الماء

مقدمة

للماء أهمية خاصة تختلف عن باقي العوامل اللا إحيائية. الماء هو أحد المواد الأكثر إنتشارا على سطح الكرة الارضية. حيث أن ثلاثة أرباع سطحها مغطي بالماء. تنبع أهمية الماء للكائن الحي أولا، من كونه مركبا مهما في جسم كل الكائنات الحية. حوالي ثلثي وزن جسمنا مكون من الماء، ولا يمكننا العيش زمنا "طويلا" بدون الماء. البيئة الداخلية للخلايا هي بالاساس بيئة مائية، والماء ضروري لتنفيذ العمليات البيوكيميائية التي تحدث داخلها. عدا ذلك يساعد الماء في نقل المواد الذائبة داخل الخلية ومن مكان الى آخر في الجسم. واضح مما قيل حتى الآن أن نقص الماء يمكن أن يؤدي الى الضيق وحتى الموت. في المناطق القاحلة يمكن إيجاد ملاءمات مختلفة للحياة في بيئة فيها نقص بالماء. أمثلة على ذلك ستعرض فيما بعد. وحتى الزراعة التي تزود الانسان بمعظم غذائه، غير ممكنة بدون كميات كبيرة من الماء.

المياه هي أيضا بيئة حياتية خاصة وفريدة في نوعها. يعتقد الباحثون في علم التطور أن الخلايا الحية الاولى تطورت في مياه المحيطات القديمة. أشكال الحياة في الماء متنوعة جدا، وفي هذا الفصل سنتعرف على أمثلة من الملاءمات الخاصة للحياة في الماء.

الصفات الخاصة للماء

أهمية الماء الكبيرة لحياة الكائنات الحية نابعة من صفاته الخاصة

وهي:

1. جزيئات الماء هي جزيئات قطبية

 

كل جزئ ماء  مكون من ناحية كيميائية من ذرتي هيدروجين وذرة واحدة من الاكسجين. (تخطيط ب1 ـ 1). الكيميائيون الذين فحصوا مبنى جزيء الماء توصلوا الى استنتاج ان شكله هو كما يلي.

	"قطب" موجب

 

 

"قطب" سالب

 

تخطيط ب1 ـ 1: معادلة وتخطيط لجزيئ الماء

من التخطيط ب1 ـ 1 يمكن أن نرى أن جزيء الماء قطبي، لأنه       كما في المغناطيس، القطب الذي تتواجد فيه ذرات الهيدروجين ذو شحنة كهربائية موجبة، والقطب الذي يتواجد فيه الاكسجين يحمل شحنة كهربائية سالبة.

التقطب يؤدي الى:

1.  جزيئات الماء تجذب الواحدة الأخرى.

2.  جزيئات ماء تنجذب لجزيئات أخرى.

يتبين أن قسما كبيرا من الصفات الخاصة بالماء قابلة للتفسير على أساس صفة التقطب عند جزيئ الماء. مثلا: مواد عديدة تذوب في الماء، وينبع هذا الشيء من أن جزيئات مواد مختلفة قطبية أيضا، تنجذب لجزيئات الماء وهكذا تذوب داخلها.

مثل آخر: جزيئات الماء القطبية تنجذب لبعضها البعض بقوة وهكذا تكوِّن على وجه الماء سطحا  قويا

تجذب جزيئات الماء القطبية اليها جزيئات قطبية أخرى. عندما تجذب جزيئات الماء جزيئات ماء أخرى، تسمى الظاهرة تلاصقا  ، عندما يكون الجذب بين جزئيات أخرى تسمى الظاهرة التصاقا، التلاصق عند الماء هو التفسير لمسطح الماء القوي. هذه الصفة تمكن الحشرة الخفيفة من  المشي على سطح الماء.

الالتصاق عند جزيئات الماء لجزيئات أخرى هو أحد العوامل لارتفاع الماء في أوعية شعرية كما يحدث حقيقة في أجهزة النقل عند النباتات.

2.  يساعد الماء في المحافظة على درجة الحرارة.

أنت تعرف بالطبع أن معظم الكائنات الحية لا تستطيع العيش في درجات حرارة منخفضة جدا أو درجات حرارة مرتفعة جدا . للماء وظيفة مهمة في المحافظة على درجة الحرارة في البيئة المائية ـ بحيرات وبحار ـ وفي الكائنات الحية.

