בגרות בביולוגיה 043386 - קיץ 2021

טבלה מתאימה (המשתנה הבלתי תלוי – תנאי ההארה – בעמודות הראשונות, והתוצאות בעמודות האחרונות):

מה בודקים בטבלה כזו: שורה לכל טיפול, כותרת לכל עמודה, יחידות מידה בכותרת העמודה של הערך המספרי (ולא בכל תא), והתוצאות (צבע וריכוז) מופיעות בעמודות נפרדות מן הטיפולים. אפשר להוסיף עמודה לתנאים הקבועים (10 עלים, אותם תנאי סביבה) או לכתוב אותם מתחת לטבלה.

כותרת הטבלה צריכה לכלול את המשתנה הבלתי תלוי, את המשתנה התלוי ואת האורגניזם:

"טבלה 1: השפעת משך החשיפה לאור על צבע העלים ועל ריכוז הכלורופיל בעלים של נבטי חיטה".

כותרות העמודות: "הקבוצה"; "תנאי ההארה (משך החשיפה לאור)"; "צבע העלים"; "ריכוז הכלורופיל (מ"ג/מ"ל מיצוי/גרם עלה)" – כותרת העמודה המספרית כוללת את יחידות המידה.

ביסוס על התוצאות:

•כל הקבוצות צמחו באותם תנאי סביבה, והן נבדלו רק במשך ההארה – לכן ההבדלים בריכוז הכלורופיל נובעים מן ההארה.

•בקבוצה א (חושך במשך 8 ימים) ריכוז הכלורופיל 0.00 מ"ג/מ"ל מיצוי/גרם עלה והעלים צהובים – בלי אור לא נוצר כלורופיל.

•חשיפה קצרה לאור כבר מאפשרת יצירת כלורופיל: 2 שעות – 0.01, 6 שעות – 0.04, ו־8 ימים באור – 0.17 (פי 4.25 מקבוצה ג). ככל שמשך החשיפה לאור ארוך יותר, ריכוז הכלורופיל גבוה יותר והעלים ירוקים יותר.

מכאן שהאור הוא תנאי הכרחי ליצירת כלורופיל בעלי נבטי החיטה (הצבע הצהוב בחושך נובע מצבענים אחרים שאינם כלורופיל).

•בחושך לא נוצר כלורופיל (קבוצה א – 0.00), ובלי כלורופיל ובלי אור הצמח אינו יכול לקלוט אנרגיית אור ולבצע פוטוסינתזה.

•בלי פוטוסינתזה הנבט אינו מייצר חומרים אורגניים (סוכרים) – מקור האנרגיה לנשימה התאית וחומרי הגלם לבניית תאים חדשים.

•עד עכשיו הנבט גדל על חשבון חומרי התשמורת שבזרע (בחיטה – באנדוספרם). הנשימה התאית בתאיו מפרקת את חומרי התשמורת האלה כל הזמן.

•כשחומרי התשמורת ייגמרו, הנבט לא יוכל לקבל אנרגיה ולגדול, ולכן הוא ימות ולא יתפתח לצמח בוגר (אלא אם יועבר לאור בעוד מועד).

המשתנה הבלתי תלוי בהצגה זו – ריכוז הכלורופיל בעלים – הוא משתנה כמותי רציף: הוא יכול לקבל כל ערך בתחום (0.00–0.16), ויש משמעות לערכים שבין הנקודות שנמדדו. גם המשתנה התלוי (השינוי בריכוז החמצן) כמותי רציף. לכן מחברים את הנקודות בקו, וכך אפשר לראות את מגמת השינוי ולהעריך ערכי ביניים.

דיאגרמת עמודות מתאימה כשהמשתנה הבלתי תלוי הוא קטגוריאלי (בדיד), למשל סוגי צמחים שונים – וזה לא המצב כאן.

