معلومة

انتهاك لقانون حفظ الطاقة بين التمثيل الضوئي والتنفس؟

انتهاك لقانون حفظ الطاقة بين التمثيل الضوئي والتنفس؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لإنتاج جزيء جلوكوز واحد في دورة كالفين ، يستخدم النبات 18 جزيء ATP ، ولكن عندما يتأكسد جزيء الجلوكوز نفسه - أولاً في السيتوبلازم ثم في الميتوكوندريا - يمكنه الحصول على ما يقرب من 36-38 جزيء ATP. كيف يتم الحفاظ على نظرية الحفاظ على الطاقة هنا؟


المغالطات في الحجة

يحتوي السؤال على مغالطتين رئيسيتين (قد يقول البعض خفة اليد) في المقارنة النشطة لتخليق الجلوكوز من ثاني أكسيد الكربون2 في دورة كالفين وأكسدة الجلوكوز عبر تحلل السكر ودورة حمض الكربوكسيل وسلسلة نقل الإلكترون:

  1. أوصاف التفاعلين غير مكتملة - يتم تجاهل الركائز المشتركة المهمة.
  2. يبدو أن صياغة السؤال تفترض أن الطاقة لسلسلة التفاعلات الكيميائية الحيوية تنعكس فقط في التحويل البيني لـ ATP و ADP ، بدلاً من تغيرات الطاقة الحرة التي تحدث في جميع التفاعلات المرتبطة.

شرح مفصل

لإجراء مقارنة صحيحة بين الديناميكا الحرارية لأكسدة الجلوكوز وثاني أكسيد الكربون2 مع شكله التوليفي CO2 علينا النظر في رد الفعل الوحيد القابل للانعكاس: (قد يبدو "6H" غريبًا إلى حد ما ، ولكن يتم احتسابه في تقليل العوامل المساعدة وما إلى ذلك ... لا يمكننا تضمين الأكسجين في المعادلة لأنه لا يشارك كيميائيًا في تخليق الجلوكوز. لذلك ، بالنسبة لهذا العلاج ، تكون سلسلة نقل الإلكترون غير مدرج ، على الرغم من مناقشته لاحقًا.)

يرتبط التفاعل من اليسار إلى اليمين بانخفاض معين في طاقة جيبس ​​الحرة (G) وهذا من اليمين إلى اليسار في زيادة مقابلة بنفس القيمة. في سياق غير بيولوجي ، قد ينطوي هذا على تطور واستخدام الطاقة الحرارية ، ولكن في الخلية ينطوي على الطاقة الكيميائية للروابط بين الذرات. لذلك يتعين علينا النظر في جميع التفاعلات الكيميائية التي يقترن بها التفاعل أعلاه ، أي التي تتلقى أو تنقل الطاقة الحرة. يمكن العثور على التفاعلات الإضافية وتغييرات الطاقة الحرة التي تنطوي عليها في الفصول الخاصة بتحلل السكر ودورة حمض الكربوكسيليك ودورة كالفين في بيرج. وآخرون. وهي (حذف الماء وأيونات الهيدروجين والفوسفات غير العضوي): من خلالها يمكن ملاحظة أن مدخلات الطاقة الكيميائية اللازمة للتوليف أكبر من تلك التي تم الحصول عليها ، العكس لما تم التأكيد عليه في السؤال

ماذا عن ATP؟

نعم ، تؤكسد الخلية NADH و FADH2 ويستخدم تغيير الطاقة الحرة لبناء تدرج كهروكيميائي ، والذي ينتج عن تبديده ATP (30 جزيء لكل جزيء جلوكوز هو التقدير الحالي). ومع ذلك ، فهذه عملية منفصلة ، مع عدم وجود نظير في دورة كالفين ، حيث يتم إنشاء NADPH من تقليل التمثيل الضوئي وليس من ATP. ومع ذلك ، إذا قمت بإجراء "تحويل عملة" ساذج بمعدل 3ATP لكل NAD (P) H و 2ATP لكل FADH2التوازن هو: مدخلات تخليق 54 ATP ، ناتج من الأكسدة 38 ATP ، أي نفس النتيجة العامة المذكورة أعلاه.

إن تعميم العلم ليس بالأمر السهل ، ويمكن إعفاء أولئك الذين يبذلون الجهد من مساواة الطاقة بـ ATP (غالبًا على شكل ومضات ضوئية من قصاصات فنية). ومع ذلك ، إذا كنت ترغب في دراسة التمثيل الغذائي ، فأنت بحاجة إلى التفكير علميًا في الديناميكا الحرارية الكيميائية والطاقة الحرة. حقيقة أن التحلل المائي لـ ATP إلى ADP مصحوب بانخفاض في طاقة Gibbs الحرة ليس ملحوظًا كيميائيًا بشكل خاص في سياق تغيرات الطاقة المجانية للتحولات الكيميائية الأخرى في الخلية (بما في ذلك تقليل الأكسيد NAD (P)). الأمر اللافت للنظر هو أن الخلية قد طورت إنزيمًا يحفز التفاعلات التي لا تفقد فيها الطاقة الحرة الناتجة عن هذا التحويل كحرارة ، ولكن يمكن استخدامها لتعويض + ve G للتفاعل الذي تقترن به. ردود الفعل التي تنطوي على NAD (P) H تفعل الشيء نفسه ، لكنها تقتصر على التخفيضات ، وتغيير الطاقة الحرة كبير بشكل غير مريح.

لماذا تعتبر الإجابة المقبولة على هذا السؤال مضللة

الإجابة المقبولة تتناول سؤالاً مختلفًا عن ذلك المطروح. يستشهد بحساب طاقة الفوتون اللازمة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز. هذا لا علاقة له بالديناميكا الحرارية لدورة كالفين ، والتي يمكن أن تحدث في الظلام. يتعلق فقط بكفاءة استخدام طاقة الفوتون في فسفرة ADP وتقليل NADP+ (بالمصادفة في نظام مفتوح) - رد فعل واضح. الديناميكا الحرارية للتفاعلات التي يشير إليها السؤال - عمليات التحويل البيني للجلوكوز / ثاني أكسيد الكربون - لا تتضمن توليد ركائزها المشتركة.


خلفية: ينص قانون حفظ الطاقة على أن الطاقة في نظام مغلق تظل ثابتة. لذا فإن كمية الطاقة في الجزيء تظل كما هي عند فنائها (ضع في اعتبارك أيضًا قانون معادلة كتلة الطاقة).

قبل الإجابة على هذا ، أود أن أشير إلى أنه في تكوين الجلوكوز ، لا يتم استخدام الطاقة من ATP فقط لإصلاح الكربون ولكن أيضًا الطاقة الضوئية يستخدم أيضًا ، وهو عبارة عن:

يتطلب الأمر ثمانية (أو ربما 10 أو أكثر) فوتونات لاستخدام جزيء واحد من ثاني أكسيد الكربون. تبلغ طاقة جيبس ​​الحرة لتحويل مول من ثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز 114 كيلو كالوري ، بينما تحتوي ثمانية مولات من الفوتونات ذات الطول الموجي 600 نانومتر على 381 كيلو كالوري ، مما يعطي كفاءة اسمية تبلغ 30٪. $ ^ {(1)} $

إذن ، كيف يتم استخدام الطاقة الضوئية في دورة كالفين؟

تستخدم هذه الطاقة الضوئية لتكوين NADPH الذي يستخدم في دورة كالفين. لذلك ليس فقط ATP ولكن أيضًا NADPH مطلوبين لتوليد الطاقة. لذلك بعد النظر في الحقائق المذكورة أعلاه ، يمكن للمرء أن يجادل كمياً بأن الحفاظ على قانون الطاقة لا يتم انتهاكه في حالة أكسدة الجلوكوز بواسطة الميتوكوندريا.


انتهاك لقانون حفظ الطاقة بين التمثيل الضوئي والتنفس؟ - مادة الاحياء

الفكرة الكبيرة 2: تستخدم النظم البيولوجية الطاقة المجانية ولبنات البناء الجزيئية للنمو والتكاثر والحفاظ على التوازن.

كلمات
البناء الضوئي: (12H2O + 6CO2 + Sun Energy à C6H12O6 + 6O2) العملية التي تستخدم فيها النباتات طاقة الشمس لتخليق الكربوهيدرات في البلاستيدات الخضراء.
التنفس الخلوي: (C6H12O6 + 6O2 à 12H2O + 6CO2) العملية التي تأخذ فيها الكائنات الأكسجين وتكسر الكربوهيدرات من أجل تكوين ATP في الميتوكوندريا.
الكربوهيدرات: تشكل السكر البسيط أثناء عملية التمثيل الضوئي. هو المكون الرئيسي للتنفس الخلوي.
ATP: جزيء طاقة الخلية.
كلوروبلاست: الموقع الذي تتم فيه عملية التمثيل الضوئي.
الميتوكوندريا: الموقع الذي يحدث فيه التنفس الخلوي.

الآثار:
يساعد التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي في التعبير عن الفكرة الكبيرة الثانية لدراسة علم الأحياء. كما هو مبين في تقرير المختبر (تقرير مختبر التمثيل الضوئي (+ التنفس الخلوي)) تستخدم النباتات طاقة الشمس الحرة لتخليق الكربوهيدرات. ثم يتم استخدام الكربوهيدرات كطاقة مجانية للخلايا لتخضع للتنفس الخلوي. يوضح تقرير مختبر الخميرة (تقرير مختبر الخميرة) الفرق بين أنواع الكربوهيدرات ومدى فعاليتها فيما يتعلق بالتنفس الخلوي. أخيرًا ، يوضح (تقرير مختبر التناضح) كيف يمكن لغشاء الخلية أن يسمح بمرور المركبات الجزيئية ، لتغذية الخلية وكذلك الحفاظ على التوازن.

لا يتم إنشاء أو تدمير الطاقة أبدًا ، كما يعبر عن ذلك القانون الأول للحفاظ على الطاقة. تأتي أنظمة الطاقة البيولوجية من الكربوهيدرات (في شكل ATP) أثناء التنفس الخلوي. تأتي الكربوهيدرات من عملية التمثيل الضوئي. ومع ذلك ، قد يتساءل المرء عن كيفية إجراء عملية التمثيل الضوئي. بينما يبدو أن النباتات هي نشأة توزيع الطاقة ، إلا أنها ليست سوى الرجل الوسيط في الدورة المعقدة للطاقة الحرة. الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة المجانية ، ويمكن إرجاع معظم الطاقة المجانية التي تستهلكها الأنظمة البيولوجية إليها.

كما هو موضح في تقرير معمل التناضح ، فإن الخلايا محاطة بغشاء شبه نافذ. يفرض هذا الغشاء فكرة أن الخلايا تستخدم الطاقة المجانية للحفاظ على التوازن. التناضح هو الانتشار السلبي للماء من تدرج تركيز إلى آخر. يوضح معمل التناضح أنه عندما توضع الخلية في أنواع مختلفة من المحاليل ، ينتشر الماء إما داخل الخلية أو خارجها. الهدف هو أن يكون للخلية نفس تركيز H2O مثل البيئة الخارجية. يمكن للغشاء الخلوي نفسه استخدام النقل السلبي للسماح بتناول المركبات الجزيئية اللازمة لتوليد الطاقة. عندما يتعلق الأمر بالنقل النشط ، تستخدم الخلية ATP ، نتاج التنفس الخلوي. مع الطاقة الحرة لـ ATP ، يمكن للخلية أن تبدأ في تسهيل وظائف الغشاء الخلوي الأخرى للحفاظ على التوازن.

عندما يتعلق الأمر بنمو الخلايا وتكاثرها باستخدام الطاقة المجانية ، يوضح تقرير معمل الخميرة تأثير أنواع مختلفة من الكربوهيدرات على التنفس الخلوي. يُظهر المختبر أن الخميرة ستستخدم الكربوهيدرات للخضوع للتنفس الخلوي. كما هو موضح في المختبر ، نمت عينات الخميرة الثلاثة التي تحتوي على الكربوهيدرات وتوسعت ، مما يؤكد أنها استخدمت الطاقة المجانية لبناء اللبنات الجزيئية اللازمة للحياة.

