كيفية وصول الماء لأعالي الأشجار

 كيفية وصول الماء لأعالي الأشجاركيف ينتقل الماء من الجذور عبر النبات إلى الأوراق في نوع خاص من الأنسجة الوعائية يسمى نسيج الخشب. وسنتعرف على النظريات المختلفة التي طرحها العديد من العلماء بشأن آلية حدوث هذا الانتقال بدقة، وكيف استبعدت نظرية تلو الأخرى إلى أن توصلنا أخيرًا إلى نظرية يمكنها تفسير الكيفية التي تؤدي بها النباتات هذه العملية، وهي نظرية التماسك والشد.

الماء مورد أساسي لقدرة النبات على الازدهار والنمو. ولكن ما السبب في ذلك؟ الماء هو المتفاعل الرئيسي في البناء الضوئي، وهو العملية التي تتمكن من خلالها العديد من النباتات من تكوين غذائها في صورة جلوكوز. ويتطلب البناء الضوئي طاقة ضوئية توفرها عادة الشمس. ونتيجة لذلك، يحدث البناء الضوئي غالبًا في الأوراق التي توجد فوق سطح التربة من أجل امتصاص أكبر قدر ممكن من الضوء.

تحتاج النباتات إلى الكثير من الماء، ليس فقط لأن الماء أحد متفاعلات عملية البناء الضوئي، ولكن أيضًا لأن النباتات تفقد كمية كبيرة من الماء مباشرة إلى الهواء الجوي في صورة بخار ماء مع استمرار عملية البناء الضوئي، وذلك من خلال المسام التي يوجد معظمها على الجانب السفلي من الأوراق، وتسمى الثغور، ومفردها ثغر. ويسمى فقدان الماء من خلال التبخر بهذه الطريقة إلى الهواء الجوي النتح. وتشير التقديرات إلى أن نحو 90 بالمائة من الماء الذي تمتصه النباتات يوميًّا يفقد من خلال النتح. في هذا الفيديو، سنحاول فهم كيف يمكن أن يمثل النتح قوة دافعة لنقل الماء في النباتات.

عند ري النبات، علينا دائمًا محاولة ري التربة التي ينمو فيها النبات؛ إذ إننا من خلال ري التربة، نروي جذور النبات فعليًّا. والجذور هي أعضاء النبات المسئولة عادة عن امتصاص جزيئات الماء من التربة. ولكن كيف يشق الماء الذي يمتص عبر الجذور طريقه إلى الأوراق، حيث يكون مطلوبًا لعملية البناء الضوئي؟ يتدفق الماء إلى الأعلى من الجذور إلى الأوراق عبر أوعية متخصصة تسمى أوعية نسيج الخشب. والوظيفة الرئيسية لأوعية نسيج الخشب هي نقل الماء في اتجاه واحد من الجذور، ومرورًا بالساق، ووصولًا إلى الأوراق.

أوعية نسيج الخشب عبارة عن تراكيب طويلة جدًّا تشبه الأنبوب مكونة من خلايا مفردة متراصة بحيث تتصل نهاية كل منها بالأخرى. لا توجد جدران طرفية بين خلايا أوعية نسيج الخشب. وعليه تكون الأوعية أنابيب مفتوحة باستمرار يمكن أن يتدفق الماء خلالها بسهولة ودون الحاجة إلى قوة كبيرة. يبدأ نسيج الخشب نشأته في صورة خلايا حية، لكن مع نضج هذه الخلايا، تموت وتكون الأنابيب المجوفة التي تشكل أوعية نسيج الخشب. ولنقل الماء عبر النبات، يعد وعاء نسيج الخشب هو المسار الأقل مقاومة، وربما الطريق الأقصر إلى الأوراق. تتكون عصارة نسيج الخشب التي تمر عبر أوعية الخشب بالأساس من جزيئات الماء. ولكنها تحتوي أيضًا على بعض الأيونات المعدنية المذابة التي امتصتها الجذور من التربة. لكن كيف يتدفق الماء لأعلى من الجذور إلى الأوراق؟

تسحب الجاذبية الماء لأسفل باتجاه الأرض. ومن ثم، فلا بد من وجود آليات ما أقوى من قوة سحب الجاذبية يمكنها تحريك الماء لأعلى عبر أوعية الخشب. ركزت النظريات الأولى حول كيفية نقل الماء في النبات على تحديد إذا ما كانت القوى الفيزيائية المؤثرة على أوعية نسيج الخشب هي التي قد تساعد على نقل الماء لأعلى عكس الجاذبية. أول عالم حاول الإجابة عن السؤال المتعلق بكيفية نقل الماء في النباتات ركز على أوجه التشابه بين أوعية نسيج الخشب والأوعية الدموية في الإنسان. ومع ملاحظة أن كليهما ذو قطر صغير جدًّا، طرح اقتراح مفاده أن الماء يتحرك عبر أجزاء النبات باستخدام الخاصية الشعرية.

