تنفس گیاهی: تبادل گاز در گیاهان از طریق روزنه‌ها
تنفس گیاهی چیست و چرا اهمیت دارد؟
همان‌طور که انسان‌ها و حیوانات برای زنده ماندن نفس می‌کشند، گیاهان نیز نیاز به تنفس دارند. تنفس سلولی فرآیندی است که در آن گیاهان مواد قندی (گلوکز۵) تولید شده در فتوسنتز را در حضور اکسیژن تجزیه می‌کنند تا انرژی مورد نیاز برای فعالیت‌های خود را آزاد کنند. این انرژی برای رشد ریشه، جذب آب و مواد معدنی، ساخت گل و میوه و حتی ترمیم آسیب‌ها استفاده می‌شود. بدون تنفس، گیاه قادر به استفاده از غذای تولید شده در فتوسنتز نخواهد بود و از بین خواهد رفت.
برای درک بهتر، یک کارخانه را تصور کنید که مواد اولیه (گلوکز و اکسیژن) را دریافت می‌کند و پس از یک سری فرآیند، محصول نهایی (انرژی) را تولید می‌نماید. ضایعات این کارخانه نیز گاز دی‌اکسید کربن و آب است. معادله کلی این فرآیند به صورت زیر است:
روزنه‌ها: دروازه‌های هوشمند تبادل گاز
گیاهان بینی ندارند! پس گازهای مورد نیاز برای تنفس و فتوسنتز چگونه وارد و خارج می‌شوند؟ پاسخ در ساختار کوچک و بسیار هوشمندانه‌ای به نام روزنه نهفته است. روزنه‌ها منافذ کوچکی هستند که عمدتاً در سطح زیرین برگ‌ها قرار دارند. هر روزنه از دو سلول محافظ۶ bean-shaped تشکیل شده که می‌توانند باز و بسته شوند.
زمانی که سلول‌های محافظ پر از آب باشند، متورم شده و روزنه باز می‌شود. این حالت معمولاً در روز و هنگام وجود نور رخ می‌دهد تا دی‌اکسید کربن مورد نیاز برای فتوسنتز وارد برگ شود. زمانی که گیاه آب کافی نداشته باشد یا در شب که فتوسنتز متوقف می‌شود، سلول‌های محافظ آب خود را از دست داده و روزنه بسته می‌شود تا از هدررفت آب جلوگیری کند. این مکانیسم هوشمندانه، تعادل بین جذب گاز و حفظ آب را برقرار می‌کند.
| ویژگی | فتوسنتز | تنفس |
|---|---|---|
| هدف اصلی | تولید غذا (گلوکز) از نور خورشید | تولید انرژی (ATP) از تجزیه غذا |
| محل انجام | کلروپلاست۷ | میتوکندری۸ (در همه سلول‌ها) |
| زمان انجام | فقط در حضور نور (روز) | همیشه (شب و روز) |
| گازهای مصرفی و تولیدی | 6CO_2 + 6H_2O → C_6H_{12}O_6 + 6O_2 | C_6H_{12}O_6 + 6O_2 → 6CO_2 + 6H_2O |
عوامل مؤثر بر سرعت تنفس و باز و بسته شدن روزنه‌ها
سرعت تنفس گیاهان ثابت نیست و تحت تأثیر عوامل مختلف محیطی و درونی قرار می‌گیرد. آگاهی از این عوامل برای پرورش بهتر گیاهان بسیار مهم است.
دما: با افزایش دما، سرعت تنفس افزایش می‌یابد زیرا فعالیت آنزیم‌ها بیشتر می‌شود. اما اگر دما خیلی بالا برود (>40-45°C)، آنزیم‌ها تخریب شده و تنفس متوقف می‌شود.
میزان اکسیژن: تنفس به اکسیژن نیاز دارد. اگر خاک گیاه غرقاب شود و اکسیژن به ریشه‌ها نرسد، تنفس متوقف شده و ریشه می‌پوسد.
میزان آب disponible: کمبود آب باعث بسته شدن روزنه‌ها می‌شود. در نتیجه، نه تنها فتوسنتز متوقف می‌شود، بلکه ورود اکسیژن برای تنفس نیز محدود می‌گردد.