- ציר x (המשתנה הבלתי תלוי): ריכוז הכלורופיל בעלים (מ"ג/מ"ל מיצוי/גרם עלה), בקנה מידה אחיד, למשל 0.02 לכל שנתה, מ־0 עד 0.18.

- ציר y (המשתנה התלוי): השינוי בריכוז החמצן המומס בתמיסה לאחר 10 דקות הארה (מיקרומול/גרם עלה/דקה). הציר חייב לכלול גם ערכים שליליים (למשל מ־1− עד 5), כי הערך ביום 0 הוא 0.5−; ציר x נחתך עם ציר y בנקודה 0.

- הנקודות: (0.00, 0.5−), (0.06, 1.5), (0.12, 3.3), (0.15, 4.5), (0.16, 4.7), מחוברות בקו.

- כותרת: "הקשר בין ריכוז הכלורופיל בעלי נבטי חיטה ובין השינוי בריכוז החמצן המומס בתמיסה".

טעות נפוצה: לשים את "הימים" על ציר x – השאלה מבקשת את הקשר בין ריכוז הכלורופיל לשינוי בריכוז החמצן, ולכן ריכוז הכלורופיל הוא שעל ציר x.

•כשריכוז הכלורופיל בעלים הוא 0.00, השינוי בריכוז החמצן שלילי (0.5− מיקרומול/גרם עלה/דקה), כלומר ריכוז החמצן בכלי ירד.

•ככל שריכוז הכלורופיל עולה, השינוי בריכוז החמצן חיובי ועולה: 1.5 בריכוז 0.06, 3.3 בריכוז 0.12, 4.5 בריכוז 0.15 ו־4.7 בריכוז 0.16 מ"ג/מ"ל מיצוי/גרם עלה.

•כלומר, יש קשר חיובי (עולה) בין ריכוז הכלורופיל בעלים ובין קצב העלייה בריכוז החמצן בתמיסה.

(בתיאור אין צורך להסביר – רק לתאר את המגמה ולצטט ערכים מן הגרף.)

בניסוי 2 בודקים את השפעת ריכוז הכלורופיל בעלים על השינוי בריכוז החמצן (על קצב הפוטוסינתזה). את ריכוז הכלורופיל אי אפשר לקבוע ישירות; החוקרים שינו אותו בעקיפין – בכך שבדקו עלים לאחר מספר ימים שונה של חשיפה לאור (0–4 ימים). ככל שהנבטים נחשפו לאור זמן רב יותר, נוצר בעליהם יותר כלורופיל (0.00 ← 0.16).

- i – הפוכה: את מספר הימים לא שינו "על ידי" ריכוז הכלורופיל; מספר הימים הוא האמצעי, וריכוז הכלורופיל הוא התוצאה שלו והגורם הנבדק.

- iii – ריכוז החמצן המומס הוא המשתנה התלוי (מה שנמדד), ועוצמת האור נשמרה קבועה בניסוי.

- iv – גם כאן ריכוז החמצן הוצג בטעות כמשתנה הבלתי תלוי.

המשתנה התלוי: השינוי בריכוז החמצן המומס בתמיסה לאחר 10 דקות הארה (ביחידות מיקרומול/גרם עלה/דקה), כלומר קצב שחרור החמצן מן העלים – מדד לקצב הפוטוסינתזה בעלים (הפוטוסינתזה נטו: החמצן שנוצר בפוטוסינתזה פחות החמצן שנצרך בנשימה התאית).

•בפוטוסינתזה מים מתפרקים בתגובות האור, וחמצן משתחרר כתוצר. החמצן יוצא מן העלים ומתמוסס בתמיסה שסביבם.

•הכלי פקוק, כך שהחמצן אינו בורח לאוויר ואינו נכנס מן האוויר – כל שינוי בריכוז החמצן בתמיסה נובע מן העלים.

•המדידה נעשית לפני ההארה ואחרי 10 דקות הארה, ומחושבת לגרם עלה ולדקה – כך אפשר להשוות בין ימים שונים.

