נורית קינן
הוצאת "מטח"
2014
ב כרכים
כרך ראשון
עמודים
עמודי דפוס
עמודי בראיל
העתיקה: אורלי שרף
הספריה המרכזית לעיוורים
נתניה ישראל 2014
העתקה או העברה של העותק המותאם בניגוד להוראות חוק התאמת יצירות, ביצועים ושידורים לאנשים עם מוגבלות התשע"ד - 2014, מהווה הפרה של זכות היוצרים.
(הערות העתקה:
1. הנוסחאות בספר הועתקו. בנוסף, היעזר במנחה במקום בו מופיעות הנוסחאות.
2. המונחים ב'מילון המונחים' המופיע בסוף הספר שולבו בספר הבראיל במקומות המתאימים.)
*4*
הספר כימיה ומדעי החיים לכיתה ט עוסק במושגים, בתופעות, בתהליכים ובהיבטים טכנולוגיים הנוגעים לתחומי הכימיה והביולוגיה, ובהשפעת הטכנולוגיה על החברה ועל הסביבה. במהדורה הדיגיטלית של הספר משולבות הדמיות ואנימציות שבאמצעותן תוכלו לחקור תופעות שונות במדע.
פרק קצר זה הוא מבוא לשילוב פרקי הכימיה והביולוגיה, הוא מכיל סקירה קצרה על המתודה המדעית ומפרט את כללי הזהירות בעבודה במעבדה.
הפרק עוסק בקשר יוני בין יונים בתרכובות יוניות, בקשר שיתופי (קוולנטי) בין אטומים במולקולות של יסודות או של תרכובות, בתהליך היווצרות הקשר השיתופי, בשינויי האנרגיה בתהליך כימי, בתהליכים גרעיניים, בחומצות ובבסיסים.
הפרק עוסק בהיכרות עם היסוד פחמן, בחשיבותו ובייחודיות שלו, בהיכרות עם המבנה ועם התכונות של סוגים שונים של תרכובות פחמן, ובקשר בין מרכיבי המזון לבין אנרגיה.
הפרק עוסק בתא - יחידת המבנה והתפקוד הבסיסית של כל היצורים החיים, בחומרים המרכיבים את התא, במבנה ובתפקוד של חלק מאברוני התא, עם דגש על קרום התא ועל מיטוכונדריה.
הפרק עוסק בחשיבות המזון כמקור של חומרים ושל אנרגיה הנחוצים לבניית הגוף ולתפקודו התקין, וכן בתהליך הפוטוסינתזה המתרחש בצמחים, במבנה של מערכת העיכול באדם ובבעלי-חיים אחרים, בקשר שבין מערכות העיכול, הנשימה והדם, ובקשר שבין תזונה ובריאות.
הפרק עוסק במבנה החומר התורשתי (DNA) ובדרך שהמידע הגנטי מקודד בו, בעקרונות התורשה ובדרך שבה המידע הגנטי עובר מדור לדור. הפרק דן בהתערבות האדם בתהליך התורשה ומוצגות בו סוגיות ביו-אתיות הקשורות להנדסה גנטית, לשיבוט ולייעוץ גנטי.
הפרק עוסק במערכות אקולוגיות בכדור-הארץ, תוך דגש על המגוון הביולוגי הקיים בו ועל השפעות האדם על המגוון הביולוגי ועל המערכות האקולוגיות. הפרק דן בהמרות האנרגיה ובמעברי חומרים במערכת האקולוגית, וכן בגורמים המשפיעים על גודלן של אוכלוסיות.
*5*
*5*
- כימיה היא תחום של מדע העוסק בחקר חומרים.
- ביולוגיה היא תחום של מדע העוסק בתופעות, במבנים ובתהליכים ביצורים חיים.
- קיים קשר הדוק בין כימיה לבין ביולוגיה.
- כדי להבין את כל התהליכים המתרחשים בתא החי, יש להכיר את החומרים המרכיבים אותו ולהבין את התגובות הכימיות המתרחשות ביניהם.
- המחקר בביולוגיה והמחקר בכימיה נערכים על פי שיטת החקר המדעי (ניסוי, תצפית).
כימיה
ביולוגיה
שיטת החקר המדעי
*6*
הספר כימיה ומדעי החיים לכיתה ט עוסק במושגים, בתופעות, בתהליכים ובהיבטים טכנולוגיים הנוגעים לתחומי הכימיה והביולוגיה, ובהשפעת הטכנולוגיה על החברה ועל הסביבה.
בין מדעי החיים למדע הכימיה יש קשר הדוק. כדי להבין את כל התהליכים המתרחשים בתא החי, יש להכיר את החומרים המרכיבים אותו ולהבין את התגובות הכימיות המתרחשות ביניהם.
מדע הכימיה הוא תחום העוסק בחקר החומרים המצויים בעולם בסביבה הא-ביוטית (הדוממת) ובסביבה הביוטית (ביצורים חיים), בהרכב שלהם, במבנה שלהם, בתכונותיהם, ובשינויים המתרחשים בהם בתנאים שונים. בתהליכים אלה חומרים שונים מגיבים זה עם זה ונוצרים חומרים חדשים: אטומים נקשרים זה לזה ויוצרים מולקולות, מולקולות קטנות מתרכבות ויוצרות מולקולות גדולות יותר, מולקולות מתפרקות למולקולות קטנות יותר או לאטומים המרכיבים אותן. המגוון העצום של החומרים, הנוצר כתוצאה מההרכבים השונים שבהם אטומים יכולים להתרכב זה עם זה, ומן הצורות השונות שבהן אטומים יכולים להסתדר הוא גדול ביותר.
להפקת חומרים, לעיבודם ולשימוש בהם יש השפעה מכרעת על איכות חיי האדם ועל הסביבה. בזכות המחקר בתחום הכימיה אפשר, בין היתר, לפתח חומרים חדשים שמהם מייצרים מוצרים שימושיים: תרופות, דשנים, חומרי בניין חדשניים, מוצרי תקשורת מתקדמים וכדומה.
*7*
מדעי החיים, ביולוגיה (ביו שווה חיים, לוגיה שווה תורה) הוא תחום העוסק בהיבטים רבים של היצורים החיים בעולמנו, ברבגוניותם, בהתנהגותם וביחסי הגומלין בינם לבין עצמם ובינם לבין סביבתם. התחום הזה כולל ענפי מדע רבים, ובהם תורת התא, זואולוגיה, בוטניקה, אקולוגיה, תורשה ועוד.
תהליכים שונים המתרחשים בתא החי וחיוניים לתפקודו, מתרחשים באמצעות תגובות כימיות למיניהן. לדוגמה, תהליך הפוטוסינתזה בתאי צמח, נשימה תאית, שעתוק גנים, הובלת חומרים דרך תעלות בקרום התא, בניית רקמות, עיכול המזון ועוד. אפשר להסתכל על הגוף החי כעל מעבדה שמתרחשים בה תהליכים כימיים מורכבים ללא הפסקה.
לימוד תהליכים כימיים אלו הכרחי לצורך הבנת התפקוד התקין של התא החי, והבנת השיבושים המתרחשים בתהליכי מחלה. הקשר ההדוק בין הביולוגיה והכימיה העצים והתרחב בשנים האחרונות, והוא בבסיס המחקר הביולוגי המודרני: בהנדסה גנטית, בקביעת רצפי DNA ובתכנון תרופות. שיתופי פעולה בין חוקרים מתחום הביולוגיה והכימיה הביאו לגילויים מדעיים פורצי דרך ולפיתוח טכנולוגיות חדישות. אם נתבונן ברשימת פרסי הנובל שהוענקו בתחום הכימיה, נגלה שחלק גדול מן המחקרים עסק במערכות ביולוגיות. לדוגמה, בשנת 2013 הוענק הפרס היוקרתי הזה לפרופסורים אריה ורשל ומיכאל לויט על תרומתם החשובה להבנת הכוחות הפועלים בתוך מולקולות גדולות ומשפיעים על הפעילות הביולוגית של החלבונים בתא.
היזכרו בלימודי הכימיה ובלימודי הביולוגיה משנים קודמות, והביאו לפחות 5 דוגמאות לנושאים שבהם משולבים ידע כימי וידע ביולוגי. הסבירו כיצד בא לידי ביטוי תחום הכימיה וכיצד בא לידי ביטוי תחום הביולוגיה בכל דוגמה.
*8*
עולם היצורים החיים הוא עולם מגוון, והגיוון מתבטא בשוני במראה, בתכונות, בהתנהגות ובסביבת החיים שבה הם מתקיימים. למרות זאת, לכולם צורכי קיום דומים (אוויר, מים, מזון ומחסה) כי כולם בעלי אותם מאפייני חיים: מבנה תאי, נשימה, הזנה, רבייה, גדילה והתפתחות, הפרשה, תנועה ותקשורת. כלומר, כל היצורים החיים:
- בנויים מתא אחד לפחות
- מתרבים ומעמידים צאצאים
- צורכים אנרגיה וחומרים מן הסביבה
- פולטים חום ופסולת אל הסביבה
- מגיבים לגירויים מן הסביבה
- תלויים ביצורים אחרים בסביבתם
מערכות גופם של כל היצורים הרב-תאיים פועלות בשיתוף פעולה, שהוא חיוני לתפקוד תקין של הגוף. נוסף על כך, גופם של כל היצורים החיים מורכב מאותם חומרים:
- רוב החומרים הבונים את התאים הם תרכובות מבוססות פחמן: פחמימות, שומנים וחלבונים.
- מים הם הממס הבסיסי בכל צורות החיים הידועות. כלומר, פעילויות החיים מתקיימות בסביבה המימית שבתאי הגוף.
- המידע התורשתי של כל היצורים החיים נמצא (מקודד) ב-DNA שבתא וכך הוא עובר מדור לדור.
את המרכיבים השונים בטבע נהוג לחלק לרמות ארגון במבנה שנקרא המדרג הביולוגי. (המדרג הביולוגי - תרשים המציג את כדור-הארץ ואת היצורים החיים המתקיימים עליו במערך מדורג של רמות ארגון: מן הרמה הגדולה ביותר (כדור-הארץ כולו) ועד לרמת האטומים, הבונים את גופם של היצורים החיים.)
המדרג הביולוגי מאורגן כמערך מדורג, מן המקרו עד המיקרו, וכל רמה שלו נכללת ברמה שלפניה ומכילה את הרמה הבאה אחריה. ברמות המקרו באים לידי ביטוי בעיקר היבטים ביולוגיים - חברות, אוכלוסיות, מינים של יצורים חיים, ובהמשך - הגוף השלם ומערכות הגוף. ברמות המיקרו באים לידי ביטוי גם היבטים ביולוגיים - תאים ואברוני התאים, וגם היבטים כימיים - מולקולות, אטומים וחלקיקים תת-אטומיים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
מסע אל המדרג הביולוגי
רמות ארגון בטבע מתוך הילקוט הדיגיטלי לחט''ב
*9*
מאפיין משותף למדעי הכימיה ולמדעי הביולוגיה הוא שיטת החקר המדעי הנהוגה בשניהם. יש דרכים שונות לביצוע חקירה מדעית, כמו ניסויים ותצפיות, ובכולן חשוב להקפיד על מרכיבים מהותיים אופייניים.
חקר מדעי יכול להתחיל בסקרנות אנושית או בצורך לפתור בעיה. בשלב הראשון יש לנסח שאלת חקר, שהתשובה לה תתברר באמצעות הניסוי. יש להעלות השערה, שהיא תשובה אפשרית ומנומקת לשאלת החקר. הנימוק צריך להיות מבוסס על ידע מדעי קודם או על שיקול דעת. רק לאחר שמבצעים את הניסוי אפשר לדעת אם ההשערה נכונה או שגויה. אם ההשערה נכונה, תוצאות הניסוי מאששות (תומכות, מאשרות) אותה. אם תוצאות הניסוי מפריכות (סותרות) את ההשערה, כנראה יש הסבר אחר לתופעה וצריך לנסח השערה אחרת ולבדוק אותה בניסוי נוסף.
כאשר רוצים, לדוגמה, לבדוק מה הסיבה לתופעה כלשהי, יש לתכנן את הניסוי כך שיתקיים בו בידוד משתנים. בידוד המשתנים מאפשר לקבוע מי הגורם שהשפיע על התהליך הנבדק בניסוי. כלומר, בניסוי תיבדק השפעתו של משתנה אחד - הגורם המשפיע, על משתנה אחר - הגורם המושפע. הניסוי צריך לכלול בקרה. הבקרה יכולה להיות מערכת שבה כל התנאים זהים למערכת הניסוי, פרט לאחד הגורמים הנבדקים. בקרה יכולה להתבצע גם באמצעות שינוי מבוקר של הגורם המשפיע (להגדיל או להקטין אותו בהדרגה) ובדיקת השינויים בערכי הגורם המושפע. חשוב לבצע ניסוי מדעי יותר מפעם אחת. חזרות כאלה מסייעות להוכיח שהתוצאות אינן מקריות.
