أحياء المرحلة الثانوية · Grades 10–12

1التركيب الكيميائي للكائنات الحية

اترك شريحة خبز على الشواية أكثر مما ينبغي فتسودّ: وما يبقى كربون في معظمه. زِن شريحة تفاح طازجة، ثم جففها يومًا في فرن دافئ، وزِنها من جديد: خمسة أسداس كتلتها غادرت بخار ماء. الخبز والتفاحة والبلوطة وقنديل البحر وأنت — كل كائن حي مبني، في أساسه، من القائمة القصيرة نفسها من المكونات الكيميائية، وليست تلك هي قائمة ما تتكون منه الصخور. يفكك هذا الفصل المادة الحية، مكونًا مكونًا، ويسأل ما الذي يجعلها متميزة.

1.1 العناصر: ذرات الصخور نفسها، بنسب مختلفة

تعريف 1.1 (التركيب الكيميائي للمادة الحية)

التركيب الكيميائي لعينة من المادة الحية هو قائمة العناصر الكيميائية التي تحتويها، مع نسبة كتلة العينة التي يمثلها كل عنصر منها. ويقاس بتفكيك العينة كيميائيًا — بحرقها، ووزن ما يتبخر وما يبقى، وتحليل الغازات المنطلقة — لا بالنظر إليها.

قضية 1.2 (أربعة عناصر تؤلف 96% من الجسم الحي)

المادة الحية مؤلفة، من حيث الكتلة، من أربعة عناصر تكاد تكون وحدها: الأكسجين (O) والكربون (C) والهيدروجين (H) والنيتروجين (N). وهي تمثل في جسم الإنسان نحو 65% و18.5% و9.5% و3.2% من الكتلة — أي 96% مجتمعة. ويتقاسم الكالسيوم والفوسفور والبوتاسيوم والكبريت والصوديوم والكلور والمغنيزيوم معظم النسبة الباقية البالغة 4%، وهناك نحو اثني عشر عنصرًا نزرًا (حديد وزنك ويود ونحاس…) بنسب تقل كثيرًا عن 0.1% ولا غنى عنها مع ذلك. والعناصر الأربعة نفسها تسود في بكتيريا أو نبتة قمح أو حوت، بنسب متقاربة.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

العناصر نفسها، ووصفتان مختلفتان كل الاختلاف: النسب الكتلية للعناصر الرئيسية في جسم إنسان وفي صخور قشرة الأرض (الأعمدة الصغيرة بلا بطاقة: الكالسيوم 1.5% من الجسم؛ والكربون 0.02% من القشرة، والهيدروجين 0.14%، والنيتروجين 0.002%؛ أما السيليسيوم والألمنيوم والحديد فليست في الجسم إلا آثارًا). الكربون والهيدروجين والنيتروجين وفيرة في المادة الحية نادرة في الصخر؛ والسيليسيوم والألمنيوم والحديد على العكس.

مثال 1.3 (المادة الحية والصخر)

قشرة الأرض هي أيضًا 46% أكسجين، لكن عناصرها التالية هي السيليسيوم (28%) والألمنيوم (8%) والحديد (5.6%). ويؤلف الكربون 0.02% من القشرة والنيتروجين 0.002%، مقابل 18.5% و3.2% من الجسم. فالكائن الحي إذن ليس عينة من محيطه: إنه يركز عناصر قليلة بعامل ألف أو أكثر. وهذا الانتقاء هو أول توقيع كيميائي للحياة.

ملاحظة 1.4 (من أين تأتي الذرات)

كل ذرة من تلك الذرات ذرة عادية: فكربون عضلاتك كان ثاني أكسيد كربون في الهواء قبل أن يثبته نبات، ونيتروجين بروتيناتك كان نيتروجين الهواء قبل أن تلتقطه بكتيريا التربة. وليس الخاص في الحياة هو الذرات، بل طريقة تركيبها والنسب التي تجمع بها.

1.2 الماء والأملاح المعدنية

تعريف 1.5 (المادة المعدنية والمادة العضوية)

تنقسم جزيئات الكائن الحي إلى زمرتين. المادة المعدنية مؤلفة من جزيئات توجد كذلك خارج الكائنات الحية: الماء والأملاح المعدنية المنحلة (شوارد مثل $\mathrm{Na^+}$ و $\mathrm{K^+}$ و $\mathrm{Ca^{2+}}$ و $\mathrm{Cl^-}$ ، والفوسفات وثنائي الكربونات). أما المادة العضوية فمؤلفة من جزيئات مبنية على هيكل من ذرات كربون مرتبطة بالهيدروجين، وبالأكسجين والنيتروجين عادة — وهي جزيئات لا تصنعها على الأرض إلا الكائنات الحية أو ما خلفته.

