ניסויי פוטוסינתזה
כיצד מוכיחים מדעית שצמחים מבצעים פוטוסינתזה?
מדע = ראיות
מושגי יסוד בתכנון ניסוי
לפני שמתחילים - המילון שחוזר בכל ניסוי:
- גורם משפיע (משתנה בלתי תלוי) - הגורם שאנחנו משנים בכוונה
- גורם מושפע (משתנה תלוי) - מה שאנחנו מודדים (התוצאה)
- גורמי בקרה (משתנים מבוקרים) - כל הגורמים שנשמרים קבועים
- ניסוי בקרה - ניסוי זהה בכל התנאים מלבד הגורם הנבדק
- חזרות - ביצוע הניסוי מספר פעמים + חישוב ממוצע = אמינות
ניסוי 1: האם אור הכרחי לפוטוסינתזה?
ניסוי עמילן בעלה - אור מול חושך
ניסוי עמילן - שלבי הביצוע
הוכחה שאור נדרש לפוטוסינתזה
שמים צמח בחושך 48 שעות (שלב איפוס - כדי שישתמש בכל העמילן שנאגר)
מכסים חלק מעלה בנייר כסף - יוצרים חלק 'באור' וחלק 'בחושך' על אותו עלה
משאירים את הצמח באור חזק למשך 6 שעות
קוטפים את העלה ומרתיחים באלכוהול (מסיר את הכלורופיל הירוק - כדי שנוכל לראות את צבע היוד)
מטפטפים תמיסת יוד על העלה
תוצאה: החלק שהיה באור = כחול-שחור (יש עמילן). החלק שהיה בחושך = חום (אין עמילן)
ניתוח הניסוי
מסקנה: אור הכרחי לפוטוסינתזה.
רק החלק שקיבל אור ייצר גלוקוז שהפך לעמילן.
ניתוח:
- גורם משפיע: אור (יש/אין)
- גורם מושפע: נוכחות עמילן (צבע עם יוד)
- בקרה: אותו עלה, אותה טמפרטורה, אותו ריכוז CO2
- ניסוי הבקרה: החלק המכוסה על אותו עלה
למה 48 שעות בחושך? (שאלה קלאסית במבחן!)
זהו שלב קריטי - בלעדיו הניסוי חסר ערך!
בחושך, הצמח לא מבצע פוטוסינתזה אבל ממשיך לבצע נשימה תאית. כך הוא צורך את כל הגלוקוז והעמילן שכבר נאגרו.
אם לא נעשה זאת: כל העלה כבר מלא עמילן מפוטוסינתזה קודמת, ולא נוכל להבחין בין חלק-באור לחלק-בחושך. זהו 'איפוס' הניסוי - מבטיח שכל עמילן שנמצא בסוף נוצר רק בזמן הניסוי.
ניסוי 2: האם כלורופיל הכרחי?
ניסוי עלה מנומר (ירוק ולבן)
ניסוי עלה מנומר
הוכחה שכלורופיל הכרחי
לוקחים צמח עם עלים מנומרים (חלקם ירוקים = כלורופיל, חלקם לבנים = ללא כלורופיל)
48 שעות בחושך (איפוס), ואז אור חזק ל-6 שעות
מרתיחים את העלה באלכוהול, מטפטפים תמיסת יוד
תוצאה: רק האזורים שהיו ירוקים (עם כלורופיל) נצבעו כחול-שחור
האזורים הלבנים (ללא כלורופיל) נשארו חומים - לא נוצר עמילן
ניתוח
מסקנה: כלורופיל הכרחי לפוטוסינתזה.
רק תאים שמכילים כלורופיל יכולים לקלוט אנרגיית אור ולבצע פוטוסינתזה.
- גורם משפיע: נוכחות כלורופיל (אזור ירוק/לבן)
- גורם מושפע: נוכחות עמילן
- בקרה: שני האזורים על אותו עלה - קיבלו אותו אור, אותה טמפרטורה, אותו CO2
- יופי הניסוי: ההשוואה היא על אותו עלה - בקרה מובנית!