התוצאות המתקבלות בניסוי מאששות או מפריכות את ההשערות הראשוניות ומאפשרות להסיק מסקנות. במקרים רבים עולות שאלות חדשות בעקבות הניסוי, שגם אותן אפשר לבדוק בניסויים עתידיים.
בשיטת החקר המדעי נעזרים במקרים רבים במיומנות של טיעון. במקרים כאלה מנסחים טענה ותומכים בה על ידי נימוקים מתאימים. טיעון שווה טענה פלוס נימוקים.
כאשר פועלים לפי העקרונות של שיטת החקר המדעי, בודקים את השפעתו של גורם אחד על גורם אחר. עם זאת, במציאות תופעות ותהליכים טבעיים הם מורכבים יותר. במקרים רבים שני גורמים, או אפילו יותר, משפיעים על הגורם המושפע. במקרים כאלה צריך לבצע ניסויים מורכבים, שבהם בודקים את ההשפעה של כל גורם בנפרד ואת ההשפעה המשולבת שלהם במערכת הנבדקת.
*10*
לדוגמה, תהליך הפוטוסינתזה המתרחש בצמחים מושפע גם מריכוז הפחמן הדו-חמצני, גם מעוצמת האור וגם מגורמים נוספים כמו הטמפרטורה וכמות המים בצמח. בפרק העוסק בנושא ההזנה תלמדו על התהליך הזה ותבדקו כיצד כל גורם משפיע בנפרד וכיצד כמה גורמים משפיעים יחד.
גם גודלן של אוכלוסיות היצורים החיים בטבע מושפע מגורמים שונים, כמו הגיל שבו הם מתחילים להתרבות, מספר הצאצאים של כל פרט ומשך החיים. בפרק העוסק בנושא אקולוגיה תיעזרו בהדמיה שבה תבדקו את השפעתם של גורמים אלה, יחד ולחוד, על גודל האוכלוסיות של יצורים שונים.
בספר הזה תרחיבו את ידיעותיכם בתחומי מדעי החיים והכימיה, ותלמדו נושאים חשובים המשפיעים על חיינו, על בריאותנו ועל הסביבה שאנו חיים בה.
בפרקי הכימיה (שני הפרקים הבאים בספר) תלמדו כיצד נוצרות מולקולות, תדונו בכוחות המשיכה והדחייה הפועלים בין אטומים וכיצד נוצר קשר כימי בין אטומים. עוד תלמדו על שינויים באנרגיה המלווים את התגובות הכימיות ותתנסו במדידה של שינוי אנרגיה בתהליך של שריפה. כמו כן, תכירו חומרים שונים המצויים בסביבה ומרכיבים את גופם של היצורים החיים. פרק שלם מוקדש לפחמן ולמרכיבי המזון.
בפרקי הביולוגיה תלמדו על התפקידים העיקריים שממלאים החומרים השונים בגוף, על התהליכים שהחומרים האלה משתתפים בהם ועל חשיבותם לקיום הגוף ולתפקודו התקין. כמו כן, תלמדו על דרכי ההזנה של יצורים חיים ועל חשיבותו של תהליך העיכול. בנוסף, תכירו את העקרונות שלפיהם תכונה כלשהי של ההורים מופיעה בצאצאיהם, את התהליך הכימי העומד בבסיס ההורשה של תכונות מדור לדור, ואת הדרכים שבהן אפשר להתערב בתהליכי התורשה של האדם ושל יצורים חיים אחרים, במטרה לשפר תוצרת חקלאית, לרפא מחלות תורשתיות ועוד.
*11*
לפניכם רשימת אמצעי זהירות כלליים לעבודה במעבדה. בנוסף על רשימה זו, ליד כל ניסוי בספר מפורטים אמצעי הזהירות המיוחדים לניסוי.
לפני תחילת העבודה במעבדה קראו היטב את מהלך הניסוי, הכירו את הציוד ואת החומרים שבהם תשתמשו ואת אמצעי הזהירות הנדרשים בעת השימוש בהם. התחילו את העבודה רק לאחר שהבנתם את מהלך הניסוי ונקטתם את כל אמצעי הזהירות הנחוצים.
1. במרבית הניסויים בספר נדרש להרכיב משקפי מגן. בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
2. עבדו בשיער אסוף בלבד.
3. הגיעו למעבדה בנעליים סגורות בלבד ובמכנסיים ארוכים. רצוי ללבוש חלוק מעבדה או חולצה ישנה מעל הבגדים כדי למנוע את הכתמתם.
4. אל תאכלו ואל תשתו במעבדה. אל תטעמו חומרים המשמשים לניסוי בשום פנים ואופן!
5. אל תריחו מקרוב חומרים במעבדה.
6. אם הניסוי מחייב עבודה עם כפפות ו/ או עבודה במנדף או במקום מאוורר, הקפידו על ביצוע הוראות אלה.
*12*
7. עבדו על פי הוראות הניסוי במדויק, ללא שינויים וללא אלתורים.
8. קראו היטב את התוויות על הקופסאות והבקבוקים המכילים את החומרים.
9. אם הבחנתם בציוד פגום (לדוגמה, כלי זכוכית סדוק או שבור), אל תשתמשו בו והודיעו על כך למורה.
10. רצוי לעבוד על מגש ולא ישירות על שולחנות המעבדה.
11. שולחן המעבדה צריך להיות נקי ומסודר ופנוי מחפצים מיותרים.
12. עבדו במקומכם בשקט, אל תרוצו או תנועו בפתאומיות.
13. אם מתרחש משהו חריג (לדוגמה: כלי מעבדה נשבר או חומר נשפך), הודיעו מיד למורה ופעלו על פי ההוראות שתקבלו.
14. אם נגעתם ביד חשופה בחומרי המעבדה, שטפו את הידיים במים וסבון והודיעו מיד למורה.
15. אל תשאירו את עמדת הניסוי ללא השגחה.
16. לפני כל יציאה מן המעבדה קבלו את אישור המורה.
17. רחצו ידיים במים וסבון לפני עזיבת המעבדה.
18. אין להדליק גזייה או כוהלייה על שולחן תלמיד. שימוש בגזייה או בכוהלייה יתבצע על שולחן המורים ובפיקוחם, מעל משטח מצופה בחומר בלתי דליק.
19. בעת חימום חומרים במבחנה אחזו באמצעות אטב בשליש העליון של המבחנה. המבחנה צריכה להיות מוטה בזווית של 45 מעלות, כאשר הפתח שלה אינו מופנה כלפיכם או כלפי אדם אחר. שימו לב: במעבדה אתם אחראים גם לשלום חבריכם.
20. אל תניחו כלים חמים על השולחנות, אלא רק על משטח העמיד בטמפרטורות גבוהות.
21. הרחיקו חומרים דליקים מלהבה וממקור חום.
22. אל תיגעו במכשירים חשמליים בידיים רטובות.
23. הפעילו מכשירים חשמליים על פי ההוראות בלבד.
24. אין לגעת בחוטי חשמל חשופים או לפתוח ארונות חשמל. הודיעו למורה מיד על כל תקלה הקשורה לשימוש במכשירים חשמליים.
*13*
*13*
- כימיה היא מדע העוסק בחקר החומרים, במבנה החומרים, בתכונותיהם ובשיטות לייצור חומרים חדשים.
- בתהליך כימי נוצרים או מתפרקים קשרים כימיים בין חלקיקי החומר, וכך נוצרים חומרים חדשים.
- כוחות משיכה ודחייה חשמליים גורמים ליצירה של קשרים כימיים.
- האלקטרונים הרחוקים מגרעין האטום (האלקטרונים החיצוניים) משתתפים בקשר הכימי שיוצר האטום הזה עם אטום אחר.
- קשר שיתופי (קוולנטי) נוצר כאשר אטומים משתפים ביניהם אלקטרונים.
- תהליכים כימיים מלווים בשינוי באנרגיה הכימית.
- בכל תהליך כימי מסת התוצרים שווה למסת המגיבים, בהתאם לחוק שימור המסה.
- קשר שיתופי (קוולנטי)
- אלקטרונים חיצוניים
- איזון תהליך כימי
- תהליך קולט אנרגיה
- תהליך פולט אנרגיה
- מספר מסה
- איזוטופים
- התפרקות רדיואקטיבית
*14*
בכל פעולה שאנחנו עושים בחיי היומיום שלנו יש כימיה. התהליכים הכימיים המתרחשים בסביבה הדוממת, ביצורים חיים ובמעבדות מספקים את האנרגיה המניעה את עולמנו, ויוצרים את החומרים שמהם אנו ניזונים ואת המוצרים שבהם אנחנו משתמשים. לדוגמה, אנו מגיעים במכונית לכל מקום הודות לתהליך כימי שבו דלק בוער תוך כדי פליטת אנרגיה; הלחם שאנו אוכלים תפח הודות לתהליך כימי שהתרחש בשמרים שהוסיפו לבצק; מוצרים שונים שבהם אנו משתמשים - טלפון נייד, מברשת שיניים, סבון, ובקבוק פלסטיק - כל אלה ועוד עשויים מחומרי גלם שנוצרו בתהליכים כימיים במפעלים.
כימאים ומהנדסים מפתחים חומרים חדשים ותהליכים משופרים במעבדות של מפעלים ושל מכוני מחקר. המטרה שלהם היא לייצר מוצרים חדשים בעלי תכונות מיטביות, אמצעים לשיפור איכות החיים ואיכות הסביבה, מקורות אנרגיה חדשים וידידותיים יותר לסביבה, תרופות המסייעות לאיכות החיים ומאריכות את תוחלת החיים, מוצרים המגדילים את יכולת ייצור המזון ועוד.
כימאים, מהנדסי כימיה ומהנדסי חומרים, העוסקים בחקר החומרים ובפיתוח של חומרים חדשים, מועסקים במקומות עבודה מגוונים - באוניברסיטאות, במכוני מחקר, וכן במעבדות של חברות המייצרות מזון, מכוניות, תרופות, אלקטרוניקה ועוד. בשנים האחרונות פונים כימאים רבים לתחום "הכימיה הירוקה" - תחום שבו מפתחים פתרונות לבעיות האנרגיה, זיהום האוויר, זיהום המים ויצירת פסולת.
בתהליכים כימיים חלקיקי החומר - אטומים, מולקולות (מולקולה - חלקיק של חומר המורכב משני אטומים או יותר הקשורים ביניהם.) או יונים (יונים - אטומים או מולקולות בעלי מטען חשמלי.) - נקשרים זה לזה בקשרים כימיים ונוצרים חומרים חדשים. כאשר כימאים ומהנדסים מפתחים חומרים חדשים, עליהם להכיר את מבנה החומר שבו הם עוסקים ואת תכונותיו, ולהבין את התהליכים הכימיים השונים שבמהלכם הוא יוצר קשר כימי עם חומרים אחרים. תהליך פיתוח של חומר או מוצר חדש הוא תוצאה של מאמץ משותף של אנשי מקצוע רבים - מהנדסים, מדענים מתחומים שונים, מעצבים ועוד, החוברים יחד ומשלבים ידע, יצירתיות ויכולת לפתור בעיות.
בפרק הזה נכיר תגובות כימיות מסוגים שונים ונתנסה בהן, נלמד כיצד בתהליך כימי נוצרים קשרים כימיים בין אטומים, ונבין מדוע יסודות שונים יוצרים קשרים כימיים שונים. נעקוב אחר שינויי האנרגיה בתגובות כימיות שונות, ונבין מדוע תהליכים כימיים מסוימים פולטים אנרגיה ואילו אחרים קולטים אנרגיה. נלמד לנסח תגובות כימיות בשפה הכימית, ולאזן את ניסוח התהליך כך שיבטא את חוק שימור המסה. עוד נעמיק בפרק בהיכרות עם מבנה גרעין האטום ועם האנרגיה הגרעינית, ונרחיב את היכרותנו עם קבוצות מיוחדות של תרכובות שימושיות - חומצות ובסיסים.
(בספר שלוש תמונות)
1. כימאים המתמחים בתהליכים הכימיים: המתרחשים בסוללות, מפתחים סוללות מיוחדות; שיהיו קלות יותר ובעלות זמן פעולה ארוך יותר מהסוללות הקיימות כיום לאופניים חשמליים
2. פעולתה של כרית האוויר, המותקנת כאמצעי בטיחות ברכב, מבוססת על סדרה של תגובות כימיות שבהן נוצר גז בכמות גדולה בעת התנגשות
3. מהנדסי מזון וכימאי מזון, העובדים במעבדות של מפעלי מזון, מפתחים טעמים, צבעים ומרקמים חדשים למזון
*15*
חומרים נוצרים ומתפרקים סביבנו כל הזמן. למשל, החומרים המרכיבים את המזון שאנו אוכלים מתפרקים בתוך הגוף שלנו לחומרים אחרים, ומהחומרים האלה נוצרים בגופנו חומרים חדשים החיוניים לתפקודו התקין של הגוף. דוגמאות נוספות: בתאי הצמחים הירוקים נוצרים סוכרים מפחמן דו-חמצני וממים, ובבעירה של גז הבישול נוצרים חומרים חדשים הנפלטים לאוויר כגזים.