أخيرًا ، يُظهر مختبر التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي كيف يتم إنشاء هذه الطاقة المجانية. تمنح الشمس الخلايا النباتية الطاقة الحرة اللازمة لعملية التمثيل الضوئي. باستخدام هذه الطاقة المجانية ، يبدأون في تصنيع الكربوهيدرات. ثم يتم استخدام هذه الكربوهيدرات للخلايا لتنمو من خلال منتجات التنفس الخلوي. عندما يتم تكسير الكربوهيدرات ، يتم تصنيع ATP. يتم بعد ذلك كسر روابط ATP لتحرير الطاقة التي تغذي معظم الأنشطة الخلوية. بعد عملية التنفس الخلوي ، يتم إطلاق منتجات H2O و CO2 مرة أخرى في الهواء لتخضع لعملية التمثيل الضوئي. لذلك ، تستخدم الخلايا الطاقة المجانية لتغذية كل وظيفة ضرورية للحياة.


قانون حفظ الطاقة

ال قانون حفظ الطاقة تنص على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة - فقط تحويلها من شكل واحد من أشكال الطاقة إلى شكل آخر. هذا يعني أن النظام لديه دائمًا نفس القدر من الطاقة ، ما لم تتم إضافته من الخارج. هذا محير بشكل خاص في حالة القوى غير المحافظة ، حيث يتم تحويل الطاقة من طاقة ميكانيكية إلى طاقة حرارية ، لكن الطاقة الكلية تظل كما هي. الطريقة الوحيدة لاستخدام الطاقة هي تحويل الطاقة من شكل إلى آخر.

إذن ، يتم تحديد كمية الطاقة في أي نظام بالمعادلة التالية:

  • [math] U_T [/ math] هو إجمالي الطاقة الداخلية للنظام.
  • [math] U_i [/ ​​math] هي الطاقة الداخلية الأولية للنظام.
  • [math] W [/ math] هو العمل المنجز بواسطة أو على النظام.
  • [math] Q [/ math] هي الحرارة المضافة إلى النظام أو إزالته منه.

من الممكن أيضًا تحديد التغيير في الطاقة الداخلية للنظام باستخدام المعادلة: [math] Delta U = W + Q [/ math]

هذا أيضًا بيان للقانون الأول للديناميكا الحرارية.

في حين أن هذه المعادلات قوية للغاية ، إلا أنها قد تجعل من الصعب رؤية قوة العبارة. الرسالة الجاهزة هي أن الطاقة لا يمكن إنشاؤها من لا شيء. يجب أن يحصل المجتمع على الطاقة من مكان ما ، على الرغم من وجود العديد من الأماكن المخادعة للحصول عليها (بعض المصادر هي الوقود الأساسي وبعض المصادر هي تدفقات الطاقة الأولية).

في أوائل القرن العشرين ، اكتشف أينشتاين أنه حتى الكتلة هي شكل من أشكال الطاقة (وهذا ما يسمى معادلة الكتلة والطاقة). ترتبط كمية الكتلة بشكل مباشر بكمية الطاقة ، كما تحددها الصيغة الأكثر شهرة في الفيزياء:

  • [math] E [/ math] هو مقدار الطاقة في كائن أو نظام.
  • [math] m [/ math] هي كتلة الجسم أو النظام.
  • [math] c [/ math] هي سرعة الضوء ، تقريبًا [math] 3 times10 ^ 8 m / s [/ math].

دورات الكربون وتدفق الطاقة عبر النظم البيئية والمحيط الحيوي

في نشاط التحليل والمناقشة هذا ، يتعلم الطلاب لماذا يتطلب المحيط الحيوي تدفقًا مستمرًا للطاقة ، ولكنه لا يحتاج إلى تدفق ذرات الكربون. يحلل الطلاب كيف توضح عملية التمثيل الضوئي المبادئ العامة لحفظ المادة والقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

بعد ذلك ، يحلل الطلاب كيف تنتج دورات الكربون وتدفق الطاقة عبر النظم البيئية عن البناء الضوئي ، والتخليق الحيوي ، والتنفس الخلوي ، والعلاقات الغذائية في شبكات الغذاء. وبالتالي ، يتعلم الطلاب مدى أهمية الظواهر البيئية الناتجة عن العمليات على المستويات الجزيئية والخلوية والكائناتية.

نشرة الطالب متاحة في أول ملفين مرفقين وكملف مستند Google مصممة للاستخدام في الدراسة عن بعد و تعليمات عبر الإنترنت. توفر ملاحظات المعلم ، المتوفرة في آخر ملفين مرفقين ، اقتراحات إرشادية ومعلومات أساسية وتشرح كيف يتماشى هذا النشاط مع معايير علوم الجيل التالي.


المقدمة

يهيمن على توازن الكربون في الغطاء النباتي تدفقات كبيرة: تدفق الكربون من خلال عملية التمثيل الضوئي والتدفق الخارج من خلال التنفس. امتصاص الكربون على شكل أول أكسيد الكربون2 في عملية التمثيل الضوئي هي العملية المهمة الوحيدة لاكتساب الكربون ، لأن امتصاص الكربون في شكل عضوي (مثل الأحماض الأمينية للتربة) صغير بالمقارنة. من ناحية أخرى ، على الرغم من أن التنفس هو العملية السائدة لفقدان الكربون ، فإن النباتات تفقد الكتلة الحيوية من خلال الشيخوخة أيضًا ، ويساهم نضح الجذور في فقدان الكربون. لم تتم مناقشة تحضّر الجذور والشيخوخة بمزيد من التفصيل هنا ، لأنها لا تؤثر على التحليل الذي نقدمه.

يتم تعريف صافي الإنتاجية الأولية (NPP) على أنه الفرق بين التمثيل الضوئي والتنفس الذاتي. عندما يكون NPP موجبًا ، فإن النباتات تزيد من كتلتها الحيوية الهيكلية و / أو مجموعة احتياطياتها. لقد طرحت نمذجة NPP مشاكل بسبب الحاجة المفترضة لمحاكاة التدفقات الكبيرة لعملية التمثيل الضوئي والتنفس بشكل منفصل (Ågren ، 1996). تم اعتبار محاكاة التدفقات بشكل منفصل أمرًا ضروريًا لأنها تخضع لضوابط داخلية وخارجية مختلفة (Amthor ، 2000 Cannell and Thornley ، 2000). ومع ذلك ، غالبًا ما أظهرت النماذج التي تم فيها فصل التمثيل الضوئي والتنفس عن عدم وجود توازن - مع استجابات متطرفة لـ NPP للتغيرات في البيئة. على سبيل المثال ، تبين أن التنبؤات النموذجية بأن الكثير من غابات الأمازون المطيرة قد تختفي هذا القرن بسبب الاحتباس الحراري تعتمد جزئيًا على افتراض أن التنفس قد يزيد بشكل مستقل عن التغييرات المصاحبة في عملية التمثيل الضوئي (هنتنغفورد) وآخرون.، 2004 د وآخرون.، CEH- إدنبرة ، المملكة المتحدة ، unpubl. الدقة).

قبل بضع سنوات ، بدا أن عمل جيفورد (1995 ، 2003) يوفر حلاً لعدم استقرار النموذج. رأى جيفورد أن التنفس لا يمكن أن يكون مستقلاً عن عملية التمثيل الضوئي لأن الركيزة للتنفس تنشأ من عملية التمثيل الضوئي ، أي أن النباتات لا تستطيع التنفس مما لم تقم به من قبل. شرع جيفورد في قياس التمثيل الضوئي والتنفس لنباتات القمح على مدى 24 ساعة ، في ظل أنظمة درجات حرارة مختلفة تتراوح من 15 إلى 30 درجة مئوية في المتوسط. وجد أن نسبة التنفس والتمثيل الضوئي (R: P) كانت ثابتة نسبيًا ، 0 · 40-0 · 45 ، ومستقلة عن درجة الحرارة. كان هذا متسقًا مع العمل السابق الذي قام به رايل وآخرون. (1976) ، وينزلر وآخرون. (1976) و Yamaguchi (1978) ، كما استعرضها Monteith (1981). ديوار وآخرون. (1999) أن التضمين الصريح لديناميات الركيزة يمكن أن يقيد أيضًا R: P في النماذج الديناميكية. تم تقديم أدلة تجريبية مؤيدة أخرى ، لأنواع نباتية مختلفة ، من قبل العديد من العمال (Keith وآخرون.، 1997 Monje and Bugbee، 1998 Malhi وآخرون.، 1999 كانيل وثورنلي ، 2000). ديلوشيا وآخرون. (2007) ، في مراجعة لـ 60 دراسة حرجية ، كانت قادرة على حساب 72 ٪ من التباين في NPP باستخدام الانحدار الخطي على إجمالي الإنتاج الأولي (GPP) مع منحدر من 0-53. يعزى التباين المتبقي إلى الاختلافات بين الأنواع وفي عمر الشجرة. قدم Atkin بعض الفهم الآلي لثبات R: P وآخرون. (2005) ، الذي وجد أن التنفس والتمثيل الضوئي في معظم أنواع النباتات التي تم فحصها يتأقلم بشكل مشابه بعد تغير درجة الحرارة. في الآونة الأخيرة ، أتكين وآخرون. (2007) أكد التوازن لـ R: P ، in بلانتاجو spp. ، ولكن لم يتم الحفاظ على هذا عندما تعرضت النباتات لدرجات حرارة أعلى من المعتاد في موائلها. تم الإبلاغ عن الاختلافات بين التأقلم الضوئي والجهاز التنفسي مع درجة الحرارة بواسطة كامبل وآخرون. (2007) وهارتلي وآخرون. (2006). تشنغ وآخرون. وجد (2000) أن R: P من عباد الشمس كان أيضًا غير حساس للتغيرات في ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي2 تركيز. بشكل عام ، يؤكد البحث تقييم مونتيث (1981) بأن النسبة قد تختلف خلال فترات زمنية قصيرة ولكنها ثابتة على مدى أسابيع وأطول. اقترح جيفورد أن ثبات نسبة R: P يغني عن الحاجة إلى أن يكون لدى واضعي النماذج حسابات منفصلة للتنفس في نموذجهم.

اقترحت جميع الدراسات المذكورة أعلاه تفسيرات فسيولوجية للقيم المرصودة لنسبة R: P. في المقابل ، الهدف من هذه الدراسة هو إظهار أن R: P مقيد بالضرورة بين حدود ضيقة للغاية ، وإن لم يكن لأسباب بيولوجية ولكن لأسباب رياضية. تم اقتراح إمكانية إجراء مثل هذا التحليل الرياضي من خلال عمل Amthor (2000) ، الذي قام بتحليل دور التنفس المرتبط بعمليات النمو والصيانة. نقدم إطارًا نظريًا يربط عملية التمثيل الضوئي والتنفس بالتدفقات الرئيسية الأخرى للكربون في الغطاء النباتي ، أي النمو والتخزين وإعادة التعبئة. نوضح كيف يكشف النظر في قانون الحفاظ على الكتلة عن القيود المفروضة على الأحجام النسبية لعمليات استهلاك الكربون المختلفة. تنطبق هذه القيود على أي نوع نباتي وأي مقياس زمني. كنتيجة طبيعية لتحليلنا ، نوضح كيف يمكن تمديد مجموعات بيانات الأراضي العشبية غير المكتملة فيما يتعلق بميزانية الكربون الكاملة للنباتات بتقديرات قوية للعمليات المفقودة.

تخطيط هذه الورقة هو على النحو التالي. يتم تقديم البيانات الخاصة بعملية التمثيل الضوئي وتنفس المروج الحشائش أولاً. ثم يتم تقديم التحليل النظري للقيود المفروضة على التمثيل الضوئي والتنفس والنمو وتخزين الكربون في الغطاء النباتي. في القسم التالي ، تم توضيح ما يعنيه هذا بالنسبة للقيم الممكنة نظريًا للتنفس والتخزين. ثم يتم تطبيق التحليل على بيانات حشائش العشب ، وتختتم الورقة بمناقشة موجزة.


4.1 الطاقة والتمثيل الغذائي

يستخدم العلماء مصطلح الطاقة الحيوية لوصف مفهوم تدفق الطاقة (الشكل 4.2) من خلال الأنظمة الحية ، مثل الخلايا. تحدث العمليات الخلوية مثل بناء وتحطيم الجزيئات المعقدة من خلال تفاعلات كيميائية متدرجة. بعض هذه التفاعلات الكيميائية عفوية وتطلق الطاقة ، في حين أن البعض الآخر يحتاج إلى طاقة للمضي قدمًا.تمامًا كما يجب أن تستهلك الكائنات الحية الطعام باستمرار لتجديد مواردها من الطاقة ، يجب أن تحصل الخلايا باستمرار على المزيد من الطاقة لتجديد تلك المستخدمة في العديد من التفاعلات الكيميائية التي تتطلب الطاقة والتي تحدث باستمرار. معًا ، يُشار إلى جميع التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تستهلك أو تولد الطاقة ، باسم التمثيل الغذائي للخلية.

