאי הזרעים, וקוצר את הגבעולים והעלים המשמשים מזון לבעלי חיים. היבול שנאסף גדול במאות מונים מכמות הזרעים שנזרעו. מנין קיבלו צמחי התירס את החומרים הרבים, שנוספו להם במהלך גידולם?

שאלות אלו העסיקו גם את חוקרי הטבע לפני מאות שנים. רבים מהם חשבו, שאת רוב החומרים מקבלים הצמחים מהאדמה, שבה הם גדלים. החוקר הבלגי ואן הלמונט, שחי באמצע המאה ה-17, ביקש לבדוק את הדבר.

האם דרוש פחמן דו-חמצני ליצירת החומר האורגני בצמחים ?

תלמידים ערכו ניסוי כדי לענות על שאלה זו. הם בחרו לבדוק את יצירת העמילן, שהוא אחד מהחומרים האורגניים בעלים של צמח הפלרגוניום. לפני הניסוי הוחזקו הצמחים בתנאים, שגרמו לניצול מלאי העמילן שבעלים, כך שעם תחילת הניסוי לא היה בעלים עמילן. לאחר מכן קטפו התלמידים ענפים שווים בגודלם, והכניסו כל ענף לבקבוקון, שהיו בו מעט מים. את הבקבוקונים הכניסו לצנצנות זכוכית, סגרו את הצנצנות והעמידו אותן במקום מואר, בטמפרטורה של 25°C בקירוב. את הענפים חילקו לשתי קבוצות : ענפי קבוצה א' שהו באוויר רגיל (המכיל פחמן דו-חמצני) וענפי קבוצה ב' שהו באוויר ללא פחמן דו-חמצני. כדי להרחיק פחמן דו-חמצני מהאוויר השתמשו התלמידים בבסיס האשלגן. בסיס האשלגן הוא חומר המתרכב במהירות עם פחמן דו-חמצני, הנמצא באוויר שבסביבתו. כתוצאה מכך מסולק הפחמן הדו-חמצני מן האוויר.
התצלומים שלפניך מתארים את מערכת הניסוי.

צמחי קבוצה א' האוויר שבצנצנת מכיל CO2	צמחי קבוצה ב' האוויר שבצנצנת אינו מכיל CO2

לאחר 6 שעות בדקו, באמצעות תמיסת יוד, אם נוצר עמילן בעלים. לפני שמוסיפים תמיסת יוד, מרחיקים את הכלורופיל מהעלים על ידי הרתחה בכוהל. הצבע הירוק של העלים עלול להסתיר את הצבע הסגול המתקבל בתגובה שבין היוד לעמילן.

תוצאות הניסוי

התלמידים המשיכו בניסוי עם צמחי קבוצה א', הקבוצה שבה מצאו עמילן. הם השאירו חלק מן הצמחים בצנצנות, כמקודם, ומשאר הצנצנות הסירו את המכסים. לאחר 48 שעות בדקו אם נוצר עמילן בעלים.
ואלה התוצאות שקיבלו : בעלים של הצמחים הסגורים בצנצנות נמצא מעט מאוד עמילן, ובעלים של הצמחים הגלויים נמצא עמילן בכמות רבה.

הצמחים בונים את חומרי גופם מתרכובות פשוטות שבסביבתם

לבניית החומרים האורגניים בצמחים דרוש פחמן דו-חמצני, אך גם מים ומלחים. כל אלה הם חומרים אי-אורגניים. הצמחים מייצרים אפוא חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים שבסביבתם, על כן הם נקראים יצרנים.

הצמחים קולטים את המים והמלחים מהאדמה באמצעות השורשים, ואת הפחמן הדו-חמצני מהאוויר באמצעות העלים. מהחומרים האי-אורגניים - הפחמן הדו-חמצני, המים והמלחים, בונים הצמחים את התרכובות האורגניות שבגופם.

החומרים האורגניים בנויים ממולקולות גדולות, ומורכבות יותר מאלו של החומרים האי-אורגניים. לבניית חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים דרושה אנרגיה. מאין מקבלים הצמחים את האנרגיה הזו?

בניית מולקולה אחת גדולה ממספר מולקולות קטנות

בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים אנרגיית אור מתגלגלת לאנרגיה כימית

הצמחים מסוגלים לנצל את אנרגיית האור. הם קולטים את אנרגיית האור המתגלגלת בהם לאנרגיה כימית זמינה, וזו משמשת בתאיהם לבניית חומרים אורגניים מאי-אורגניים. תהליך הזנה זה נקרא פוטוסינתזה (פוטו = אור, סינתזה = בנייה).

אנרגיית האור נקלטת על ידי חומר צבע ירוק, הכלורופיל, הנמצא בעלים ובדרך כלל גם בגבעולים. אנרגיית האור גורמת לשינוי כימי במולקולות הכלורופיל, ובכך למעשה מתגלגלת אנרגיית האור לאנרגיה כימית. זהו תחילתו של תהליך מורכב, שבמהלכו מתפרקות מולקולות מים לאטומים של מימן ושל חמצן, ומופקת אנרגיה כימית זמינה. אנרגיה זו מאפשרת בנייה של חומרים אורגניים מפחמן דו-חמצני ומים.