התהליך שבו חומר נוצר מחומרים אחרים נקרא תגובה כימית. החומרים הנוצרים בתגובה כימית נקראים תוצרים, והחומרים שמהם נוצרים התוצרים נקראים מגיבים.
תכונות התוצרים בתגובה הכימית שונות מתכונות המגיבים שמהם הם נוצרו. בכך תגובה כימית שונה מתגובה פיזיקלית שבה לא נוצרים חומרים חדשים, והחומרים רק משנים את צורתם, את מצב הצבירה שלהם וכדומה.
נתבונן בתגובות כימיות שבהן נוצרים חומרים שונים:
מהם המגיבים ומהם התוצרים בתגובות אלו? כיצד אפשר לדעת שהתרחשה תגובה כימית בכל אחת מן התגובות?
נתרן הוא מתכת רכה וכסופה המגיבה באופן נמרץ עם מים. כלור הוא גז צהבהב ורעיל. כאשר נתרן פוגש בכלור מתרחשת תגובה כימית ונוצר חומר חדש - תרכובת בשם נתרן כלורי, המוכרת לנו בשמה היומיומי: מלח שולחן.
(בספר איור - היעזר במנחה)
נתרן פלוס כלור (מגיבים) - נתרן כלורי (תוצר)
כאשר מעבירים זרם חשמלי במים, שהם תרכובת נוזלית, מתרחשת תגובה כימית שבה נוצרים שני גזים - גז המימן הנפיץ וגז החמצן הדליק.
(בספר איור - היעזר במנחה)
מים (מגיב) - מימן פלוס חמצן (תוצרים)
*16*
1. בחרו אחד מהמגיבים בתגובה שבין כלור לבין נתרן, והשוו בין תכונותיו לבין תכונות התוצר - נתרן כלורי (מלח שולחן). אילו תכונות במגיב שונות מתכונות התוצר?
2. הביאו עוד דוגמה לתגובה כימית. כיצד אפשר לדעת שבתגובה נוצר חומר חדש?
כאשר תגובה כימית מתרחשת, נוצרים חומרים חדשים. אפשר לדעת שתגובה כימית התרחשה על פי סימנים מסוימים המאפיינים תגובות כימיות, לדוגמה:
(בספר ארבע תמונות - היעזר במנחה)
- שינויים בצבע - שינוי צבע בתגובה כימית
- יצירה של גז - בועות של גז שנוצר בתגובה כימית
- שינויים בטמפרטורה - בתגובה הכימית המתרחשת בזיקוקי דינור נפלטת אנרגיה רבה בצורה של חום ושל אור
- יצירה של משקע - מוצק השוקע בתמיסה - משקע צהוב של עופרת יודית נוצר כאשר מערבבים תמיסה של עופרת חנקתית ותמיסה של אשלגן יודי
*17*
בהדגמה הבאה נצפה במתרחש כאשר מערבבים יחד סודה לשתייה, סוכר וכוהל (אתאנול), ונבדוק האם יש סימנים לקיום תגובה כימית בתהליך.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב: יש לבצע את הניסוי בחדר מאוורר.
ציוד: מגשית אלומיניום, תערובת של 13 גרם סוכר (כ-3 כפיות) ו-2 גרם סודה לשתייה (ככפית), 10 מ"ל כוהל (אתאנול), מצית ארוך (כמו של כירת הבישול בבית), חול.
א. מניחים חול על מגשית האלומיניום.
ב. יוצרים בחול גומה.
ג. מפזרים מחצית מכמות האתאנול על החול שבתוך הגומה.
ד. שמים את תערובת הסוכר והסודה לשתייה בתוך הגומה כך שנוצרת מעין גבעה לבנה על החול.
ה. מרטיבים את שולי ה"גבעה" באתאנול שנותר ומדליקים.
ו. צופים במתרחש.
תארו את מה שהתרחש בהדגמה.
1. באילו שינויים צפיתם במהלך ההדגמה?
2. האם התהליך שהתרחש הוא תגובה כימית? נמקו.
*18*
בעזרת השפה הכימית אפשר לתאר בקיצור את ההרכב של חומרים ואת התגובות המתרחשות ביניהם.
הנוסחה הכימית מתארת את הרכב החומר - מאילו אטומים היסוד (יסוד - חומר הבנוי מסוג אחד בלבד של אטומים.) או התרכובת (תרכובת - חומר המורכב מאטומים של יסודות שונים הקשורים זה לזה.) בנויים, כמה אטומים מכל סוג הם כוללים או מה היחס המספרי ביניהם.
לדוגמה, הנוסחה הכימית של מים היא H2O.
המים הם חומר מולקולרי (חומרים מולקולריים - יסודות הבנויים ממולקולות כמו חמצן, או תרכובות הבנויות ממולקולות כמו מים (תרכובות מולקולריות). הבנוי ממולקולות. הנוסחה הכימית של המים כוללת את סימולי היסודות שכל מולקולת מים מורכבת מהם: חמצן (O), מימן (H), ומספרים בכתב תחתי המציינים את מספר האטומים מכל סוג במולקולה אחת: שני אטומי מימן ואטום חמצן אחד (כשהמספר הוא 1 לא כותבים אותו).
(בספר נוסחה ומקרא - היעזר במנחה)
H2O
הנוסחה הכימית של מים מתארת את סוג האטומים ואת מספר האטומים מכל סוג במולקולה אחת
דוגמה אחרת היא הנוסחה הכימית של נתרן כלורי NaCl.
הנתרן הכלורי הוא תרכובת יונית (תרכובות יוניות - תרכובות המורכבות ממספר רב מאוד של יונים חיוביים ויונים שליליים הקשורים זה לזה.), שיש לה מבנה ענק שבו יונים חיוביים רבים של נתרן (Na פלוס) קשורים ליונים שליליים רבים של כלור (CL מינוס).
הנוסחה הכימית של תרכובת יונית אינה מציינת את המספר המדויק של האטומים מכל סוג בתרכובת, אלא רק את היחס המספרי ביניהם. בנתרן כלורי יחס זה שווה ל-1 ל1.
(בספר נוסחה ומקרא - היעזר במנחה)
הנוסחה הכימית של נתרן כלורי מתארת את סוג האטומים ואת היחס המספרי ביניהם במבנה הענק
*19*
1. הנוסחה הכימית של הגלוקוז היא C6H12O6. תארו במילים את המידע המופיע בנוסחה: אילו אטומים מרכיבים את המולקולה, וכמה אטומים מכל סוג יש במולקולה?
2. הנוסחה הכימית של התרכובת היונית אלומיניום ברומי היא AlBr3. תארו במילים את המידע המופיע בנוסחה. שימו לב שתרכובות יוניות מופיעות במבנה ענק.
3. רשמו נוסחה כימית לחומרים הבאים:
ליתיום פלואורי, מימן על-חמצני (מי-חמצן), אמוניה
אפשר לתאר תהליך כימי באופן מקוצר באמצעות ניסוחו בסימולים הכימיים ובנוסחאות הכימיות של החומרים המשתתפים בו.
לדוגמה, ניסוח של התהליך שבו נוצר ברזל גפריתי (FeS) מברזל (Fe) ומגפרית (S) ייראה כך:
Fe פלוס S - FeS
ניסוחים של תהליכים כימיים כוללים גם את היחס המספרי בין החומרים. לדוגמה, בהתנסות של "נחש פרעה" שביצענו, התרחש בין היתר גם תהליך כימי שבו הכוהל אתאנול בער עם חמצן. ניסוח התהליך הוא:
C2H5OH פלוס 3O2 - 2CO2 פלוס 3H2O
היחס המספרי בין החומרים המשתתפים בתהליך מתואר בעזרת מספרים המופיעים מצד שמאל של הנוסחה הכימית של החומר (כשהמספר הוא 1 לא כותבים אותו): ממולקולה אחת של אתאנול ו-3 מולקולות של חמצן מתקבלות 2 מולקולות של פחמן דו-חמצני ו-3 מולקולות של מים.
לפניכם ניסוח כימי של התגובה שבה סוכר (גלוקוז) מגיב עם חמצן.
תארו את התגובה במילים וציינו גם את היחס המספרי בין החומרים המשתתפים בה.
C6H12O6 פלוס 6O2 - 6CO2 פלוס 6H2O
גלוקוז פלוס חמצן – פחמן דו-חמצני פלוס מים
*20*
בתגובה כימית כמות החומר אינה משתנה - מסת המגיבים שווה למסה של התוצרים שהתקבלו מהם. הסיבה לכך היא שהאטומים המשתתפים בתהליך הכימי אינם יכולים להיווצר מעצמם או להיעלם, הם רק קשורים זה לזה בצורה שונה.
העיקרון הזה נוסח במאה ה-18 על ידי המדען אנטואן דה-לבואזיה, ונקרא: חוק שימור המסה.
כשמתרחש תהליך כימי מתקיים חוק שימור המסה: מסת המגיבים שווה למסת התוצרים.
כאשר מנסחים תהליך כימי באמצעות נוסחאות החומרים, צריך לשים לב שניסוח התהליך יבטא את חוק שימור המסה, כלומר - שכמות האטומים מהסוגים השונים לא תשתנה בתהליך.
לפעולה זו קוראים: איזון תהליך כימי.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בתהליך כימי מתקיים חוק שימור המסה: מסת המגיבים שווה למסת התוצרים
נתבונן בתהליך הכימי שבו גז מימן (H2) מגיב עם גז חמצן (O2) ונוצרים מים (H2O). נרשום את ניסוח התהליך, ומתחתיו נרשום את הנוסחאות הכימיות של החומרים.
מימן פלוס חמצן - מים
H2 פלוס O2 - H2O
האם הניסוח שרשמנו מאוזן? האם הוא מקיים את חוק שימור המסה? נספור את כמות האטומים מכל סוג, במגיבים ובתוצרים:
במגיבים יש 2 אטומי מימן (במולקולה אחת של מימן) ו-2 אטומי חמצן (במולקולה אחת של חמצן). בתוצרים יש 2 אטומים של מימן ואטום חמצן אחד (במולקולה אחת של מים).
התוצאה: ניסוח התהליך כפי שרשמנו אותו אינו מאוזן כי מספר אטומי החמצן שונה מהמגיבים לתוצרים, ולכן הוא אינו מקיים את חוק שימור המסה.
(בספר איור - היעזר במנחה)
צעד 1: כדי להגיע למצב שבו מספר אטומי החמצן יהיה שווה במגיבים ובתוצרים, נוסיף את הספרה 2 לפני הנוסחה של מולקולת המים בתוצרים.
H2 פלוס O2 - 2H2O
*21*
כעת בתוצרים יש לנו 2 אטומי חמצן, כמו במגיבים, אך כאשר נספור את מספר אטומי המימן במגיבים ונשווה אותם למספר אטומי המימן בתוצרים נגלה כי ניסוח התהליך עדיין אינו מאוזן.
(בספר איור - היעזר במנחה)
צעד 2: נוסיף את הספרה 2 לפני נוסחת המימן.
2H2 פלוס O2 - 2H2O
עכשיו ניסוח התהליך מאוזן. נוכל לראות שמספר אטומי המימן והחמצן במגיבים שווה למספר של אטומי המימן והחמצן בתוצרים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
לפניכם ניסוחים של כמה תהליכים כימיים. רשמו עבור כל ניסוח אם הוא מאוזן או לא מאוזן. אזנו את הניסוחים שאינם מאוזנים.
א. MgO - O2 פלוס Mg
מגנזיום חמצני - חמצן פלוס מגנזיום
ב. Cl2 פלוס Cu - CuCl2
כלור פלוס נחושת - נחושת כלורית
ג. H2CO3 - CO2 פלוס H2O
מים פלוס פחמן דו-חמצני - חומצה פחמתית
ד. O2 פלוס CH4- CO2 פלוס H2O
מים פלוס פחמן דו-חמצני - מתאן פלוס חמצן
*22*
היסוד חמצן מורכב ממולקולות של אטומי חמצן, מים הם תרכובת הבנויה ממולקולות (תרכובת מולקולרית) שבהן אטומי חמצן ומימן קשורים זה לזה, ואילו נתרן כלורי (מלח שולחן) הוא תרכובת שבה יונים רבים של נתרן ושל כלור מסודרים במבנה ענק.
כיצד נוצרות מולקולות ותרכובות אלו, ומהם הכוחות המחזיקים את האטומים או את היונים יחד במולקולה או בתרכובת כך שהיא לא מתפרקת למרכיביה?
בפרק הזה נכיר את הקשר הכימי, שהוא ה"דבק" המחזיק את האטומים או את היונים יחד במולקולות ובתרכובות, ונדון בשני סוגים שונים של קשרים:
1. קשר יוני - נוצר בין יונים חיוביים ושליליים. לדוגמה, בין יונים חיוביים של מתכת ויונים שליליים של אל-מתכת. התרכובת הנוצרת כתוצאה מכך נקראת תרכובת יונית. לדוגמה, בתרכובת היונית נתרן כלורי יש קשר יוני בין יוני נתרן ליוני כלור.