المسارات الأيضية

ضع في اعتبارك عملية التمثيل الغذائي للسكر. هذا مثال كلاسيكي لواحدة من العديد من العمليات الخلوية التي تستخدم وتنتج الطاقة. تستهلك الكائنات الحية السكريات كمصدر رئيسي للطاقة ، لأن جزيئات السكر تحتوي على قدر كبير من الطاقة المخزنة في روابطها. بالنسبة للجزء الأكبر ، تنتج الكائنات الحية مثل النباتات هذه السكريات. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تستخدم النباتات الطاقة (في الأصل من ضوء الشمس) لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون (CO2) في جزيئات السكر (مثل الجلوكوز: ج6ح12ا6). يستهلكون ثاني أكسيد الكربون وينتجون الأكسجين كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل هذا على النحو التالي:

نظرًا لأن هذه العملية تتضمن توليف جزيء لتخزين الطاقة ، فإنها تتطلب إدخال طاقة للمضي قدمًا. أثناء التفاعلات الخفيفة لعملية التمثيل الضوئي ، يتم توفير الطاقة بواسطة جزيء يسمى أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، وهو عملة الطاقة الأولية لجميع الخلايا. مثلما يتم استخدام الدولار كعملة لشراء السلع ، تستخدم الخلايا جزيئات ATP كعملة للطاقة لأداء عمل فوري. في المقابل ، يتم استهلاك جزيئات تخزين الطاقة مثل الجلوكوز فقط ليتم تفتيتها لاستخدام طاقتها. يمكن تلخيص التفاعل الذي يحصد طاقة جزيء السكر في الخلايا التي تتطلب الأكسجين للبقاء على قيد الحياة من خلال رد الفعل العكسي لعملية التمثيل الضوئي. في هذا التفاعل ، يتم استهلاك الأكسجين ويتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون كمنتج نفايات. يتم تلخيص رد الفعل على النحو التالي:

كلا من ردود الفعل هذه تنطوي على العديد من الخطوات.

توضح عمليات صنع وتحطيم جزيئات السكر مثالين على مسارات التمثيل الغذائي. المسار الأيضي عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية التي تأخذ جزيء البدء وتعديله ، خطوة بخطوة ، من خلال سلسلة من الوسائط الأيضية ، مما ينتج عنه في النهاية منتج نهائي. في مثال استقلاب السكر ، أول مسار استقلابي يصنع السكر من جزيئات أصغر ، والمسار الآخر يقسم السكر إلى جزيئات أصغر. يشار إلى هاتين العمليتين المتعارضتين - الأولى تتطلب طاقة والثانية منتجة للطاقة - بالمسارات الابتنائية (بناء البوليمرات) والمسارات التقويضية (تحطيم البوليمرات إلى مونومراتها) ، على التوالي. وبالتالي ، فإن التمثيل الغذائي يتكون من التوليف (الابتنائية) والتدهور (الهدم) (الشكل 4.3).

من المهم معرفة أن التفاعلات الكيميائية لمسارات التمثيل الغذائي لا تحدث من تلقاء نفسها. يتم تسهيل أو تحفيز كل خطوة من خطوات التفاعل بواسطة بروتين يسمى الإنزيم. الإنزيمات مهمة لتحفيز جميع أنواع التفاعلات البيولوجية - تلك التي تتطلب طاقة بالإضافة إلى تلك التي تطلق الطاقة.

طاقة

تشير الديناميكا الحرارية إلى دراسة نقل الطاقة والطاقة التي تنطوي على مادة فيزيائية. تسمى المسألة ذات الصلة بحالة معينة من نقل الطاقة بالنظام ، وكل شيء خارج هذه المادة يسمى البيئة المحيطة. على سبيل المثال ، عند تسخين قدر من الماء على الموقد ، يشتمل النظام على الموقد والوعاء والماء. يتم نقل الطاقة داخل النظام (بين الموقد والوعاء والماء). هناك نوعان من الأنظمة: مفتوحة ومغلقة. في النظام المفتوح ، يمكن تبادل الطاقة مع محيطها. نظام الموقد مفتوح لأن الحرارة يمكن أن تضيع في الهواء. لا يمكن للنظام المغلق تبادل الطاقة مع محيطه.

الكائنات البيولوجية هي أنظمة مفتوحة. يتم تبادل الطاقة بينهم وبين محيطهم حيث يستخدمون الطاقة من الشمس لإجراء عملية التمثيل الضوئي أو استهلاك جزيئات تخزين الطاقة وإطلاق الطاقة إلى البيئة عن طريق القيام بالعمل وإطلاق الحرارة. مثل كل الأشياء في العالم المادي ، تخضع الطاقة للقوانين الفيزيائية. تتحكم قوانين الديناميكا الحرارية في نقل الطاقة بين جميع الأنظمة في الكون.

بشكل عام ، تُعرَّف الطاقة بأنها القدرة على القيام بالعمل ، أو إحداث نوع من التغيير. الطاقة موجودة في أشكال مختلفة. على سبيل المثال ، تعد الطاقة الكهربائية والطاقة الضوئية والطاقة الحرارية أنواعًا مختلفة من الطاقة. لتقدير الطريقة التي تتدفق بها الطاقة داخل وخارج الأنظمة البيولوجية ، من المهم أن نفهم اثنين من القوانين الفيزيائية التي تحكم الطاقة.

الديناميكا الحرارية

ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أن الكمية الإجمالية للطاقة في الكون ثابتة ومحفوظة. بعبارة أخرى ، كان هناك دائمًا وسيظل دائمًا نفس القدر من الطاقة في الكون. توجد الطاقة في العديد من الأشكال المختلفة. وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، يمكن نقل الطاقة من مكان إلى آخر أو تحويلها إلى أشكال مختلفة ، ولكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. تحدث عمليات نقل وتحولات الطاقة من حولنا طوال الوقت. تحول المصابيح الكهربائية الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وطاقة حرارية. تعمل مواقد الغاز على تحويل الطاقة الكيميائية من الغاز الطبيعي إلى طاقة حرارية. تقوم النباتات بأحد أكثر تحولات الطاقة المفيدة بيولوجيًا على الأرض: تحويل طاقة ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية مخزنة داخل الجزيئات العضوية (الشكل 4.2). تظهر بعض الأمثلة على تحولات الطاقة في الشكل 4.4.

التحدي الذي يواجه جميع الكائنات الحية هو الحصول على الطاقة من محيطها في أشكال يمكنها نقلها أو تحويلها إلى طاقة قابلة للاستخدام للقيام بالعمل. تطورت الخلايا الحية لمواجهة هذا التحدي. يتم نقل الطاقة الكيميائية المخزنة داخل الجزيئات العضوية مثل السكريات والدهون وتحويلها من خلال سلسلة من التفاعلات الكيميائية الخلوية إلى طاقة داخل جزيئات ATP. يمكن الوصول بسهولة إلى الطاقة في جزيئات ATP للقيام بالعمل. تتضمن أمثلة أنواع العمل الذي تحتاجه الخلايا القيام به بناء جزيئات معقدة ، ونقل المواد ، وتشغيل حركة الأهداب أو الأسواط ، وتقلص ألياف العضلات لخلق الحركة.

قد تبدو المهام الأساسية للخلية الحية المتمثلة في الحصول على الطاقة وتحويلها واستخدامها لأداء العمل بسيطة. ومع ذلك ، يشرح القانون الثاني للديناميكا الحرارية سبب كون هذه المهام أصعب مما تبدو عليه. جميع عمليات نقل الطاقة وتحولاتها لا تكون أبدًا فعالة تمامًا. في كل عملية نقل للطاقة ، يتم فقد قدر من الطاقة بشكل غير صالح للاستعمال. في معظم الحالات ، هذا النموذج هو الطاقة الحرارية. من الناحية الديناميكية الحرارية ، تُعرَّف الطاقة الحرارية بأنها الطاقة المنقولة من نظام إلى آخر لا تعمل. على سبيل المثال ، عند تشغيل المصباح الكهربائي ، يتم فقدان بعض الطاقة التي يتم تحويلها من الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية كطاقة حرارية. وبالمثل ، يتم فقدان بعض الطاقة كطاقة حرارية أثناء تفاعلات التمثيل الغذائي الخلوي.

مفهوم مهم في النظم الفيزيائية هو مفهوم النظام والفوضى. كلما زادت الطاقة التي يفقدها النظام إلى المناطق المحيطة به ، كلما كان النظام أقل ترتيبًا وأكثر عشوائية. يشير العلماء إلى مقياس العشوائية أو الاضطراب داخل نظام ما على أنه إنتروبيا. الانتروبيا العالية تعني الفوضى العالية والطاقة المنخفضة. الجزيئات والتفاعلات الكيميائية لها إنتروبيا متفاوتة أيضًا. على سبيل المثال ، تزداد الإنتروبيا عندما تنتشر الجزيئات ذات التركيز العالي في مكان واحد وتنتشر. ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن الطاقة ستُفقد دائمًا عند نقل الحرارة أو تحويلها.

يتم ترتيب الكائنات الحية بدرجة عالية ، وتتطلب مدخلات طاقة ثابتة يتم الحفاظ عليها في حالة انخفاض الانتروبيا.

الطاقة الكامنة والحركية

عندما يتحرك جسم ما ، توجد طاقة مرتبطة بذلك الجسم. فكر في كرة محطمة. حتى كرة التدمير البطيئة يمكن أن تسبب قدرًا كبيرًا من الضرر للأشياء الأخرى. الطاقة المرتبطة بالأجسام المتحركة تسمى الطاقة الحركية (الشكل 4.5). الرصاصة المسرعة ، والشخص الذي يمشي ، والحركة السريعة للجزيئات في الهواء (التي تنتج الحرارة) كلها لها طاقة حركية.

الآن ماذا لو رفعت كرة التحطيم نفسها طابقين فوق الأرض برافعة؟ إذا كانت كرة التحطيم المعلقة ثابتة ، فهل هناك طاقة مرتبطة بها؟ الجواب نعم. الطاقة المطلوبة لرفع الكرة المدمرة لم تختف ، لكنها مخزنة الآن في كرة التحطيم بحكم موقعها وقوة الجاذبية المؤثرة عليها. هذا النوع من الطاقة يسمى الطاقة الكامنة (الشكل 4.5). إذا سقطت الكرة ، فإن الطاقة الكامنة ستتحول إلى طاقة حركية حتى يتم استنفاد كل الطاقة الكامنة عندما تستقر الكرة على الأرض. تتأرجح الكرات المدمرة أيضًا مثل البندول من خلال التأرجح ، فهناك تغير مستمر في الطاقة الكامنة (الأعلى في الجزء العلوي من التأرجح) إلى الطاقة الحركية (الأعلى في الجزء السفلي من التأرجح). تشمل الأمثلة الأخرى للطاقة الكامنة طاقة الماء الموجودة خلف السد أو شخص على وشك القفز بالمظلة من طائرة.

لا ترتبط الطاقة الكامنة بموقع المادة فحسب ، بل ترتبط أيضًا ببنية المادة. حتى الزنبرك الموجود على الأرض لديه طاقة كامنة إذا تم ضغطه ، وكذلك الشريط المطاطي المشدود. على المستوى الجزيئي ، توجد الروابط التي تربط ذرات الجزيئات معًا في بنية معينة لها طاقة كامنة. تذكر أن المسارات الخلوية الابتنائية تتطلب طاقة لتصنيع جزيئات معقدة من جزيئات أبسط ، وأن المسارات التقويضية تطلق الطاقة عند تكسير الجزيئات المعقدة. حقيقة أن الطاقة يمكن إطلاقها من خلال انهيار روابط كيميائية معينة تعني أن هذه الروابط لديها طاقة كامنة. في الواقع ، هناك طاقة كامنة مخزنة داخل روابط جميع جزيئات الطعام التي نأكلها ، والتي يتم تسخيرها في النهاية للاستخدام. هذا لأن هذه الروابط يمكن أن تطلق الطاقة عند كسرها. يُطلق على نوع الطاقة الكامنة الموجودة داخل الروابط الكيميائية ، والتي يتم إطلاقها عندما تنكسر تلك الروابط ، اسم الطاقة الكيميائية. الطاقة الكيميائية هي المسؤولة عن تزويد الخلايا الحية بالطاقة من الغذاء. يحدث إطلاق الطاقة عندما تنكسر الروابط الجزيئية داخل جزيئات الطعام.

المفاهيم في العمل

قم بزيارة الموقع وحدد "بندول" من قائمة "العمل والطاقة" لمشاهدة الطاقة الحركية المتغيرة والطاقة الكامنة للبندول أثناء الحركة.

