الأحياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
46ما التنفس؟
ضع حشرة قمل خشبي في مرطبان مغلق، فيتغير هواء المرطبان بعد ساعات: إذ يذهب بعض أكسجينه ويحلّ محله ثاني أكسيد الكربون. وأعد ذلك ببذرة منبتة، وبفطر، وبسمكة ذهبية، وبملعقة تربة حية — فالنتيجة نفسها في كل مرة. وقد أظهرت القضية 26.5 التبادل في صدرك أنت؛ وهذه السنة تفتح الفكرة على سعتها كلها: فالتبادل ليس عادة بشرية بل خاصية للحياة نفسها.
46.1 التنفس، معرَّفًا ومقيسًا
تعريف 46.1 (التنفس)
التنفس هو التبادل الغازي الذي يأخذ به الكائن الحي الأكسجين من محيطه ويطلق ثاني أكسيد الكربون. ولا يجوز الخلط بينه وبين الحركات التنفسية — أي حركات الصدر المرئية في التعريف 26.1: فتلك الحركات إحدى طرق خدمة التنفس؛ أما التنفس نفسه فهو تبادل الغازين، وهو يجري في كل خلية حية، بحركات أو بغير حركات.
قضية 46.2 (كيف يُبرهن على التبادل)
اختباران قياسيان على المنضدة يكشفان التنفس:
- مِسبار أكسجين في وعاء مغلق يُظهر مستوى الأكسجين هابطًا ما دام كائن حي جالسًا في داخله؛
- وماء الجير، وهو سائل صافٍ يعكرّ لبنيًّا في ثاني أكسيد الكربون، يتعكّر حين يُمرَّر فيه هواء الوعاء.
هبوط الأكسجين مع تعكّر ماء الجير، ووعاء شاهد بلا حياة يبقى على حاله (الطريقة 22.1 — فالاختبار المنصف يتبعنا في كل مكان): ذلك هو التنفس، مقيسًا.
برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎
مثال 46.3 (معرض المتنفسين)
أجرِ الاختبارين على مجموعة: فأرة — هبوط سريع وتعكّر عاجل؛ وحشرة قمل خشبي — الشيء نفسه أصغر؛ وبازلاء منبتة — لا لبس فيه (فمرطبان من البازلاء الناتشة قد يستنفد أكسجينه في يوم)؛ وفطر — نعم؛ وحلزونات بركة — نعم؛ وملعقة تربة حية — نعم، بملاييرها من المحلِّلين يتنفسون معًا (المثال 42.2). ولا يتغير شيء إلا في مرطبان الشاهد — حصى ورمل جاف.
ملاحظة 46.4 (والنباتات تتنفس أيضًا)
قالت الملاحظة 40.5 ذلك عرضًا؛ والمرطبان يبرهن عليه: فنبتة في أصيص في الظلام تخفض أكسجين مرطبانها وتعكّر ماء الجير كأي حيوان. وفي ضوء النهار تحجب صناعة المنتِجين الأثر — إذ تأخذ من ثاني أكسيد الكربون أكثر بكثير مما يطلقه التنفس — لكن التنفس لا يتوقف أبدًا. فالخضرة لا تعفي خلية من التنفس بمعناه الواسع؛ ولا شيء حي معفًى.
46.2 لماذا تتنفس الكائنات الحية
قضية 46.5 (التنفس يشغّل الخلايا)
مقصود التبادل هو الطاقة. ففي كل خلية حية تُحرَق المغذيات (التعريف 25.3) حرقًا بطيئًا مع الأكسجين الذي يجلبه التنفس: فتُحرَّر طاقتها لعمل الخلية — انقباضًا، وبناءً، وقيادةً — ويكون ثاني أكسيد الكربون هو البقية المحترقة، تُحمل بعيدًا. وقد كانت “الحصة المحروقة” في القضية 41.6 هي هذه بعينها، منظورًا إليها من الدفتر؛ وهي هنا منظور إليها من الخلية.
برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎
مثال 46.6 (مقارنة النار، مستعملةً بصدق)
لهب الشمعة يستهلك أيضًا الأكسجين ويطلق ثاني أكسيد الكربون — فالاحتراق والتنفس كيمياء واحدة الصنف حقًّا. والفروق تهمّ بالقدر نفسه: فاحتراق الخلية بطيء بلا لهب، موزّع على آلاف الخطوات الصغيرة، وطاقته تُلتقط للعمل لا تُفقد ضوءًا ولفحًا. فالتنفس احتراق مستأنَس — نار في مقود، في كل خلية تملكها.