ניתן לסכם את התהליך כך:

בתהליך הפוטוסינתזה מפורקים המים למימן ולחמצן

מולקולות הסוכר הנוצרות בפוטוסינתזה מורכבות מאטומי פחמן, מימן וחמצן. אטומי הפחמן (C) ואטומי החמצן (O) מקורם בפחמן הדו-חמצני (CO₂) שנקלט מהאוויר. ומנין אטומי המימן? מקורם של אלו במולקולות המים (H₂O) המתפרקות למימן (H) ולחמצן (O). המימנים משתלבים במולקולות הסוכר, והחמצן משתחרר מהצמח לאוויר.

האנרגיה הדרושה לפירוק המים מקורה באנרגיית האור, שנקלטת על ידי הכלורופיל.

בתרשים זה ובקודמים, מצוינים חומרי המוצא והתוצרים בלבד, כלומר מה ש"נכנס" לתהליך הפוטוסינתזה ומה ש"יוצא" בסופו. ואולם, התהליך הוא מורכב ורב שלבי, ומשתתפים בו חומרי ביניים רבים שלא הוזכרו. שים לב! גם במולקולות המים וגם במולקולות הפחמן הדו-חמצני יש אטומים של חמצן.

קצב הפוטוסינתזה נקבע על ידי כמה גורמים הפועלים בעת ובעונה אחת

בתהליך הפוטוסינתזה משתתפים כמה גורמים, ולכל אחד מהם יש השפעה על קצב התהליך. נתאר אחדים מהם :

ריכוז הפחמן הדו-חמצני: אם מעלים את ריכוז הפחמן הדו-חמצני, שהוא אחד מחומרי המוצא של התהליך, עולה קצב הפוטוסינתזה.
עצמת האור: אנרגיית האור היא המניעה את תהליך הפוטוסינתזה. עלייה בעצמת האור מגבירה את הפוטוסינתזה.
הטמפרטורה: עליית הטמפרטורה מזרזת תהליכים כימיים, ובכלל זה את התהליכים הקשורים בפוטוסינתזה. ואולם, עלייה רבה מדי בטמפרטורה עלולה לגרום להרס החלבונים בתאים ולעיכוב התהליכים.
כמות המים בקרקע ובצמח : המים משמשים כחומר מוצא בפוטוסינתזה, אך כמויות המים המשתתפות בתהליך זעירות ביותר בהשוואה לכמויות המים שהצמח קולט ופולט ביממה. לפיכך, ירידה בכמות המים בצמח אינה משפיעה ישירות על התהליך. המים משפיעים על קצב הפוטוסינתזה בעקיפין, באמצעות הפיוניות. כאשר פוחתת כמות המים בצמח, בשל איבוד מים לסביבה או בשל קליטה מעטה מהקרקע, נסגרות הפיוניות שבעלים. כך פוחת איבוד המים אך גם יש ירידה בקליטת הפחמן הדו-חמצני החודר דרך הפיונית. ירידה בכמות הפחמן הדו-חמצני שבצמח מקטינה את קצב הפוטוסינתזה.

העלים ותפקודם בפוטוסינתזה

תהליך הפוטוסינתזה מתקיים בעיקר בעלים. במה מותאמים העלים לתפקודם?
צא לשדה או לגינה .ובדוק צמחים שונים, התבונן בעלים, בצבעם, בגודלם, בצורתם, בסידורם לאורך הגבעול ועוד.

ראינו כי ישנן תכונות משותפות לעלים רבים כמו : הצבע הירוק ושטח הפנים הגדול. תכונות אלה מסייעות לתפקוד העלים בפוטוסינתזה. אך היכן מתרחש בעלים תהליך הפוטוסינתזה?
אם נחתוך עלה במאונך לשטח פניו (חתך רוחב), כמתואר בתרשים, ונסתכל במיקרוסקופ אור, נוכל לראות את הרקמות* השונות, שמהן בנוי העלה.

בשטחו החיצוני של העלה מצויות הפיוניות, דרכן נעשה חילוף גזים בין העלה וסביבתו. התאים שברקמות הפנימיות בעלה מכילים אברונים ירוקים, הנקראים כלורופלסטים. באברונים אלו מתרחש תהליך הפוטוסינתזה. כל כלורופלסט מכיל כלורופיל וכן חומרים נוספים המשתתפים בתהליך.