الطاقة المجانية والتفعيل

بعد معرفة أن التفاعلات الكيميائية تطلق الطاقة عندما تنكسر روابط تخزين الطاقة ، فإن السؤال التالي المهم هو ما يلي: كيف يتم قياس الطاقة المرتبطة بهذه التفاعلات الكيميائية والتعبير عنها؟ كيف يمكن مقارنة الطاقة المنبعثة من تفاعل واحد بتفاعل آخر؟ يتم استخدام قياس الطاقة الحرة لتحديد عمليات نقل الطاقة هذه. تذكر أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، تتضمن جميع عمليات نقل الطاقة فقدان قدر من الطاقة في صورة غير قابلة للاستخدام مثل الحرارة. تشير الطاقة الحرة على وجه التحديد إلى الطاقة المرتبطة بتفاعل كيميائي متاح بعد حساب الخسائر. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة هي طاقة قابلة للاستخدام ، أو طاقة متوفرة للقيام بالعمل.

إذا تم إطلاق الطاقة أثناء تفاعل كيميائي ، فإن التغيير في الطاقة الحرة ، والمشار إليه بـ ∆G (دلتا G) سيكون رقمًا سالبًا. يعني التغيير السلبي في الطاقة الحرة أيضًا أن منتجات التفاعل لها طاقة حرة أقل من المواد المتفاعلة ، لأنها تطلق بعض الطاقة الحرة أثناء التفاعل. ردود الفعل التي لها تغير سلبي في الطاقة الحرة وبالتالي تطلق الطاقة الحرة تسمى التفاعلات الخارجية. يفكر: السابقergonic تعني الطاقة السابقiting النظام. يشار إلى هذه التفاعلات أيضًا على أنها تفاعلات عفوية ، وتحتوي منتجاتها على طاقة مخزنة أقل من المواد المتفاعلة. يجب التمييز بين المصطلح تلقائي وفكرة حدوث تفاعل كيميائي على الفور. على عكس الاستخدام اليومي للمصطلح ، فإن التفاعل التلقائي ليس رد فعل يحدث فجأة أو بسرعة. صدأ الحديد هو مثال على التفاعل التلقائي الذي يحدث ببطء ، شيئًا فشيئًا ، بمرور الوقت.

إذا كان التفاعل الكيميائي يمتص الطاقة بدلاً من إطلاق الطاقة بالتوازن ، فإن ∆G لهذا التفاعل سيكون قيمة موجبة. في هذه الحالة ، المنتجات لديها طاقة حرة أكثر من المواد المتفاعلة. وبالتالي ، يمكن اعتبار منتجات هذه التفاعلات بمثابة جزيئات لتخزين الطاقة. تسمى هذه التفاعلات الكيميائية تفاعلات endergonic وهي غير عفوية. لن يحدث تفاعل مائي من تلقاء نفسه بدون إضافة طاقة حرة.

اتصال مرئي

انظر إلى كل من العمليات الموضحة وقرر ما إذا كانت مفعمة بالطاقة أو مفرطة الطاقة.

هناك مفهوم آخر مهم يجب مراعاته فيما يتعلق بردود الفعل المبطنة للطاقة. تتطلب التفاعلات المفرطة قدرًا صغيرًا من مدخلات الطاقة للبدء ، قبل أن يتمكنوا من المضي قدمًا في خطوات إطلاق الطاقة. هذه التفاعلات لها إطلاق صافٍ للطاقة ، لكنها لا تزال تتطلب بعض مدخلات الطاقة في البداية. هذه الكمية الصغيرة من مدخلات الطاقة اللازمة لحدوث جميع التفاعلات الكيميائية تسمى طاقة التنشيط.

المفاهيم في العمل

شاهد رسمًا متحركًا للانتقال من الطاقة الحرة إلى حالة رد الفعل الانتقالية.

الانزيمات

تسمى المادة التي تساعد في حدوث تفاعل كيميائي محفزًا ، وتسمى الجزيئات التي تحفز التفاعلات الكيميائية الحيوية بالإنزيمات. معظم الإنزيمات عبارة عن بروتينات وتؤدي المهمة الحاسمة المتمثلة في خفض طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية داخل الخلية. تحدث معظم التفاعلات الحرجة للخلية الحية ببطء شديد في درجات الحرارة العادية بحيث لا تكون ذات فائدة للخلية. بدون إنزيمات لتسريع ردود الفعل هذه ، لا يمكن للحياة أن تستمر. تقوم الإنزيمات بذلك عن طريق الارتباط بجزيئات المتفاعلة والاحتفاظ بها بطريقة تجعل عمليات تكسير وتشكيل الروابط الكيميائية تتم بسهولة أكبر. من المهم أن تتذكر أن الإنزيمات لا تتغير سواء كان التفاعل طاردًا للطاقة (عفويًا) أو مسببًا للطاقة. هذا لأنها لا تغير الطاقة الحرة للمواد المتفاعلة أو المنتجات. إنها تقلل فقط من طاقة التنشيط المطلوبة للتفاعل للمضي قدمًا (الشكل 4.7). بالإضافة إلى ذلك ، فإن الإنزيم نفسه لا يتغير بالتفاعل الذي يحفزه. بمجرد تحفيز تفاعل واحد ، يكون الإنزيم قادرًا على المشاركة في تفاعلات أخرى.

تسمى المتفاعلات الكيميائية التي يرتبط بها الإنزيم ركائز الإنزيم. قد يكون هناك ركيزة واحدة أو أكثر ، اعتمادًا على تفاعل كيميائي معين. في بعض التفاعلات ، يتم تقسيم الركيزة المتفاعلة الواحدة إلى منتجات متعددة. في حالات أخرى ، قد تتحد ركيزتان لتكوين جزيء أكبر. قد يدخل مفاعلان متفاعلان أيضًا في التفاعل ويتم تعديل كلاهما ، لكنهما يتركان التفاعل كمنتجين. يسمى الموقع داخل الإنزيم حيث ترتبط الركيزة بالموقع النشط للإنزيم. الموقع النشط هو المكان الذي يحدث فيه "الإجراء". نظرًا لأن الإنزيمات عبارة عن بروتينات ، فهناك مزيج فريد من سلاسل الأحماض الأمينية الجانبية داخل الموقع النشط. تتميز كل سلسلة جانبية بخصائص مختلفة. يمكن أن تكون كبيرة أو صغيرة ، حمضية أو قاعدية ضعيفة ، محبة للماء أو كارهة للماء ، موجبة أو سالبة الشحنة ، أو محايدة. يخلق المزيج الفريد من السلاسل الجانبية بيئة كيميائية محددة للغاية داخل الموقع النشط. هذه البيئة المحددة مناسبة للارتباط بركيزة كيميائية محددة (أو ركائز).

المواقع النشطة تخضع لتأثيرات البيئة المحلية. تؤدي زيادة درجة حرارة البيئة بشكل عام إلى زيادة معدلات التفاعل ، المحفز بالإنزيم أو غير ذلك. ومع ذلك ، فإن درجات الحرارة خارج النطاق الأمثل تقلل من المعدل الذي يحفز به الإنزيم التفاعل. ستؤدي درجات الحرارة الساخنة في النهاية إلى تغيير طبيعة الإنزيمات ، وهو تغيير لا رجعة فيه في الشكل ثلاثي الأبعاد وبالتالي وظيفة الإنزيم. الأنزيمات مناسبة أيضًا للعمل بشكل أفضل ضمن نطاق تركيز درجة حموضة وملح معين ، وكما هو الحال مع درجة الحرارة ، يمكن أن تتسبب تركيزات الأس الهيدروجيني والملح في تغيير طبيعة الإنزيمات.

لسنوات عديدة ، اعتقد العلماء أن ارتباط الركيزة الإنزيمية يحدث بطريقة "القفل والمفتاح" البسيطة. أكد هذا النموذج أن الإنزيم والركيزة يتناسبان معًا تمامًا في خطوة لحظية واحدة. ومع ذلك ، يدعم البحث الحالي نموذجًا يسمى الملاءمة المستحثة (الشكل 4.8). يتوسع نموذج الملاءمة المستحثة في نموذج القفل والمفتاح من خلال وصف ارتباط أكثر ديناميكية بين الإنزيم والركيزة. عندما يجتمع الإنزيم والركيزة معًا ، يتسبب تفاعلهما في حدوث تحول طفيف في بنية الإنزيم التي تشكل ترتيبًا مثاليًا للربط بين الإنزيم والركيزة.

المفاهيم في العمل

عندما يربط الإنزيم ركائزه ، يتم تكوين مركب ركيزة إنزيم. يقلل هذا المركب من طاقة تنشيط التفاعل ويعزز تقدمه السريع بإحدى الطرق المتعددة الممكنة. على المستوى الأساسي ، تعزز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على أكثر من ركيزة واحدة عن طريق تجميع الركائز معًا في الاتجاه الأمثل للتفاعل. الطريقة الأخرى التي تعزز بها الإنزيمات تفاعل ركائزها هي خلق بيئة مثالية داخل الموقع النشط لحدوث التفاعل. تخلق الخواص الكيميائية التي تظهر من الترتيب الخاص لمجموعات الأحماض الأمينية R داخل موقع نشط بيئة مثالية لتفاعل ركائز معينة للإنزيم.

يمكن لمركب الركيزة الإنزيمية أيضًا خفض طاقة التنشيط عن طريق الإضرار ببنية الرابطة بحيث يسهل كسرها. أخيرًا ، يمكن للإنزيمات أيضًا تقليل طاقات التنشيط من خلال المشاركة في التفاعل الكيميائي نفسه. في هذه الحالات ، من المهم أن تتذكر أن الإنزيم سيعود دائمًا إلى حالته الأصلية عند اكتمال التفاعل. إحدى السمات المميزة للإنزيمات هي أنها تظل في النهاية دون تغيير من خلال التفاعلات التي تحفزها. بعد أن يحفز الإنزيم التفاعل ، يطلق منتجه (منتجاته) ويمكن أن يحفز تفاعلًا جديدًا.

قد يبدو من المثالي أن يكون لديك سيناريو تتواجد فيه جميع إنزيمات الكائن الحي بكميات وفيرة وتعمل على النحو الأمثل في جميع الظروف الخلوية ، في جميع الخلايا ، في جميع الأوقات. ومع ذلك ، هناك مجموعة متنوعة من الآليات التي تضمن عدم حدوث ذلك. تختلف الاحتياجات والظروف الخلوية باستمرار من خلية إلى أخرى ، وتتغير داخل الخلايا الفردية بمرور الوقت. تختلف الإنزيمات المطلوبة لخلايا المعدة عن تلك الموجودة في خلايا تخزين الدهون وخلايا الجلد وخلايا الدم والخلايا العصبية. علاوة على ذلك ، تعمل خلية الجهاز الهضمي بشكل أكثر صعوبة في معالجة العناصر الغذائية وتفكيكها خلال الوقت الذي يلي الوجبة عن كثب مقارنة بساعات عديدة بعد الوجبة. نظرًا لاختلاف هذه المتطلبات والظروف الخلوية ، يجب أن تختلف كميات ووظائف الإنزيمات المختلفة.

نظرًا لأن معدلات التفاعلات الكيميائية الحيوية يتم التحكم فيها بواسطة طاقة التنشيط ، وتنخفض الإنزيمات وتحدد طاقات التنشيط للتفاعلات الكيميائية ، فإن الكميات النسبية وعمل مجموعة متنوعة من الإنزيمات داخل الخلية تحدد في النهاية التفاعلات التي ستستمر وبأي معدلات. يتم التحكم في هذا التحديد بإحكام في الخلايا. في بعض البيئات الخلوية ، يتم التحكم في نشاط الإنزيم جزئيًا بواسطة عوامل بيئية مثل الأس الهيدروجيني ودرجة الحرارة وتركيز الملح ، وفي بعض الحالات ، العوامل المساعدة أو الإنزيمات المساعدة.

يمكن أيضًا تنظيم الإنزيمات بطرق تعزز أو تقلل من نشاط الإنزيم. هناك العديد من أنواع الجزيئات التي تثبط أو تعزز وظيفة الإنزيم ، والآليات المختلفة التي تقوم بذلك من خلالها. في بعض حالات تثبيط الإنزيم ، يكون جزيء المثبط مشابهًا بدرجة كافية للركيزة التي يمكنها الارتباط بالموقع النشط ومنع الركيزة ببساطة من الارتباط. عندما يحدث هذا ، يتم تثبيط الإنزيم من خلال التثبيط التنافسي ، لأن جزيء المثبط يتنافس مع الركيزة للارتباط بالموقع النشط.