الخاصية الشعرية هي قدرة جزيئات الماء على الانتقال لأعلى عكس الجاذبية في مساحة صغيرة. ومن الممكن إثبات ذلك عن طريق إجراء تجربة بسيطة باستخدام وعاء من الماء ومجموعة من الأنابيب ذات أحجام شعرية متناقصة. وكان أول من وصف هذه الظاهرة هو ليوناردو دافنشي في القرن السابع عشر باستخدام هذه التجربة البسيطة. وأظهرت التجربة أنه في النباتات، قد ترفع أوعية نسيج الخشب مستوى الماء إلى وجهته المقصودة، وذلك عن طريق أن يقل قطرها تدريجيًّا. وتبرهن هذه التجربة البسيطة باستخدام الأنابيب الزجاجية على صحة العبارة «كلما قل قطر الشعيرة، زاد ارتفاع الماء».

ولكن، أظهرت سلسلة من العمليات الحسابية التي أجراها العديد من العلماء الآخرين أن حتى أنحف الشعيرات لن تتمكن من رفع الماء إلى ارتفاعات أعلى من 150 سنتيمترًا. وبما أن ارتفاع معظم النباتات، خاصة الأشجار الطويلة، أعلى من 150 سنتيمترًا بكثير، فالخاصية الشعرية وحدها لا يمكنها تفسير حركة الماء لأعلى عبر وعاء نسيج الخشب. بالإضافة إلى ذلك، لكي تؤدي الخاصية الشعرية وظيفتها على أكمل وجه، يجب أن يوجد اتصال مباشر بين نسيج الخشب والماء في التربة، وهذا لا ينطبق في هذه الحالة. وبما أن الرياضيات والتجارب أخفقت في دعم هذه النظرية، فسرعان ما أصبحت غير مقبولة.

في عام 1874، اقترح عالم النبات البارز الدكتور يوليوس ساكس منظورًا جديدًا لحركة الماء لأعلى عبر النباتات مبنيًّا على امتصاص الماء. أيد ساكس الرأي القائل بأن التشرب «‪imbibition‬‏»، أي امتصاص الماء عبر الجدران الخلوية لأوعية نسيج الخشب، هو القوة الفيزيائية الكامنة وراء نقل الماء في النبات. تأتي الكلمة الإنجليزية ‪imbibition‬‏ من الكلمة اللاتينية ‪imbibe‬‏ التي تعني يشرب. وبما أن النباتات تمتص الكثير من الماء، فقد بدا أن نظرية التشرب منطقية. وبما أن التشرب هو عملية امتصاص الماء بواسطة الجدران الخلوية لخلايا النباتات، فالخلايا الموجودة في البذور الجافة التي توضع في الماء مثل هذه البذور تصبح منتفخة من حيث المظهر، وهو ما يجعل البذرة بأكملها منتفخة. وعادة ما تلاحظ هذه العملية عند امتصاص البذور الخاملة الجافة جزيئات الماء من التربة عن طريق التشرب. وهذا أحد العوامل التي تؤدي إلى إنبات البذور.

التشرب مهم لإنبات البذور، لأنه يساعدها على زيادة حجمها وإنباتها. يمتص الماء من التربة بكفاءة بواسطة غلاف البذرة النابتة. ولكن بعد الفحص الدقيق، وجد أن امتصاص الماء يحدث في الجذور المغروسة في التربة، وليس على امتداد طول وعاء نسيج الخشب بأكمله. كما أن قوة التشرب ضعيفة جدًّا. ومن ثم، فإن نظرية التشرب لا تمثل تفسيرًا منطقيًّا لحركة الماء لأعلى عبر أوعية نسيج الخشب؛ على الرغم من أهميتها في إنبات البذور.

إذا قطعت ساق نبات عند قاعدتها، فسترى عصارة نسيج الخشب وهي تتسرب أو تتدفق لأعلى من الجذور. وهذه الظاهرة تسمى النضح. في عام 1920، دفعت ملاحظة ظاهرة النضح في النباتات عالم نبات آخر، وهو الدكتور بريستلي، إلى اقتراح أن الضغط الجذري قد يمثل القوة الفيزيائية الكامنة وراء نقل الماء في النباتات. ولعلك تتذكر أنه بسبب تدرجات الضغط، تميل السوائل، مثل الماء، إلى التدفق من المناطق ذات الضغط المرتفع إلى المناطق ذات الضغط الأقل نسبيًّا. هذا الضغط العالي في الجذور هو الذي يتسبب في تدفق الماء للأعلى عبر الساق. وهذه هي الظاهرة التي استخدمها دكتور بريستلي باعتبارها أساسًا لنظريته.