2. קשר שיתופי (קוולנטי) - נוצר בין אטומים של אל-מתכות. קשרים שיתופיים בין אל-מתכות יוצרים מולקולות של יסודות או של תרכובות. לדוגמה, במולקולת המימן יש קשר שיתופי בין אטומי מימן, ובמולקולת המים יש קשר שיתופי בין אטומי מימן לאטום חמצן.
קיימים גם קשרים מתכתיים בין מתכות למתכות, אך בהם לא נעסוק בפרק הזה.
(ריק), מתכת, אל-מתכת |
מתכת, קשר מתכתי, קשר יוני |
אל-מתכת, קשר יוני, קשר שיתופי |
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
- בתרכובת היונית נתרן כלורי (מלח שולחן) יש קשר יוני בין יוני נתרן ליוני כלור
- המים הם תרכובת מולקולרית שבה יש קשר שיתופי בין אטומי מימן לאטומי חמצן
*23*
בין מתכות לאל-מתכות נוצר קשר יוני. כיצד?
לאטומים של מתכות, כמו נתרן, יש נטייה גדולה לאבד אלקטרונים ולהפוך ליונים חיוביים. לאטומים של אל-מתכות, כמו כלור, יש נטייה גדולה לקבל אלקטרונים ולהפוך ליונים שליליים.
כאשר אטום של מתכת כמו הנתרן בא במגע עם אטום של אל-מתכת כמו הכלור, אלקטרון יכול לעבור מן הנתרן לכלור. כתוצאה מכך אטום הנתרן מאבד אלקטרון והופך ליון חיובי (Na פלוס), ואילו אטום הכלור מקבל אלקטרון והופך ליון שלילי (Cl מינוס).
בין היונים החיוביים של הנתרן ליונים השליליים של הכלור קיימים כוחות משיכה חשמליים (אלקטרוסטטיים). כוחות המשיכה האלה בין יונים חיוביים ליונים שליליים נקראים קשר יוני (קשר יוני - קשר כימי המבוסס על משיכה חשמלית (אלקטרוסטטית) בין יונים חיוביים ליונים שליליים.). התרכובת היונית שנוצרת היא נתרן כלורי, שבה יונים שליליים רבים של כלור קשורים ליונים חיוביים רבים של נתרן במבנה ענק ומסודר (גביש).
(בספר איור - היעזר במנחה)
- אטומים של מתכות נוטים לאבד אלקטרונים ולהפוך ליונים חיוביים.
- אטומים של אל-מתכות נוטים לקבל אלקטרונים ולהפוך ליונים שליליים.
- בין מתכות לאל-מתכות מתקיים קשר יוני.
- קשר יוני הוא משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים.
*24*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט''ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו לנושא מבנה החומר, ובחרו בפעילות הקשר הכימי.
בפעילות זו תוכלו ליצור קשר כימי בין מתכות שונות לבין אל-מתכת (כלור) ולקבל תרכובת יונית.
בחרו בלשונית קשר יוני ופעלו בהתאם להנחיות. שימו לב שבתצוגת האטומים מוצגים רק האלקטרונים החיצוניים ביותר באטום.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
1. השלימו את המשפטים הבאים בעזרת מחסן המילים (אין צורך להשתמש בכל המילים שבמחסן).
בקשר יוני, אטום מתכת ש-- אלקטרונים והפך ליון -- נקשר לאטום של אל-מתכת ש-- אלקטרונים והפך ליון --. שני היונים קשורים זה לזה בכוחות משיכה --.
מחסן מילים: איבד, מגנטיים, קיבל, ניטרלי, חשמליים, שיתף, חיובי, שלילי
2. מה משותף לתרכובות היוניות נתרן כלוח ומגנזיום כלורי?
3. תארו במילים את המידע הקיים בנוסחה הכימית של מגנזיום כלורי - MgCl2.
*25*
הקשר השיתופי נוצר בין אטומים של אל-מתכות במולקולות של יסודות, לדוגמה: מימן (H2) וכלור (Cl2), או של תרכובות מולקולריות, לדוגמה: מים (H2O), פחמן דו-חמצני (CO2), גלוקוז (C6H12O6) ועוד.
כיצד נוצר הקשר השיתופי בין האטומים?
נבדוק את הקשר השיתופי הנוצר בין שני אטומי מימן במולקולת מימן.
(בספר שלושה איורים - היעזר במנחה)
- מולקולה של חמצן
- מולקולה של פחמן דו-חמצני
- מולקולה של גלוקוז
שני אטומי מימן מתקרבים זה לזה. כל אטום מימן בנוי מגרעין זעיר בעל מטען חיובי ומ"ענן אלקטרונים" שבו נמצא אלקטרון אחד בעל מטען שלילי.
(בספר איור - היעזר במנחה)
אטום מימן (H)
כאשר שני אטומי המימן מתקרבים זה לזה פועלים ביניהם גם כוחות דחייה וגם כוחות משיכה חשמליים:
- כוחות דחייה חשמליים פועלים בין האלקטרון באטום אחד ובין האלקטרון באטום האחר, בין הגרעין באטום אחד ובין הגרעין באטום האחר.
(בספר איור - היעזר במנחה)
כוחות דחייה חשמליים בין שני אטומי מימן
*26*
- כוחות משיכה חשמליים פועלים בין האלקטרון באטום אחד לבין הגרעין של האטום האחר.
(בספר איור - היעזר במנחה)
כוחות משיכה חשמליים בין האלקטרונים לבין הגרעינים של שני אטומי מימן
הקשר השיתופי (קשר שיתופי - קשר כימי בין אטומים המבוסס על שיתוף של אלקטרונים. קשר שיתופי אחד הוא שיתוף של שני אלקטרונים בין שני אטומים) נוצר כתוצאה מכוחות המשיכה הקיימים בין האלקטרון של אטום אחד לבין הגרעין של האטום האחר. כאשר הקשר השיתופי נוצר, שני אטומי המימן "משתפים" ביניהם את שני האלקטרונים. כל אטום מימן "תורם" אלקטרון אחד לקשר, ונוצרת מולקולת מימן שבה לכל אטום מימן יש שני אלקטרונים – האחד "שלו" והשני "של" האטום האחר.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
1. מולקולה של מימן
2. קשר שיתופי במולקולה של מימן (H2)
בשפת הכימיה נהוג לסמל קשר כימי אחד על ידי קו שנמתח בין סימולי האטומים השונים. כל קו מסמל זוג אחד של אלקטרונים (שני אלקטרונים) משותפים. אם כך, את מולקולת המימן אפשר לסמל בצורה הזו: H-H.
- הקשר השיתופי נוצר בין אטומים של אל-מתכות.
- בקשר שיתופי אחד, שני אטומים משתפים ביניהם שני אלקטרונים. כל אטום "תורם" לקשר אלקטרון אחד.
- הקשר השיתופי נוצר כתוצאה מכוחות משיכה חשמליים הקיימים בין אלקטרון של אטום אחד לבין גרעין של האטום האחר.
*27*
לאטום המימן יש אלקטרון בודד, שמשתתף בקשר כימי עם יסודות אחרים.
באטומים גדולים יותר, שלהם 3 אלקטרונים ויותר, לא כל האלקטרונים נמצאים באותו מרחק מן הגרעין ולא כולם משתתפים בקשר כימי.
לדוגמה, לפלואור (F) יש 9 אלקטרונים. 2 מן האלקטרונים פנימיים יותר - הם נמצאים רוב הזמן קרוב יותר לגרעין, ו-7 מהם הם אלקטרונים חיצוניים יותר - הם נמצאים רוב הזמן באזור המרוחק יותר מן הגרעין. האלקטרונים החיצוניים הם אלה היכולים להשתתף בקשרים כימיים עם אטומים אחרים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
לאטום פלואור F)) יש 7 אלקטרונים חיצוניים
כאשר אטום פלואור אחד יוצר קשר שיתופי עם אטום פלואור אחר הם משתפים ביניהם שני אלקטרונים חיצוניים, כאשר כל אחד מן האטומים "תורם" אלקטרון חיצוני אחד לקשר. כך נוצרת מולקולה של היסוד פלואור (F2).
בתרשים שלפניכם מוצג תהליך יצירת קשר שיתופי במולקולה של פלואור. שימו לב שרק האלקטרונים החיצוניים מוצגים באטומים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
F פלוס F - F-F
קשר שיתופי במולקולה של היסוד פלואור (F2). כל אחד מאטומי הפלואור במולקולה "תורם'' לקשר אלקטרון חיצוני אחד
*28*
דוגמה נוספת - לאטום הפחמן יש 6 אלקטרונים, מתוכם 2 אלקטרונים פנימיים יותר ו-4 אלקטרונים חיצוניים. באיור הבא מוצגים רק האלקטרונים החיצוניים של הפחמן.
אטום פחמן יכול ליצור 4 קשרים שיתופיים, למשל עם 4 אטומים של מימן, שבהם הוא משתף אלקטרון חיצוני אחד עם כל אטום מימן.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
1. באטום הפחמן (C) יש 4אלקטרונים חיצוניים
2. היווצרות קשר שיתופי במולקולה של מתאן (CH4). הפחמן קשור ל-4 אטומים של מימן. אטום הפחמן "תורם" לכל קשר עם אטום מימן אלקטרון חיצוני אחד, וכל אחד מ-4 אטומי המימן "תורם" לקשר אלקטרון אחד
- האלקטרונים החיצוניים באטום הם האלקטרונים שנמצאים רוב הזמן באזור המרוחק ביותר מן הגרעין.
- האלקטרונים החיצוניים יכולים להשתתף בקשרים כימיים.
אטום של מימן יוצר קשר יחיד, כלומר הוא "תורם" אלקטרון אחד לקשר שיתופי שבו משתתפים שני אלקטרונים - שלו ושל האטום האחד המשתתף בקשר. בדומה למימן, גם אטום הפלואור יוצר קשר יחיד, אך קיימים גם אטומים שיוצרים יותר קשרים:
אטומים של חמצן יכולים ליצור שני קשרים, אטומים של חנקן יכולים ליצור שלושה קשרים, אטומים של פחמן יכולים ליצור ארבעה קשרים, ואילו אטומים של הליום או של ניאון אינם יוצרים בדרך כלל קשר.
היכולת של יסוד ליצור מספר מסוים של קשרים נקראת יכולת הקישור של היסוד.
שם היסוד, סימול היסוד, יכולת הקישור |
מימן, H, 1 |
פחמן, C, 4 |
חנקן, N, 3 |
חמצן, 0, 2 |
פלואור, F, 1 |
צורן, Si, 4 |
כלור, Cl, 1 |
ברום, Br, 1 |
*29*
B
1. מולקולת חמצן מורכבת משני אטומי חמצן. כמה קשרים יהיו לדעתכם בין האטומים? נמקו.
2. לפניכם מודלים תלת-ממדיים של מולקולת אמוניה (NH3), של מולקולת מתאן (CH4) ושל מולקולת מים (H2O). בדקו בכמה קשרים משתתף כל אחד מן היסודות במולקולות, והסבירו את הרכב המולקולה בעזרת יכולת הקישור של היסודות המשתתפים בה.
(בספר שלושה מודלים - היעזר במנחה)
NH3, CH4, H2O
3. אילו מן התרכובות הבאות אפשריות? הסבירו.
(בספר ארבעה מודלים ומקרא - היעזר במנחה)
מה מסביר את יכולת הקישור השונה של יסודות שונים?
לגזים אצילים (חוץ מלהליום) יש 8 אלקטרונים חיצוניים. זהו מצב יציב מאוד מבחינה כימית.
אטומים מסוימים כמו פלואור, חמצן, חנקן ופחמן יוצרים קשרים כימיים כך שהם "משלימים" את מספר האלקטרונים החיצוניים שלהם ל-8, כמו בגז האציל ניאון. (נטייה זו נקראת "כלל האוקטט"; אוקטט שווה שמינייה.) לדוגמה: הפלואור, שלו 7 אלקטרונים חיצוניים, יוצר קשר אחד ו"משלים" את מספר האלקטרונים החיצוניים שלו ל-8.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
- לאטום ניאון יש 8 אלקטרונים חיצוניים. זהו מצב יציב מאוד
- כאשר אטום פלואור יוצר קשר יחיד (למשל עם אטום פלואור אחר) הוא "משלים'' את מספר האלקטרונים החיצוניים שלו ל-8, כמו בניאון
- יכולת קישור של יסוד היא מספר הקשרים הכימיים שהיסוד יכול ליצור.
- אטומים מסוימים, כמו פחמן, חנקן, חמצן ופלואור, יוצרים קשרים כימיים כך שהם "משלימים" את מספר האלקטרונים החיצוניים שלהם ל-8.
