التنفس والتخمر: تجربة الخميرة والمنحنيات والمعادلات والفرق بين الطاقتين - السنة الرابعة متوسط

في وحدة استعمال المغذيات تتعلم أن الخلايا تحصل على الطاقة من المغذيات بطريقتين: التنفس في وجود الأكسجين، والتخمر في غيابه. وهذا الدرس من الدروس التي تُطرح فيها منحنيات ومعادلات تحيّر كثيرًا من التلاميذ، لكن فهمه يصبح سهلًا إذا فهمت التجربة التي يقوم عليها. تعرض هذه الصفحة تجربة الخميرة، ثم قراءة المنحنيات، ثم معادلة التنفس ومعادلة التخمر، ثم الفرق بينهما، وتنتهي بأخطاء شائعة وأسئلة محلولة.

تجربة الخميرة

الخميرة كائن حي وحيد الخلية من الفطريات. نضع في وعاءين محلولًا فيه ماء وغلوكوز وأكسجين:

• الوسط الأول (الشاهد): بدون خميرة.
• الوسط الثاني: نضيف إليه الخميرة.

ونقيس، بمرور الزمن، كمية الأكسجين ⁦O₂⁩ وكمية ثاني أكسيد الكربون ⁦CO₂⁩ في الوسطين.

قراءة المنحنيات

في الوسط بدون خميرة: تبقى كمية الأكسجين ثابتة وتبقى كمية ثاني أكسيد الكربون ثابتة مهما طال الزمن. والتفسير: لا يوجد كائن حي يمتص الأكسجين ولا يطرح غازًا، فالكميات التي وضعناها هي نفسها.

في الوسط الذي فيه الخميرة:

• كمية الأكسجين ⁦O₂⁩ تتناقص مع الزمن، لأن الخميرة تمتصه.
• كمية ثاني أكسيد الكربون ⁦CO₂⁩ تتزايد مع الزمن، لأن الخميرة تطرحه.

ونستنتج أن الخميرة تتنفس: تمتص الأكسجين وتطرح ثاني أكسيد الكربون. ويؤكد الوسط الشاهد أن التغير سببه الكائن الحي وليس الوسط نفسه.

التنفس

التنفس هو تفاعل تستعمله الخلية في وجود الأكسجين لتحصل على الطاقة من تحطيم الغلوكوز تحطيمًا كاملًا. ومعادلته:

⁦C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O⁩

مع تحرير كمية كبيرة من الطاقة.

أي أن الغلوكوز والأكسجين هما المتفاعلان، وناتجاه ثاني أكسيد الكربون والماء. وهذه الطاقة تستعملها الخلية في نشاطاتها (الحركة والنمو وغيرهما).

التخمر

إذا غاب الأكسجين تستطيع الخميرة أن تحصل على الطاقة بطريقة أخرى هي التخمر. وفي التخمر الكحولي يتحول الغلوكوز إلى كحول إيثيلي (إيثانول) وثاني أكسيد الكربون:

⁦C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂⁩

مع تحرير كمية قليلة من الطاقة.

وفي هذا التفاعل لا يوجد أكسجين بين المتفاعلات، ويبقى جزء من الطاقة محتجزًا في الكحول الإيثيلي الناتج، لأن تحطيم الغلوكوز جزئي.

الفرق بين التنفس والتخمر

وفي الحالتين يتشكل ثاني أكسيد الكربون، ولهذا لا يكفي وجوده للجزم بنوع التفاعل: يجب النظر إلى وجود الأكسجين وإلى المنتج الآخر (ماء أم كحول).

تطبيقات في الحياة

• صناعة الخبز: تتخمر العجينة بالخميرة، فينتج ثاني أكسيد الكربون الذي ينفخ العجين ويجعله إسفنجيًا، ويتبخر الكحول أثناء الخبز.
• صناعة بعض المشروبات والمواد المعتمدة على التخمر.
• جسم الإنسان: عند الجهد الشديد ونقص الأكسجين تتخمر عضلاتنا مؤقتًا فتشعر بالتعب.

أخطاء شائعة

• القول إن الخميرة ليست كائنًا حيًا. هي كائن حي وحيد الخلية.
• الخلط بين معادلتي التنفس والتخمر، خاصة وجود ⁦O₂⁩ في الأولى فقط.
• نسيان الوسط الشاهد وأنه يثبت أن التغير سببه الخميرة.
• القول إن التخمر يحرر طاقة أكثر من التنفس. العكس هو الصحيح.
• كتابة المعادلة دون موازنتها: عدد ذرات الكربون والهيدروجين والأكسجين متساو في الطرفين.

أسئلة للتدرب

1. لماذا يبقى منحنى الأكسجين ثابتًا في الوسط بدون خميرة؟
2. ماذا تلاحظ على منحنيي ⁦O₂⁩ و⁦CO₂⁩ في الوسط الذي فيه الخميرة؟ وماذا تستنتج؟
3. اكتب معادلة التنفس.
4. اكتب معادلة التخمر الكحولي.
5. قارن بين التنفس والتخمر من حيث الطاقة.

الأجوبة النموذجية:

1. لأنه لا يوجد كائن حي يمتص الأكسجين، فالكمية لا تتغير.
2. ⁦O₂⁩ يتناقص و⁦CO₂⁩ يتزايد، فنستنتج أن الخميرة تتنفس.
3. ⁦C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O⁩ مع تحرير طاقة كبيرة.
4. ⁦C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂⁩ مع تحرير طاقة قليلة.
5. التنفس يحرر طاقة أكبر لأن تحطيم الغلوكوز تام، والتخمر يحرر طاقة أقل لأن التحطيم جزئي.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، يقدم الأستاذ العيد في فيديو «أقوى ملخص التنفس والتخمر 4 متوسط» ملخصًا للموضوع في نحو أربع عشرة دقيقة، يطلبه تلاميذه، وفيه يشرح المنحنيات الأولى في الكتاب المدرسي لوسطين أحدهما بدون خميرة والآخر فيه خميرة، ثم ينتقل إلى المعادلات والفرق بين الطريقتين.

وللتوسع، اطلع على هذه الملفات في الموقع:

• درس التنفس عند الإنسان
• مطبوعة نشاط التنفس والتخمر للأستاذ ربيعي نبيل
• ملخصات دروس التغذية والهضم والتنفس