يستطيع الماء إستيعاب طاقة حرارية  كثيرة بدون أن ترتفع درجة حرارته بشكل كبير. والعكس ـ يمكن للماء أن يفقد طاقة كثيرة بدون أن يبرد بشكل حاد. وبسبب ذلك، لا تتغير درجة حرارة أجسام مائية كبيرة، مثل المحيطات، البحار والبحيرات الكبيرة، تغيرا "حاد" بالمقارنة مع درجة حرارة الهواء الذي حولها.

فكِّروا!

لماذا يكون الفارق في درجات الحرارة بين الليل والنهار في منطقة الشاطئ أقل بكثير من الفارق في مناطق البلاد الداخلية؟

الحرارة النوعية وحرارة التبخر

الحرارة النوعية  هي إحدى صفات المادة. وهي كمية الطاقة التي يجب بذلها لرفع درجة حرارة 1غم مادة درجة حرارة واحدة (مئوية). الحرارة النوعية للماء هي       4, 20جول/غم/1 درجة مئوية، وللمقارنة، الحرارة النوعية للبترول هي 2, 25 جول/غم/1 درجة مئوية. أي لتسخين 1غم ماء بدرجة مئوية واحدة يجب بذل طاقة أكثر من تسخين 1غم بترول.

حرارة تبخر الماء أيضا كبيرة جدا: لتحويل 1غم من الماء السائل بدرجة حرارة 100مئوية الى غاز (بخار) يجب بذل 536 سعر حراري. لو تذكرنا ما هو التعريف ل "السعر الحراري" (كمية الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1غم ماء درجة مئوية واحدة) سنفهم ان الطاقة اللازمة لتبخير 1غم ماء كافية لتسخين 536 غم ماء درجة مئوية واحدة!

إن كون كمية الطاقة اللازمة لتبخير الماء كبيرة يفسر كيف يبرِّد العرق الجسم. يستهلك تبخر العرق طاقة كبيرة مصدرها الجسم، وهكذا يبرد الجسم.

 3

.  يتمدد الماء عند التجمُّد

صفة أخرى مثيرة للاهتمام عند الماء هي التغير في الحجم عند التجمد. وليس كموعلى عكس مواد أخرى، للماء في وضع صلب ـ ثلج ـ حجم أكبر، أو للدقة، كتلة نوعية أصغر من تلك التي للماء في وضع سائل. لهذه الصفة علاقة بظاهرة مهمة تحدث في بحيرات المناطق الباردة في فصل الشتاء. طبقة الجليد، الخفيفة تطفو على سطح ماء البحيرة. تعزل الماء الذي تحتها وتمنع تجمدها. وهكذا يمكن للحياة أن تستمر حتى في فصل الشتاء البارد.

        نلخص الصفات المهمة للماء ومفهومها لحياة الكائنات الحية:

   1.  تزيد قطبية الجزيء قدرة الماء في إذابة المواد وهكذا تساعد      

         في نقلها.

 2.   للماء حرارة نوعية عالية وحرارة تبخر عالية. تؤدي هذه 

      الصفات الى محافظة الماء على درجة حرارة ثابتة نسبيا لدرجة 

      حرارة الهواء في محيطها ونتيجة لذلك يبرِّد تبخر العرق الجسم.

 3.  الكتلة النوعية للجليد أصغر من تلك التي للماء ولذا فهو يطفو 

     على سطح الماء. يمنع غطاء جليدي على سطح الماء تجمد مياه 

     البحيرات ويمكن من وجود حياة في البحيرات حتى في فصل 

     الشتاء.

أهمية الماء لحياة الكائن الحي

الماء مهم لحياة الكائنات الحية في كل مستويات التنظيم، ابتداء بالخلية وانتهاءا بالجهاز البيئي.

 

 n  الماء في الخلية

تحتوي خلايا الكائن الحي على نسبة عالية من الماء، 80% ـ 90% تقريبا. الخلية هي، في الحقيقة، بيئة مائية تحدث فيها العمليات التالية: بناء مواد، تحليل، مواد، انتاج طاقة، نقل مواد وغير ذلك.

يستعمل الماء في العمليات البيوكيميائية كمادة متفاعلة وكناتج، مثلا:

ــ  في عملية التركيب الضوئي يتحلل جزيئ الماء ويرتبط الهيدروجين بثاني أكسيد الكربون لانتاج السكر.

ــ  عند تحليل النشا لجزيئات صغيرة يشترك الماء كمادة متفاعلة في العملية.

ــ  ينتج الماء في عملية التنفس الخلوي (ماء أيض) ويشكل مصدر ماء مهم لحيوانات صحراوية.