*30*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו לנושא מבנה החומר, ובחרו בפעילות הקשר הכימי.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
בפעילות זו תוכלו ליצור מולקולות שבהן יש קשר שיתופי בין אל-מתכות שונות לבין אטום מימן.
בחרו בלשונית קשר שיתופי, ופעלו בהתאם להנחיות. שימו לב שבתצוגת האטומים מוצגים רק האלקטרונים החיצוניים ביותר באטום.
1. לכמה אטומי מימן נקשר כל אחד מהיסודות שבחרתם? הסבירו מדוע.
2. השוו בין מספר האלקטרונים החיצוניים של אטום הפלואור ואטום הכלור. כיצד אפשר להסביר את יכולת הקישור הדומה שלהם?
*31*
לחצו על הכפתור אלקטרוני ערכיות שבתחתית המסך. מספר האלקטרונים החיצוניים (אלקטרוני הערכיות) של היסודות הנמצאים בטורים 8-1 יוצג בצדו הימני העליון של סימול היסוד.
(בספר איור - היעזר במנחה)
שם היסוד, סימול היסוד, מספר האלקטרונים החיצוניים, מספר הטור |
מימן, --, --, -- |
--, Ar, --, -- |
--, N, --, -- |
מגנזיום, --, --, -- |
--, F, --, -- |
--, Li, --, -- |
חמצן, --, --, -- |
צורן, --, --, -- |
2. הביאו דוגמה לשני יסודות, שלהם אותו מספר אלקטרונים חיצוניים כמו לליתיום (חוץ מהמימן). |
מה המשותף ליסודות אלה?
3. הביאו דוגמה לשני יסודות, שלהם אותו מספר אלקטרונים חיצוניים כמו לפלואור. מה המשותף ליסודות אלה?
*32*
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
ראינו כי ביסודות מסוימים מספר האלקטרונים החיצוניים קובע את מספר הקשרים שהאטום יכול ליצור, כלומר את יכולת הקישור שלו. לדוגמה, ליסודות השייכים למשפחת ההלוגנים יש 7 אלקטרונים חיצוניים. ליסודות אלה יכולת הקישור שווה 1. כלומר, הם יוצרים קשר שיתופי יחיד ו"משלימים" את מספר האלקטרונים החיצוניים שלהם ל-8.
הכרנו את מולקולות המימן, הפלואור והמימן הפלואורי, שבהן קיים קשר יחיד בין האטומים - הם משתפים ביניהם זוג אחד של אלקטרונים (2 אלקטרונים).
קיימות מולקולות שבהן בין שני אטומים קיים יותר מקשר אחד - 2 קשרים (קשר כפול) או 3 קשרים (קשר משולש). מכיוון שקשר יחיד מיוצג על יד קו יחיד בין סימולי האטומים, קשר כפול מיוצג על ידי 2 קווים, וקשר משולש מיוצג על ידי 3 קווים בין סימולי האטומים.
לדוגמה:
- במולקולת החמצן יש קשר כפול בין שני אטומי החמצן, כלומר הם משתפים ביניהם 2 זוגות של אלקטרונים (4 אלקטרונים סך הכול).
- במולקולת החנקן יש קשר משולש בין שני אטומי החנקן, כלומר הם משתפים ביניהם 3 זוגות של אלקטרונים (6 אלקטרונים סך הכול).
(בספר איור - היעזר במנחה)
*33*
הנוסחה הכימית (הנוסחה המולקולרית) מספקת לנו מידע חשוב על ההרכב של המולקולה: אילו אטומים מרכיבים את המולקולה, ומה מספר האטומים מכל סוג במולקולה. לדוגמה, הנוסחה הכימית של הגלוקוז - C6H12O6, מתארת מולקולה שבה 6 אטומי פחמן, 12 אטומי מימן, ו-6 אטומי חמצן.
אבל, הנוסחה הכימית אינה מספקת מידע על המבנה של המולקולה. לשם כך אנחנו נעזרים בייצוגים אחרים. לדוגמה, נוסחת מבנה מציגה את האטומים המרכיבים את המולקולה ואת הקשרים הקיימים ביניהם, ומודל תלת-ממדי מציג את הצורה התלת-ממדית של המולקולה, את האטומים המרכיבים את המולקולה, ולעתים גם את גודלם היחסי ואת הקשרים ביניהם.
(בספר איור - היעזר במנחה)
צורות ייצוג שונות למולקולה של פחמן דו-חמצני
התבוננו בצורות הייצוג השונות של הפחמן הדו-חמצני ורשמו את המידע שאפשר לקבל מהן על המולקולה.
צורת הייצוג, אילו אטומים יש במולקולה, מה מספר האטומים מכל סוג?, כיצד האטומים קשורים זה לזה?, מהו המבנה המרחבי של המולקולה? |
נוסחה כימית, --, --, --, -- |
נוסחת מבנה, --, --, --, -- |
מודל תלת-ממדי, --, --, -- |
*34*
כשאנחנו עומדים בסמוך ללהבת גז הבישול, אנחנו חשים בחום הנפלט ממנה. הסיבה לכך היא שהתהליך הכימי של בעירת גז הבישול עם החמצן הוא תהליך פולט אנרגיה. קיימים גם תהליכים קולטי אנרגיה שבהם אנרגיה נקלטת מן הסביבה. לדוגמה, בתהליך הפוטוסינתזה בתאי הצמחים הירוקים נוצר סוכר (גלוקוז) מפחמן דו-חמצני וממים. התהליך הזה הוא תהליך קולט אנרגיה, שמקורה באנרגיית אור המגיעה מן השמש.
מדוע תהליכים מסוימים פולטים אנרגיה ותהליכים אחרים קולטים אנרגיה?
כאשר מתרחש תהליך כימי, קשרים כימיים מתפרקים במגיבים, וקשרים כימיים חדשים נוצרים בתוצרים.
כדי לפרק קשר כימי צריך להשקיע אנרגיה. לעומת זאת, כאשר קשר כימי נוצר - אנרגיה נפלטת לסביבה.
לדוגמה, נתבונן בתגובה הכימית שבה גז מתאן (אחד ממרכיבי גז הבישול) בוער עם חמצן ונוצרים פחמן דו-חמצני ומים.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- בתהליך הפוטוסינתזה נקלטת אנרגיה שמקורה בשמש
- בעירה של גז בישול פולטת אנרגיה בצורת חום ואור
(בספר שלושה איורים - היעזר במנחה)
CH4 פלוס CO2 - 2O2 פלוס 2H2O
מתאן פלוס חמצן - פחמן דו-חמצני פלוס מים
בתגובה זו מתרחשים גם תהליכים של פירוק קשרים וגם תהליכים של יצירת קשרים.
שלב א: תהליך קולט אנרגיה - פירוק קשרים במגיבים
שלב ב: תהליך פולט אנרגיה - יצירת קשרים בתוצרים
*35*
איך מחשבים את סך כל השינוי באנרגיה בתהליך הכימי? - על פי ההפרש בין האנרגיה שנפלטה תוך כדי יצירת הקשרים לבין האנרגיה שנדרשה לפירוק הקשרים.
אם האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים גדולה מהאנרגיה הנקלטת שנדרשה לפירוק הקשרים - התהליך הוא פולט אנרגיה.
אם האנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים קטנה מהאנרגיה הנקלטת שנדרשה לפירוק הקשרים - התהליך הוא קולט אנרגיה.
בתהליך הבעירה של המתאן, האנרגיה שנפלטה כאשר הקשרים החדשים נוצרו גדולה מהאנרגיה שנקלטה כאשר הקשרים במגיבים התפרקו. לכן התהליך הזה הוא תהליך פולט אנרגיה. את האנרגיה הנפלטת אנו יכולים לחוש כאור וכחום של הלהבה.
- בפירוק קשר כימי אנרגיה נקלטת, ביצירת קשר כימי אנרגיה נפלטת.
- אם האנרגיה שנפלטה ביצירת הקשרים גדולה מהאנרגיה שנקלטה בפירוק הקשרים, התהליך הכימי הוא תהליך פולט אנרגיה.
- אם האנרגיה שנפלטה ביצירת הקשרים קטנה מהאנרגיה שנקלטה בפירוק הקשרים, התהליך הכימי הוא תהליך קולט אנרגיה.
1. אילו מן ההיגדים הבאים נכונים?
א. בכל תהליך כימי יש גם פירוק וגם יצירה של קשרים כימיים.
ב. אנרגיה נפלטת בפירוק של קשרים.
ג. כדי לנתק אטומים זה מזה בתוך מולקולות יש להשקיע אנרגיה.
ד. כאשר נוצר קשר כימי בין אטומים נפלטת אנרגיה.
ה. כדי ליצור קשר כימי צריך להשקיע אנרגיה.
2. תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך קולט אנרגיה. לפניכם הניסוח הכימי של התהליך.
6CO2 פלוס 6H2O - C6H12O6 פלוס 6O2
חמצן פלוס סוכר (גלוקוז) - מים פלוס פחמן דו-חמצני
איזה משפט מבין המשפטים הבאים הוא משפט נכון?
א. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים במולקולות הפחמן הדו-חמצני והמים קטנה מהאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים במולקולות הסוכר והחמצן.
ב. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים במולקולות הפחמן הדו-חמצני והמים גדולה מהאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים במולקולות הסוכר והחמצן.
ג. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים במולקולות הפחמן הדו-חמצני והמים שווה לאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים במולקולות הסוכר והחמצן.
ד. האנרגיה הנפלטת בפירוק הקשרים במולקולות הפחמן הדו-חמצני והמים קטנה מהאנרגיה הנקלטת ביצירת הקשרים במולקולות הסוכר והחמצן.
*36*
מטרת הפעילות: הבנה של תהליכים פולטי אנרגיה וקולטי אנרגיה דרך שימוש במודל של מגנטים.
ציוד: שני מגנטים
הניחו מגנט אחד על השולחן וקרבו אליו את המגנט האחר כאשר הקטבים המנוגדים שלהם פונים זה לזה (וכוחות משיכה פועלים ביניהם).
במרחק מסוים המגנטים ייצמדו זה לזה. שימו לב: האם אתם צריכים להפעיל כוח כדי שהמגנטים ייצמדו זה לזה? מה מחזיק את המגנטים יחד כך שהם אינם נפרדים מעצמם?
כעת נסו להפריד בין המגנטים הצמודים. שימו לב: האם אתם צריכים להפעיל כוח כדי שהמגנטים ייפרדו זה מזה?
1. השלימו: התהליך שבו המגנטים נמשכים זה לזה דומה לתהליך של -- (יצירת קשר/ פירוק קשר) שבו אנרגיה (נפלטת/ נקלטת).
2. השלימו: התהליך שבו המגנטים מופרדים זה מזה דומה לתהליך של -- (יצירת קשר/ פירוק קשר) שבו אנרגיה (נפלטת/ נקלטת).
3. השוו בין המודל שבו השתמשתם בפעילות הזאת לבין תהליכים של יצירת קשר כימי ושל פירוק קשר כימי.
4. האם השימוש במודל של המגנטים סייע לכם להבין את הנושא של שינויי אנרגיה בפירוק וביצירה של קשרים כימיים? אם כן, כיצד?
5. הציעו מודל נוסף שלדעתכם עשוי לסייע בהבנת הנושא.
*37*
מטרת ההדגמה והניסויים: היכרות עם תהליכים פולטי אנרגיה וקולטי אנרגיה
ציוד וחומרים: ספטולה, מבחנה בנפח 10 מ"ל (מבחנה 1), מבחנה בנפח 30 מ"ל (מבחנה 2), פקק למבחנה 1, פקק למבחנה 2 עם צינורית קשיחה במרכזו, צינור גומי בקוטר התואם את קוטר הצינורית הקשיחה, כן מבחנות, אטב, כוהלייה, קערה גדולה מלאה במי ברז, אשלגן על-מנגנטי.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! יש להקפיד על כללי הבטיחות בעת חימום חומרים במבחנה, כמתואר בעמוד הבא ובמבוא לספר זה. יש לבצע את הניסוי בחדר מאוורר
א. ממלאים את מבחנה 1 באשלגן על-מנגנטי עד כרבע מגובה המבחנה. מחברים למבחנה את הפקק עם הצינורית.
ב. ממלאים את מבחנה 2 במים והופכים אותה אל תוך קערת מים (כפי שמתואר באיור) באופן שהמים לא יצאו ממנה. מכניסים את קצה הצינורית אל תוך מבחנה 2 כשהיא מוחזקת הפוכה בתוך קערת המים.
ג. מסירים את הכפפות, אוחזים במבחנה 1 בעזרת אטב עץ ומחממים בזהירות את האשלגן העל-מנגנטי.
ד. ממשיכים לחמם עד שמבחנה 2 מתרוקנת ממים וסוגרים היטב את המבחנה באמצעות הפקק.
ה. בוחנים את החומר שנמצא במבחנה 2 בעזרת קיסם עומם.
א. רשמו את תצפיותיכם בפירוט.