قضية 1.6 (الماء هو المكون الرئيسي)

الماء هو أوفر جزيء في كل كائن حي: نحو 60% إلى 65% من كتلة الإنسان البالغ، و75% من كتلة الوليد، و85% من كتلة التفاحة، و95% من كتلة قنديل البحر، لكنه 13% فقط من حبة قمح ساكنة. ويقاس محتوى عينة من الماء بوزنها، ثم تجفيفها عند $105\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ حتى تكف كتلتها عن التناقص، ثم وزنها من جديد: والكتلة المفقودة هي الماء.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 1.7 (تجفيف شريحة تفاح)

شريحة تفاح طازجة كتلتها $24.0\,\mathrm{g}$ تجفف حتى تستقر كتلتها عند $3.6\,\mathrm{g}$ . الماء المفقود: $24.0 - 3.6 = 20.4\,\mathrm{g}$ ، أي $20.4/24.0 = 0.85$ ، أو 85% من الكتلة الطازجة. أما $3.6\,\mathrm{g}$ الباقية فهي المادة الجافة: جزيئات عضوية وأملاح معدنية. أحرق تلك المادة الجافة فيبقى نحو $0.1\,\mathrm{g}$ من رماد شاحب هو الأملاح المعدنية؛ أما الباقي، وهو الجزء العضوي، فقد غادر ثاني أكسيد كربون وبخار ماء.

شريحة تفاح طازجة والشريحة نفسها بعد التجفيف: ما يبقى هو المادة الجافة، أي سدس الكتلة الأصلية. والباقي كان ماءً.

قضية 1.8 (ما الذي يفعله الماء)

الماء هو حيث تجري كيمياء الخلية: فهو يحل الأملاح والسكريات ومعظم الجزيئات العضوية الصغيرة، فتلتقي وتتفاعل؛ وهو ينقلها من موضع إلى آخر (بلازما الدم 90% ماء، والنسغ أكثر من ذلك بكثير)؛ ولأن تسخينه يستهلك طاقة كبيرة، فإنه يخفف تغيرات درجة حرارة الكائن المفاجئة. وفقدان 10% من ماء الجسم حالة إسعافية؛ أما البذرة الساكنة، عند 13%، فقد أطفأت كيمياءها ببساطة حتى يعود الماء.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

مثال 1.9 (أملاح معدنية يمكن تسميتها)

فوسفات الكالسيوم تصلب العظم والأسنان (والكالسيوم 1.5% من كتلة الجسم، وكله تقريبًا في الهيكل العظمي). وشوارد الصوديوم والكلور تضبط ملوحة الدم، قرب $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ؛ وشوارد البوتاسيوم مركزة داخل الخلايا؛ والحديد يقع في قلب الهيموغلوبين؛ واليود لازم لصنع هرمون الغدة الدرقية. والملح المعدني ليس مصدر طاقة قط، لكن جسمًا حُرم واحدًا منها يخفق في مهمة محددة.

1.3 الجزيئات العضوية: أربع عائلات

تعريف 1.10 (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات والحموض النووية)

تنتمي الجزيئات العضوية إلى أربع عائلات.

الكربوهيدرات (السكريات) لا تحتوي إلا الكربون والهيدروجين والأكسجين. والسكريات البسيطة وحدات مفردة، مثل الغلوكوز $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ؛ أما الكربوهيدرات المعقدة فسلاسل من مئات أو آلاف وحدات الغلوكوز — النشاء والسللوز في النبات، والغليكوجين في الحيوان.
الدهون (الشحوم والزيوت) لا تحتوي هي أيضًا إلا C وH وO، لكن بأكسجين أقل بكثير، وهي لا تنحل في الماء. وأشيعها ثلاثيات الغليسيريد، كل منها من جزيء غليسرول واحد متصل بثلاث سلاسل طويلة من الحموض الدهنية.
البروتينات سلاسل من الحموض الأمينية: عشرون نوعًا من الحمض الأميني، كلها تحوي النيتروجين، مرتبطة بترتيب دقيق في سلاسل من خمسين إلى عدة آلاف وحدة تنطوي على شكل محدد.
الحموض النووية (DNA وRNA) سلاسل من النوكليوتيدات، تحوي الفوسفور إلى جانب C وH وO وN؛ وهي تخزن المعلومة الوراثية وتنقلها، وهي موضوع الفصل 3.