الضغط الجذري هو ضغط موجب ينشأ في أوعية نسيج الخشب في الجذر. ويحدث هذا بسبب امتصاص الماء في الجذور بواسطة الخاصية الأسموزية. لكن، من الملاحظ عادة أن الضغط الجذري منخفض للغاية ولا يكفي لرفع الماء إلى قمم الأشجار الشاهقة. علاوة على ذلك، لا يحتاج نقل الماء دائمًا إلى الجذور. وأفضل طريقة لملاحظة هذا هي باستخدام زهور مقطوفة حديثًا وكوبين من مكسبات اللون الغذائية.

عند تقسيم ساق أحد النباتات ووضع كل جزء من الساق في كوب مختلف من الماء الملون، قد يبدأ لون الماء في هذه الأكواب في الظهور على بتلات الزهور خلال فترة تتراوح من بضع ساعات إلى يوم واحد. ويرجع ذلك إلى انتقال الماء والأصباغ المذابة عبر نسيج الخشب. في هذه التجربة البسيطة، نلاحظ أن نقل الماء قد حدث في هذه الزهرة المقطوفة حتى في حالة عدم وجود جذور. وعليه، إذا ظل الماء يتحرك لأعلى حتى في حالة عدم وجود جذور، فإن الضغط الجذري ليس كافيًا لتفسير كيفية انتقال الماء لأعلى في النباتات.

وأخيرًا، تمكن فريق غير متوقع مكون من عالم نبات وعالم فيزياء من اكتشاف أفضل تفسير لكيفية انتقال الماء في النباتات. ففي عام 1894، طور عالم نبات يدعى هنري ديكسون وعالم فيزياء يدعى جون جولي فكرة التماسك والشد. واقترحا أن فقدان الماء في الأوراق من خلال النتح قد يفسر حركة الماء عبر النبات.

ولفهم نظريتهما، دعونا أولًا نستعرض ما المقصود بالنتح وكيفية حدوثه. يوضح هذا الشكل مشهدًا جانبيًّا لمقطع عرضي لبعض الخلايا الموجودة في إحدى الأوراق. تحتوي أوراق العديد من النباتات العليا على طبقة كيوتين شمعية لا يمكن للماء أن ينتشر من خلالها، وذلك لتقليل فقدان الماء. إلا أن ذلك سيحول أيضًا دون تبادل الغازات، مثل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين، وسيمنعها من الدخول إلى أوراق النبات والخروج منها. ويجب أن تمتص النباتات ثاني أكسيد الكربون لأنه يمثل أحد المتفاعلات الرئيسية في عملية البناء الضوئي. ومن ثم، فهناك فراغات في طبقة الكيوتين الشمعية هذه التي تناولناها سابقًا، وتسمى الثغور، والتي يمكن لثاني أكسيد الكربون أن ينتشر من خلالها إلى داخل الورقة. وبمجرد دخول ثاني أكسيد الكربون إلى الورقة، يمكن أن ينتشر في الخلايا التي تتطلب وجوده لإجراء عملية البناء الضوئي.

تطلق عملية البناء الضوئي ناتجًا ثانويًّا، وهو الأكسجين. يتحرك الأكسجين عادة في الاتجاه المعاكس لثاني أكسيد الكربون، إذ ينتشر أولًا إلى خارج الخلايا التي تجري عملية البناء الضوئي في الأوراق، ثم عبر الثغور، وأخيرًا إلى الهواء الجوي. ومع ذلك، عندما تكون الثغور مفتوحة للسماح بهذا التبادل للغازات من أجل البناء الضوئي، يفقد بعض الماء أيضًا في الهواء الجوي في صورة بخار ماء. وهذا الأمر يحدث بمعدل سريع للغاية من خلال النتح.

قد يبدو لك أن النتح ظاهرة ضارة؛ لما يسببه من فقدان النبات لهذا الماء الثمين. لكن يتسبب النتح أيضًا في انطلاق سلسلة من الأحداث التي تساعد في تعويض هذا الماء المفقود. دعونا نبسط الشكل حتى نتمكن من رؤية كيفية حدوث ذلك بشكل أوضح. عندما يتبخر الماء من الأوراق ويخرج من الثغور في صورة بخار ماء، ينشأ شد أو سحب يؤثر على الماء في أوعية نسيج الخشب. وهذا يؤدي إلى سحب الماء لأعلى من الجذور. والقوى الكيميائية الحيوية لجزيئات الماء هي التي تسمح للماء بالتحرك عكس اتجاه قوة سحب الجاذبية المؤثرة لأسفل عبر النبات.