ב. איזה חומר נפלט למבחנה 2? כיצד אתם יודעים זאת?
ג. האם היה צורך לחמם כל הזמן כדי שהתהליך יתרחש?
1. השלימו את ניסוח התגובה של פירוק האשלגן העל-מנגנטי:
2KMnO4 - - K2MnO4פלוס MnO2 פלוס --
אשלגן על-מגנטי -- אשלגן מגנטי פלוס מנגן חמצני פלוס --
2. האם בתהליכים הכימיים שהתרחשו בניסוי נפלטה אנרגיה, נקלטה אנרגיה, או שגם נפלטה אנרגיה וגם נקלטה אנרגיה? פרטו.
3. האם התהליך הכימי של פירוק האשלגן העל-מנגנטי הוא קולט אנרגיה או פולט אנרגיה? נמקו.
*38*
כאשר מחממים גלוקוז ללא חמצן, הגלוקוז מתפרק והופך לפחמן ולמים.
C6H12O6 - 6C פלוס 6H2O
גלוקוז - פחמן פלוס מים
כאשר מחממים גלוקוז עם חמצן, הגלוקוז נשרף והופך לפחמן דו-חמצני ולמים.
C6H12O6 פלוס 6O2 - 6H2O פלוס 6CO2
גלוקוז פלוס חמצן - מים פלוס פחמן דו-חמצני
בניסוי הזה נשווה בין שינויי האנרגיה המתרחשים בתגובה כימית של פירוק גלוקוז לבין שינויי האנרגיה בתגובה כימית של שריפת גלוקוז.
ציוד וחומרים: מבחנה סגורה בצמר גפן, כן מבחנות, אטב עץ, ספטולה, כפית שריפה, מבער בונזן, גלוקוז.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! יש להקפיד על כללי הבטיחות בעת חימום חומרים במבחנה, כמתואר בתמונה למטה ובמבוא לספר זה. יש לבצע את הניסוי בחדר מאוורר.
א. הכניסו שתי ספטולות של גלוקוז למבחנה וסגרו אותה בעזרת צמר גפן.
ב. הדליקו את מבער הבונזן, החזיקו את המבחנה באמצעות האטב כמתואר בתמונה, וחממו את הסוכר באטיות תוך ניעור קל של המבחנה. בעת חימום החומרים במבחנה הקפידו על כללי הבטיחות המתוארים במבוא לספר זה.
ג. כעבור זמן מה יופיעו טיפות נוזל שיתעבו על דופנות המבחנה. מהו הנוזל הזה?
ד. המשיכו לחמם את המבחנה עד שיופיע חומר מוצק שחור. כבו את האש והניחו למבחנה להתקרר.
ה. לאחר שהמבחנה התקררה, הסירו ממנה את פקק צמר הגפן והוציאו את החומר השחור מהמבחנה לתוך צלחת. מהו החומר הזה?
א. שימו מעט גלוקוז בכפית שריפה.
ב. הדליקו את מבער הבונזן, החזיקו את כפית השריפה באמצעות האטב וחממו את הסוכר. בשלב הראשון הסוכר ניתך ויש להיזהר מלהיכוות מהנוזל החם. כאשר הסוכר נדלק הרחיקו את כפית השריפה מהאש.
תוצאות: עקבו אחרי המתרחש כאשר מחממים את הסוכר במבחנה או בכפית השריפה וכתבו את תצפיותיכם בפירוט.
בעת חימום חומרים במבחנה יש לאחוז באמצעות אטב בשליש העליון של המבחנה. המבחנה צריכה להיות מוטה בזווית של 45 מעלות, כאשר פתחה אינו מופנה כלפיכם או כלפי אדם אחר.
*39*
1. האם בשתי התגובות התרחשו תהליכים קולטי אנרגיה, תהליכים פולטי אנרגיה, או שני סוגי התהליכים יחד?
2. איזו מהתגובות היא תהליך פולט אנרגיה? איזו מהתגובות היא תהליך קולט אנרגיה? נמקו את תשובתכם.
3. בתאי הגוף של יצורים חיים מתרחש תהליך כימי מורכב הנקרא נשימה תאית, שבו מגלוקוז וחמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים. התהליך הזה מספק ליצורים חיים אנרגיה החיונית לקיומם. כיצד הפעילות שביצעתם מסבירה זאת?
ספורטאים, חיילים ומטיילים משתמשים לעתים קרובות בשקיות חימום. כיצד פועלות השקיות האלה ומה מקור החום הנפלט מהן?
שקיות חימום מכילות חומרים שונים. כאשר מפעילים את השקית, החומרים שבה מגיבים בתהליך כימי פולט אנרגיה, וכתוצאה מכך השקית מתחממת. יש שקיות חימום שפועלות באמצעות הוספה של מים - שקית החימום מכילה חומרים יוניים כמו סידן כלורי (CaCl2) או מגנזיום גפרתי (MgSO4), וכאשר מוסיפים לשקית מים, החומרים נמסים בהם בתהליך פולט אנרגיה (הערה: יש גם תהליכי המסה שהם קולטי אנרגיה).
בשקיות חימום אחרות מתרחש תהליך פולט אנרגיה שבו ברזל מחליד (מגיב עם חמצן). שקית החימום היא שקית בד או נייר שיש בה נקבים זעירים רבים, והיא מכילה תערובת של אבקת ברזל, מלח בישול ונסורת או חול בתוך מים. שקית החימום ארוזה בשקית פלסטית אטומה לאוויר. כאשר מסירים את השקית הפלסטית החיצונית ומנערים בחוזקה את שקית החימום, הברזל מגיב עם החמצן שבאוויר ונוצר ברזל חמצני (חלודה). התהליך הזה הוא תהליך פולט אנרגיה ולכן השקית מתחממת. המים והמלח שבתערובת מאיצים את התהליך.
*40*
1. בשקית חימום הפועלת על המסת סידן כלורי במים מתרחשים התהליכים הבאים:
- פירוק של קשרים כימיים בין מולקולות המים לבין עצמן.
- פירוק של קשרים כימיים בין יוני הסידן והכלור בתרכובת סידן כלורי.
- יצירה של קשרים כימיים חדשים בין מולקולות המים לבין היונים.
מה נכון להגיד על תהליך ההמסה של סידן כלורי?
א. האנרגיה שנפלטת ביצירת הקשרים שווה לאנרגיה שנקלטת בפירוק הקשרים.
ב. האנרגיה שנפלטת ביצירת הקשרים קטנה מהאנרגיה שנקלטת בפירוק הקשרים.
ג. האנרגיה שנקלטת ביצירת הקשרים קטנה מהאנרגיה שנפלטת בפירוק הקשרים.
ד. האנרגיה שנפלטת ביצירת הקשרים גדולה מהאנרגיה שנקלטת בפירוק הקשרים.
2. הסבירו את מנגנון ההפעלה של שקית החימום הפועלת בתהליך של החלדת ברזל. ענו על השאלות הבאות:
א. מדוע יש להסיר את האריזה החיצונית כדי שהשקית תפעל?
ב. מדוע בשקית הפנימית יש נקבים?
ג. לשם מה מנערים את השקית?
ד. מדוע הברזל בשקית הוא בצורה של אבקה?
3. (עבודה קבוצתית) תכננו שקית קירור הפועלת בצורה דומה לשקית החימום. תוכלו להיעזר בדוגמאות לתהליכים קולטי אנרגיה הנמצאות בספר מדעי החומר לכיתה ח או באינטרנט.
א. הציעו באילו חומרים להשתמש.
ב. תארו את התהליך שיתרחש בשקית.
ג. הציעו מנגנון להפעלת השקית.
*41*
עד כה הכרנו תהליכים כימיים שבהם נוצרים ומתפרקים קשרים בין אטומים. תהליכים אלה יכולים לקלוט אנרגיה מן הסביבה או לפלוט אנרגיה אל הסביבה.
קיימים גם תהליכים גרעיניים. אלה הם תהליכים שבהם גרעין האטום משתנה, ולמעשה האטום הופך לאטום של יסוד אחר. כמות האנרגיה הנפלטת בתהליכים אלה גדולה בהרבה מזו הנפלטת בתהליכים כימיים, ולכן אנרגיה גרעינית, שמקורה בתהליכים גרעיניים, משמשת מקור אנרגיה חשוב.
כדי להבין את התהליכים הגרעיניים, חשוב להבין כיצד בנוי הגרעין של אטומים שונים.
גרעין האטום מכיל פרוטונים ונויטרונים שמסתם דומה, ובו מרוכזת מרבית המסה של האטום. המספר האטומי של האטום הוא מספר הפרוטונים. מספר המסה של האטום הוא סכום מספר הפרוטונים ומספר הנויטרונים שבגרעין, והוא קובע את מסת האטום - המסה האטומית.
(בספר איור - היעזר במנחה)
גרעין האטום מכיל פרוטונים ונויטרונים
היסוד, מספר פרוטונים, מספר נויטרונים, מספר מסה |
מימן, 1, 0, 1 |
חנקן, 7, 7, 14 |
הליום, 2, 2, 4 |
נתרן, 11, 12, 23 |
בייצוג כימי של יסוד מקובל לרשום מצדו השמאלי העליון של סימול היסוד את מספר המסה, ומצדו השמאלי התחתון את המספר האטומי. לדוגמה, היסוד פחמן יוצג בצורה הבאה: |
(בספר רישום - היעזר במנחה)
C 12 - מספר מסה, 6 - מספר אטומי
*42*
1. כמה פרוטונים וכמה נויטרונים יש ליסוד פחמן? הסבירו.
היסוד, מספר אטומי, מספר פרוטונים, מספר נויטרונים, מספר מסה |
חמצן, 8, --, --, 16 |
ברזל, --, --, 30, -- |
--, 20, --, --, 40 |
אלומיניום, --, 13, 14, -- |
--, 9, --, --, 19 |
אל הרשת
התנסו בבניית אטומים ויונים בפעילות. בחרו אטום או יון והגדירו לו את המספר המתאים של פרוטונים, נויטרונים ואלקטרונים.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*43*
לדוגמה, הדאוטריום, הידוע גם בכינוי "מימן כבד", הוא איזוטופ של מימן. למימן יש פרוטון אחד (אין לו נויטרון), ואילו לדאוטריום יש פרוטון אחד ונויטרון אחד. מים המכילים אטומים של דאוטריום במקום אטומים של מימן נקראים "מים כבדים", ומשתמשים בהם בכורים גרעיניים.
איזוטופ נוסף של מימן הוא הטריטיום, שלו פרוטון אחד ושני נויטרונים. הטריטיום משמש לייצור פצצות גרעין.
באיור שלפניכם מיוצגים שלושת האיזוטופים השונים של המימן והייצוגים הכימיים שלהם.
(בספר איור - היעזר במנחה)
טריטיום, דאוטריום, מימן
גם לפחמן יש שלושה איזוטופים טבעיים בעלי מספרי מסה שונים: 13,12, או 14, והם מכונים בקיצור: פחמן 12, פחמן 13 או פחמן 14. פחמן 12 הוא השכיח ביותר בטבע (כמעט 99 אחוז מהפחמן בטבע), פחמן 13 מהווה כ-1 אחוז מהפחמן בטבע, ופחמן 14 הוא נדיר ביותר ונמצא בכמויות זעירות מאוד.
*44*
1. מה מספר המסה של דאוטריום?
2. מדוע הדאוטריום מכונה "מימן כבד"?
4. כמה נויטרונים יש בגרעין של פחמן 14?
5. לפניכם איורים המתארים את הרכב הגרעין באטומים שונים. העיגולים האדומים ממחישים את הפרוטונים, והעיגולים הירוקים ממחישים את הנויטרונים.
אילו מבין האטומים הם איזוטופים זה של זה? ציינו גם את שם היסוד.
(בספר איורים - היעזר במנחה)
יש איזוטופים שהגרעין שלהם אינו יציב ונוטה להתפרק באופן ספונטני (טבעי). התהליך הזה נקרא התפרקות רדיואקטיבית (התפרקות רדיואקטיבית - תהליך גרעיני שבו גרעין האטום מתפרק באופן ספונטני והופך לאטום של יסוד אחר. בהתפרקות רדיואקטיבית נפלטת קרינה מסוגים שונים.). המסה הכוללת של כל תוצרי ההתפרקות הזו נמוכה מהמסה של הגרעינים שהתפרקו. המסה "החסרה" הפכה לאנרגיה. בתהליך הזה נפלטת אנרגיה רבה. בהתפרקות רדיואקטיבית משתנה ההרכב של הגרעין, והאטום הופך לאטום של יסוד אחר.