ــ  تتحد الحوامض الأمينية معا خلال تخليق الزلاليات لانتاج سلسلة زلال. في هذه العملية يتحرر جزيئ ماء من كل رباط يتكون.

 n  الماء في حياة الكائن الحي

للماء عدة وظائف مهمة في حياة الكائن الحي:

1.  نقل مواد مذابة

تساعد قدرة الماء على إذابة مواد في نقل مواد مذابة من مكان الى آخر داخل الخلية نفسها وايضا بين أقسام الكائن الحي العديد الخلايا المختلفة.

في الكائنات الحية عديدة الخلايا الكبيرة والمتطورة تُنقل مواد من مكان الى آخر بواسطة أجهزة نقل. جهاز الدم هو نموذج لجهاز نقل كهذا، فيه ينقل أكسجين، مضادات، نواتج الهضم ومواد افراز مذابة.

سؤال

من أين والى أين ينقل الاكسجين، نواتج الهضم، ومواد الافراز عند الانسان؟

عند النباتات تُنقل أملاح مذابة من التربة وبواسطة الأوعية الخشبية الى كل أقسام النبتة حتى قمم الاشجار. تنقل نواتج التركيب الضوئي المذابة في الماء، من الاوراق الى كل أقسام النبات بالاساس بواسطة أنابيب اللحاء.

2. تنقل خلايا التكاثر بواسطة الماء.

 

توجد كائنات حية تعيش على اليابسة، وعلى الرغم من ذلك فإنها متعلقة بالماء لتكاثرها. مثلا: خلايا تكاثر (جاميطات) ذكرية عند الحزازيات والسرخسيات، وهي نباتات يابسة بسيطة، يمكنها الوصول الى المبيض وإخصاب البويضات داخله فقط بواسطة الماء، بالرغم من أن النبات نفسه لا يعيش في الماء.

مثلا آخر هو الضفدع وبرمائيات أخرى. يضع الضفدع بيوضه في الماء، والخلايا الذكرية تفرز في الماء أيضا. يتم الاخصاب في الماء، والدعموص الصغير الذي يتطور من البويضة المخصبة يقضي الفترة الاولى من حياته في الماء. بالرغم من أن الضفدعة البالغة قادرة على الحياة على اليابسة، فانها متعلقة بالبيئة المائية من أجل تكاثرها.

3.  المحافظة على انتصاب النباتات غير الخشبية (عشبية)

لا يوجد مواد خشبية في أجسام  النباتات الصغيرة والنباتات الحولية، انتصاب النبات وشكل الورقة يكون فقط بفضل الماء الذي يملأ الفجوة العصارية التي تحتل قسما كبيرا من حجم الخلية. ويسهل علينا ملاحظة أهمية الماء للمحافظة على انتصاب النبتة، عندما ننظر الى نباتات لم تسق ـ انها منكشمة وذابلة، أسقاؤها يعيد لها شكلها المنتصب. هذه المشكلة غير موجودة في أشجار معظم أقسامها صلبة وخشبية وحتى في حال نقص الماء فانها تبقى منتصبة. النقص بالماء في الاشجار يظهر واضحا، اذا، بالاساس في الاوراق والاغصان الصغيرة.

الماء كبيت تنمية

تشكل المياه في المحيطات، البحيرات والأودية بيت التنمية لكائنات حية مختلفة خلال كل فترة حياتها.

الماء هو بيت تنمية مريح جدا لأنه:

1.  لا يوجد خطر جفاف للخلايا.

2.  لا يوجد تغييرات متطرفة في درجة الحرارة بين الليل والنهار وبين فصول السنة.

3.  توجد مواد مذابة ضرورية لحياة الكائنات الحية في الماء.

4.  يوجد دعم كاف للكائن الحي الذي يعيش فيه، ويمكن ان تعيش في الماء كائنات حية ليس لها هيكل عظمي داخلي أو خارجي، مثل الهيدرا أو الميدوزا.

5.  يوجد تيارات مائية تسهل حركة الجاميطات (خلايا التكاثر) والكائنات الحية، ويمكنها الانجراف من مكان الى آخر بدون بذل طاقة كبيرة.

 ¨   الملاءمات للحياة في  الماء

صحيح أن الماء هو بيت تنمية مريح، لكن الكائن الحي الذي يعيش في الماء يضطر الى مواجهة مشاكل خاصة مثل:

ــ   تركيز منخفض للاكسجين المذاب.

ــ   انتشار كبير للماء والاملاح بين الكائن الحي والبيئة.