عائلات الجزيئات العضوية الأربع. كل جزيء كبير سلسلة من وحدات بناء صغيرة؛ وهوية الوحدة، وطريقة ترتيب السلسلة، تقرران ما يفعله الجزيء.

مثال 1.11 (قراءة بطاقة غذائية)

تقرأ بطاقة على خبز أسمر، لكل $100\,\mathrm{g}$ : كربوهيدرات $41\,\mathrm{g}$ (منها سكريات $3\,\mathrm{g}$ )، وشحوم $3\,\mathrm{g}$ ، وبروتين $9\,\mathrm{g}$ ، وألياف $7\,\mathrm{g}$ ، وملح $1.1\,\mathrm{g}$ . والباقي — نحو $39\,\mathrm{g}$ — ماء. و«الكربوهيدرات» هنا نشاء في معظمها، و«السكريات» هي البسيطة منها، و«الألياف» سللوز (كربوهيدرات لا نقدر على هضمه)، و«الشحوم» هي الدهون، و«الملح» ملح معدني. فالبطاقة تحليل كيميائي، مقرَّب.

قضية 1.12 (وظيفة كل عائلة)

تتقاسم العائلات عمل الخلية، مع تداخل بينها:

الكربوهيدرات هي الوقود اليومي (الغلوكوز) ومخزنه القصير الأمد (النشاء والغليكوجين)، والسللوز مادة بناء جدران الخلايا النباتية؛
الدهون هي المخزن الطاقي الطويل الأمد المكتنز ( $38\,\mathrm{kJ}$ للغرام، مقابل $17\,\mathrm{kJ}$ للغرام في الكربوهيدرات والبروتينات)، ودهون الأغشية تبني غلاف كل خلية؛
البروتينات هي الآلات: الإنزيمات التي تدير كل تفاعل، والألياف التي تقبض العضلة، والنواقل، والأجسام المضادة، والمستقبلات؛
الحموض النووية تحمل تعليمات بناء البروتينات.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

تركيب جسم إنسان بالغ من حيث الكتلة، بالمئة. تتغير الأرقام مع العمر والبنية (فالرياضي النحيل يحمل دهنًا أقل، والوليد ماءً أكثر)، لكن الماء يسود دائمًا، ولا تتجاوز الكربوهيدرات الحرة نحو 1% أبدًا.

ملاحظة 1.13 (الجزيئات الكبيرة وشكل الحياة)

جزيئات الصخر صغيرة متكررة (فبلورة الكوارتز هي $\mathrm{SiO_2}$ مكررًا بلا نهاية). أما جزيئات الحياة المميزة فضخمة — فالبروتين الواحد قد يحوي عشرة آلاف ذرة، وجزيء DNA مليارات — وهي حاملة للمعلومة: ترتيب وحدات بنائها يحمل رسالة. وليس في عالم المعادن ما يشبه جزيئًا تعني متتاليته شيئًا.

1.4 التعرف على المكونات

طريقة 1.14 (الكواشف المعيارية للعائلات)

لكل عائلة كاشف بسيط يعطي نتيجة مرئية.

الماء: شريط من ورق كلور الكوبالت الأزرق يتحول إلى الوردي؛ أو جفف العينة وقس الكتلة المفقودة.
النشاء: قطرة من محلول اليود تنتقل من الأصفر البني إلى الأزرق الأسود.
السكريات البسيطة (غلوكوز، فركتوز…): سخنها مع كاشف فهلنغ أو بندكت؛ فيعطي المحلول الأزرق راسبًا أحمر آجريًا.
البروتينات: كاشف البيوريه — قطرات من كبريتات النحاس في وسط قلوي تتحول إلى البنفسجي.
الدهون: تترك العينة بقعة شفافة لا تجف على الورق؛ وصباغ السودان III الأحمر يلونها.
الأملاح المعدنية: أحرق المادة الجافة حرقًا تامًا؛ والرماد الباقي معدني. وتُعرَّف شوارد بعينها بالترسيب (نترات الفضة للكلور مثلًا).

وأجرِ دائمًا شاهدًا بماء نقي، وآخر بعينة موجبة معروفة، لتتأكد من أن الكاشف يعمل ومن أن تغير اللون يعني ما تظنه.