התפרקות רדיואקטיבית פולטת אחד או יותר מסוגי הקרינה (קרינה - אחת הדרכים שבהן אנרגיה עוברת ממקום למקום.) הבאים:
- קרינת אלפא - פליטה של חלקיקי אלפא מן הגרעין. חלקיק אלפא מורכב מ-2 פרוטונים ומ-2 נויטרונים, כלומר זהה בהרכבו לגרעין של אטום ההליום (He). כאשר נפלט חלקיק אלפא מהגרעין במהלך התפרקות רדיואקטיבית, הגרעין מאבד 2 פרוטונים ו-2 נויטרונים, ולכן הוא הופך לאטום אחר שמספרו האטומי קטן ב-2 ומספר המסה שלו קטן ב-4. לדוגמה, כאשר נפלט חלקיק אלפא מאטום של היסוד הרדיואקטיבי רדון 222 (שמספר המסה שלו 222), הוא הופך לאטום של פולוניום 218.
(בספר איור - היעזר במנחה)
התפרקות אלפא - יוצרת אטום שמספרו האטומי קטן ב-2 ומספר המסה שלן קטן ב-4
*45*
- קרינת בטא - פליטה של חלקיקי בטא (אלקטרונים מהירים מאוד) מן הגרעין. בהתפרקות בטא, נויטרון של גרעין לא יציב מתפרק והופך לפרוטון ולחלקיק בטא (אלקטרון). האלקטרון נפלט מהאטום, ובגרעין האטום יש עכשיו נויטרון אחד פחות ופרוטון אחד יותר. לדוגמה, כאשר האיזוטופ הרדיואקטיבי פחמן 14 פולט קרינת בטא, הגרעין מאבד נויטרון אחד ונוסף לו פרוטון אחד, וכך הוא הופך לגרעין של חנקן שמספרו האטומי גדול ב-1.
(בספר איור - היעזר במנחה)
התפרקות בטא - יוצרת אטום שמספרו האטומי גדול ב-1
- קרינת גמא - זוהי קרינה אלקטרומגנטית (קרינה אלקטרומגנטית - לקרינה האלקטרומגנטית שייכים האור הנראה, גלי רדיו, גלי מיקרו, קרינה אינפרה-אדומה, קרינה אולטרה-סגולה, קרני רנטגן וקרינת גמא. כל סוגי הקרינה האלקטרומגנטית נעים במרחב במהירות האור (300,000 ק"מ בשנייה בריק).
בעלת אנרגיה גבוהה מאוד, הנפלטת בדרך כלל יחד עם קרינת אלפא או עם קרינת בטא כתוצאה מהתפרקות רדיואקטיבית. קרינת גמא אינה משנה את גרעין האטום.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בהתפרקות גמא נפלטת קרינה אלקטרו מגנטית וגרעין האטום אינו משתנה
שלושת סוגי הקרינה הרדיואקטיבית נבדלים באנרגיה שלהם וביכולת שלהם לחדור חומרים שונים. ככל שהאנרגיה של הקרינה גדולה יותר, כך החדירות שלה גדולה יותר. התרשים שלפניכם ממחיש את החדירות השונה של סוגי הקרינה השונים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
2. היסוד שנוצר מהתפרקות אלפא של האורניום ממשיך להתפרק ופולט קרינת בטא. אטום של איזה יסוד ייווצר?
3. איזו קרינה היא המסוכנת ביותר לבריאות? הסבירו מדוע.
*46*
בשנת 1896 גילה באקראי המדען הצרפתי הנרי בקרל קרינה לא ידועה שנפלטה מדוגמת חומר שהכילה את היסוד אורניום. הוא ראה שהיסוד פולט את הקרינה באופן ספונטני, בלי שיהיה חשוף קודם למקור אנרגיה. בקרל שיער שמקור הקרינה הוא באטומי האורניום, וקרא לתופעה רדיואקטיביות (יכולת לפלוט קרינה).
בעקבות תגליתו של בקרל, חיפשו חוקרים מה מקור הקרינה הנפלטת מחומרים רדיואקטיביים. זוג חוקרים צעירים בשם פייר ומארי קירי שעבדו עם בקרל, בדקו עשרות חומרים שהכילו יסודות שונים כדי לראות אם הם פולטים קרינה רדיואקטיבית.
בשנת 1903 הוענק פרס נובל בפיזיקה להנרי בקרל ולפייר ומארי קירי על תגליותיהם בנושא הרדיואקטיביות. מארי קירי הצליחה לבודד שני יסודות רדיואקטיביים חדשים: פולוניום (על שם ארץ מולדתה פולין) ורדיום (שפירושו קורן). בשנת 1903 קיבלה מארי קירי פרס נובל בפיזיקה, ובשנת 1911 היא קיבלה פרס נובל בכימיה. היא האישה הראשונה שקיבלה פרס נובל במדע, ועד היום היא האדם היחיד שקיבל שני פרסי נובל במדע.
(בספר איור)
בול מצרפת המנציח את זכרה של מארי קירי ובו נראה יסוד רדיואקטיבי "קורן"
- מספר המסה של האטום הוא סכום מספר הפרוטונים ומספר הנויטרונים שבגרעין, והוא קובע את מסת האטום.
- איזוטופים הם אטומים של יסוד מסוים שיש להם אותו מספר של פרוטונים אך מספר שונה של נויטרונים.
- בתהליכים גרעיניים גרעין האטום משתנה. כמות האנרגיה הנפלטת בתהליכים אלה היא גדולה בהרבה מזו הנפלטת בתהליכים כימיים.
- התפרקות רדיואקטיבית היא תהליך שבו הגרעין של האטום מתפרק באופן ספונטני. קיימים שלושה סוגי התפרקות רדיואקטיבית: התפרקות אלפא שבה נפלטים מהגרעין חלקיקי אלפא המורכבים מ-2 פרוטונים ומ-2 נויטרונים; התפרקות בטא, שבה נפלטים מהגרעין חלקיקי בטא - אלקטרונים מהירים מאוד; התפרקות גמא, שבה נפלטת מהגרעין קרינה אלקטרומגנטית בעלת אנרגיה גבוהה מאוד, בדרך כלל יחד עם קרינת אלפא או עם קרינת בטא.
*47*
לאיזוטופים ולקרינה הנפלטת מאיזוטופים רדיואקטיביים יש שימושים רבים.
1. התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תחקור את אחד השימושים שיש לאיזוטופים. תוכלו לבחור מבין השימושים הבאים:
- תיארוך - קביעת גילם של ממצאים ארכיאולוגיים, של מאובנים ושל סלעים
- גלאי עשן
- טיפול במחלות כגון סרטן (רדיותרפיה)
- מיפוי גוף האדם ואבחון מחלות (רפואה גרעינית)
- שימור מזון, עיקור (סטריליזציה) ציוד רפואי
- עיקור מזיקים בחקלאות לצורך הדברה
- "תיוג" חומרים בעזרת איזוטופים כדי לעקוב אחר מהלכן של תגובות כימיות או אחר תנועת החומרים
- מעקב אחר תנועה ואחר נדידה של עופות ובעלי חיים אחרים
- מציאת סדקים ופגמים בציוד תעשייתי, צינורות ועוד
(בספר איור - היעזר במנחה)
איזוטופים רדיואקטיביים משמשים בגלאי עשן
2. הכינו תוצר שיתופי שיסכם את תוצאות החקר שערכתם. היעזרו בהנחיות הבאות:
א. תארו את מטרת השימוש באיזוטופ.
ב. באילו איזוטופים נהוג להשתמש למטרה זו?
ג. האם האיזוטופים שבהם משתמשים פולטים קרינה רדיואקטיבית? אם כן, איזו קרינה נפלטת?
ד. תארו את אופן השימוש באיזוטופים למטרה זו.
ה. מהם היתרונות ומהם החסרונות בשימוש באיזוטופים בנושא שבחרתם? התייחסו להיבטים בריאותיים, להיבטים סביבתיים ועוד.
3. הציגו את הנושא שבחרתם לפני הכיתה, ודונו בתועלת של השימוש באיזוטופים וביתרונות ובחסרונות של השימוש בהם.
(בספר איור - היעזר במנחה)
קרינת גמא הנפלטת מאיזוטופים רדיואקטיביים משמשת למיפוי גוף האדם
*48*
חומצות ובסיסים הם בין החומרים המוכרים לנו ביותר. חומצות נמצאות בחומץ, בלימון ובפירות הדר אחרים, וחומצת מלח (HCl, מימן כלורי) היא ממרכיבי מיץ הקיבה המסייע בעיכול המזון. בסיסים נמצאים בחומרי ניקוי שונים, כגון בסבונים, בנוזל כביסה ובמסירי שומנים. גם סודה לשתייה, המומסת במים ומשמשת לאפייה, היא בסיס.
(בספר שתי תמונות)
- מיץ לימון הוא חומצה
- סודה לשתייה המומסת במים היא בסיס
לחומצות ולבסיסים יש תכונות אופייניות המבדילות אותם אלה מאלה: לחומצות יש טעם חמצמץ, ולבסיסים יש טעם מר ומרקם חלקלק. חומצות ובסיסים הם חומרים מאכלים ומסוכנים ואסור לגעת בהם, לטעום אותם או להריח אותם, וכאשר הם פוגעים בעור או בעיניים הם עלולים לגרום לפגיעות קשות.
אפשר להבחין בין חומצות ובסיסים בעזרת חומרי בוחן (אינדיקטורים). לדוגמה, חומצה משנה את צבעו של נייר לקמוס מכחול לאדום, ואילו בסיס משנה את צבעו של נייר לקמוס מאדום לכחול.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
- הוספת חומצה לניירות לקמוס
- הוספת בסיס לניירות לקמוס
התכונות החומציות או הבסיסיות של חומרים מתגלות כאשר הם מומסים במים.
- כאשר חומצה מתמוססת במים היא מתפרקת ויוצרת עם מולקולות המים יונים של H3O פלוס, הקרויים יוני הידרוניום. לכן תמיסות חומציות מכילות עודף של יוני הידרוניום.
(בספר איור - היעזר במנחה)
כאשר מימן כלורי (חומצת מלח) מומם במים נוצרת תמיסה המכילה עודף של יוני הידרוניום
*49*
כאשר בסיס מתמוסס במים נוצרים יונים של OH מינוס הנקראים יוני הידרוקסיד. לכן תמיסות בסיסיות מכילות עודף של יוני הידרוקסיד.
(בספר איור - היעזר במנחה)
כאשר בסיס הנתרן (נתרן הידרוקסיד) מומס במים, נוצרת תמיסה המכילה עודף של יוני הידרוקסיד
pH הוא מדד המבטא את מידת פעילותם (חוזקם) של חומצות ובסיסים המומסים במים. סולם ה-pH מחושב על פי ריכוז יוני ההידרוניום (H3O פלוס) בתמיסה מימית, והוא נע בין 0 ל-14. חומרים המומסים במים שאינם חומצות ואינם בסיסים (חומרים ניטרליים) הם בעלי pH שווה 7. חומרים חומציים המומסים במים הם בעלי pH קטן מ-7, וחומרים בסיסיים המומסים במים הם בעלי pH גדול מ-7. ככל שה-pH של החומצה נמוך יותר, כך החומצה חזקה יותר, וככל שה-pH של הבסיס גבוה יותר, כך הוא בסיס חזק יותר.
(בספר איור - היעזר במנחה)
חומרים שאינם חומצות ושאינם בסיסים
חומצה חזקה: קיבה - pH שווה 1
חומץ - pH שווה 3
עגבנייה - pH שווה 4
חומצה חלשה: מים - pH שווה 6.5
pH שווה 7
בסיס חלש
חומר לניקוי חלונות - pH שווה 10
בסיס חזק: חומר לניקוי תנורים - pH שווה 13
נייר pH הוא אינדיקטור מדויק יותר לחומצות ולבסיסים מנייר לקמוס, ובאמצעותו אפשר לקבוע את ה-pH של חומר המומס במים. כאשר טובלים נייר pH שצבעו צהוב בחומר חומצי או בסיסי המומס במים, צבע הנייר משתנה. את הצבע שהתקבל משווים לגלגל הצבעים המצויר על אריזת הנייר, וכך מפענחים איזו רמת pH הוא מסמל.
(בספר איור - היעזר במנחה)
קביעת חומציות או בסיסיות באמצעות נייר pH
*50*
כאשר מערבבים תמיסות מימיות של חומצה ושל בסיס יחד ביחס המתאים, מתרחש תהליך סתירה שבסופו נעלמות התכונות האופייניות של החומצה והבסיס, ומתקבלים מים ותרכובת יונית (מלח).
תהליך הסתירה בין חומצה לבסיס משמש למטרות רבות. לדוגמה, משחת השיניים מכילה חומרים בסיסיים המנטרלים (סותרים) את פעולתן המזיקה של החומצות הנוצרות במהלך התפרקות המזון בפה.
במהלך התגובה, יוני ההידרוניום שמקורם בחומצה מגיבים עם יוני ההידרוקסיד שמקורם בבסיס, ומתקבלות מולקולות מים שהן ניטרליות.