مواجهة هذه المشاكل أدت خلال عملية التطور، الى تطور ملاءمات لحياة الماء. اليك بعض الأمثلة.

1.  ملاءمة أعضاء التنفس لتركيز الاكسجين في الماء

يذوب الاكسجين في الماء بنسبة قليلة: في كل 1لتر ماء يذوب فقط 6 مللتر أكسجين (0.6% من حجم المحلول) بالمقارنة مع تركيز الاكسجين في الهواء والذي يساوي تقريبا 20% (أكبر بـ  30 مرة من الماء). ذائبية الاكسجين في الماء تقل مع الارتفاع في درجة الحرارة. مبنى الخياشيم في الاسماك ملائم لنقل كميات كبيرة من الماء على سطح أوعية الدم في الخياشيم، وهكذا يستوعب الاكسجين بنسبة كبيرة .

سؤال

أ.  على أي مبدأ يعتمد مبنى الخياشيم.؟ كيف يلائم هذا المبنى الحياة في ماء نسبة الاكسجين فيه منخفضة؟

ب. إعطوا أمثلة أخرى تعتمد على نفس المبدأ، في أعضاء أخرى.

2.  إفراز فائض الماء في كائنات حية تعيش في مياه عذبة

في الكائنات الحية التي تعيش في مياه عذبة (ماء تركيز الاملاح فيها منخفض) تحدث اسموزا للماء من البيئة الخارجية الى داخل الكائن الحي.

تذكر: الاسموزا هي ظاهرة حركة الماء (مذيب) عن طريق غشاء شبه نفاذ، حسب منحدر تركيز الماء وتركيز المذابات فيه.

         كيف يحدث هذا الأمر؟

تركيز الاملاح داخل الكائن الحي أعلى من تركيز الاملاح في المحيط المائي، ولذا ينتقل الماء من المحيط الخارجي الى داخل الكائن الحي. تحدث هذه الظاهرة في كائن حي وحيد الخلية. مثل البراميسيوم، وأيضا في كائنات حية عديدة الخلايا، مثل سرطانات، رخوِّيات وأسماك على أنواعها المختلفة.

       كيف تواجه الكائنات الحية فائض الماء؟

في كائنات حية مختلفة تطورت آليات وأعضاء لمواجهة فائض الماء. للبراميسيوم وحيدة الخلية التي تعيش في مياه عذبة، يدخل ماء بسبب منحدر التراكيز. يتم إبعاد فائض الماء بواسطة الفراغ المنقبض الذي يمتلئ من مرة الى أخرى ويفرغ باستمرار.

يوجد في الكائنات الحية عديدة الخلايا أجهزة إفراز وظيفتها إبعاد فائض الماء. ومع الماء الفائض تبْعد أيضا مواد إفراز مختلفة مذابة فيها. الكلى في الحيوانات الفقرية هي قسم من جهاز الافراز الذي يساعد في إبعاد فائض الماء. لكن في نفس الوقت في المحافظة عليه في حالة النقص بالماء. الكلى، اذا هي عضو إتزان بدني ينظم كمية الماء والاملاح في الجسم.

3.  إفراز فائض الاملاح في بيت تنمية مائي ـ مالح.

في بيوت التنمية المائية لكن المالحة، مثل المحيطات أو البحيرات المالحة تواجه الحيوانات مشكلتين:

أ.  تراكم أملاح في الجسم نتيجة إنتشار (مéôهوéن) الاملاح من مكان تركيزها العالي ـ ماء البحر ـ الى مكان يكون تركيزها فيه منخفض أكثر ـ داخل الكائن الحي. أملاح كثيرة ضرورية لفعالية الكائن الحي الصحيحة والمنظمة، لكن تراكمها  بكمية كبيرة يمكن أن يؤدي الى  خلل في عمل الخلايا. الضرر الذي يمكن أن يحدث مضاعف: من جانب واحد يمكن لعضّيات ذات غشاء داخل الخلية أن تخسر ماء بالانتشار (اسموزا)، ويتضرر عملها (ارتفاع تركيز الاملاح في السيتوبلازم تؤدي الى خروج ماء من العضّي). من جانب آخر للاملاح نفسها يمكن أن يكون تأثير سلبي (تسمم) على العمليات في الخلية.

ب. خسارة ماء من الكائنات الحية الى بيئتها (لماذا؟).