مثال 1.15 (تحليل حبة بطاطا)

شريحة بطاطا نيئة: ورق كلور الكوبالت يتحول إلى الوردي (ماء)؛ واليود يعطي الأزرق الأسود في الحال (نشاء، وفير)؛ وفهلنغ لا يعطي إلا مسحة برتقالية باهتة (سكر حر قليل)؛ والبيوريه يعطي بنفسجيًا شاحبًا (بعض البروتين، نحو 2% من الكتلة الطازجة)؛ ولا بقعة شفافة (لا دهن تقريبًا). ويترك التجفيف 22% من الكتلة؛ ويترك حرق ذلك 1% رمادًا. فالبطاطا مخزن نشاء ملفوف في ماء — وهو بالضبط ما يحتاج إليه النبات ليعبر الشتاء تحت الأرض.

قضية 1.16 (وحدة التركيب)

أيًّا كان الكائن — بكتيريا أو فطرًا أو نباتًا أو حيوانًا — تجد الكواشف نفسها العائلات الأربع نفسها، مبنية من وحدات البناء نفسها: الحموض الأمينية العشرين نفسها، والغلوكوز نفسه، والنوكليوتيدات الأربعة نفسها. فالكائن الحي لا يتميز بامتلاك ذرات خاصة ولا وحدات بناء خاصة، بل بالنسب التي يحافظ عليها، وبالجزيئات البالغة الكبر التي يركبها، وبالمعلومة التي تحملها تلك الجزيئات. وهذه الوحدة الكيميائية من أقوى الحجج على أن الكائنات الحية جميعًا تتقاسم أصلًا مشتركًا، وهي حجة سيتناولها الفصل 6.

برهان. نقبله في هذا المستوى. ∎

خبز تُرك على الشواية أكثر مما ينبغي. والبقايا السوداء كربون في معظمها: فقدت جزيئات الخبز العضوية هيدروجينها وأكسجينها بخار ماء وثاني أكسيد كربون، وخلفت الهيكل الكربوني وحده.

1.5 تمارين

تمرين 1.1 ★

سمِّ العناصر الأربعة التي تؤلف 96% من كتلة الجسم الحي، مع نسبها التقريبية في الإنسان.

حل

حل التمرين 1.1.

الأكسجين (نحو 65%)، والكربون (18.5%)، والهيدروجين (9.5%)، والنيتروجين (3.2%): أي 96% من كتلة الجسم مجتمعة.

تمرين 1.2 ★

افرز إلى مادة معدنية ومادة عضوية: الماء، والغلوكوز، وكلور الصوديوم، وثلاثي غليسيريد، وفوسفات الكالسيوم، وحمض أميني، وثاني أكسيد الكربون.

حل

حل التمرين 1.2.

معدنية: الماء، وكلور الصوديوم، وفوسفات الكالسيوم، وثاني أكسيد الكربون (مركب كربوني، لكنه يصنع خارج الحياة وليس له هيكل كربون–هيدروجين). عضوية: الغلوكوز، وثلاثي الغليسيريد، والحمض الأميني.

تمرين 1.3 ★

ورقة خس طازجة كتلتها $12.0\,\mathrm{g}$ تجفف حتى ثبات الكتلة عند $0.6\,\mathrm{g}$ . ما محتواها المائي، بالمئة؟

حل

حل التمرين 1.3.

الماء المفقود $12.0 - 0.6 = 11.4\,\mathrm{g}$ ؛ و $11.4/12.0 = 0.95$ : أي أن الورقة 95% ماء.

تمرين 1.4 ★

أي كاشف تستعمل لتبين أن بذرة فول تحوي (أ) نشاءً، و(ب) بروتينًا، و(ج) دهونًا؟ أعطِ النتيجة المنتظرة في كل حالة.

حل

حل التمرين 1.4.

(أ) محلول اليود على البذرة المسحوقة: أزرق أسود. (ب) كاشف البيوريه: بنفسجي. (ج) اسحق البذرة على ورق: بقعة شفافة لا تجف؛ والسودان III يلونها بالأحمر.

تمرين 1.5 ★

أعطِ وحدة البناء في كل عائلة: الكربوهيدرات، والدهون، والبروتينات، والحموض النووية.

حل

حل التمرين 1.5.

الكربوهيدرات: سكريات بسيطة مثل الغلوكوز. الدهون: غليسرول وحموض دهنية. البروتينات: حموض أمينية (عشرون نوعًا). الحموض النووية: نوكليوتيدات (أربعة أنواع).

تمرين 1.6 ★★

اعتمادًا على الشكل الأول من الفصل، بأي عامل يكون الكربون أكثر تركزًا في جسم الإنسان منه في قشرة الأرض؟ والنيتروجين؟ علّق على ذلك.