•ככל שקצב הפוטוסינתזה גבוה יותר, משתחרר יותר חמצן באותו זמן, והשינוי בריכוז החמצן גדול יותר. מד החמצן נותן ערך כמותי ומדויק.

•תמיסת הביקרבונט מספקת $\text{CO}_2$, כך שחסר בפחמן דו־חמצני אינו מגביל את הפוטוסינתזה במהלך המדידה.

•ביום 0 ריכוז הכלורופיל בעלים הוא 0.00: בלי כלורופיל העלים אינם קולטים אנרגיית אור, ופוטוסינתזה אינה מתרחשת – לא משתחרר חמצן.

•תאי העלים חיים ומבצעים נשימה תאית כל הזמן (גם באור): בנשימה התאית נצרך חמצן לפירוק גלוקוז (שמקורו בחומרי התשמורת של הזרע) ליצירת $\text{ATP}$.

•לכן העלים רק צורכים חמצן מן התמיסה, ריכוז החמצן בכלי יורד, וההפרש שלילי: 0.5− מיקרומול/גרם עלה/דקה.

קבוצת הנבטים שצמחו רק בחושך (יום 0) היא בקרה: אלה עלים שאין בהם כלורופיל, וכל שאר התנאים זהים.

•היא מראה את השינוי בריכוז החמצן כשאין פוטוסינתזה – ירידה בגלל הנשימה התאית בלבד (0.5−).

•בהשוואה אליה אפשר להסיק שהעלייה בריכוז החמצן בימים 1–4 נובעת מן הכלורופיל שנוצר ומן הפוטוסינתזה, ולא מגורם אחר.

•היא גם מלמדת שהעלים צורכים חמצן בנשימה, כלומר הערכים בימים 1–4 הם פוטוסינתזה נטו (שחרור החמצן בפוטוסינתזה גדול מצריכתו בנשימה).

- סיבה: אור הוא תנאי ליצירת כלורופיל. ככל שהנבטים נחשפו לאור יותר ימים, נוצר בעליהם יותר כלורופיל: 0.06 ביום 1 ועד 0.16 ביום 4.

- מנגנון: כלורופיל הוא הצבען הקולט את אנרגיית האור בפוטוסינתזה. יותר כלורופיל ← יותר אנרגיית אור נקלטת ← קצב גבוה יותר של תגובות האור, שבהן מתפרקים מים ומשתחרר חמצן.

- תוצאה: קצב שחרור החמצן בפוטוסינתזה גדל ועולה על קצב צריכת החמצן בנשימה התאית, ולכן ריכוז החמצן בתמיסה עולה: 1.5 ← 3.3 ← 4.5 ← 4.7 מיקרומול/גרם עלה/דקה.

•בין יום 3 ליום 4 ריכוז הכלורופיל כמעט לא השתנה (0.15 ← 0.16), ולכן גם העלייה בשינוי בריכוז החמצן הייתה קטנה (4.5 ← 4.7).

הכלי בלי עלים הוא בקרה לשיטת המדידה. הוא זהה לכלים האחרים (אותה תמיסה, אותה הארה, אותו זמן ואותו מד חמצן), ורק העלים חסרים.

•אם ריכוז החמצן בו אינו משתנה, מכאן שהשינויים שנמדדו בכלים עם העלים נובעים מן העלים (מפוטוסינתזה ומנשימה) ולא מגורם אחר.

•אם ריכוז החמצן בו משתנה (למשל בגלל חימום התמיסה באור, שמשנה את מסיסות החמצן, דליפת חמצן, מיקרואורגניזמים בתמיסה או סטייה של המכשיר), אפשר לתקן את התוצאות בהתאם.

•עוצמת האור היא גורם המשפיע ישירות על קצב הפוטוסינתזה: ככל שעוצמת האור גבוהה יותר (עד רוויה), נקלטת יותר אנרגיה ומשתחרר יותר חמצן.