هاتان المشكلتان قائمتان في كائنات حية تركيز الاملاح داخل جسمها أقل من تركيز الاملاح في بيئتها. لكي نفهم كيف يواجه كائن حي يعيش في البحر هاتين المشكلتين نفحص ماذا يحدث في سمكة (من مجموعة الاسماك العظمية) تركيز الاملاح في جسمها أقل من تركيزه في ماء البحر. نتيجة لذلك: (أ) تدخل أملاح الى السمكة وَ (ب) تخسر ماء عن طريق سطح جسمها.

ثلاث أنظمة تساعد السمكة في المحافظة على موازنة الماء والاملاح .

1.   شرب كميات كبيرة من ماء البحر.

2.   إفراز فائض أملاح وأمونيا (مواد إفراز نيتروجينية) بواسطة خلايا خاصة في الخياشيم.

3.   إفراز كمية قليلة فقط من البول. 

إنتبهوا تتم المحافظة على موازنة الماء  في نفس الوقت مع المحافظة على موازنة الاملاح. الأنظمة الموجودة في الحيوانات التي تعيش في البحر، وتلك التي تعيش على اليابسة، تعمل على تنظيم ميزان الماء والاملاح والمحافظة عليهم معا. وبالاستعانة بهذه الأنظمة يتم المحافظ على الاتزان البدني (نهîéàهٌèàوéٌ)، أي: يحافظ على بيئة داخلية ثابتة، على الرغم من التغيرات في البيئة الخارجية.

مواجهة النقص بالماء

كما ذكر أعلاه، يمكن أن نفهم أن الحياة غير ممكنة بدون الماء (على الأقل في الشكل المعروف لنا). حل المشاكل المتعلقة بالنقص بالماء معقد جدا. وقد ذكرنا سابقا أن باحثي علم التطور يعتقدون أن الحياة بدأت بالتطور في الماء، وفقط بعد ذلك تطورت الحياة على اليابسة.

الماء ليس متوفرا دائما على اليابسة وغير موجود في كل مكان. عدا ذلك فان الهواء الجاف يؤدي الى تبخر كبير للماء من السطح الخارجي للكائن الحي ولخسارة الماء. تطور الحياة على اليابسة كان ممكنا بعد أن تطورت خلال عملية التطور ملاءمات مختلفة للحياة على اليابسة. بجانب التنوع الكبير لاشكال الملاءمة هذه، والتي قسم منها سيشرح فيما بعد، توجد ثلاث أشكال ملاءمة مشتركة لكل الكائنات المتكيفة للحياة على اليابسة:

1. تغطية سطح الجسم بغطاء غير نفّاذ للماء

جلد الحيوانات، طبقة الشمع  (÷هèé÷هىن) عند النباتات والحشرات تمنع تبخر ماء من سطح الجسم.

2. الدفاع عن المناطق التي يحدث فيها تبادل غازات مع الهواء.

القصد هنا هو لتبادل الغازات والتي هي قسم من عملية التنفس (التي تحدث في كل الكائنات الحية هوائية التنفس) ولتبادل الغازات في التركيب الضوئي. تبادل غازات يمكن أن يحدث فقط عندما يكون سطح الخلايا رطب.

عند الثدييات وحيوانات أخرى يحدث تبادل الغازات في الرئتين، وتثبت داخل جسم الكائن الحي بعيدة عن خطر الجفاف. أوعية خاصة تربط بينها وبين الهواء الخارجي، إستيعاب الاكسجين وثاني أكسيد الكربون في خلايا النباتات يتم أيضا عن طريق الجدران الرطبة للخلايا. نظام الاقفال عن الثغور تحفظ داخل الورقة من الجفاف عندما يتواجد النبات في وضع نقص بالماء.

 3. تكاثر غير متعلق بالماء

تفرز خلايا التكاثر الى الماء في البيئة المائية وهناك يحدث اللقاء بينها والاخصاب. لكن، خلايا التكاثر ـ الخلية الذكرية والبويضة ـ غير قادرة على البقاء في الهواء الجاف.

      كيف تُنقل خلايا التكاثر بين الكائنات الحية على اليابسة. وكيف يتم اللقاء، بينها؟

عند النباتات (تلك التي يتم فيها إخصاب ذاتي وتلك التي يتم فيها إخصاب متبادل) تصل حبيبة اللقاح، ولها غطاء غير نفاذ للماء من المتوك الى الميسم. بعد أن تثبت حبيبة اللقاح تستعمل إحدى نويّاته لإخصاب البويضة المختبئة جيدا داخل المبيض.

عند الزواحف، الطيور والثدييات الاخصاب داخلي، خلايا التكاثر الذكرية تدخل الى جسم الانثى وهي غير معرضة للهواء الخارجي الجاف.