يتسبب الشد الناتج عن النتح وتبخر الماء من الأوراق في إطلاق رد فعل تسلسلي من تأثيرات الشد أو السحب يمتد إلى أسفل عمود جزيئات الماء التي تصطف في وعاء نسيج الخشب. دعونا نناقش القوى الكيميائية الحيوية لجزيئات الماء هذه بمزيد من التفصيل. تتجاذب جزيئات الماء الموجودة في أوعية نسيج الخشب بقوة تجاه بعضها ببعض؛ مما يجعلها تتلاصق معًا. وتسمى علاقة الالتصاق هذه بين جزيئات الماء بالتماسك، ويمثلها في هذا الشكل الخطوط الحمراء المتقطعة بين جزيئات الماء. ويرجع التماسك بين جزيئات الماء إلى الروابط الهيدروجينية القوية التي تتكون بين جزيئات الماء المختلفة، مما يجعلها تلتصق معًا.

يتكامل التماسك بين جزيئات الماء في وعاء نسيج الخشب مع التلاصق. وفي هذا الشكل، يظهر التلاصق ممثلًا بخطوط برتقالية متقطعة بين جزيئات الماء وجدران وعاء نسيج الخشب. فالتماسك الناتج عن الروابط الهيدروجينية في الماء يساعد أيضًا على التصاق الماء بشدة بالجدران الخلوية لأوعية نسيج الخشب. يتعلق كل من التماسك والتلاصق بترابط الجزيئات، لكنهما يختلفان فيما ترتبط به هذه الجزيئات. فبينما يحدث التماسك بين جزيئات الماء المختلفة، فإن التلاصق هو التجاذب بين جزيء ماء وجدران وعاء الخشب.

يساعد التماسك بين جزيئات الماء المختلفة على تكوين عمود متصل من الماء، في حين يساعد التلاصق عمود الماء هذا على التحرك لأعلى عكس اتجاه قوة سحب الجاذبية المؤثرة لأسفل. ومن ثم، يعمل التماسك والتلاصق معًا لشد جزيئات الماء من الجذور، عبر أوعية نسيج الخشب في الساق، وإلى خارج النبات عبر الثغور على الأوراق. ويشار إلى هذا عادة بنظرية التماسك والتلاصق أو التماسك والشد لنقل الماء.

توجد بعض الشروط التي يجب توافرها لكي يحدث الشد الناتج عن النتح في نسيج الخشب. يجب أن يعمل وعاء نسيج الخشب بمثابة أنبوبة شعرية. ويجب أن تكون الأنابيب خالية من فقاعات الغاز أو الهواء، ويجب ألا توجد أي كسور في أوعية نسيج الخشب. لعلك تتذكر أن أربعة عوامل بيئية رئيسية يمكن أن تؤثر على معدل النتح. وهي الضوء، ودرجة الحرارة، والرطوبة، والرياح. يمكن أن تؤثر هذه العوامل تأثيرًا كبيرًا على معدل النتح. فكلما زاد نتح الماء، زادت قوة الشد الناتج عن النتح أعلى أوعية نسيج الخشب. على سبيل المثال، في أثناء النهار، يحفز ضوء الشمس فتح الثغور في الأوراق، ما يتسبب في خروج بخار الماء من الثغور عن طريق الانتشار؛ وهو ما يسرع معدل النتح.

يؤدي الارتفاع في درجة الحرارة إلى تزويد جزيئات الماء بمزيد من الطاقة الحرارية، مما يزيد من طاقتها الحركية. وهذا يزيد من سرعة حركة جزيئات الماء، ومن ثم يزيد من معدل تبخرها والنتح اللاحق لذلك عبر الثغور. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تزيد الرطوبة المنخفضة أو سرعة الرياح العالية من معدل النتح في الأوراق، وذلك بزيادة تدرج تركيز بخار الماء بين داخل الورقة والبيئة الخارجية. وكلما زاد انحدار تدرج التركيز بين الورقة والهواء الجوي، أدى ذلك إلى نتح النبات للماء بسرعة أكبر.

دعونا نر مقدار ما تعلمناه عن النقل في نسيج الخشب من خلال تطبيق معرفتنا على سؤال تدريبي.

يوضح الشكل الآتي مخططًا مبسطًا لحركة الماء عبر أجزاء النبات. من خلال أي وعاء نقل يتحرك معظم الماء؟ (أ) الوريد، (ب) اللحاء، (ج) الجدران الخلوية، (د) نسيج الخشب.