مثال 46.7 (قراءة الطلب)
لما كان الاحتراق يشغّل العمل، تبع الطلبُ الجهدَ: فالطفل العادي في المثال 26.6 يتنفس أسرع بكثير من القارئ في مقعده؛ والبازلاء المنبتة — وهي تبني نباتًا بأقصى سرعة (التعريف 9.4) — تتنفس أسرع بكثير من البذرة الجافة المنتظرة بجانبها، وتنفسها يكاد يكون صفرًا سنوات. فالتنفس صوت محرّك الحياة: عالٍ في الجهد والنمو، همسٌ في الخمود، صامتٌ في الموت وحده.
46.3 التنفس في كل موئل
قضية 46.8 (حاجة واحدة ومحيطات كثيرة)
على كل كائن حي أن ينال أكسجينه من محيطه — والمحيطات تختلف. فالهواء غني بالأكسجين؛ والماء يحمل منه أقل بكثير، مذابًا (وقد لقيت التمرين 26.11 النتيجة)؛ والتربة والطين تحملان أقل من ذلك. ولذلك يتشكّل مكان عيش الكائن الحي وكيفيته بكيفية حلّه مشكلةَ أكسجينه — وهو موضوع الفصلين التاليين، في عتاد الحيوانات (الفصل 47) وفي اقتصاد الماء (الفصل 48).
برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎
طريقة 46.9 (اختبار سؤال في التنفس)
لتختبر أي زعم في شأن التنفس (“البذور تتنفس أسرع في الدفء”، “طين البركة يتنفس”):
مثال 46.10 (الطريقة على بذرة باردة)
الزعم: البازلاء المنبتة تتنفس أبطأ في البرد. مرطبانان من البازلاء الناتشة، أحدهما في دفء الغرفة والآخر في الثلاجة؛ ومصيدتا ماء جير عليهما؛ وثالث بلا حياة شاهدًا. وفي اليوم التالي: ماء جير المرطبان الدافئ لبني، وماء جير البارد لم يكد يتغبّش، وماء جير الشاهد صافٍ. والحكم: التنفس يجري مع وتيرة عمل البازلاء — وهي قاعدة الشروط في القضية 42.8، مقيسةً بالغاز.
46.4 تمارين
تمرين 46.1 ★
عرّف التنفس، وميّزه من الحركات التنفسية.
حل
حل التمرين 46.1.
التنفس هو التبادل الغازي الذي يأخذ به الكائن الحي الأكسجين من محيطه ويطلق ثاني أكسيد الكربون. أما الحركات التنفسية فليست إلا حركات ضخّ الصدر المرئية — إحدى طرق خدمة التبادل؛ والتبادل نفسه يجري في كل خلية حية.
تمرين 46.2 ★
سمِّ اختباري المنضدة اللذين يكشفان التنفس، وما يُظهره كل واحد.
حل
حل التمرين 46.2.
مِسبار أكسجين في وعاء مغلق — يُظهر مستوى الأكسجين هابطًا؛ وماء الجير — وهو سائل صافٍ يعكرّ لبنيًّا حين يمرّ فيه ثاني أكسيد الكربون.
تمرين 46.3 ★
لماذا تحتاج كل تجربة تنفس إلى وعاء شاهد بلا حياة؟
حل
حل التمرين 46.3.
لنبرهن على أن التغير يأتي من الموضوع الحي لا من الوعاء ولا من دفء اليوم ولا من ماء الجير نفسه: إنه توأم الاختبار المنصف، والحياة هي الفرق الوحيد.
تمرين 46.4 ★
ما مقصود التنفس، وفق القضية 46.5؟ وما ثاني أكسيد الكربون في ذلك الحساب؟
تمرين 46.5 ★
عدّد خمسة كائنات حية شديدة الاختلاف ظهر تنفسها في المثال 46.3.
تمرين 46.6 ★
تمرين 46.7 ★★
أعطِ وجهي شبه صادقين ووجهي اختلاف صادقين بين احتراق الشمعة وتنفس الخلية.
حل
حل التمرين 46.7.
أوجه الشبه: كلاهما يستهلك الأكسجين ويطلق ثاني أكسيد الكربون؛ وكلاهما يحرّر طاقة الوقود. وأوجه الاختلاف: احتراق الخلية بطيء بلا لهب، في آلاف الخطوات الصغيرة؛ وطاقته تُلتقط للعمل بدل أن تُفقد ضوءًا وحرارة دفعةً واحدة.
تمرين 46.8 ★★
رتّب بحسب وتيرة التنفس، مع الأسباب: بازلاء جافة، وبازلاء منبتة، وطفل يعدو، وطفل يقرأ.