بعد الإخصاب يصان الجنين من الجفاف. وعند النباتات محميٌّ بواسطة أغطية البذور، عند الطيور يحفظ داخل بيضة تحتوي محلولا مائيا وهي ذات قشرة غير نفاذة للماء. وعند الثدييات فإنه يتطور داخل البيئة المائية في رحم أمه.

بعد أن وصفنا أشكال الملاءمة المميزة لكل الكائنات الحية التي تعيش على اليابسة، سنصف وبشكل منفرد أشكال الملاءمة عند النباتات والحيوانات.

  n  أشكال الملاءمة عند النباتات للحياة على اليابسة

    إستيعاب الماء

يتم إستيعاب الماء عن طريق الجذور. يستوعب الماء في أطراف الجذور التي تتواجد فيها ما يشبه "شعيرات" تسمى شعيرات ماصة. الشعيرات الماصة دقيقة جدا ومساحة سطحها كبيرة جدا بالنسبة لحجمها. وهكذا تزداد مساحة السطح الكلي للجذور. وعن طريق الشعيرات الماصة يتم إمتصاص الماء والمذابات. يوجد أحيانا لنباتات الصحراء شبكات جذور عميقة ومتشعبة، وهكذا يزداد حجم التربة التي يمتص النبات الماء منها

 سؤال

عندما نفحص جذور نباتات نجد أن الشعيرات الماصة موجودة بالاساس في الاقسام الصغيرة والتي تنمو بسرعة عند الجذر. ماذا يمكن أن تكون أفضلية هذا الوضع للنبات ؟

المحافظة على الماء

مياه كثيرة تنتقل من الجذور عن طريق النبات كله وتتبخر للبيئة الخارجية بالاساس عن طريق الثغور في الاوراق. كمية الماء التي تُنقل في النبات أكبر بكثير بالنسبة لكمية الماء التي يستهلكها النبات في فعّالياته الكيميائية، لنقل المواد والمحافظة على

 

     ما سبب خسارة الماء الكبيرة في النباتات؟

الاجابة هي أن إستيعاب  الضروري لعملية التركيب الضوئي يتم عن طريق الثغور.

 

كل الوقت الذي تكون فيه الثغور مفتوحة، يستوعب ، لكن في نفس الوقت ينطلق من خلالها بخار ماء كثير الى الهواء، والذي رطوبته منخفضة بالنسبة للرطوبة داخل الورقة.

عملية إنطلاق بخار الماء من الورقة يسمى نتح أي: يرافق عملية التركيب الضوئي خسارة ماء.

الأفضلية في مبنى الثغور  ونظام عملها هو أنه في أغلبية النباتات تقفل في الظلمة، عندما لا يكون ضوء لتنفيذ التركيب الضوئي، وهكذا تمنع خسارة ماء زائدة.

عدا ذلك، فأنها لا تقفل فقط في الظلمة، وانما في وضع نقص ماء في النبات أيضا. وعندما تقفل الثغور تمنع خسارة ماء، لكن في نفس الوقت يمنع دخول  ونسبة التركيب الضوئي تقل.

سؤال

مبنى الورقة عبارة عن حل وسط بين الملاءمة لتنفيذ التركيب الضوئي والملاءمة للمحافظة على موازنة ماء إيجابي.

فسر هذا القول.

خلال عملية التطور تطورت في النباتات أشكال ملاءمة مختلفة تمكنها من الحياة في بيئة جافة. أمثلة لأشكال ملاءمة كهذه:

1. ملاءمة دورة الحياة لتوافر الماء.

2. الملاءمة في المبنى (مورفولوجية).

3. أشكال ملاءمة فسيولوجية ـ بيوكيميائية.

1.  ملاءمة دورة الحياة لتوافر الماء

تبدأ دورة حياة نبات حولي ببذرة وتنتهي بانتاج جيل جديد من البذور ونشرها. دورة حياة يحدث فيها انبات البذور، النمو، الازهار، ونضوج الثمار كلها في زمن يتوفر فيه الماء بكثرة.  هذه هي إحدى الطرق لمواجهة النقص بالماء.

عند النباتات الحولية في البلاد، تبرز ظاهرة الانبات مع بداية موسم المطر وإكمال دورة الحياة حتى بداية الصيف.

يمكن النظر الى مجرى حياة نبات حولي وكأنها "تهرب" من مواجهة مصاعب الصيف الجاف. البذور صامدة جدا أمام الجفاف ويمكنها إجتياز الصيف بوضع سبات ومن ثم الاستيقاظ والانبات مع قدوم المطر في الخريف.