תהליך הפוטוסינתזה מספק חומרים אורגניים לצמחים ולבעלי החיים

מהסוכרים, שנוצרים בצמחים בתהליך הפוטוסינתזה, נבנים חומרים אורגניים שונים : פחמימות נוספות, חלבונים, חומרים שומניים וחומרים אורגניים אחרים. נעלי החיים ניזונים מהצמחים ; הצמחוניים במישרין והטורפים בעקיפין. מכאן, שהפוטוסינתזה היא המקור לחומרים האורגניים המשמשים לבנייה ולהפקת אנרגיה כימית בכל היצורים, צמחים ובעלי חיים.

החמצן הנפלט בפוטוסינתזה משמש לנשימת צמחים ובעלי החיים

החמצן, המשתחרר בתהליך הפוטוסינתזה, ממלא תפקיד חיוני בחייהם של הצמחים, בעלי החיים והאדם. רוב היצורים המוכרים לנו מפיקים בתהליך הנשימה את האנרגיה הדרושה להם, מחומרים אורגניים בהשתתפות חמצן. תהליך הנשימה בצמחים זהה לתהליך הנשימה בבעלי החיים. אלו וגם אלו מפיקים בתאיהם אנרגיה מפירוק גלוקוז לפחמן דו-חמצני ולמים, בתהליך הדורש חמצן. מכיוון שכך, גם הצמחים וגם בעלי החיים קולטים חמצן ופולטים פחמן דו-חמצני בתהליך הנשימה. תהליך הנשימה מתקיים בכל היצורים, ביום ובלילה, 24 שעות ביממה.

החמצן נדרש גם לקיומם של תהליכי בעירה שונים לשימוש האדם, כגון : חימום, בישול והפעלת מנועים. למרות השימוש הרב בחמצן נשאר ריכוזו באטמוספירה קבוע (כ-21%), וזאת מכיוון שתהליך הפוטוסינתזה, בצמחי המים והיבשה, משחרר חמצן בכמות השווה לכמות הנצרכת בתהליכי הנשימה ובתהליכי הבעירה השונים.

תהליך הפוטוסינתזה בצמחים הוא המקור הראשי לחמצן באטמוספירה. כדור הארץ, ככל הידוע לנו, היה בתקופה הקדומה כוכב חסר חמצן. בימים ההם היה עולמנו מאוכלס ביצורים, שהפיקו אנרגיה בהעדר חמצן. התפתחותם של הצמחים המבצעים את תהליך הפוטוסינתזה שינתה את התנאים על פני כדור הארץ, והעשירה את האטמוספירה בחמצן. בעלי החיים והצמחים שהיו להם מערכות מתאימות לקליטת החמצן ולניצולו, השתמשו בו בנשימה התאית. יצורים אלה הצליחו להפיק יותר אנרגיה מפירוק החומר האורגני. מאז ועד עתה תהליך הפוטוסינתזה מספק ליצורים שונים בכדור הארץ את החמצן הדרוש לנשימתם, בנוסף לתרכובות האורגניות.

המלחים נחוצים להתפתחותם התקינה של הצמחים

לקיומם של הצמחים, כמו לקיומם של בעלי החיים והאדם, נחוצים מלחים שונים. מה תפקידם של המלחים בצמח?
כאמור, הפחמימות והשומנים בנויים מאטומים של היסודות פחמן (C), מימן (H) וחמצן (O). ואמנם, לבניית רוב הפחמימות והשומנים אין צורך ביסודות נוספים.אולם לבניית החלבונים יש צורך גם ביסוד חנקן (N). אף שכמות החנקן באוויררבה ביותר (כ-80%), רוב היצורים החיים אינם מסוגלים להשתמש בחנקן גזי. הצמח קולט את החנקן מהקרקע בצורת מלחי חנקן.

מלחים אחרים משמשים לבניית חומרים בצמח ולוויסות תהליכים שונים בתאים : מלחי זרחן דרושים, בין השאר, לבניית החומר התורשתי (דנ"א) בתאים, מלחי מגנזיום דרושים לבניית כלורופיל ולפעילותם של אנזימים מסוימים, מלחי סידן נחוצים לבניית דופן התא ועוד. את כל המלחים הצמח קולט מהקרקע, כשהם מומסים במים.

החקלאים מוסיפים לקרקע דשנים המעשירים אותה במלחים. הדשנים מתחלקים לשתי קבוצות: א. "דשנים כימיים", המכילים מלחים בצורה מרוכזת וזמינה לצמחים. לדוגמה : חנקות, כמו חנקת האמון, המעשירות את הקרקע בחנקן ; זרחות המעשירות את הקרקע בזרחן ; ועוד. ב. "דשנים אורגניים", המכילים חומרים ממקור צמחי (לדוגמה קומפוסט) או הפרשות של בעלי חיים שונים : בקר, צאן, סוסים או עופות. דשנים אורגניים עשירים בעיקר בתרכובות חנקן. החומרים האורגניים שבדשן מתפרקים לחומרים אי-אורגניים על ידי היצורים המפרקים שבקרקע, וכך מעשירים אותה במלחים. הצמחים קולטים אפוא מהאדמה חומרים אי-אורגניים ולא חומרים אורגניים.