حل
حل التمرين 46.8.
الطفل العادي (عمل عضلي شاق) الطفل القارئ (نفقة الجسم الثابتة الهادئة) البازلاء المنبتة (تبني بسرعة لكنها صغيرة) البازلاء الجافة (خامدة — وتنفسها يكاد يكون صفرًا). فالوتيرة تتبع العمل.
تمرين 46.9 ★★
مرطبان مختوم من البازلاء الناتشة يبيت ليلة؛ فإذا أُنزلت فيه شمعة في الصباح انطفأت في الحال. اشرح ذلك بهذا الفصل — واذكر ماذا كانت مصيدة ماء الجير ستُظهر في تلك الأثناء.
حل
حل التمرين 46.9.
طول الليل استهلك تنفس البازلاء الناتشة أكسجين المرطبان وأطلق ثاني أكسيد الكربون؛ وبحلول الصباح لم يبقَ من الأكسجين ما يكفي لإبقاء لهب مشتعلًا. وكان ماء الجير سيتعكّر باطراد طول الليل.
تمرين 46.10 ★★
صمّم، وفق الطريقة 46.9، تجربةَ: “التربة الحية تتنفس؛ والتربة المخبوزة الميتة لا تتنفس.”
تمرين 46.11 ★★
لماذا يخاف مدير مخزن حبوب أكوامَ الحبّ الندية وهي تسخن من تلقاء نفسها؟ اربط المثال 46.7 بدفء كومة السماد (المثال 42.7).
حل
حل التمرين 46.11.
الحبّ الندي يستيقظ: فيبدأ الإنبات، ويرتفع التنفس من همس إلى وتيرة البازلاء الناتشة — ملايير الحبات تحرق مخازنها معًا، فتسخّن الكومة كما تسخّنها أطقم السماد العاملة. والدفء يسرّع العمل أكثر: فالكومة الندية قد تسخّن نفسها نحو الفساد. والحبّ الجاف ينام باردًا؛ أما الحبّ الندي فأتون بطيء.
تمرين 46.12 ★★★
“الحركات التنفسية سلوك؛ والتنفس كيمياء؛ والأول يخدم الثاني.” دافع عن كل شطر برصد واحد من هذا الفصل أو من الفصل 26.
حل
حل التمرين 46.12.
سلوك: الحركات التنفسية يمكن مراقبتها — حركات الصدر، خمس عشرة مرة في الدقيقة (المثال 26.2). وكيمياء: التنفس يجري في أشياء لا صدر لها البتة — البازلاء، والفطر، والتربة — ولا يُكشف إلا باختبارات الغاز. وخدمة: الحركات التنفسية موجودة لتجديد هواء الرئتين حتى يستمر التبادل الغازي — وهي تتسارع بالضبط حين يتسارع احتراق الخلايا (المثال 26.6).
46.5 مسألة: المرطبانات المختومة
مسألة 46.1
مسألة نهاية الأسبوع — ستة مرطبانات، ولغزان، وتبادل غازي واحد
لمعرض العلوم يهيّئ الصف ستة مرطبانات مختومة، في كل واحد مِسبار أكسجين ومصيدة ماء جير: أ — حصى؛ ب — بازلاء جافة؛ ج — بازلاء منبتة؛ د — فأرة (مع غذاء وماء، ولساعات قليلة فحسب، تحت مراقبة المعلم)؛ ه — نبتة خضراء في الضوء؛ و — النبتة نفسها في صندوق مظلم.
القسم الأول — التنبؤات.
- تنبأ بقراءات أ، واذكر عمل أ في التجربة.
- وتنبأ بالمرطبانين ب وج، واشرح الفرق مع أن المرطبانين يحملان البازلاء “نفسها”.
- وتنبأ بالمرطبان د، واذكر لماذا يحدّ المعلم الساعات.
- ويحمل ه وو نبتتين متطابقتين. تنبأ باتجاه الأكسجين في كل مرطبان، ووفّق بين الفرقين مستعملًا الملاحظة 46.4.
القسم الثاني — النتائج وقراءتها.
- توافق معطيات الصباح التنبؤات — إلا أن زميلًا يعجب من أن نبتة و “تتنفس كالحيوان”. بيّن ما يُظهره و حقًّا، وما يخفيه ه.
- هبط أكسجين ج ثلاث مرات أسرع من أكسجين ب في الغرام الواحد من البازلاء. ترجم عامل الثلاثة إلى مصطلحات المثال 46.7.
