وجدتها! اكتشاف التمثيل الضوئي

2024 مؤلف: Sherilyn Boyd | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 09:38

أول نظرية شعبية في الحياة النباتية جاءت من أحد أهم العلماء في التاريخ ، الفيلسوف اليوناني القديم أرسطو. وكتب في القرن الرابع قبل الميلاد أن النباتات تستمد التغذية عن طريق امتصاص التربة الغذائية من خلال جذورها. كان عمله مؤثرا جدا على الفكر الغربي بأن هذه هي النظرية السائدة حول نمو النبات لمدة 2000 سنة. لم يكن حتى القرن السادس عشر ، عندما بدأت الثورة العلمية في أوروبا أن بدأ الناس يحاولون ، على الأقل ، تطبيق التفكير العقلاني على الأسئلة العظيمة اليوم. وحياة النباتات حصلت أخيرا على نظرة أقرب.

زراعة البذور

في أوائل القرن السابع عشر ، أجرى الكيميائي الفلمنكي يان بابتستا فان هيلمنت تجربة كان يعتقد أنها ستثبت أن نظرية أرسطو خاطئة - وهو شيء تقريبًا ما يمكن القيام به في ذلك الوقت. قام Van Helmont بتجفيف كمية كبيرة من التربة في الفرن (لإخراج كل الماء منه حتى يتمكن من وزن التربة نفسها فقط) ووضع 200 رطل منها (بالضبط) في وعاء كبير. ثم قام بزراعة شجرة صفصاف شتلة ، قام بوزنها بعناية ، في الوعاء.

أبقى الشجرة في بيئة مضبوطة لضمان عدم حصولها على تغذية من أي مصادر خارجية. كان يسقيها بمياه الأمطار المقطرة والنقية وحافظ على تغطيتها حتى لا تسقط عليها أية مواد غريبة. بعد خمس سنوات أزال الشجرة من الوعاء ، وأعيد تجفيف التربة ، ووزن كل من التربة والشجرة. النتيجة: كانت الشجرة قد اكتسبت 164 رطلاً ، وكانت التربة تزن تماماً كما كانت قبل خمس سنوات. إذا كانت نظرية أرسطو صحيحة ، يجب أن تكون التربة قد نضبت بشكل كبير.

لم يظهر فان هيلمونت فقط أن أرسطو كان مخطئًا ، فقد أثبت أيضًا نظريته الخاصة: أن النباتات تنمو عن طريق امتصاص المياه من خلال جذورها وتحويل تلك المياه إلى أنسجة نباتية. إلا أن نظرية فان هيلمونت كانت خاطئة أيضًا. لكن لا يهم: شخص ما قد ركل أرسطو العظيم إلى الرصيف ، وبهذا فقد بشر في حقبة جديدة تماما من علم النبات.

علاوة: في عام 1630 ، في تجربة أخرى ، أحرق فان هيلمونت 62 رطل من الفحم المصنوع من الخشب في حاوية مغلقة. بعد ذلك ، كان يزن الرماد: وزنه رطل واحد فقط. أين ذهب ال 61 رطلا؟ خلص فان هيلمون إلى أن بعض الفحم أصبح "روحًا برية" أو "غازًا" ، وهو كلمة ابتدعها من الكلمة اليونانية "الفوضى". وعلى الرغم من أنه وصفها بأنها "غاز الخشب" ، فقد اكتشف فان هيلمونت نشبع. وهذا الاكتشاف سوف يثبت أنه ذو قيمة خاصة للعلماء في المستقبل.

وقت الهواء

سافر الخبر أكثر من ببطء في تلك الأيام ؛ استغرق الأمر 50 عامًا لإثبات أن نظرية فان هيلمونت المائية للنباتات كانت مضللة ، وبعد 50 عامًا أخرى قبل حدوث القفزة العظيمة التالية في علم النبات.