•בניסוי בודקים את השפעת ריכוז הכלורופיל על השינוי בריכוז החמצן. אם עוצמת האור הייתה שונה בין הימים, היה אפשר לייחס את ההבדלים בשחרור החמצן גם לעוצמת האור, ולא היה אפשר להסיק מה השפעת הכלורופיל.

•שמירה על עוצמת אור קבועה מבטיחה שההבדל היחיד בין הטיפולים הוא ריכוז הכלורופיל.

הביקרבונט הוא מקור ה־$\text{CO}_2$ לעלים, ו־$\text{CO}_2$ הוא חומר גלם של הפוטוסינתזה (מקובע לסוכר במחזור קלווין). כשיש מעט $\text{CO}_2$ קצב הפוטוסינתזה יורד, ואיתו קצב שחרור החמצן. אילו ריכוז הביקרבונט היה שונה בין הימים, ההבדלים בשינוי בריכוז החמצן היו יכולים לנבוע ממנו ולא מריכוז הכלורופיל.

תשובות מתאימות נוספות (עם הסבר דומה):

- משך ההארה (10 דקות) – ככל שמאירים זמן רב יותר, מצטבר יותר חמצן בתמיסה.

- הטמפרטורה – משפיעה על פעילות האנזימים בפוטוסינתזה ובנשימה וגם על מסיסות החמצן במים.

- נפח התמיסה בכלי – אותה כמות חמצן בנפח גדול יותר נותנת שינוי קטן יותר בריכוז.

•בין עלים שונים יש שונות טבעית – בגודל, בגיל ובכמות הכלורופיל ובקצב הפוטוסינתזה. אילו נבדק עלה אחד בלבד, עלה חריג היה יכול להטות את התוצאה.

•בדיקה של 10 עלים (ערך ממוצע לגרם עלה) נותנת תוצאה מייצגת של הנבטים באותו יום, ולכן התוצאות אמינות יותר.

•נוסף על כך, עלה יחיד קטן מכיל מעט כלורופיל ומשחרר מעט חמצן, והשינוי בריכוז החמצן בתמיסה היה קטן מכדי למדוד אותו בדיוק.

- המשותף לשתי התוצאות: בקבוצה ד (8 ימים באור) ריכוז הכלורופיל הוא 0.17, הגבוה ביותר בניסוי 1; ביום 4 ריכוז הכלורופיל הוא 0.16, הגבוה ביותר בניסוי 2.

- מנגנון: יותר כלורופיל ← יותר אנרגיית אור נקלטת ← בתגובות האור נוצרים יותר $\text{ATP}$ ונשאי מימן (NADPH) ← מחזור קלווין מקבע יותר $\text{CO}_2$ לסוכרים.

- תוצאה: קצב הפוטוסינתזה בעלים האלה הוא הגבוה ביותר, ולכן גם קצב קליטת ה־$\text{CO}_2$ מן הסביבה (חומר הגלם של הפוטוסינתזה) הוא הגבוה ביותר. הדבר מתאים לממצא של ניסוי 2: ביום 4 גם שחרור החמצן היה הגבוה ביותר (4.7).

•כפי שהוסבר בשאלה 2.ב, בחושך לא נוצר כלורופיל ואין פוטוסינתזה, והנבט תלוי בחומרי התשמורת של הזרע; אם יישאר בחושך – ימות כשיכלו.

•הנבט "משקיע" את חומרי התשמורת בעיקר בהתארכות הגבעול (ולא בבניית עלים גדולים וכלורופיל, שאין בהם תועלת בחושך).

•גבעול ארוך מגדיל את הסיכוי להגיע אל מעבר לשולי האבן – אל האור – לפני שחומרי התשמורת ייגמרו.