ניסוי 3: השפעת CO2 על קצב פוטוסינתזה
ניסוי אלודיאה - ספירת בועות
ספירת בועות חמצן
האם CO2 מגביר את קצב הפוטוסינתזה?
שמים צמח מימי (אלודיאה) בכוס מים מוארת בנורה
סופרים בועות חמצן שהצמח משחרר ב-דקה (מדידה ראשונה)
מוסיפים NaHCO3 (סודה לשתייה) - שמשחררת CO2 במים
סופרים שוב את הבועות ב-דקה (מדידה שנייה)
חוזרים 3 פעמים ומחשבים ממוצע - לאמינות!
תוצאה: אחרי הוספת CO2 - יותר בועות חמצן בדקה
ניתוח
מסקנה: ריכוז CO2 גבוה יותר מגביר את קצב הפוטוסינתזה.
CO2 הוא מגיב בפוטוסינתזה. יותר מגיב = יותר תוצר (גלוקוז + חמצן). לכן יותר בועות O2.
- גורם משפיע: ריכוז CO2 (לפני/אחרי NaHCO3)
- גורם מושפע: מספר בועות O2 בדקה
- בקרה: אור, טמפרטורה, כמות מים, אותו צמח
ניסויים היסטוריים חשובים
ואן הלמונט (1648)
הניסוי: שתל עץ ערבה בעציץ עם 90 ק"ג אדמה. השקה רק במים. אחרי 5 שנים: העץ שקל 77 ק"ג, האדמה ירדה ל-89.9 ק"ג (רק 0.1 ק"ג פחות).
מסקנה שלו: מסת הצמח מגיעה מהמים (לא ידע על CO2).
מה אנחנו יודעים: רוב המסה מ-CO2 ומים, 0.1 ק"ג = מינרלים.
פריסטלי (1771)
הניסוי:
- עכבר בפעמון זכוכית סגור ← מת
- צמח + עכבר ← העכבר שרד!
- צמח + עכבר בחושך ← העכבר מת
מסקנה: צמחים משחררים חומר (O2) שמאפשר נשימה - ורק באור.
מגבלות: לא זיהה את החומר, לא ידע על פוטוסינתזה.
ניתוח מדעי של הניסויים ההיסטוריים
חשוב לדעת לנתח ניסויים היסטוריים לפי קריטריונים מדעיים מודרניים.
ואן הלמונט - חסרונות:
- לא ביצע ניסוי בקרה (עציץ ללא צמח)
- לא בידד משתנים (לא מנע כניסת CO2 מהאוויר)
- לא ביצע חזרות
- למרות זאת: תצפיות מדויקות, שינה את החשיבה!
פריסטלי - יתרונות וחסרונות:
- כן ביצע ניסוי בקרה (עכבר ללא צמח)
- הניסוי באור/חושך הוסיף רכיב בקרה נוסף
- לא ביצע מספיק חזרות
- לא בידד את כל המשתנים
אינגנהאוס (1779) - חידד את פריסטלי:
- רק חלקים ירוקים 'משפרים' אוויר
- רק באור
- הפריד בין פוטוסינתזה לנשימה
המדע מתקדם בצעדים. כל מדען בנה על עבודת קודמיו, תיקן ושיפר.
ניתוח גרפים של קצב פוטוסינתזה
במבחנים, לעיתים קרובות מתבקשים לנתח גרפים שמראים קצב פוטוסינתזה כתלות בגורם מסוים. זו מיומנות מפתח - הנה הכלים:
איך לקרוא גרף של קצב פוטוסינתזה
עלייה ליניארית
הגורם שמשתנה בציר X הוא הגורם המגביל. ככל שמעלים אותו - הקצב עולה. דוגמה: אור חלש ← חזק.