تأثير النقع بالماء على تفجر ثمار نبات (ّéٌï ًàëى)

زمن النقع (بالدقائق)	% الثمار التي  تفجرت
5 10 20 40 60 180	صفر 2 8 36 52 52

دورة الحياة القصيرة عند النباتات الحولية هي طريقة واحدة من طرق البقاء في المناطق التي يوجد فيها موسم جفاف. ظاهرة مماثلة موجودة أيضا عند النباتات المعمرة. النباتات ذوات البصيلات أو الدرنات تحت الأرضية، مثل البصيل أو العنصلان، يتم معظم النمو في الموسم الماطر. بينما يمر النبات بالموسم الجاف وكل أقسامه فوق الأرضية جافة وميتة. ما عدا عضو الخزن تحت الأرضي فإنه يحفظ للموسم القادم. ويحدث النمو في الخريف مع قدوم الموسم الماطر.

2.  ملاءمات في المبنى تساعد في توفير الماء

يوجد عند النباتات أشكال ملاءمة عديدة في مبنى الورقة والساق والتي تقلل من خسارة الماء.

أمثلة:

أ.  غطاء شمعي ( ÷هèé÷هىن) سميك: أوراق الخروب.

ب. ثغور منغرسة أو مغطاة بالشعيرات، مثال: الزيتون.

جـ. مساحة سطح أوراق صغيرة، أو تساقط أوراق في الصيف، مثلا: أوراق صيف وأوراق شتاء عند البلان ورتم الصحراء.

د.  اسطوانية الأوراق مثال صديق الرمال .

 

3. ملاءمات فسيولوجية ـ بيوكيميائية

نباتات CAM: تركيب ضوئي مع ثغور مقفلة.

كما قلنا، استيعاب  اللازم للتركيب الضوئي يمكن أن يحدث فقط عن طريق الثغور المفتوحة، لكن عن طريقها يخسر النبات كميات كبيرة من الماء. خسارة الماء في النتح يتأثر أيضا بالظروف الفيزيائية في البيئة ويزداد خلال ساعات الضوء عندما تكون درجة الحرارة عالية والرطوبة منخفضة. تقليل خسارة الماء عن طريق إقفال الثغور تؤدي أيضا الى تقليل نسبة التركيب الضوئي.

عند نباتات CAM تطورت نظام فسيولوجية ـ بيوكيميائية تعمل بالطريقة التالية: تُفتح الثغور في ساعات الليل، ويستوعب  عن طريقها في هذه الساعات، ثم يرتبط بعملية كيميائية بمركب خاص وهكذا يحفظ هناك.

عند فتح الثغور في الليل يتبخر الماء عن طريقها. لكن هذه الكمية أقل من الكمية التي كانت ستتبخر خلال ساعات اليوم (لماذا؟). خلال ساعات اليوم، وفي ساعات الضوء، لا تفتح الثغور، لكن عملية التركيب الضوئي تتم بمساعدة  الذي إستوعب وخزن في ساعات الليل وضوء الشمس.

مصدر الاسم CAM

النظام  الذي  وصف هنا، موجود في بعض العائلات النباتية. وتنتشر بشكل خاص عند نباتات عائلة المخلدات ( Crassulaceae )  ومن هنا مصدر الاسم Crassulaceae Acid Metabolism وباختصار CAM .

عمل

(الصبر)  ِلّ, àنى, èلهّéْ, ِهّéْ, أمثلة لأنواع نباتات ذات نظام CAM وتنمو في البلاد.

1. رتبوا جدولا يلخص صفات اثنين من هذه النباتات.

خذوا بالحسبان مبنى الورقة، المبنى الداخلي التشريحي، منطقة النمو وغير ذلك

2. لخصوا أشكال ملاءمات عند هذه النباتات للحياة في بيئة فقيرة بالماء.

 n  ملائمات لتوفير الماء عند حيوانات اليابسة

الحيوانات تأخذ الماء وتخسر الماء. مصادر الماء وطرق خسارتها ملخصة في الجدول 1 ـ 1.

الجدول 1 ـ1: مصادر المياه وطرق خسارة الماء عند الحيوانات

الحصول على الماء (مصادر الماء)	طرق خسارة الماء
ــ  الشرب. ــ  غذاء: فواكه وأجزاء نباتية أخرى، لحوم. ــ  منتوجات الاكسدة (ماء أيضي)	ــ  تبخر عن طريق سطح الجسم. ــ  تبخر عن طريق أعضاء التنفس. ــ  افراز ماء في البراز والبول.