من ناحية أخرى ، في التثبيط غير التنافسي ، يرتبط جزيء المثبط بالإنزيم في مكان آخر غير الموقع النشط ، المسمى موقع التباين ، ولكنه لا يزال قادرًا على منع ارتباط الركيزة بالموقع النشط. ترتبط بعض جزيئات المثبط بالأنزيمات في مكان يؤدي فيه ارتباطها إلى تغيير توافقي يقلل من نشاط الإنزيم لأنه لم يعد يحفز تحويل الركيزة إلى منتج بشكل فعال. يسمى هذا النوع من التثبيط تثبيط خيفي (الشكل 4.9). تتكون معظم الإنزيمات الخاضعة للتنظيم الخيفي من أكثر من عديد ببتيد واحد ، مما يعني أن لديهم أكثر من وحدة بروتينية فرعية. عندما يرتبط مثبط خيفي بمنطقة على إنزيم ، يتم تغيير جميع المواقع النشطة في الوحدات الفرعية للبروتين بشكل طفيف بحيث تربط ركائزها بكفاءة أقل. هناك المنشطات الخيفية وكذلك مثبطات. ترتبط المنشطات الخيفية بالمواقع الموجودة على إنزيم بعيدًا عن الموقع النشط ، مما يؤدي إلى تغيير توافقي يزيد من تقارب الموقع (المواقع) النشطة للإنزيم مع الركيزة (الركيزة) (الشكل 4.9).

الاتصال الوظيفي

مطور أدوية

الإنزيمات هي المكونات الرئيسية لمسارات التمثيل الغذائي. يعد فهم كيفية عمل الإنزيمات وكيفية تنظيمها من المبادئ الأساسية وراء تطوير العديد من الأدوية الصيدلانية في السوق اليوم. يتعاون علماء الأحياء العاملون في هذا المجال مع علماء آخرين لتصميم الأدوية (الشكل 4.10).

ضع في اعتبارك العقاقير المخفضة للكوليسترول على سبيل المثال - الستاتين هو الاسم الذي يطلق على فئة واحدة من الأدوية التي يمكن أن تقلل مستويات الكوليسترول في الدم. هذه المركبات هي مثبطات لإنزيم اختزال HMG-CoA ، وهو الإنزيم الذي يصنع الكوليسترول من الدهون في الجسم. عن طريق تثبيط هذا الإنزيم ، يمكن خفض مستوى الكوليسترول المركب في الجسم. وبالمثل ، فإن عقار الأسيتامينوفين ، الذي يتم تسويقه بشكل شائع تحت الاسم التجاري تايلينول ، هو مثبط لإنزيم إنزيم الأكسدة الحلقية. في حين أنه يستخدم للتخفيف من الحمى والالتهابات (الألم) ، إلا أن آلية عمله لا تزال غير مفهومة تمامًا.

كيف يتم اكتشاف الأدوية؟ أحد أكبر التحديات في اكتشاف الأدوية هو تحديد الهدف الدوائي. الهدف الدوائي هو الجزيء الذي هو حرفيًا هدف الدواء. في حالة الستاتينات ، فإن اختزال HMG-CoA هو الهدف الدوائي. يتم تحديد أهداف الأدوية من خلال البحث المضني في المختبر. تحديد الهدف وحده ليس كافيًا يحتاج العلماء أيضًا إلى معرفة كيفية عمل الهدف داخل الخلية والتفاعلات التي تنحرف في حالة المرض. بمجرد تحديد الهدف والمسار ، تبدأ العملية الفعلية لتصميم الدواء. في هذه المرحلة ، يعمل الكيميائيون وعلماء الأحياء معًا لتصميم وتوليف الجزيئات التي يمكنها منع أو تنشيط تفاعل معين. ومع ذلك ، فهذه ليست سوى البداية: إذا وعندما ينجح نموذج أولي للدواء في أداء وظيفته ، فإنه يخضع للعديد من الاختبارات من التجارب المخبرية إلى التجارب السريرية قبل أن يحصل على موافقة من إدارة الغذاء والدواء الأمريكية ليتم تشغيله. السوق.

العديد من الإنزيمات لا تعمل على النحو الأمثل ، أو حتى على الإطلاق ، ما لم تكن مرتبطة بجزيئات مساعدة معينة غير بروتينية. قد تترابط إما مؤقتًا من خلال روابط أيونية أو هيدروجينية ، أو بشكل دائم من خلال روابط تساهمية أقوى. يعزز الارتباط بهذه الجزيئات الشكل والوظيفة الأمثل للأنزيمات الخاصة بكل منها. مثالان على هذه الأنواع من الجزيئات المساعدة هما العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة. العوامل المساعدة هي أيونات غير عضوية مثل أيونات الحديد والمغنيسيوم. الإنزيمات المساعدة هي جزيئات عضوية مساعدة ، تلك التي لها بنية ذرية أساسية تتكون من الكربون والهيدروجين. مثل الإنزيمات ، تشارك هذه الجزيئات في التفاعلات دون تغيير نفسها ويتم إعادة تدويرها وإعادة استخدامها في النهاية. الفيتامينات هي مصدر الإنزيمات المساعدة. بعض الفيتامينات هي سلائف الإنزيمات والبعض الآخر يعمل مباشرة مثل الإنزيمات المساعدة. فيتامين ج هو أنزيم مباشر للعديد من الإنزيمات التي تشارك في بناء النسيج الضام المهم ، وهو الكولاجين. لذلك ، يتم تنظيم وظيفة الإنزيم جزئيًا من خلال وفرة العديد من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، والتي قد يتم توفيرها من خلال النظام الغذائي للكائن الحي أو ، في بعض الحالات ، التي ينتجها الكائن الحي.

تثبيط ردود الفعل في المسارات الأيضية

يمكن للجزيئات تنظيم وظيفة الإنزيم بعدة طرق. ومع ذلك ، يبقى السؤال الرئيسي: ما هي هذه الجزيئات ومن أين أتت؟ بعضها من العوامل المساعدة والإنزيمات المساعدة ، كما تعلمت. ما هي الجزيئات الأخرى في الخلية التي توفر تنظيمًا إنزيميًا مثل التعديل الخيفي والتثبيط التنافسي وغير التنافسي؟ ربما تكون أهم مصادر الجزيئات التنظيمية ، فيما يتعلق بالاستقلاب الخلوي الأنزيمي ، هي منتجات التفاعلات الأيضية الخلوية نفسها. وبطريقة أكثر فاعلية وأناقة ، تطورت الخلايا لتستخدم نواتج ردود أفعالها لتثبيط التغذية الراجعة لنشاط الإنزيم. يتضمن تثبيط التغذية المرتدة استخدام منتج التفاعل لتنظيم إنتاجه الإضافي (الشكل 4.11). تستجيب الخلية لوفرة المنتجات عن طريق إبطاء الإنتاج أثناء التفاعلات الابتنائية أو التقويضية. قد تثبط منتجات التفاعل هذه الإنزيمات التي حفزت إنتاجها من خلال الآليات الموضحة أعلاه.

يتم التحكم في إنتاج كل من الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات من خلال تثبيط التغذية الراجعة. بالإضافة إلى ذلك ، ATP هو منظم خيفي لبعض الإنزيمات المشاركة في انهيار تقويضي للسكر ، العملية التي تخلق ATP. بهذه الطريقة ، عندما يكون ATP متوفرًا بكثرة ، يمكن للخلية أن تمنع إنتاج ATP. من ناحية أخرى ، يعمل ADP كمنظم خيفي إيجابي (منشط خيفي) لبعض الإنزيمات نفسها التي تثبطها ATP. وبالتالي ، عندما تكون المستويات النسبية لـ ADP عالية مقارنة بـ ATP ، يتم تشغيل الخلية لإنتاج المزيد من ATP من خلال هدم السكر.


5.3 دورة كالفين

بعد تحويل الطاقة من الشمس وتعبئتها في ATP و NADPH ، تمتلك الخلية الوقود اللازم لبناء الغذاء على شكل جزيئات الكربوهيدرات. سيكون لجزيئات الكربوهيدرات المصنوعة عمودًا فقريًا من ذرات الكربون. من أين يأتي الكربون؟ تأتي ذرات الكربون المستخدمة في بناء جزيئات الكربوهيدرات من ثاني أكسيد الكربون ، وهو الغاز الذي تزفره الحيوانات مع كل نفس. دورة كالفين هي المصطلح المستخدم لتفاعلات التمثيل الضوئي التي تستخدم الطاقة المخزنة بواسطة التفاعلات المعتمدة على الضوء لتكوين الجلوكوز وجزيئات الكربوهيدرات الأخرى.

الأعمال البينية لدورة كالفين

ثاني أكسيد الكربون في النباتات (CO2) يدخل البلاستيدات الخضراء من خلال الثغور وينتشر في سدى البلاستيدات الخضراء - موقع تفاعلات دورة كالفين حيث يتم تصنيع السكر. تمت تسمية ردود الفعل على اسم العالم الذي اكتشفها ، والإشارة إلى حقيقة أن التفاعلات تعمل كدورة. يسميها آخرون دورة كالفين بنسون لتضمين اسم عالم آخر مشارك في اكتشافه (الشكل 5.14).

يمكن تنظيم تفاعلات دورة كالفين (الشكل 5.15) في ثلاث مراحل أساسية: التثبيت ، والاختزال ، والتجديد. في السدى ، بالإضافة إلى ثاني أكسيد الكربون2، توجد مادتان كيميائيتان أخريان لبدء دورة كالفين: إنزيم مختصر RuBisCO ، وجزيء ريبولوز ثنائي الفوسفات (RuBP). يحتوي RuBP على خمس ذرات من الكربون ومجموعة الفوسفات في كل طرف.

RuBisCO يحفز التفاعل بين ثاني أكسيد الكربون2 و RuBP ، الذي يشكل مركبًا مكونًا من ستة كربون يتم تحويله على الفور إلى مركبين من ثلاثة كربون. تسمى هذه العملية تثبيت الكربون ، لأن ثاني أكسيد الكربون2 هو "ثابت" من شكله غير العضوي إلى جزيئات عضوية.

يستخدم ATP و NADPH طاقتهما المخزنة لتحويل المركب ثلاثي الكربون ، 3-PGA ، إلى مركب آخر ثلاثي الكربون يسمى G3P. يسمى هذا النوع من التفاعل تفاعل الاختزال ، لأنه ينطوي على اكتساب الإلكترونات. الاختزال هو اكتساب إلكترون بواسطة ذرة أو جزيء. تعود جزيئات ADP و NAD + ، الناتجة عن تفاعل الاختزال ، إلى التفاعلات المعتمدة على الضوء لإعادة تنشيطها.

يترك أحد جزيئات G3P دورة كالفين للمساهمة في تكوين جزيء الكربوهيدرات ، والذي يكون عادةً جلوكوز (C6ح12ا6). نظرًا لأن جزيء الكربوهيدرات يحتوي على ست ذرات كربون ، فإنه يتطلب ستة دورات من دورة كالفين لصنع جزيء واحد من الكربوهيدرات (واحد لكل جزيء ثابت من ثاني أكسيد الكربون). تقوم جزيئات G3P المتبقية بتجديد RuBP ، مما يمكّن النظام من التحضير لخطوة تثبيت الكربون. يستخدم ATP أيضًا في تجديد RuBP.

باختصار ، تستغرق دورة كالفين ست دورات لإصلاح ست ذرات كربون من ثاني أكسيد الكربون2. تتطلب هذه الدورات الست مدخلات طاقة من 12 جزيء ATP و 12 جزيء NADPH في خطوة الاختزال و 6 جزيئات ATP في خطوة التجديد.

المفاهيم في العمل

ما يلي هو رابط إلى رسم متحرك لدورة كالفين. انقر فوق المرحلة 1 ، المرحلة 2 ، ثم المرحلة 3 لرؤية تجديد G3P و ATP لتشكيل RuBP.

اتصال التطور

البناء الضوئي

التاريخ التطوري المشترك لجميع كائنات التمثيل الضوئي واضح ، حيث أن العملية الأساسية لم تتغير إلا قليلاً على مر العصور. حتى بين الأوراق الاستوائية العملاقة في الغابات المطيرة والبكتيريا الزرقاء الصغيرة ، تظل عملية ومكونات التمثيل الضوئي التي تستخدم الماء كمانح للإلكترون كما هي إلى حد كبير. تعمل أنظمة الصور على امتصاص الضوء واستخدام سلاسل نقل الإلكترون لتحويل الطاقة. تجمع تفاعلات دورة كالفين جزيئات الكربوهيدرات بهذه الطاقة.