في العشرينيات من القرن التاسع عشر ، بدأ عالم الفيزياء البريطاني ستيفن هاليز ، الذي كان قد صنع اسمًا لنفسه في دراسة الحيوانات ، في إجراء التجارب مع النباتات. في واحدة منها ، أرفقت هاليز أنابيب زجاجية طويلة (قطر 1/4 بوصة) إلى نهايات فروع قطع النباتات ، وقاست إلى أي مدى يمكن دفع الأنبوب إلى أعلى الأنابيب (وجد ، على سبيل المثال ، أن يمكن العنب دفع النسغ إلى ارتفاع ما يقرب من 25 قدم). لكن هاليس لاحظ شيئًا آخر أثناء تجاربه: غالبًا ما ظهرت الفقاعات في المعنى القائل بأن الفروع المقطوعة كانت تنبعث الهواء وكذلك النسغ. هذا ، جنبا إلى جنب مع أدلة أخرى تراكمت في سنوات من التجارب ، قاد هاليز إلى الاعتقاد بأن النباتات تمتص وطردت الهواء ، في الواقع ، "التنفس" بطريقتهم الخاصة. لم تكن هذه هي المرة الأولى التي تقترح فيها الفكرة ، لكنها المرة الأولى التي يقترحها هذا العالم البارز. عمل علماء آخرون على النظرية على مدى العقود التالية ، ولكن دون نجاح يذكر.

مرت 50 سنة أخرى. ثم في عام 1770 ، قرر العالم البريطاني جوزيف بريستلي الاستمرار في المكان الذي تركه هاليس ، وجعل أحد أهم الاكتشافات على الإطلاق في علم النبات.

هجوم غاز

كان من المعروف في هذا الوقت أن الشمعة المضاءة مع جرة موضوعة فوقها ستخرج قريباً (بسبب نقص الأكسجين ، على الرغم من أن ذلك لم يكن مفهوماً بعد ذلك). توسّعت بريستلي على التجربة ، ووجدت أن فأرة بها جرة موضوعة فوقها ستفقد وعيها قريباً ، وإذا ما تُركت في الجرة لفترة طويلة ، فستموت. كانت النظرية التي أوضحت هذه الظاهرة في ذلك الوقت هي أن النار ، و "الفئران الخاصة بالتنفس" بطريقة ما "سدت" الهواء ، مما جعله نقيًا بشكل تدريجي.

لكن الأهم من ذلك بكثير كان اكتشاف بريستلي القادم. إذا وضع نباتًا حيًا تحت جرة مع شمعة مضاءة ، أحترقت الشمعة أطول من المعتاد. وإذا وضع نباتًا تحت جرة به فأرًا ، فإن الفأر سيبقى أطول بأربع مرات من دون النبات. هذا ، كما تتخيل ، كان اكتشافًا مذهلاً.من دون إدراك ، اكتشف بريستلي أن النباتات تنبعث منها الأكسجين. (على الرغم من أن الأكسجين لم يتم التعرف عليه بشكل صحيح إلا بعد بضع سنوات من تجارب بريستلي.)

ها هي الشمس تأتي

أثبتت تجارب بريستلي أن النباتات فعلت شيئًا ما. لم يعرف أحد ما ، لكنه كان خطوة هائلة إلى الأمام ، وبعد بضع سنوات فقط ، في 1778 ، أعاد الطبيب الهولندي يان إنجنهاوز تكرار تجارب بريستلي ، ولكن هذه المرة بعنصر مضاف وعبقري: أبقى بعض الجرار والنباتات في الظلام ، وعرض الآخرين لضوء الشمس. من خلال تلك التجارب اكتشف Ingenhousz أن الشمعة ستحترق لفترة أطول ، وسيتم إحياء الفأر من خلال وجود نبات في الجرة … فقط إذا تعرض النبات لأشعة الشمس المباشرة. ما أثبته هذا هو أن النباتات فعلت شيئا للهواء ، ولكن فقط بمساعدة الشمس. مرة أخرى ، تحول العلم رأسه.