عند الحيوانات كما هو عند النباتات، يوجد أنواع مختلفة من الملاءمات التي تساعد في توفير الماء. قسم منها قد وصف وسنشرح هنا نوعين إضافيين من الملاءمة:

1.  ملاءمة سلوكية

2.  ملاءمة فسيولوجية بيوكيميائية

1.ملاءمة سلوكية

خسارة ماء من سطح الجسم نتيجة التبخر يشكل مشكله جدية عند حيوانات جلدها الخارجي رطب مثل دودة الأرض أو الضفدع. كمية الماء المتبخرة عن طريق سطح الجسم كبيرة جدا، وتصل عند دودة الارض حتى  0.400ملغم (ملغم = 0100/1غم) من الماء في الساعة لكل سم² من سطح الجسم، وعند الضفدع حتى  0.300 ملغم/ساعة/1سم². تقلل دودة الارض والضفدع خسارة الماء بأن يعيشوا في أماكن مظلمة ورطبة ـ داخل التربة أو بين النباتات المتشابكة بجانب المجمعات المائية بحيث لا تكون معرضة للشمس.

2.  ملاءمة فسيولوجية بيوكيميائية

سنعرض هنا ثلاث ملاءمات فسيولوجية ـ بيوكيميائية:

أ.  إمتصاص رجعي للماء في الامعاء والكلية

قسم كبير من الماء المنقول في جهاز الهضم لا يفرز مع البراز وانما يعاد إمتصاصه عن طريق الامعاء الى الدم. بالاضافة الى ذلك قسم من الماء المرشح في الكلية (في منطقة تسمى ألتواء هنلي) يعاد إمتصاصه في الجسم ولا يفرز في البول.

ب. إفراز مواد زائدة نتروجينية صلبة

في بول الحيوانات تفرز أيضا مواد زائدة نيتروجينية مذابة به. مثل اليوريا، لكن إفراز بول كثير معناه أيضا خسارة ماء كبيرة.

عند الحشرات، الزواحف وطيور عديدة تفرز المواد الزائدة النتروجنية ليست على شكل يوريا مذابة في الماء، وإنما كحامض يوريك غير قابل للذوبان في الماء، ولذا لا يرافق إفرازه خسارة بالماء. إفراز مواد زائدة نتروجينية على شكل حامض يوريك، غير قابل للذوبان، هو نوع من الملاءمة يقلل من امكانية خسارة الماء عند الكائن الحي.

جـ. إستعمال ماء أيضي كمصدر للماء

عند أكسدة مواد عضوية في الغذاء، كما يحدث في التنفس الخلوي، يرتبط الاكسجين للهيدروجين ويتكون ماء (انظر المعادلة). هذا هو ماء أيضي.

    كم من الماء يتكون من أكسدة مواد عضوية في الغذاء؟

حول هذا يمكنك التعلم من المعطيات في الجدول 1 ـ 2.

جدول 1 ـ 2: كمية الماء المستخرجة عند أكسدة 1غم من المادة العضوية

مادة عضوية	ماء ينتج عند أكسدة 1غم مادة (بالغرامات)
زلال نشا دهن	0.39 0.56 1.07

الماء الأيضي هو مصدر ماء مهم للثدييات الصغيرة التي تعيش في الصحراء مثل اليربوع، والتي غذاؤها بالاساس بذور جافة.

دورة الماء

الماء هو أحد المواد المنتشرة في المجال الحيوي، ككل المواد الأخرى يمر الماء بشكل دوري بين المركبات المختلفة للجهاز  البيئي. بيِّن المركبات الاحيائية والمركبات الا احيائية.

حركة الماء الاساسية في دورة المياه هي :

1. تبخر ماء البحيرات، البحار والمحيطات بواسطة الطاقة الشمسية. وعملية النتح من نباتات اليابسة.

2. نقل مياه جويّة (كغيوم) من مكان الى آخر.

3. تسرب المياه الى التربة كرواسب (مطر، برد، ثلج).

4. جريان ماء من اليابسة الى البحر (تدفق من أعلى).

الطاقة الشمسية التي تبخر مياه المحيطات هي، "القوة المحركة" لدورة

الماء.

لقد تم جمع المادة من كتاب "فصول في علم البيئة"

من تاليف د. روت امير, مركز تدريس العلوم,

 الجامعة العبرية في القدس