حل

حل التمرين 1.6.

الكربون: $18.5/0.02 \approx 900$ مرة أكثر تركزًا. والنيتروجين: $3.2/0.002 = 1600$ مرة. فالمادة الحية ليست عينة من محيطها: إنها تجمع عناصر نادرة قليلة بعوامل تبلغ الألف، وذلك توقيع كيميائي للحياة.

تمرين 1.7 ★★

بالغ كتلته $70\,\mathrm{kg}$ وماؤه 62%. احسب كتلة الماء في جسمه، ثم كتلة المادة الجافة. وإذا كانت البروتينات 17% من كتلة الجسم، فما كتلة البروتين؟

حل

حل التمرين 1.7.

الماء: $0.62 \times 70 = 43.4\,\mathrm{kg}$ . المادة الجافة: $70 - 43.4 = 26.6\,\mathrm{kg}$ . البروتين: $0.17 \times 70 = 11.9\,\mathrm{kg}$ .

تمرين 1.8 ★★

لوح حبوب يحوي، لكل $100\,\mathrm{g}$ ، $60\,\mathrm{g}$ من الكربوهيدرات و $12\,\mathrm{g}$ من الدهون و $8\,\mathrm{g}$ من البروتينات. باستعمال القيم الطاقية في القضية 1.12، احسب الطاقة التي يقدمها $100\,\mathrm{g}$ من اللوح، والنسبة الآتية من الدهون.

حل

حل التمرين 1.8.

الكربوهيدرات $60 \times 17 = 1020\,\mathrm{kJ}$ ؛ والدهون $12 \times 38 = 456\,\mathrm{kJ}$ ؛ والبروتينات $8 \times 17 = 136\,\mathrm{kJ}$ ؛ والمجموع $1612\,\mathrm{kJ}$ ، أي نحو $1600\,\mathrm{kJ}$ . وتقدم الدهون $456/1612 \approx 28\%$ من الطاقة بنسبة 12% فقط من الكتلة.

تمرين 1.9 ★★

يضاف محلول اليود إلى شريحة خبز، وإلى شريحة جبن، وإلى قطعة سكر. تنبأ بالنتيجة في كل حالة وفسّرها.

حل

حل التمرين 1.9.

الخبز: أزرق أسود — فالدقيق نشاء في معظمه. الجبن: لا تغير في اللون وراء صبغة اليود نفسها — بروتينات ودهون، ولا نشاء. السكر: لا تغير — فالسكروز سكر بسيط لا نشاء؛ واليود لا يكشف إلا سلسلة النشاء الطويلة.

تمرين 1.10 ★★

لماذا تحترق المادة الجافة في نبات، بينما لا يحترق الرماد الذي تخلفه؟ وإلى أي زمرة من المادة ينتمي كل منهما؟

حل

حل التمرين 1.10.

المادة الجافة عضوية في معظمها: جزيئات كربون–هيدروجين تتحد مع الأكسجين فتحرر طاقة وثاني أكسيد كربون وماء. أما الرماد فهو الأملاح المعدنية، وقد اتحدت بالأكسجين اتحادًا تامًا من قبل؛ فليس فيها ما يحترق.

تمرين 1.11 ★★

أُعطي محلولان: أحدهما غلوكوز والآخر نشاء. كاشف فهلنغ موجب مع الأول فقط، واليود مع الثاني فقط. ومع ذلك فالنشاء مصنوع من الغلوكوز. اقترح تفسيرًا.

حل

حل التمرين 1.11.

يتفاعل كاشف فهلنغ مع زمرة كيميائية حرة تحملها جزيئات الغلوكوز المفردة؛ أما في النشاء فوحدات الغلوكوز مرتبط بعضها ببعض وتلك الزمر محبوسة داخل السلسلة، فلا يجد الكاشف شيئًا. وعلى العكس، يستقر اليود في سلسلة النشاء الطويلة الملتفة، وهي سلسلة لا تكونها جزيئات الغلوكوز المفردة. فكل كاشف يكشف بنية، لا عنصرًا.

تمرين 1.12 ★★★

حبة قمح تحوي 13% ماء؛ وبادرة قمح بعد ثلاثة أيام من الإنبات تحوي 88%. فسّر هذا التغير، وما الذي يعلمك إياه عن دور الماء في كيمياء الحبة.

حل

حل التمرين 1.12.