للإجابة عن هذا السؤال، دعونا نستعرض خيارات الإجابة المختلفة ونناقش الغرض من كل تركيب من التراكيب المختلفة المذكورة.

عند استخدام الوريد في سياق الأوعية الناقلة، فإنه يمثل أحد أنواع الأوعية الدموية الموجودة لدى الحيوانات مثل البشر. وتشكل الأوردة جزءًا من الجهاز الدوري للإنسان، وتكون مسئولة عن نقل الدم من أنسجة الجسم إلى القلب. ويوجد نوع مختلف من الأوردة في النبات، ولكنه يسمى العروق ويوجد في أوراق الشجر. ففي حين تؤدي عروق أوراق النباتات دورًا في عملية النقل، فهي ليست أوعية نقل في حد ذاتها. وبما أن السؤال يطلب منا تحديدًا اختيار وعاء النقل الذي يتحرك الماء عبره، فيمكننا استبعاد الخيار (أ).

في حين أن اللحاء ونسيج الخشب كلاهما أوعية نقل موجودة في النباتات، فإن الجدار الخلوي عبارة عن طبقة تركيبية صلبة تحيط بخلايا النبات. والجدران الخلوية مسئولة عن توفير الدعم التركيبي والحماية لخلايا النبات، لكنها ليست أوعية نقل. إذن، يمكن استبعاد هذا الخيار أيضًا.

كما ذكرنا سابقًا، فإن اللحاء ونسيج الخشب كلاهما أوعية نقل، ولكنهما يختلفان من حيث التركيب والوظيفة. إذ ينقل اللحاء مواد مثل السكريات والأحماض الأمينية لأعلى ساق النبات وأسفله. وفي حين أن هذه السكريات والأحماض الأمينية ستكون مذابة في الماء، ومن ثم سيتضمن بعض الماء في عملية النقل عبر اللحاء، فالوظيفة الأساسية للحاء ليست نقل الماء.

من الناحية الأخرى، فإن نسيج الخشب هو المسئول عن نقل معظم جزيئات الماء في النبات. كما أنه ينقل الأيونات المعدنية المذابة. وتمتص بشكل عام جزيئات الماء والأيونات من التربة إلى جذور النبات، ثم تنتقل من جذور النبات إلى ساقه. ينقل نسيج الخشب الماء والأيونات المعدنية لأعلى النبات فقط من الجذور إلى الأوراق والزهور وأي أعضاء أخرى قد تتطلب هذه المواد؛ على عكس نسيج اللحاء، الذي يمكن أن تتحرك فيه المواد لأعلى النبات وأسفله.

إذا استعرضنا الشكل المعطى في السؤال مرة أخرى، فسوف نلاحظ أن الماء يتحرك لأعلى النبات فقط من الجذور إلى الأوراق. وهذا يساعدنا على التأكد من أن اللحاء ليس الوعاء الذي ينتقل عبره معظم الماء، إذ إنه ينقل السكريات والأحماض الأمينية لأعلى ساق النبات وأسفله. وبدلًا من ذلك، ينقل نسيج الخشب معظم الماء عبر النبات.

والآن، لنختتم الفيديو باستعراض سريع للنقاط الرئيسية التي تعلمناها. عادة ما يمتص الماء أولًا من التربة ويدخل إلى جذور النبات. وبعد ذلك، يلزم نقله عكس اتجاه قوة الجاذبية لأعلى النبات إلى الأجزاء التي تقوم بعملية البناء الضوئي. يحدث انتقال الماء هذا في أوعية نسيج الخشب من الجذور، وعبر الساق، ثم إلى الأوراق، حيث يمكن أن تحدث عملية البناء الضوئي.

ظلت الكيفية التي تحدث بها هذه العملية لغزًا غامضًا لفترة طويلة من الزمن، وحاول العديد من العلماء وضع نظريات لتفسير آلية انتقال الماء عبر أوعية نسيج الخشب. ولكن في نهاية المطاف، ثبت عدم صحة نظريات الخاصية الشعرية والضغط الجذري والتشرب جميعها. والنظرية التي ثبتت صحتها هي نظرية النتح، الذي يترتب عليه سحب الماء لأعلى في أوعية نسيج الخشب. وأخيرًا، أوضحت نظرية التماسك والشد أو التماسك والتلاصق كيف أن القوى الكيميائية الحيوية بين جزيئات الماء المفردة وبعضها ببعض، وبين جزيئات الماء وجدران وعاء نسيج الخشب، تتيح حركة الماء للأعلى عبر النبات.