- تعكّر ماء جير د أسرع من الجميع. أعطِ السلسلة — من جسم الفأرة الدافئ المتحرك إلى السائل اللبني — في أربع خطوات.
- سمِّ الخلاصة الواحدة التي تؤيدها ب وج ود وو جميعًا، في جملة تبدأ بعبارة “كل كائن حي…”.
القسم الثالث — المضي أبعد.
- يُقترح مرطبان سابع: شرائح فطر. تنبأ بقراءاته، واذكر أي نقطة على مستوى المملكة في المثال 46.3 يضيفها.
- يسأل زوار المعرض لماذا يهمّ المرطبان ج المزارعين. أجب بمخزن الحبوب في التمرين 46.11.
- مرطبان ثامن: ماء بركة بطينه. فيهبط الأكسجين في الليل. فمن في المرطبان يتنفس، ولماذا يهمّ هذا الاكتشاف في سؤال الفصل 48؟
- أغلق ملصق المعرض بتمييز الفصل: أي المرطبانات أظهرت الحركات التنفسية، وأيها أظهرت التنفس؟ (وانتبه — فكلمة واحدة تشملها كلها.)
حل
حل المسألة 46.1.
1. لا تغير: أكسجين ثابت، وماء جير صافٍ. وأ هو الشاهد بلا حياة — السكون الذي يُقرأ في مقابله كل مرطبان آخر.
2. ب: تغير لا يكاد يُقاس — فالبازلاء الجافة خامدة، وتنفسها متعطّل. وج: هبوط أكسجين واضح وتعكّر — فالإنبات بناء بأقصى سرعة، والعمل يُدفع تنفسًا.
3. د: أسرع هبوط وأسرع تعكّر من الجميع — فالثديي الدافئ المتحرك يحرق بشدة. والساعات محدودة لأن الفأرة تستهلك أكسجين مرطبانها؛ فيجب أن تنتهي التجربة قبل نفاد الهواء بزمن طويل.
4. ه: أكسجين ثابت أو صاعد — فصناعة النبتة المضاءة تأخذ ثاني أكسيد الكربون وتطلق من الأكسجين أكثر مما يستعمله تنفسها. وو: أكسجين هابط وماء جير متعكّر — ففي الظلام تتوقف الصناعة ويظهر التنفس، الذي لم يتوقف قط، ظهورًا صريحًا.
5. و يُظهر أن النبتة تتنفس دائمًا — أكسجين إلى الداخل، وثاني أكسيد كربون إلى الخارج، كالفأرة. وه يخفي التنفس نفسه تحت التجارة النهارية الأكبر: فمدخلات الصناعة ومخرجاتها تغمره. والتوأمان معًا يفصلان التبادلين.
6. البازلاء المنبتة تعمل ثلاثة أضعاف الجهد في الغرام الواحد — إذ تبني جذورًا وبرعمًا بأقصى وتيرة — والتنفس صوت محرّك ذلك العمل.
7. عضلات الفأرة وجسمها الدافئ تحرق المغذيات مع الأكسجين؛ والاحتراق يطلق ثاني أكسيد الكربون في هواء المرطبان؛ والهواء المحبوس يمرّ في ماء الجير؛ وثاني أكسيد الكربون يعكرّه لبنيًّا.
8. “كل كائن حي يتنفس — حيوانًا كان أم نباتًا أم بذرة يقظة أو تكاد تنام — فيأخذ الأكسجين ويطلق ثاني أكسيد الكربون.”
9. أكسجين هابط وماء جير متعكّر — فالفطر يتنفس. ويضيف أن القاعدة تشمل الفطور أيضًا: فلا هي نبات ولا حيوان، ولا استثناء.
10. لأن مخزن الحبوب هو المرطبان ج على مقياس مستودع: فالحبّ المحفوظ نديًّا يبدأ الإنبات والتنفس بشدة، فيسخّن المخزن ويفسده — وقواعد الجفاف عند المدير ضبطٌ للتنفس.
11. كل ما فيه: حلزونات البركة والحيوانات الصغيرة، ومحلِّلو الطين، والنباتات والخلايا المفردة الخضراء في ساعات ظلامها. ويهمّ ذلك لأن سكان البركة كلهم يسحبون من مخزون أكسجين مذاب صغير واحد — وهو الاقتصاد الذي يفتحه الفصلان التاليان.
12. د وحده — الفأرة — أظهر الحركات التنفسية: حركات صدر مرئية تخدم تبادلها الغازي. وكل مرطبان فيه حياة أظهر التنفس: ب خفيفًا، وج ود وو صريحًا، وه محجوبًا بصناعة النهار لكنه يتنفس مع ذلك.