امتصت الحبة الماء امتصاصًا هائلًا. فعند 13% تكون المدخرات صلبة والإنزيمات عاجزة عن العمل: كيمياء الحبة مطفأة وهي تبقى ساكنة. والماء يحل المدخرات، ويتيح للإنزيمات أن تعمل، وينقل النواتج إلى الرشيم النامي: فالكيمياء لا تعود إلى الاشتغال إلا حين يوفر الماء.

تمرين 1.13 ★★★

تحوي بلازما الدم نحو $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ من كلور الصوديوم ونحو $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ من الغلوكوز. يتلقى مريض $500\,\mathrm{mL}$ من محلول وريدي. ما كتلتا الملح والغلوكوز اللتان يجب أن يحويهما ليطابق البلازما؟ ولماذا يكون الماء النقي خطرًا؟

حل

حل التمرين 1.13.

الملح: $9 \times 0.5 = 4.5\,\mathrm{g}$ ؛ والغلوكوز: $1 \times 0.5 = 0.5\,\mathrm{g}$ . أما الماء النقي فيخفف البلازما؛ فيدخل الماء عندئذ إلى الكريات الحمراء، فتنتفخ وتنفجر.

تمرين 1.14 ★★★

تخزن الدهون $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ، والغليكوجين $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ؛ ثم إن كل غرام غليكوجين في الجسم يخزن مع نحو $3\,\mathrm{g}$ من الماء. يحمل شخص $0.5\,\mathrm{kg}$ من الغليكوجين و $10\,\mathrm{kg}$ من الدهن. احسب طاقة كل مخزن، والكتلة التي كان على الجسم حملها ليخزن طاقة مخزن الدهن غليكوجينًا مميهًا. واستنتج لماذا تخزن الحيوانات الشحم.

حل

حل التمرين 1.14.

الغليكوجين: $500 \times 17 = 8500\,\mathrm{kJ}$ . والدهن: $10000 \times 38 = 3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ . ولتخزين $3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ غليكوجينًا: $380000/17 \approx 22.4\,\mathrm{kg}$ من الغليكوجين، مع ثلاثة أمثال تلك الكتلة ماءً، أي نحو $90\,\mathrm{kg}$ إجمالًا — وهو أكثر من كتلة الشخص نفسه. فالشحم يخزن نحو تسعة أمثال الطاقة لكل كيلوغرام محمول، ولذلك تخزن الحيوانات التي عليها أن تتحرك مدخراتها دهنًا.

تمرين 1.15 ★★★

«الكائنات الحية مصنوعة من ذرات الصخور نفسها، فلا شيء إذن خاص كيميائيًا في الحياة.» ناقش هذه العبارة في فقرة قصيرة، بثلاث حجج دقيقة من الفصل.

حل

حل التمرين 1.15.

الذرات عادية بالفعل، لكن (1) النسب ليست كذلك: فالمادة الحية تركز الكربون ألف ضعف والنيتروجين أكثر من ذلك بكثير، في مقابل قشرة من الأكسجين والسيليسيوم؛ (2) والجزيئات ليست كذلك: فالكائنات الحية وحدها تركب الكربون في سلاسل عملاقة — بروتينات ونشاء وDNA — لا نظير لحجمها في المعادن؛ (3) وتلك الجزيئات تحمل معلومة في ترتيب وحداتها، وما من بلورة تفعل ذلك. فالحياة خاصة كيميائيًا بتنظيمها، لا بذراتها.

1.6 مسألة: الكربون في جسم إنسان

مسألة 1.1

مسألة نهاية الأسبوع — من حقل قمح إلى جسم: جرد للمادة، من ماء الحبة إلى عدد الكيلوغرامات من الكربون التي يحملها إنسان

يتابع صف مسار المادة من حقل قمح إلى جسم واحدة من تلميذاته. المعطيات: حبة القمح 13% ماء، ومادتها الجافة نحو 70% نشاء و12% بروتين و2% دهن و2% معادن، والباقي سللوز. ويحتفظ دقيق الخبز تقريبًا بتركيب الجزء الداخلي من الحبة. وكتلة التلميذة، ليلى، $60\,\mathrm{kg}$ ؛ استعمل تركيب البالغ في الشكل الثاني (ماء 60%، بروتينات 17%، دهون 16%، معادن 6%، كربوهيدرات 1%). أما النسب الكتلية للعناصر داخل كل عائلة: فخذ الكربوهيدرات 40% كربونًا، والدهون 77% كربونًا، والبروتينات 53% كربونًا و16% نيتروجينًا.

الجزء الأول — الحبة.