تابع إنجنهوز تجربته اللامعة بمحاولة التوفيق بين استنتاجاته ونظريته غير الرائعة التي كانت موجودة منذ منتصف القرن السابع عشر. وقال إن ما تفعله النباتات في تجربته هو تطهير الهواء من الشوائب المعروفة باسم الفلوجستون ، والتي كان من المفترض أنها تنتج عن النار ومخلوقات التنفس ، من بين أمور أخرى. (نظرية فلوجستون كانت مفترضة لشرح عمليات الأكسدة مثل النار والصدأ.) لذا مرة أخرى ، كان عالما ذكيا عظيما (لعصره) خاطئا. واستغرق الأمر أنطوان لافوازييه ، الكيميائي الفرنسي الذي كان قد حدد الأكسجين في وقت سابق كعنصر ، لدحض نظرية اللاهندسين ، مما يثبت بدلاً من ذلك أن ما تفعله النباتات بالفعل هو إطلاق الأوكسجين في الهواء.

واحد من أصلين لا بأس

لقد كان ما يقرب من 2000 سنة منذ أن قام أرسطو بمحاولة علمية لفهم النباتات ، وحوالي 200 عام منذ كشف جان باتيستا فان هيلمونت عن أرسطو وشرع في العصر الحديث لعلم النبات. في هذه المرحلة ، كانت الخطوات النهائية نحو فهم العلم البدئي على الأقل وراء التمثيل الضوئي قاب قوسين أو أدنى. ومن هنا ، بدأت الأمور تتحرك بسرعة كبيرة.

كان السؤال الكبير التالي هو: إذا كانت النباتات تنبعث منها الأكسجين ، فمن أين أتت؟ تم الإجابة على هذا السؤال في عام 1782 عندما أثبت عالم النبات السويسري جان سينبييه ، أثناء التوسع في تجارب Ingenhousz ، لأول مرة أن النباتات تمتص ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتكسره. وقال إن هذا هو المكان الذي جاء منه الأكسجين. (خطأ مرة أخرى ، لكنه كان وقتا طويلا حقا قبل أن تم دحض هذه النظرية.) على الجانب الإيجابي ، استطاع Senebier أيضا أن يثبت أنه الأجزاء الخضراء من النباتات ، بدلا من الأجزاء غير الخضراء ، مثل الزهور ، هذا فعل هذا. هذا هو الجزء الذي حصل عليه بشكل صحيح.

لذا: تقوم النباتات بامتصاص ثاني أكسيد الكربون ، وتستخدم الطاقة من الشمس لتكسيرها ، وتحويل الكربون في ثاني أكسيد الكربون إلى نسيج نباتي ، وتنبعث منه الأكسجين.

وجدتها!

وقد وصلت أخيرا آخر قطعة كبيرة في أحجية التركيب الضوئي في عام 1804 ، من الكيميائي السويسري نيكولاس دي سوسور ، الذي أثبت أن الكربون الذي يمتصه النبات من ثاني أكسيد الكربون الممتص لا يمكن أن يكون كافيا لتفسير نمو الألياف النباتية. كان لابد من وجود شيء آخر - واقترح أنه كان الماء (الذي عرف علماء النبات بالفعل تم امتصاصه من قبل النباتات من خلال جذورها). كما أثبت أن النباتات تعتمد على امتصاص النيتروجين من التربة. انه كان على حق في كلتا الحسابات.

وقد أتت قرون الأسئلة والتجارب والفشل والنجاحات في النهاية ، وتم فهم العملية الأساسية التي من خلالها تحصل النباتات على التغذية والنمو. كانت هناك العديد من التفاصيل لجسدت على مدى السنوات التي تلت ذلك (لا سيما اكتشاف الكلوروفيل الاشياء داخل الخلايا النباتية التي تقوم بالتحويل الفعلي لأشعة الشمس إلى طاقة - مما يجعل النباتات خضراء) ، ولكن تم اكتشاف العملية الأساسية في النهاية.