•כשהנבט מגיע לאור נוצר בעליו כלורופיל (כמו בקבוצות ב–ד), והוא מתחיל לבצע פוטוסינתזה, לייצר חומרים אורגניים בעצמו ולהמשיך להתפתח. כך ההתארכות בחושך מגדילה את סיכויי ההישרדות של הצמח.

השינוי: בשעות האור כמות העמילן בעלים עלתה – מכ־23 מיקרומול/גרם עלה בזמן 0 לכ־140 מיקרומול/גרם עלה אחרי 16 שעות (בממוצע כ־7.3 מיקרומול/גרם עלה לשעה).

•באור העלים הירוקים מבצעים פוטוסינתזה: אנרגיית האור משמשת לבניית גלוקוז מ־$\text{CO}_2$ וממים.

•קצב יצירת הגלוקוז בפוטוסינתזה גבוה מקצב השימוש בו בעלה (נשימה תאית) ומקצב הובלתו לאיברים אחרים.

- עודף הגלוקוז הופך בעלה (בכלורופלסטים) לעמילן – רב־סוכר שנאגר. לכן כמות העמילן מצטברת במשך כל שעות האור.

•בחושך אין פוטוסינתזה, ולכן לא נוצר גלוקוז חדש ולא מתווסף עמילן.

•תאי העלה (וכל תאי הצמח) ממשיכים לבצע נשימה תאית ביום ובלילה וזקוקים לגלוקוז.

•לכן העמילן שנאגר באור מפורק (בעזרת אנזימים) לגלוקוז. חלק מן הגלוקוז משמש לנשימה בתאי העלה, וחלק הופך לסוכר מסיס (סוכרוז) שמובל בשיפה לאיברים אחרים – שורשים, נקודות גדילה ואיברי אגירה.

•כך כמות העמילן יורדת מכ־140 לכ־25 מיקרומול/גרם עלה ב־8 שעות החושך (בממוצע כ־14.4 מיקרומול/גרם עלה לשעה).

העמילן הוא מאגר זמני של סוכר. פירוקו בלילה מספק לכל תאי הצמח גלוקוז, שבנשימה התאית מופק ממנו $\text{ATP}$ – האנרגיה לתהליכים כמו גדילה וחלוקת תאים, הובלה פעילה ובניית חלבונים וחומרים אחרים. בלי פירוק העמילן הצמח לא היה יכול לקיים את התהליכים האלה בשעות שבהן אין פוטוסינתזה. (בנוסף, פינוי העמילן מן העלה מאפשר לו לאגור שוב עמילן ביום שלמחרת.)

•בעונה היבשה אין לצמח עלים, ולכן אין פוטוסינתזה ולא נוצרים סוכרים חדשים שיכולים להיאגר.

•תאי איבר האגירה חיים ומקיימים חילוף חומרים – בעיקר נשימה תאית, הזקוקה לגלוקוז.

•מקור הגלוקוז היחיד הוא העמילן האגור, ולכן הוא מפורק בהדרגה לגלוקוז, וכמותו הולכת וקטנה (כמו בעלים בשעות החושך בחלק ג).

•חד־סוכרים ודו־סוכרים מסיסים במים. אגירה של כמות גדולה שלהם בתא הייתה מגדילה מאוד את ריכוז המומסים בתא ומורידה את פוטנציאל המים שלו, ואז מים היו נכנסים לתא באוסמוזה בכמות גדולה ומשבשים את פעילותו (ובתא בלי דופן – עד התפוצצות).

•עמילן הוא רב־סוכר – מולקולה גדולה המורכבת ממולקולות גלוקוז רבות. הוא אינו מסיס במים, ולכן כמעט אינו משפיע על פוטנציאל המים של התא, גם כשנאגרת ממנו כמות גדולה.

•מולקולה גדולה כזו גם אינה עוברת דרך קרום התא, ולכן היא נשארת באיבר האגירה; והיא דחוסה – מכילה הרבה גלוקוז בנפח קטן. כשצריך, מפרקים אותה לגלוקוז.