حبة كتلتها $45\,\mathrm{mg}$ تجفف. ما كتلة الماء التي تفقدها، وما كتلتها الجافة؟
احسب كتل النشاء والبروتين والدهن في المادة الجافة لحبة واحدة.
أي كواشف الطريقة 1.14 تؤكد كلًا من هذه المكونات الثلاثة على حبة مسحوقة؟
تزرع الحبة وتسقى؛ وبعد ثلاثة أيام تصبح البادرة 88% ماء. فسّر لماذا لا يمكن أن يبدأ الإنبات عند 13%.
يعطي هكتار واحد $8\,\mathrm{t}$ من الحبوب. ما كتلة الماء التي تحصد معها، وما كتلة المادة الجافة؟

الجزء الثاني — الخبز.

يخبز رغيف من $500\,\mathrm{g}$ دقيق و $320\,\mathrm{g}$ ماء و $10\,\mathrm{g}$ ملح؛ ويفقد $130\,\mathrm{g}$ من الماء في الفرن. ما كتلة الرغيف المخبوز، وما محتواه المائي بالمئة؟
باستعمال التركيب الجاف للحبة بدل تركيب الدقيق، قدّر كتلتي النشاء والبروتين في الرغيف.
باستعمال $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ للكربوهيدرات والبروتينات و $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ للدهون، قدّر المحتوى الطاقي للرغيف.
تأكل ليلى $120\,\mathrm{g}$ من هذا الخبز. ما النسبة التي يغطيها ذلك من حاجة يومية تبلغ نحو $10\,000\,\mathrm{kJ}$ ؟
لماذا لا يكون ملح الرغيف مصدر طاقة، وما فائدته في الجسم؟

الجزء الثالث — الجسم: الماء والعائلات.

احسب كتلة الماء في جسم ليلى.
احسب كتل البروتين والدهن والمعادن والكربوهيدرات.
تفقد ليلى $1.2\,\mathrm{kg}$ بالتعرق أثناء جري طويل. ما نسبة ذلك من ماء جسمها؟ ولماذا يجب تعويضه بسرعة؟
دمها، ونحو $4.5\,\mathrm{L}$ ، 55% منه بلازما، والبلازما 90% ماء. قدّر كتلة الماء في دمها (خذ $1\,\mathrm{kg}$ لكل لتر). ما نسبة ذلك من ماء جسمها؟ وأين الباقي؟
الوليد 75% ماء. فسّر في جملة واحدة لماذا يكون الرضيع أشد عرضة للتجفاف من البالغ.

الجزء الرابع — الجسم: العناصر.

باستعمال نسب الكربون في كل عائلة، احسب كتلة الكربون في كربوهيدرات ليلى ودهونها وبروتيناتها، ثم كتلة الكربون الإجمالية.
ما نسبة الكربون من كتلة جسمها؟ قارن بنسبة 18.5% في القضية 1.2 وعلّق على التوافق.
احسب كتلة النيتروجين في بروتيناتها. من أين جاء ذلك النيتروجين في نهاية المطاف؟
الماء 89% أكسجين من حيث الكتلة. احسب كتلة الأكسجين التي يحملها ماء جسمها وحده، وقارنها بنسبة 65% في القضية 1.2. أي جزيء يفسر معظم أكسجين الجسم؟
اذكر النتيجة في جملة واحدة: كم كيلوغرامًا من الكربون يحمل شخص كتلته $60\,\mathrm{kg}$ ، وعبر أي عمليتين بيولوجيتين غادر ذلك الكربون الهواء ودخل الجسم؟

حل

حل المسألة 1.1.

1. الماء $0.13 \times 45 = 5.9\,\mathrm{mg}$ ؛ والكتلة الجافة $39.2\,\mathrm{mg}$ .

2. النشاء $0.70 \times 39.2 \approx 27.4\,\mathrm{mg}$ ؛ والبروتين $0.12 \times 39.2 \approx 4.7\,\mathrm{mg}$ ؛ والدهن $0.02 \times 39.2 \approx 0.8\,\mathrm{mg}$ .

3. اليود (أزرق أسود) للنشاء؛ والبيوريه (بنفسجي) للبروتين؛ وبقعة شفافة على ورق أو السودان III للدهن.

4. عند 13% تكون المدخرات صلبة والإنزيمات خاملة؛ وعلى الماء أن يحل المدخرات ويطلق التفاعلات قبل أن يقدر الرشيم على النمو. فالإنبات يبدأ بامتصاص الماء، ونسبة 88% في البادرة علامة على أن كيمياءها تعمل.