مقدار substrat (گلوکز): گیاهانی که به خوبی فتوسنتز کرده‌اند و مواد قندی بیشتری دارند، معمولاً سرعت تنفس بالاتری نیز خواهند داشت.
یک آزمایش ساده برای مشاهده تنفس گیاهی
می‌توان با یک آزمایش بسیار ساده وجود تنفس در گیاهان را مشاهده کرد. برای این کار به یک لیوان آب آهک۹ (که در برابر دی‌اکسید کربن کدر می‌شود) و یک کیسه پلاستیکی شفاف نیاز دارید.
- چند برگ تازه از یک گیاه را داخل کیسه پلاستیکی قرار دهید و درب آن را محکم ببندید.
- کیسه را به مدت چند ساعت در یک مکان روشن (مثلاً کنار پنجره) قرار دهید.
- پس از این مدت، یک نی به داخل کیسه فرو برده و هوای داخل کیسه را به آرامی داخل لیوان آب آهک فوت کنید (می‌توانید هوای کیسه را با فشار دادن به داخل یک سرنگ منتقل کنید).
- مشاهده خواهید کرد که آب آهک کدر می‌شود. این کدر شدن نشان‌دهنده وجود گاز دی‌اکسید کربن در هوای بازدمی برگ‌ها است که حاصل فرآیند تنفس می‌باشد.
این آزمایش به خوبی ثابت می‌کند که گیاهان نیز مانند ما دی‌اکسید کربن دفع می‌کنند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، این یک اشتباه رایج است. این دو فرآیند کاملاً متضاد یکدیگر هستند. فتوسنتز غذا می‌سازد و اکسیژن آزاد می‌کند، در حالی که تنفس غذا را می‌سوزاند و اکسیژن مصرف می‌کند. گیاهان در طول روز هر دو فرآیند را انجام می‌دهند، اما در شب که نوری وجود ندارد، فقط تنفس انجام می‌شود.
خیر. اگرچه گیاهان در شب اکسیژن مصرف و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کنند، اما مقدار آن در مقایسه با حجم هوای یک اتاق بسیار ناچیز است. یک فرد در خواب، دی‌اکسید کربن بسیار بیشتری تولید می‌کند تا چندین گلدان گیاه. بنابراین، گیاهان نه تنها بی‌خطر هستند، بلکه به تصفیه هوای اتاق نیز کمک می‌کنند.
سلول‌های میوه حتی پس از چیده شدن از درخت، زنده هستند. آن‌ها برای زنده ماندن نیاز به انرژی دارند، بنابراین به تنفس خود ادامه می‌دهند. این تنفس باعث تجزیه تدریجی مواد قندی و سایر ترکیبات می‌شود که در نهایت به رسیدن، نرم شدن و در پایان فاسد شدن میوه منجر می‌گردد. نگهداری میوه‌ها در یخچال، سرعت تنفس را کاهش داده و ماندگاری آن‌ها را افزایش می‌دهد.
تنفس گیاهی یک فرآیند حیاتی و مستمر در همه سلول‌های گیاهی است که انرژی لازم برای رشد و بقای گیاه را تأمین می‌کند. روزنه‌ها به عنوان عاملان اصلی تبادل گاز، با باز و بسته شدن هوشمندانه خود، تعادل دقیقی بین جذب گازهای مورد نیاز (اکسیژن و دی‌اکسید کربن) و جلوگیری از هدررفت آب برقرار می‌کنند. درک این فرآیند نه تنها شگفتی‌های جهان گیاهان را به ما نشان می‌دهد، بلکه برای کشاورزی، باغبانی و نگهداری از گیاهان آپارتمانی نیز بسیار کاربردی است.
پاورقی
۱ تنفس گیاهی (Plant Respiration)
۲ روزنه (Stomata, singular: Stoma)
۳ تبادل گاز (Gas Exchange)
۴ فتوسنتز (Photosynthesis)
۵ گلوکز (Glucose)
۶ سلول محافظ (Guard Cells)
۷ کلروپلاست (Chloroplast)
۸ میتوکندری (Mitochondrion)
۹ آب آهک (Limewater)