ومع ذلك ، كما هو الحال مع جميع المسارات البيوكيميائية ، تؤدي مجموعة متنوعة من الظروف إلى تكيفات متنوعة تؤثر على النمط الأساسي. تطور التمثيل الضوئي في نباتات المناخ الجاف (الشكل 5.16) مع التكيفات التي تحافظ على المياه. في ظل الحرارة الجافة القاسية ، يجب استخدام كل قطرة ماء وطاقة ثمينة للبقاء على قيد الحياة. تطورت تكيفتان في مثل هذه النباتات. في شكل واحد ، استخدام أكثر كفاءة لثاني أكسيد الكربون2 يسمح للنباتات بالتمثيل الضوئي حتى عندما يكون ثاني أكسيد الكربون2 يوجد نقص في المعروض ، كما هو الحال عندما تغلق الثغور في الأيام الحارة. يؤدي التكيف الآخر ردود فعل أولية لدورة كالفين في الليل ، لأن فتح الثغور في هذا الوقت يحفظ الماء بسبب درجات الحرارة المنخفضة. بالإضافة إلى ذلك ، سمح هذا التكيف للنباتات بإجراء مستويات منخفضة من التمثيل الضوئي دون فتح الثغور على الإطلاق ، وهي آلية قصوى لمواجهة فترات الجفاف الشديد.

التمثيل الضوئي في بدائيات النوى

تم وصف جزئين من عملية التمثيل الضوئي - التفاعلات المعتمدة على الضوء ودورة كالفين - كما يحدثان في البلاستيدات الخضراء. ومع ذلك ، فإن بدائيات النوى ، مثل البكتيريا الزرقاء ، تفتقر إلى العضيات المرتبطة بالغشاء. الكائنات ذات التغذية الضوئية بدائية النواة لها غشاء البلازما لربط الكلوروفيل والتمثيل الضوئي (الشكل 5.17). هنا يمكن للكائنات الحية مثل البكتيريا الزرقاء إجراء عملية التمثيل الضوئي.

دورة الطاقة

تصل الكائنات الحية إلى الطاقة عن طريق تكسير جزيئات الكربوهيدرات. ومع ذلك ، إذا كانت النباتات تصنع جزيئات الكربوهيدرات ، فلماذا تحتاج إلى تكسيرها؟ الكربوهيدرات هي جزيئات تخزين للطاقة في جميع الكائنات الحية. على الرغم من أنه يمكن تخزين الطاقة في جزيئات مثل ATP ، إلا أن الكربوهيدرات هي خزانات أكثر استقرارًا وفعالية للطاقة الكيميائية. تقوم الكائنات الحية الضوئية أيضًا بتفاعلات التنفس لحصد الطاقة التي خزنتها في الكربوهيدرات ، على سبيل المثال ، تحتوي النباتات على الميتوكوندريا بالإضافة إلى البلاستيدات الخضراء.

ربما لاحظت أن رد الفعل الكلي لعملية التمثيل الضوئي:

هو عكس التفاعل العام للتنفس الخلوي:

ينتج التمثيل الضوئي الأكسجين كمنتج ثانوي ، وينتج التنفس ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي.

في الطبيعة ، لا يوجد شيء اسمه النفايات. يتم حفظ كل ذرة من المادة ، وإعادة تدويرها إلى أجل غير مسمى. تغير المواد شكلها أو تنتقل من نوع واحد من الجزيئات إلى نوع آخر ، ولكنها لا تختفي أبدًا (الشكل 5.18).

كو2 لم يعد الأكسجين شكلاً من أشكال النفايات الناتجة عن التنفس أكثر من أن الأكسجين منتج نفايات لعملية التمثيل الضوئي. كلاهما نتاج ثانوي لردود الفعل التي تنتقل إلى ردود أفعال أخرى. يمتص التمثيل الضوئي الطاقة لبناء الكربوهيدرات في البلاستيدات الخضراء ، ويطلق التنفس الخلوي الهوائي الطاقة باستخدام الأكسجين لتحطيم الكربوهيدرات. تستخدم كلتا العضيتين سلاسل نقل الإلكترون لتوليد الطاقة اللازمة لدفع التفاعلات الأخرى. يعمل التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي في دورة بيولوجية ، مما يسمح للكائنات الحية بالوصول إلى الطاقة التي تحافظ على الحياة والتي تنشأ على بعد ملايين الأميال في نجم.


حقيقة أم خيال ؟: لا يمكن إنشاء الطاقة ولا تدميرها

إن الحفاظ على الطاقة هو قانون مطلق ، ومع ذلك يبدو أنه يتعارض مع الأشياء التي نلاحظها كل يوم. تسبب الشرارات حريقًا يولد حرارة وطاقة مدشنة لم تكن موجودة من قبل. البطارية تنتج الطاقة. قنبلة نووية تحدث انفجارا. ومع ذلك ، فإن كل حالة من هذه المواقف هي مجرد حالة من أشكال الطاقة المتغيرة. حتى الطاقة المظلمة التي تبدو متناقضة مما تسبب في تسارع توسع الكون و rsquos ، كما سنرى ، تخضع لهذه القاعدة.

ينص قانون حفظ الطاقة ، المعروف أيضًا باسم القانون الأول للديناميكا الحرارية ، على أن طاقة النظام المغلق يجب أن تظل ثابتة ولا يمكن أن تزيد أو تنقص mdashit دون تدخل من الخارج. الكون نفسه هو نظام مغلق ، لذا فإن المقدار الإجمالي للطاقة في الوجود هو نفسه دائمًا. ومع ذلك ، فإن الأشكال التي تتخذها الطاقة تتغير باستمرار.

الطاقة الكامنة والحركية هما من أكثر الأشكال الأساسية ، المألوفة من فصل الفيزياء بالمدرسة الثانوية: جهد الجاذبية هو الطاقة المخزنة لصخرة مدفوعة لأعلى تل ، تستعد للانقلاب. الطاقة الحركية هي طاقة حركتها عندما تبدأ في التدحرج. مجموع هذه تسمى الطاقة الميكانيكية. الحرارة في الجسم الساخن هي الطاقة الميكانيكية لذراته وجزيئاته المتحركة. في القرن التاسع عشر ، أدرك الفيزيائيون أن الحرارة التي تنتجها آلة متحركة هي الآلة و rsquos إجمالي الطاقة الميكانيكية المحولة إلى طاقة ميكانيكية دقيقة للذرات. الطاقة الكيميائية هي شكل آخر من أشكال الطاقة الكامنة المخزنة في الروابط الكيميائية الجزيئية. هذه الطاقة المخزنة في خلايا الجسم هي التي تسمح لك بالجري والقفز. تشمل أشكال الطاقة الأخرى الطاقة الكهرومغناطيسية ، أو الضوء ، والطاقة النووية و [مدش] الطاقة الكامنة للقوى النووية في الذرات. هناك أكثر من ذلك بكثير. حتى الكتلة هي شكل من أشكال الطاقة ، كما اشتهر ألبرت أينشتاين ورسكووس E = mc 2 أظهر.

النار عبارة عن تحويل للطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية وكهرومغناطيسية عبر تفاعل كيميائي يجمع الجزيئات في الوقود (الخشب ، على سبيل المثال) مع الأكسجين من الهواء لتكوين الماء وثاني أكسيد الكربون. يطلق الطاقة في شكل حرارة وضوء. تعمل البطارية على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية. القنبلة النووية تحول الطاقة النووية إلى طاقة حرارية وكهرومغناطيسية وحركية.

نظرًا لأن العلماء فهموا بشكل أفضل أشكال الطاقة ، فقد كشفوا عن طرق جديدة لتحويل الطاقة من شكل إلى آخر. عندما صاغ الفيزيائيون لأول مرة نظرية الكم ، أدركوا أن الإلكترون في الذرة يمكن أن يقفز من مستوى طاقة إلى آخر ، مما يعطي الضوء أو يمتصه. في عام 1924 ، اقترح كل من نيلز بور وهانز كرامرز وجون سلاتر أن هذه القفزات الكمية تنتهك مؤقتًا الحفاظ على الطاقة. وفقًا لعلماء الفيزياء ، فإن كل قفزة كمية ستحرر أو تمتص الطاقة ، وفي المتوسط ​​فقط سيتم الحفاظ على الطاقة.

اعترض أينشتاين بشدة على فكرة أن ميكانيكا الكم تتحدى الحفاظ على الطاقة. واتضح أنه كان على حق. بعد أن صقل الفيزيائيون ميكانيكا الكم بعد بضع سنوات ، أدرك العلماء أنه على الرغم من أن طاقة كل إلكترون قد تتقلب في ضباب احتمالي ، فإن الطاقة الإجمالية للإلكترون وإشعاعه ظلوا ثابتين في كل لحظة من العملية. تم حفظ الطاقة.

قدم علم الكونيات الحديث ألغازًا جديدة في الحفاظ على الطاقة. نحن نعلم الآن أن الكون يتوسع بمعدل أسرع و [مدش] مدفوع بشيء يسميه العلماء الطاقة المظلمة. يُعتقد أن هذه هي الطاقة الجوهرية لكل سنتيمتر مكعب من الفضاء الفارغ. لكن إذا كان الكون نظامًا مغلقًا بكمية محدودة من الطاقة ، فكيف يمكنه إنتاج المزيد من الفضاء الفارغ ، والذي يجب أن يحتوي على طاقة جوهرية أكثر ، دون توليد طاقة إضافية؟

اتضح أنه في نظرية أينشتاين ورسكوس للنسبية العامة ، فإن مناطق الفضاء ذات الطاقة الإيجابية تدفع الفضاء في الواقع إلى الخارج. مع توسع الفضاء ، يطلق طاقة وضع الجاذبية المخزنة ، والتي تتحول إلى طاقة جوهرية تملأ الحجم الذي تم إنشاؤه حديثًا. لذلك حتى توسع الكون يخضع لقانون الحفاظ على الطاقة.

عن المؤلفين)

كلارا موسكوفيتش يكون Scientific Americanمحرر أول يغطي الفضاء والفيزياء. حصلت على درجة البكالوريوس في علم الفلك والفيزياء من جامعة ويسليان ودرجة الدراسات العليا في الصحافة العلمية من جامعة كاليفورنيا ، سانتا كروز.


كيف يرتبط قانون حفظ المادة والطاقة بدورات الطبيعة؟

ينص قانون حفظ المادة والطاقة على أن المادة لا تُخلق ولا تُدمر بل تُحفظ.

تفسير:

ينص قانون حفظ المادة والطاقة على أن المادة لا تُخلق ولا تُدمر بل تُحفظ. لا يمتلك البشر القدرة على تكوين أو تدمير المادة (الذرات) أو الطاقة. يمكنهم فقط إعادة ترتيب المادة والطاقة.
على سبيل المثال ، سوف تدور ذرة الأكسجين عبر نظام حي. في عملية التمثيل الضوئي ، النصف الأول من الدورة ، عندما ينتج النبات السكريات (الكربوهيدرات) ، يقوم النبات بذلك باستخدام طاقة الشمس (لم ينتج الطاقة) وجزيئات الماء # H_2O # من الأرض (لقد فعل ذلك لا تخلق الماء) وثاني أكسيد الكربون # CO_2 # من الهواء (لم يخلق ثاني أكسيد الكربون) ويعيد ترتيب الذرات في الجزيئات إلى جلوكوز # C_6H_12O_6 # وأكسجين # O_2 #.
هذا عرض مبسط للنصف الأول من دورة في الطبيعة حيث تنتج النباتات الغذاء (الكربوهيدرات) وتطلق الأكسجين كمنتج نفايات. يتضمن النصف الثاني الحيوانات التي تستخدم التنفس لتفكيك السكريات # C_6H_12O_6 # التي تنتجها النباتات باستخدام الأكسجين # O_2 # وإطلاق ثاني أكسيد الكربون # CO_2 # كمنتج نفايات. حولها وحولها تسير مع المادة والطاقة التي لا يتم إنشاؤها أو تدميرها فقط المحفوظة.


التدريب العملي على نشاط العد الذرات: كيف لا تخرق قانون الحفاظ على المادة

يستخدم هذا النشاط بعض العناصر غير القابلة للاستهلاك (القابلة لإعادة الاستخدام) ، راجع قائمة المواد للحصول على التفاصيل.