התיישרות (פלטו)
הגורם בציר X כבר לא מגביל. גורם אחר הפך למגביל. תוספת לא תעזור. דוגמה: אור מספיק, CO2 חסר.
ירידה
קורה בטמפרטורה גבוהה (דנטורציה של אנזימים) או סגירת פיוניות. הצמח 'שובר' - לא סתם מאט.
שתי עקומות
שני גרפים באותו שרטוט (למשל טמפרטורות שונות) מאפשרים לראות איזה גורם נוסף משפיע ולהשוות.
שאלה לחשיבה
בניסוי אלודיאה, תלמידה מדדה 12 בועות בדקה לפני הוספת NaHCO3 ו-25 בועות אחרי. מדוע חשוב לחזור על הניסוי?
חזרות חיוניות בניסוי מדעי כדי להבטיח שהתוצאות אמינות ולא מקריות. ייתכן שבועה לא נספרה, טמפרטורה השתנתה, או שהצמח הזיז את מיקומו. על ידי חזרות (לפחות 3) וחישוב ממוצע, מפחיתים את ההשפעה של שגיאות אקראיות ומגבירים את מהימנות המסקנה.
שאלה לחשיבה
מדען טוען שניסוי ואן הלמונט הוכיח סופית שצמחים לא ניזונים מהאדמה. האם הטענה מדויקת?
הטענה לא מדויקת. ואן הלמונט הראה שרוב מסת הצמח לא מגיעה מהאדמה (0.1 ק"ג מתוך 77 ק"ג), אבל האדמה כן ירדה מעט - מינרלים כן עברו מהאדמה לצמח. בנוסף, הניסוי לא כלל בקרה, לא בידד משתנים (לא מנע CO2 מהאוויר), ולא ביצע חזרות. הניסוי סתר את 'הצמח אוכל אדמה' אבל לא הסביר את המקור האמיתי של המסה.
שאלה לחשיבה
כיצד תתכננו ניסוי להוכיח שטמפרטורה משפיעה על קצב הפוטוסינתזה?
תכנון: ניקח כמה צמחי אלודיאה זהים ונשים כל אחד בכוס מים בטמפרטורה שונה (15, 25, 35, 45 מעלות). כל הכוסות יקבלו אותו אור ואותו ריכוז CO2 (נוסיף NaHCO3 זהה). נספור בועות O2 בדקה בכל טמפרטורה, ונחזור 3 פעמים לכל טמפרטורה. גורם משפיע: טמפרטורה. גורם מושפע: בועות/דקה. בקרה: אור, CO2, סוג צמח, כמות מים.
יאן אינגנהאוס חזר על ניסוי פריסטלי בתנאים מבוקרים יותר. הוא הראה שרק החלקים הירוקים של הצמח (עלים) משפרים את האוויר, ורק באור.
בחושך, הצמח דווקא 'מקלקל' את האוויר (צורך חמצן בנשימה). זו הייתה תרומה חשובה: הפרדה ברורה בין פוטוסינתזה (רק באור, רק בירוק) לבין נשימה (כל הזמן, בכל חלקי הצמח).
שלושת המדענים יחד: ואן הלמונט הראה שלא מהאדמה ← פריסטלי הראה שצמחים 'משפרים' אוויר ← אינגנהאוס הראה שזה קורה רק באור וברכיבים ירוקים. כל אחד בנה על קודמו.
במאה ה-20, מדענים השתמשו באיזוטופים מסומנים (כמו C-14 ו-O-18) כדי לעקוב אחרי אטומים ספציפיים בפוטוסינתזה.
תגלית מפתיעה: החמצן שמשתחרר (O2) מגיע מהמים (H2O), לא מה-CO2! זה הוכח על ידי סימון אטומי חמצן כבדים (O-18) במים ובדיקה מאיפה החמצן במולקולות ה-O2 שנוצרו.
זה שינה לחלוטין את ההבנה של המנגנון הכימי של הפוטוסינתזה.