5. الماء $0.13 \times 8 = 1.04\,\mathrm{t}$ ؛ والمادة الجافة $6.96\,\mathrm{t}$ ، أي نحو $7\,\mathrm{t}$ .

6. الكتلة $500 + 320 + 10 - 130 = 700\,\mathrm{g}$ . والماء في الرغيف: من الدقيق $0.13 \times 500 = 65\,\mathrm{g}$ ، زائد $320\,\mathrm{g}$ ، ناقص $130\,\mathrm{g}$ : أي $255\,\mathrm{g}$ ، وهو $255/700 \approx 36\%$ .

7. المادة الجافة في الدقيق $0.87 \times 500 = 435\,\mathrm{g}$ ؛ والنشاء $0.70 \times 435 \approx 305\,\mathrm{g}$ ؛ والبروتين $0.12 \times 435 \approx 52\,\mathrm{g}$ (والدهن نحو $9\,\mathrm{g}$ ).

8. $305 \times 17 + 52 \times 17 + 9 \times 38 \approx 5185 + 884 + 342 \approx 6400\,\mathrm{kJ}$ .

9. $120/700 \approx 0.17$ من الرغيف: أي نحو $1100\,\mathrm{kJ}$ ، وهو 11% من $10\,000\,\mathrm{kJ}$ .

10. الملح معدني: فهو مؤكسد تمامًا من قبل وليس فيه روابط كربون–هيدروجين تحترق. أما في الجسم فشوارده تضبط ملوحة الدم ولا بد منها لإشارات العصب والعضلة.

11. $0.60 \times 60 = 36\,\mathrm{kg}$ من الماء.

12. البروتين $0.17 \times 60 = 10.2\,\mathrm{kg}$ ؛ والدهن $0.16 \times 60 = 9.6\,\mathrm{kg}$ ؛ والمعادن $3.6\,\mathrm{kg}$ ؛ والكربوهيدرات $0.6\,\mathrm{kg}$ .

13. $1.2/36 \approx 3.3\%$ من مائها. ويتوقف على ذلك الماء حجم الدم وضبط الحرارة معًا؛ وفقدان 10% خطر، فعلى الشرب أن يعيده في غضون ساعات.

14. البلازما $0.55 \times 4.5 \approx 2.5\,\mathrm{L}$ ؛ والماء $0.9 \times 2.5 \approx 2.2\,\mathrm{kg}$ ، أي نحو 6% من ماء الجسم. أما الباقي فداخل الخلايا (نحو ثلثي ماء الجسم كله) وفي السائل بين الخلايا.

15. يتبادل الرضيع كل يوم نسبة من مائه أكبر بكثير مما يتبادله البالغ (شربًا وبولًا وعبر الجلد)، فبضع ساعات من الفقد بلا وارد تسحب منه نسبة خطرة من مجموعه.

16. الكربوهيدرات $0.40 \times 0.6 = 0.24\,\mathrm{kg}$ ؛ والدهون $0.77 \times 9.6 \approx 7.4\,\mathrm{kg}$ ؛ والبروتينات $0.53 \times 10.2 \approx 5.4\,\mathrm{kg}$ . والمجموع نحو $13\,\mathrm{kg}$ من الكربون.

17. $13/60 \approx 22\%$ ، مقابل 18.5%. والتوافق حسن بالنظر إلى تقريب نسب العائلات وإلى تفاوت محتوى الدهن بين الأفراد؛ فالجسم الأنحل يعطي رقمًا أدنى.

18. $0.16 \times 10.2 \approx 1.6\,\mathrm{kg}$ من النيتروجين. وقد جاء من نيتروجين الهواء، التقطته بكتيريا التربة، وامتصته النباتات، وانتقل بالأكل على طول السلسلة الغذائية.

19. $0.89 \times 36 \approx 32\,\mathrm{kg}$ من الأكسجين، أي $32/60 \approx 53\%$ من كتلة الجسم. فالماء وحده يفسر معظم نسبة 65%؛ والباقي هو الأكسجين داخل الجزيئات العضوية.

20. يحمل شخص كتلته $60\,\mathrm{kg}$ نحو $13\,\mathrm{kg}$ من الكربون. وقد غادر الهواء ثاني أكسيد كربون بالتركيب الضوئي في النباتات، ودخل الجسم بالتغذي والهضم على طول السلسلة الغذائية.

المصطلحات المعرَّفة في هذا الفصل

عرض كل المصطلحات (479) في المسرد