الاعتماد على النشاط: لا أحد

المناطق الخاضعة: الكيمياء وعلوم الحياة والقياس والعلوم الفيزيائية والعلوم والتكنولوجيا

توقعات أداء NGSS:

نظرة سريعة

توقعات أداء NGSS:

الأنشطة المرتبطة بهذا الدرس

تعمل الوحدات كدليل لمحتوى معين أو مجال موضوع. متداخلة تحت الوحدات عبارة عن دروس (باللون الأرجواني) وأنشطة عملية (باللون الأزرق).

لاحظ أنه لن تكون جميع الدروس والأنشطة موجودة ضمن الوحدة ، بل قد توجد كمنهج "مستقل" بدلاً من ذلك.

النشرة الإخبارية للشركة المصرية للاتصالات

كيف يمكننا إثبات صحة قانون حفظ المادة باستخدام النماذج الجزيئية؟

ملخص

الاتصال الهندسي

لتصميم أجهزة استشعار قائمة على MFC ، يجب على المهندسين فهم الآليات الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي التي تحدث داخل الكائنات الحية مثل الخمائر أو الطحالب أو البكتيريا. يجب أن يفهم المهندسون كيفية إنشاء مسارات نقل الإلكترون عن طريق التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي إذا كانوا يرغبون في حصاد الإلكترونات لتوليد الطاقة الكهربائية. ومع ذلك ، فإن أحد القيود على فهم هذه المفاهيم هو النطاق الصغير الذي تحدث فيه هذه التفاعلات الكيميائية. لذلك ، غالبًا ما يقوم المهندسون بنمذجة الظواهر العلمية ويمارسون معالجة المتغيرات الذرية من أجل فهم أفضل لما يحدث داخل هذه العمليات.

أهداف التعلم

بعد هذا النشاط ، يجب أن يكون الطلاب قادرين على:

  • وصف عمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي.
  • اكتب المعادلات الكيميائية المتوازنة لعمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي.
  • اشرح العلاقة بين التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي وعلاقتهما بتدوير المادة والطاقة في النظام البيئي للأرض.
  • إثبات صحة قانون حفظ المادة من خلال موازنة المعادلات الكيميائية لعمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي وحساب الذرات الموجودة على جوانب المادة المتفاعلة وجوانب المنتج في المعادلات.
  • هندسة نموذج تعليمي أفضل من النماذج الجزيئية الحالية لفهم العمليات بشكل أفضل.

المعايير التعليمية

كل تعليم الهندسة الدرس أو النشاط مرتبط بواحد أو أكثر من المعايير التعليمية في العلوم أو التكنولوجيا أو الهندسة أو الرياضيات (STEM).

جميع معايير K-12 STEM التي يزيد عددها عن 100،000 مغطاة بـ تعليم الهندسة يتم جمعها وصيانتها وتعبئتها بواسطة شبكة معايير الإنجاز (ASN)، مشروع D2L (www.achievementstandards.org).

في ASN ، يتم تنظيم المعايير بشكل هرمي: أولاً حسب المصدر على سبيل المثال، حسب الحالة داخل المصدر حسب النوع على سبيل المثالأو العلوم أو الرياضيات ضمن النوع حسب النوع الفرعي ، ثم حسب الصف ، إلخ.

NGSS: معايير علوم الجيل التالي - العلوم

MS-LS1-6. بناء تفسير علمي قائم على الأدلة لدور التمثيل الضوئي في تدوير المادة وتدفق الطاقة داخل وخارج الكائنات الحية. (الصفوف 6-8)

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

تعتمد المعرفة العلمية على الروابط المنطقية بين الأدلة والتفسيرات.

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

يتطلب التفاعل الكيميائي الذي تنتج بواسطته النباتات جزيئات طعام معقدة (سكريات) إدخال طاقة (أي من ضوء الشمس). في هذا التفاعل ، يتحد ثاني أكسيد الكربون والماء لتكوين جزيئات عضوية قائمة على الكربون وإطلاق الأكسجين.

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

MS-PS1-1. تطوير نماذج لوصف التركيب الذري للجزيئات البسيطة والهياكل الممتدة. (الصفوف 6-8)

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

يمكن أن تتكون المواد الصلبة من جزيئات ، أو قد تكون هياكل ممتدة ذات وحدات فرعية متكررة

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

MS-PS1-5. تطوير واستخدام نموذج لوصف كيف لا يتغير العدد الإجمالي للذرات في تفاعل كيميائي وبالتالي يتم الحفاظ على الكتلة. (الصفوف 6-8)

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

القوانين هي تنظيمات أو أوصاف رياضية للظواهر الطبيعية.

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

يتم حفظ العدد الإجمالي لكل نوع من الذرات ، وبالتالي لا تتغير الكتلة.

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

اتفاقية المحاذاة: شكرًا على ملاحظاتك!

الرابطة الدولية لمعلمي التكنولوجيا والهندسة - التكنولوجيا
  • سيطور الطلاب فهمًا للعلاقات بين التقنيات والروابط بين التكنولوجيا ومجالات الدراسة الأخرى. (الصفوف K - 12) مزيد من التفاصيل

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

معايير الدولة
ميشيغان - العلوم
  • تطوير واستخدام نموذج لوصف كيف لا يتغير العدد الإجمالي للذرات في تفاعل كيميائي وبالتالي يتم الحفاظ على الكتلة. (الصفوف 6-8) مزيد من التفاصيل

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

هل توافق على هذا التوافق؟ شكرا لملاحظاتك!

قائمة مواد

  • مجموعة معملية من إحدى مجموعات المجموعات الـ 12 في التركيب الضوئي والنباتات والأطعمة رقم 31 بواسطة Lab-Aids مقابل 74.85 دولارًا

لكي يشارك الفصل بأكمله:

  • التوازن الرقمي
  • مواد متنوعة منخفضة التكلفة و / أو معاد تدويرها ، مثل أغطية الزجاجات البلاستيكية ، ومنظفات الأنابيب ، ورقائق الألمنيوم ، وكرات القطن ، والقش البلاستيكي ، وقطع اللباد ، إلخ.
  • القدرة على عرض مقطع فيديو على الإنترنت للطلاب

أوراق العمل والمرفقات

المزيد من المناهج مثل هذا

يتعلم الطلاب عن التركيب الضوئي والتنفس الخلوي على المستوى الذري ويدرسون المبادئ الأساسية لعلم الأحياء الكهربي - وهو مجال بحث جديد قد يمكّن المهندسين من تسخير الطاقة على المستوى الجزيئي.

المعرفة المسبقة

يجب أن يكون لدى الطلاب والمعلمين فهم أساسي للذرات والجزيئات والتمثيل الضوئي والتنفس الخلوي والتفاعلات الكيميائية والنماذج. يوصى بإجراء الدرس ذي الصلة قبل هذا النشاط.

مقدمة / الدافع

في الدرس ذي الصلة ، ناقشنا كيف ، بعد حوالي 20 عامًا من الآن ، قد تكون قادرًا على تشغيل سيارتك بخلايا الوقود التي تسخر الطاقة المشتقة من الكائنات الحية الدقيقة. إن الإمكانات المثيرة لعلم الأحياء الكهربي - العلم الذي قد يجعل الإنتاج الضخم لخلايا الوقود الميكروبية حقيقة - هو شيء يمكن للعلماء والمهندسين الشباب مثلكم أن يساعدوا في تطويره! ولكن قبل أن نتمكن من تطوير هذه التقنيات الجديدة المثيرة ، علينا أن نتعمق أكثر في علوم الحياة ، والعلوم الفيزيائية ، والكيمياء التي تشكل أساس هذا البحث. وهذا يشمل فهم القانون الأساسي للمادة الذي يجب أن نتبعه لدفع بحثنا العلمي إلى الأمام.

سنبدأ بفيديو قصير بعنوان: "قصة بسيطة عن التمثيل الضوئي والطعام". يظهر الفيديو العلاقة بين التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي. كما يقدم مفاهيم الذرات والجزيئات المشاركة في العمليتين الخلويتين.

من الفيديو والرسوم البيانية الثلاثة التي رسمتها سابقًا (الرسومات التي تم إجراؤها في الدرس ذي الصلة) ، سننظر عن كثب إلى العلاقة بين التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي. هذه المرة على المستوى الجزيئي.

سؤال: هل سمع أحد بقانون حفظ المادة؟ (انتظر رد الطلاب. اكتب إجاباتهم على السبورة.)

الجواب: ينص قانون حفظ المادة على أنه في أي نظام مغلق أمام نقل المادة ، تظل كمية المادة في النظام ثابتة. ينص قانون حفظ المادة على أنه في التفاعلات الكيميائية ، يجب أن تساوي الكتلة الإجمالية للمنتجات الكتلة الكلية للمواد المتفاعلة.

سؤال: ما الذي يعنيه هذا في رأيك لعمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي؟ (انتظر رد الطلاب. اكتب إجاباتهم على السبورة.)

الجواب: بما أن التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي هما تفاعلان معاكسان مباشران ، فإن نفس عدد الذرات التي تدخل في كل تفاعل يجب أن يخرج من كل تفاعل.

إجراء

تحتوي الروابط التالية على موارد ومعلومات إضافية حول التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي وخلايا الوقود الميكروبية (MFC).

يحتوي ما يلي على معلومات أساسية وأساسية عن التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي واتصالهما من CK-12.

يعتبر التنفس الخلوي والتمثيل الضوئي تفاعلات معاكسة مباشرة ، حيث أن نواتج أحد التفاعلات هي المتفاعلات في الآخر.

التمثيل الضوئي: ثاني أكسيد الكربون + ماء + طاقة ضوئية ← جلوكوز + أكسجين

التنفس الخلوي: جلوكوز + أكسجين ← ثاني أكسيد الكربون + ماء + ATP

كتفاعلات كيميائية متوازنة ،

لموازنة التفاعلات الكيميائية ، تأكد من وجود نفس عدد الذرات على كل جانب من جوانب التفاعل. على سبيل المثال ، عدد ذرات الكربون في المواد المتفاعلة يساوي عدد ذرات الكربون في المنتجات.)

لمزيد من المعلومات المتعمقة والمتقدمة حول تحويل الطاقة في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء للمعلمين ، اقرأ الفصل 14: "تحويل الطاقة: الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء" من الكتاب ، البيولوجيا الجزيئية للخلية. الطبعة الرابعة.

قم بمعاينة فيديو TED-Ed "القصة البسيطة لعملية التمثيل الضوئي والطعام." يسلط الفيديو الضوء على الترابط الفريد بين الإنسان والنباتات. يوضح كيف تستخدم النباتات ثاني أكسيد الكربون2 نتنفس مع الماء والطاقة من ضوء الشمس لتكوين الجلوكوز أثناء عملية التمثيل الضوئي. نحن نأكل الكربوهيدرات من النباتات ، مثل الألياف من البروكلي أو النشا من البطاطس. نقوم بتفكيك الكربوهيدرات إلى سكريات ونشكل ATP ، الذي يوفر الطاقة لخلايانا.

قبل النشاط

  • قدم الدرس ذي الصلة ، التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي على المستوى الذري.
  • اطلب من الطلاب مشاهدة فيديو TED-Ed.
  • وزع نسخًا من ورقة عمل النشاط ونشرة مهمة تصميم أفضل نموذج للمشروع.
  • قسّم الفصل إلى مجموعات معملية تتكون كل منها من أربعة طلاب.

مع الطلاب

الجزء 1. استخدم مجموعة نمذجة الجزيء لتوضيح قانون حفظ المادة

  1. بعد تقديم الدرس وجزء المقدمة / الدافع من النشاط ، وزع النشرة وبعض الأوراق التخطيطية على كل مجموعة.
  2. وزع نموذجًا جزيئيًا واحدًا من التركيب الضوئي والتنفس الخلوي على كل مجموعة طلابية. وجه الطلاب لعمل نماذج جزيئية ثلاثية الأبعاد لعمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي باستخدام معادلة الكلمات. على سبيل المثال ، يجب على الطلاب بناء جزيء ماء وجزيء ثاني أكسيد الكربون للجانب المتفاعل من عملية التمثيل الضوئي. بالنسبة لجانب المنتج من عملية التمثيل الضوئي ، فإنهم يبنون جزيء جلوكوز وجزيء أكسجين. وبالمثل ، فإنهم سيفعلون العكس بالنسبة للتنفس الخلوي. قد تحتاج إلى إظهار الطلاب كيفية بناء نماذج الجزيئات أو جعل الطلاب يتبعون التوجيهات من مجموعة النماذج ، إذا كانت متوفرة.
  3. اطلب من الطلاب رسم وتسمية كل نموذج جزيء يبنونه على ورقة.
  4. لكل تفاعل (التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي) ، اطلب من الطلاب عد الذرات على جانب المادة المتفاعلة ثم على جانب المنتج. بعد ذلك ، اطلب من الطلاب استخدام الميزان للعثور على كتلة الجانب المتفاعل وكتلة جانب المنتج. اطلب من الطلاب تسجيل بياناتهم على أنها العدد الذري الأولي والكتلة في ورقة العمل.
  5. سيجد الطلاب أن العدد الإجمالي لكل نوع من أنواع الذرة بالإضافة إلى العدد الإجمالي للذرات بشكل عام لن يتطابق. عندما يقارنون الجماهير ، سيجدون أن الجماهير لن تتوازن. اسألهم كيف هذا ممكن؟ هل انتهكوا للتو قانون حفظ المادة؟ اسأل الطلاب ، ما الذي يمكنهم فعله لاتباع قانون الحفاظ على المادة؟
  6. في هذه المرحلة ، قدم المعادلات الكيميائية المتوازنة لعملية التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي. (يمكنك اختيار إجراء درس تنشيطي سريع على الفور حول معادلات الموازنة.) اشرح أنه في التفاعلات الكيميائية مثل التمثيل الضوئي ، يتم إعادة ترتيب الذرات لتشكيل جزيئات مختلفة وأن الذرات الموجودة في المواد المتفاعلة فقط يمكنها المشاركة في التفاعل لتصبح جزء من المنتجات. الذرات ، وهي أصغر وحدة من المادة ، لا يمكن أن تظهر من العدم تمامًا كما لا تظهر القطع الأكبر من المادة من العدم.
  7. اطلب من الطلاب بناء النماذج الجزيئية لكلتا العمليتين بناءً على المعادلات الكيميائية المتوازنة.
  8. اطلب من الطلاب حساب عدد كل نوع من الذرات على كل جانب من المعادلة. يجب على الطلاب بعد ذلك قياس كتلة المواد المتفاعلة وكتلة المنتجات. اطلب من الطلاب تسجيل بياناتهم على أنها العدد الذري النهائي والكتلة في ورقة العمل.
  9. اطلب من كل طالب كتابة شرح موجز حول كيفية توضيح النشاط لقانون حفظ المادة. اجمع هذا مع رسومات الطالب للنماذج ثلاثية الأبعاد للتقييم.

شرح مثال: قبل موازنة المعادلات الكيميائية ، لم تكن الكتل الأولية للمواد المتفاعلة مساوية للكتل الأولية للمنتجات. كانت كتل المنتجات أكبر من كتل المواد المتفاعلة. أيضًا ، كان هناك عدد من الذرات في المنتجات أكثر من عدد الذرات الموجودة في المواد المتفاعلة ، مما يعني أن الذرات أو المادة قد نشأت في التفاعل الذي يخالف قانون حفظ المادة.

بعد موازنة المعادلة الكيميائية وبناء الجزيئات وفقًا للمعادلة الكيميائية المتوازنة ، تساوي كتلة المواد المتفاعلة كتلة المنتجات. أيضًا ، عدد الذرات في المواد المتفاعلة يساوي عدد الذرات في النواتج. هذا يدل على أن المادة لم تتشكل في التفاعل فقط أن الذرات يتم إعادة ترتيبها لتشكيل جزيئات مختلفة.

الجزء 2. هندسة نموذج أفضل

  1. وزع النشرة.
  2. وجه المجموعات لتقييم فائدة وقيود مجموعة النمذجة الجزيئية التي استخدموها لنمذجة التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي. اطلب من الطلاب التفكير في الطرق التي ساعدتهم فيها مجموعة الجزيئات على فهم عمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي ، والعلاقة بين العمليتين ، وقانون الحفاظ على المادة. كيف ساعدتهم مجموعة الجزيئات على فهم كل مفهوم؟ ما الذي كان يمثل تحديًا بشأن استخدام مجموعة الجزيئات؟ ما المهارات أو القدرات التي يحتاجونها حتى يتمكنوا من استخدام مجموعة الجزيئات بفعالية؟
  3. تحدي الطلاب لتصميم نموذج أفضل من مجموعة النمذجة الجزيئية الحالية لتعليم المفاهيم التي تعلموها للتو. كيف يمكنهم تحسين مجموعة النمذجة الجزيئية الحالية؟ ما الذي قد يغيرونه في مجموعة النمذجة؟ ما هي الميزات التي قد يغيرونها ولماذا؟ تشمل معايير التصميم: استخدام المواد المعاد تدويرها أو المواد منخفضة التكلفة والتصميم للطلاب الذين يعانون من إعاقات جسدية مثل ضعف البصر أو عمى الألوان.
  4. بعد ذلك ، اطلب من مجموعات الطلاب عمل رسم أو رسم تخطيطي لتصميمهم. يجب عليهم تسمية الأجزاء ، بما في ذلك المواد المستخدمة في صنع مجموعة النماذج ، وتكلفة المواد ، وأبعاد (قياسات) أجزاء النموذج ، إلخ.
  5. ستقوم مجموعات الطلاب بعد ذلك ببناء نفس التركيب الضوئي وجزيئات التنفس الخلوي من مواد تصميمهم الجديد.
  6. بعد بناء الجزيئات من مواد مجموعة النماذج الجديدة الخاصة بهم ، يجب على الطلاب تحديد ما إذا كانت هناك حاجة لإجراء أي تغييرات على مجموعة النماذج الجديدة الخاصة بهم (على سبيل المثال ، مواد مختلفة ، وأحجام مختلفة ، وما إلى ذلك) يجب على الطلاب كتابة أي تعديلات أو تغييرات على تصميمهم ورقة ، إعادة تصميم محاولتهم الأولية.
  7. يجب على الطلاب بناء جزيئات جديدة من تصميم نموذجهم المعدل. (اطلب من الطلاب أن يكرروا تصميمهم عدة مرات حسب ما يسمح به الوقت).
  8. اطلب من مجموعات الطلاب إنشاء ملصق إعلان لبيع مجموعة نماذجهم أو تصميمهم أو فكرتهم للمعلمين. الرجوع إلى النشرة لتعليمات المشروع والتفكير. استخدم قواعد تقييم مشروع تصميم نموذج أفضل لتقييم عمل الطلاب.
  9. قد يختار المدرسون جعل مجموعات الطلاب تقدم تصميمات نماذج الجزيئات والملصقات الخاصة بهم إلى الفصل ، إذا سمح الوقت بذلك.
  10. اطلب من الطلاب إكمال أسئلة التفكير في المشروع في النشرة.

يستخدم الطلاب مجموعة متنوعة من الأدوات للمساعدة في شرح عمليات التمثيل الضوئي والتنفس الخلوي!

المفردات / التعاريف

ثلاثي فوسفات الأدينوزين: مادة كيميائية عضوية معقدة توفر الطاقة للخلايا الحية. يُختصر باسم ATP.

الطحالب: يمكن أن يكون كائن التمثيل الضوئي البسيط الذي يختلف في الحجم أحادي الخلية أو متعدد الخلايا.

الأنود: قطب كهربائي يدخل فيه التيار.

ذرة: أصغر مكون للعنصر.

ذاتي التغذية: كائن حي قادر على تغذية نفسه باستخدام مواد غير عضوية.

الكاثود: قطب كهربائي حيث يترك التيار أو يخرج.

التنفس الخلوي: العملية التي تستخدم فيها الخلايا الأكسجين لتحطيم الطعام إلى وحدات طاقة قابلة للاستخدام تسمى عادةً ATP. يتم إطلاق ثاني أكسيد الكربون والماء كنفايات وكمنتج ثانوي لهذا التفاعل. يحدث التنفس الخلوي في هياكل خلوية تسمى الميتوكوندريا.

تفاعل كيميائي: مادة أو أكثر يتم تحويلها إلى مادة (مواد) أخرى أو أخرى.

البلاستيدات الخضراء: بنية خلوية توجد في الخلايا النباتية تحتوي على صبغة خضراء تسمى الكلوروفيل ، تلتقط الصبغة الطاقة الضوئية لتحريك عملية التمثيل الضوئي.

علم الأحياء الدقيقة الكهروميكروبيولوجي: فرع من فروع علم الأحياء الدقيقة يدرس إمكانات مسارات نقل الإلكترون في الهندسة ، وإمكانية إنتاج الطاقة على المستوى الجزيئي.

سلسلة نقل الإلكترون: تنتقل الإلكترونات من سلسلة من الجزيئات إلى سلسلة أخرى تقود عملية تخليق ATP.

غيرية التغذية: كائن قادر على استخدام المواد العضوية كمصدر للغذاء فقط.

قانون الحفاظ على المادة: الدول التي يتم الحفاظ عليها ولا يمكن إنشاؤها أو تدميرها.

كائن حي دقيق: شكل من أشكال الحياة صغير جدًا ولا يمكن رؤيته إلا بالمجهر.

model: (اسم) تمثيل لشيء ما للتقليد أو المقارنة أو التحليل ، أحيانًا على مقياس مختلف. (فعل) لعمل شيء للمساعدة في التعرف على شيء آخر لا يمكن ملاحظته أو تجربته بشكل مباشر.

تقدير

التقييم المضمن في النشاط

ورقة عمل: اطلب من الطلاب إكمال ورقة عمل النشاط. راجع إجاباتهم لقياس عمق الفهم.

تقييم ما بعد النشاط
انعكاس: اطلب من الطلاب الإجابة على أسئلة انعكاس المشروع في نهاية نشرة "تصميم نموذج أفضل لتعيين المشروع".

قواعد الدرجات: استخدم قواعد تقييم مشروع تصميم نموذج أفضل لتقييم عمل الطلاب.

أسئلة التحقيق

  • كيف تساعدك الأشجار على التنفس؟ (الجواب: الأشجار تنتج الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون الذي نتنفسه في الأكسجين).
  • ما هي بعض القيود المفروضة على مجموعة النمذجة الجزيئية؟ ما الذي تريد تغييره حيال ذلك؟ ضع قائمة بالميزات التي قد تقوم بتغييرها أو تحسينها وكيف يمكنك تحسينها.(الإجابات المحتملة: الذرات ذات أحجام متشابهة ويصعب التمييز بينها إذا كان شخص ما مصابًا بعمى الألوان فلن يكون قادرًا على التمييز بين أنواع الذرات التي يمكن لشخص ما أن يجعل الذرات لها نسيج أو أحجام مختلفة ، وما إلى ذلك)

دعم إضافي للوسائط المتعددة

"قصة بسيطة عن التمثيل الضوئي والطعام." فيديو يوتيوب ، TED-Ed. https://www.youtube.com/watch؟v=eo5XndJaz-Y

مراجع

ألبرتس ، بروس. "تحويل الطاقة: الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء." الفصل 14. البيولوجيا الجزيئية للخلية. الطبعة الرابعة. المكتبة الوطنية الأمريكية للطب. تم الوصول إليه في 10 يوليو 2017.

كولينز ، سيندي. "إنشاء خلية وقود ميكروبية." تم النشر في 8 أكتوبر 2015. & # 160موقع يوتيوب. تم الوصول إليه في 10 يوليو 2017. https://www.youtube.com/watch؟v=-cPvp3_WYPg

دوكريل ، بيتر. "العلماء طوروا خلية طاقة تسخر الكهرباء من الطحالب." ScienceAlert. تم الوصول إليه في 10 يوليو 2017.

هاروود ، جيسيكا ، دوغلاس ويلكين ، دوريس كراوس ، نيامه جراي ويلسون ، جان برينارد ، سارة جونسون ، جين ويلان وكورليس كاراسوف. "ربط التنفس الخلوي والتركيب الضوئي." جمؤسسة K-12. تم الوصول إليه في 11 يوليو 2017.

أوتين ، أماندا. & # 8220 القصة البسيطة لعملية التمثيل الضوئي والطعام. & # 8221 & # 160 تم النشر في 5 مارس 2013. TED-Ed، & # 160موقع يوتيوب. تم الوصول إليه في 11 يوليو 2017. https://www.youtube.com/watch؟v=eo5XndJaz-Y

حقوق النشر

المساهمون

برنامج الدعم

شكر وتقدير

تم تطوير هذا المنهج من خلال التجربة البحثية لأجهزة الاستشعار الذكية وأنظمة الاستشعار للمعلمين بموجب منحة مؤسسة العلوم الوطنية RET رقم. CNS 1609339. ومع ذلك ، لا تمثل هذه المحتويات بالضرورة سياسات NSF ، ولا يجب أن تفترض المصادقة من قبل الحكومة الفيدرالية.


شاهد الفيديو: درس تفصيلي في قانون الطرقات في تونس 2021 (شهر فبراير 2023).