H3O פלוס OH מינוס - 2H2O
אפשר לעקוב אחר תגובת הסתירה אם מטפטפים בהדרגה תמיסה של בסיס לתמיסה של חומצה, או להיפך. בשלב מסוים ריכוז יוני ההידרוניום בתמיסה יהיה שווה לריכוז יוני ההידרוקסיד ותתקבל תמיסה ניטרלית. נקודה זו נקראת נקודת הסתירה, ואפשר להבחין בה בעזרת אינדיקטור מתאים. לדוגמה, האינדיקטור פנול פתלאין הוא שקוף בתמיסה חומצית, אך בתמיסה בסיסית צבעו משתנה לוורוד חזק. כאשר מטפטפים תמיסה בסיסית לתמיסה חומצית המכילה פנול פתלאין, התמיסה נשארת שקופה עד לנקודת הסתירה. מעבר לנקודה זו, כל תוספת של בסיס לתמיסה תגרום לשינוי ה-pH שלה לבסיסי וצבעה ישתנה לוורוד.
(בספר איור - היעזר במנחה)
זיהוי נקודת הסתירה באמצעות אינדיקטור (פנול פתלאין). (א) מטפטפים בסיס לתמיסה המכילה חומצה ואינדיקטור. התמיסה אינה משנה את צבעה; (ב) קרוב לנקודת הסתירה, הוספה של בסיס גורמת להופעה של צבע ורוד חיוור; (ג) בנקודת הסתירה, הוספה של כמות נוספת של בסיס גורמת לשינוי צבע התמיסה כולה לוורוד חזק
*51*
כאשר יסוד מגיב עם חמצן, נוצרת תרכובת הנקראת תחמוצת.
- יסודות אל-מתכתיים יוצרים תחמוצות אל-מתכתיות. לדוגמה, תגובה של גפרית עם חמצן יוצרת גפרית דו-חמצנית (SO2) וגפרית תלת-חמצנית (SO3), שתיהן תחמוצות אל-מתכתיות. תחמוצות אל-מתכתיות המומסות במים יוצרות חומצה. לדוגמה, גפרית תלת-חמצנית המומסת במים יוצרת חומצה גפרתית, חומצה חזקה מאוד התורמת לתופעת הגשם החומצי.
SO3 פלוס H2O - H2SO4
גפרית תלת-חמצנית, מים - חומצה גפרתית
(בספר תמונה)
שריפת חומרי דלק המכילים גפרית פולטת לאוויר את התחמוצת האל-מתכתית גפרית דו-חמצנית
- יסודות מתכתיים יוצרים תחמוצות מתכתיות. לדוגמה, חלודה (ברזל חמצני) היא תחמוצת מתכתית של ברזל וחמצן. תחמוצות מתכתיות המומסות במים יוצרות בסיס. לדוגמה, חלודה המתמוססת במים יוצרת בסיס.
Fe2O3 פלוס 3H2O - 2Fe(OH)3
ברזל חמצני (חלודה), מים - בסיס
(בספר תמונה)
חלודה (ברזל חמצני) היא תחמוצת מתכתית
גשם חומצי מתקבל כאשר מי הגשמים מגיבים עם תחמוצות הגפרית והחנקן שנפלטות משריפת דלקים מאובנים (נפט, פחם וגז), וכך מתקבלות חומצה גפרתית וחומצה חנקתית.
גשם חומצי גורם לשיתוך (קורוזיה) של מתכות ולבליה של אבנים. התוצאה היא פגיעה בבניינים, במכוניות, בגשרים ובפסלים. גשם חומצי פוגע במקורות מים, בצמחייה ובקרקעות. עלייה בחומציות של מקור מים יכולה לפגוע בחלק מבעלי-החיים הרגישים לחומציות, כגון מינים מסוימים של דגים, של רכיכות ושל חרקי מים, ועלולה אף לגרום לתמותה שלהם. כתוצאה מכך נפגעים כל בעלי-החיים הקשורים למערכת האקולוגית (העופות הניזונים מהדגים, הצפרדעים הניזונות מחרקי המים ועוד), ומגוון המינים בסביבה המימית קטן.
הגשם החומצי פוגע בעיקר במקומות שבהם שורר אקלים לח ורב משקעים. באזורים יבשים כמו ישראל היקף התופעה קטן יותר.
על השפעותיו האפשריות של הגשם החומצי על הצמחייה נוכל ללמוד מן הניסוי הבא.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
יער באירופה שנפגע מגשם חומצי
*52*
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
מטרת הניסוי: לבדוק את השפעת חומציות המים על הנביטה של זרעים מסוגים שונים.
ציוד וחומרים: זרעים יבשים של שעועית (לא מושרים במים), זרעי תורמוס, זרעי מלפפון (16 זרעים מכל סוג), 6 צלחות פטרי קטנות עם נייר סופג או צמר גפן, מים מזוקקים, כוס מים שלתוכה עורבבה כפית חומץ, 2 משורות בנפח 10 מ"ל.
א. שימו כפית חומץ בכוס מים (כוס המדידה), ערבבו היטב ובדקו את ה-pH באמצעות נייר pH .pH התערובת מים-חומץ צריך להיות בערך 4 (ה-pH של חומץ מ"בקבוק" 5 אחוז הוא 3). אם ה-pH נמוך מ-4, הוסיפו מספר גרגירי אבקת סודה לשתייה, ערבבו ובדקו שנית.
ב. מדדו את ה-pH של המים.
ג. סמנו את 6 צלחות הפטרי:
1 - שעועית/ מים
2 - שעועית/ חומץ
3 - תורמוס/ מים
4 - תורמוס/ חומץ
5 - מלפפון/ מים
6 - מלפפון/ חומץ
ד. מזגו לכל צלחת פטרי 5 מ"ל מהמים או מהתמיסה החומצית, בהתאם לסימון המופיע עליה.
ה. הניחו על כל צלחת פטרי 8 זרעים, בהתאם לסימון המופיע עליה.
ו. בדקו את מספר הנבטים כעבור יומיים, כעבור ארבעה ימים וכעבור שבוע.
שימו לב שזרע נובט כאשר השורשון מופיע. רשמו תצפיות רבות ככל האפשר.
ז. חשבו את אחוז הנביטה של הזרעים בכל אחת מן הצלחות באופן הבא:
(היעזר במנחה)
אחוז נביטה שווה מספר זרעים חלקי (מספר נבטים כפול 100)
ב. תארו את התוצאות במילים - מהם אחוזי הנביטה בצלחות השונות? היכן אחוזי הנביטה דומים, היכן הם שונים?
סיכום ומסקנות:
1. ציינו את הגורם המשפיע ואת הגורם המושפע בניסוי.
2. הסיקו מסקנה מן התוצאות: האם חומציות המים השפיעה על אחוז הנביטה של זרעים שונים?
3. נסחו שאלת חקר נוספת שעליה התוצאות עונות.
*53*
4. מדוע חשוב לשים בכל צלחת ניסוי זרעים אחדים ולא זרע יחיד?
5. בבית ספר מסוים ביצעו התלמידים את הניסוי הזה באופן דומה, אך השתמשו רק ב-4 צלחות כמפורט להלן:
1- שעועית/ מים
2 - תורמוס/ חומץ
3 - מלפפון/ מים
4 - עגבנייה/ חומץ
האם התלמידים יכולים להסיק מסקנות מתוצאות הניסוי על השפעת החומציות על הנביטה? הסבירו מדוע.
- תמיסות חומציות מכילות עודף של יוני הידרוניום (H3O פלוס).
- תמיסות בסיסיות מכילות עודף של יוני הידרוקסיד (OH פלוס).
- תחמוצות אל-מתכתיות המומסות במים יוצרות חומצה.
- תחמוצות מתכתיות המומסות במים יוצרות בסיס.
- בתהליך הסתירה בין חומצה לבסיס, יוני הידרוקסיד מגיבים עם יוני הידרוניום ונוצרות מולקולות של מים.
- אפשר לעקוב אחר תהליך הסתירה ולהבחין בנקודת סיום הסתירה בעזרת אינדיקטורים מתאימים.
1. לפניכם משפטים המתארים תכונות האופייניות לחומצות ולבסיסים. העתיקו את המשפטים למחברתכם והשלימו בכל משפט את המילה המתאימה: חומצה או בסיס.
א. ל-- יש טעם חמוץ.
ב. תמיסה של -- מכילה עודף של יוני הידרוקסיד.
ג. תחמוצת אל-מתכתית שמומסת במים יוצרת --.
ד. תמיסה של -- מכילה עודף של יוני הידרוניום.
ה. כאשר מטפטפים טיפה של -- על נייר לקמוס אדום משתנה צבעו לכחול.
ו. תחמוצת מתכתית שמומסת במים יוצרת --.
ז. ל-- יש pH קטן מ-7.
ח. ל-- יש מרקם חלקלק.
2. לפניכם רשימת תרכובות. אילו מהן הן תחמוצות אל-מתכתיות?
CH4, CO2, NO2 ,CCl4 ,Ag2O ,Fe2O3,SO3,SiO2
3. אילו מהחומרים הבאים ייצרו חומצה כאשר יתמוססו במים? אילו חומרים ייצרו בסיס בתמיסה מימית? הסבירו מדוע.
Na2O ,SO2 ,MgO ,CO2
4. העלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר מביאה גם לעלייה בחומציות של מי האוקיינוסים שהפחמן הדו-חמצני מומס בהם. הסבירו מדוע.
*54*
- קשר יוני הוא משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים.
- בין יונים של מתכות ויונים של אל-מתכות נוצר קשר יוני.
- קשר שיתופי נוצר בין אטומים של אל-מתכות כתוצאה מכוחות משיכה חשמליים בין אלקטרון באטום אחד לבין הגרעין באטום האחר.
- בקשר שיתופי אחד שני אטומים משתפים ביניהם שני אלקטרונים. כל אטום "תורם" לקשר אלקטרון אחד.
- האלקטרונים החיצוניים באטום הם האלקטרונים שיכולים להשתתף בקשרים כימיים.
- יכולת קישור של יסוד היא מספר הקשרים הכימיים שהיסוד יכול ליצור.
- אטומים מסוימים, כמו פחמן, חנקן, חמצן ופלואור, יוצרים קשרים כימיים כך שהם "משלימים" את מספר האלקטרונים החיצוניים שלהם ל-8.
- בפירוק קשר כימי אנרגיה נקלטת, ביצירת קשר כימי אנרגיה נפלטת.
- תהליך כימי הוא תהליך פולט אנרגיה, אם האנרגיה שנפלטה ביצירת הקשרים גדולה מהאנרגיה שנקלטה בפירוק הקשרים.
- תהליך כימי הוא תהליך קולט אנרגיה, אם האנרגיה שנפלטה ביצירת הקשרים קטנה מהאנרגיה שנקלטה בפירוק הקשרים.
1. אילו חלקיקים באטום אחראים ליצירת הקשר הכימי בין שני אטומים?
א. הנויטרונים
ב. הפרוטונים
ג. האלקטרונים
ד. היונים
2. מגנזיום יכול ליצור יון שמטענו 2 פלוס. חמצן יכול ליצור יון שמטענו 2 מינוס.
א. איזה קשר ייווצר בין מגנזיום לחמצן?
ב. מה תהיה נוסחת התרכובת שתיווצר?
ג. איזה מן המבנים התלת-ממדיים הבאים מתאר את התרכובת שתיווצר?
(בספר איור - היעזר במנחה)
*55*
3. קשר שיתופי נוצר כאשר (בחרו בהיגד הנכון):
א. שני אטומים מוסרים זה לזה אלקטרונים.
ב. שני אטומים משתפים ביניהם אלקטרונים.
ג. שני אטומים מוסרים זה לזה פרוטונים.
ד. שני אטומים משתפים ביניהם פרוטונים.
4. לפניכם נוסחאות של כמה חומרים:
SiO2 ,CCl4 ,CaCl4 ,Ag2S ,P2O5 ,AlBr3
5. האיורים שלפניכם מתארים את מספר האלקטרונים החיצוניים בפחמן ובכלור.
א. ציירו במחברתכם איור המתאר את הקשרים השיתופיים במולקולה של פחמן ארבע-כלורי . (CCl4)
ב. בכמה קשרים משתתף כל אחד מן היסודות במולקולה? הסבירו את הרכב המולקולה בעזרת יכולת הקישור של היסודות המשתתפים בה.
שם היסוד, סימול היסוד, מספר אטומי, מספר אלקטרונים חיצוניים |
גפרית, S, 16, -- |
רדיום, Ra, 88, -- |
רדון, Rn, 86, -- |
צורן, Si, 14, -- |
יוד, I, 53, -- |
זרחן, P, 15, -- |
ג. שערו: איזה מהמודלים התלת-ממדיים הבאים מתאר את המולקולה שייצור צורן עם מימן? הסבירו מדוע.
(בספר מודלים - היעזר במנחה)
ב. איזו מבין הנוסחאות הבאות תהיה קרוב לוודאי הנוסחה הכימית של התרכובת שייצור היסוד הזה עם מימן: XH3 ,X2H ,XH ,XH2. נמקו את תשובתכם.
*56*
8. תהליך קולט אנרגיה הוא תהליך שבו (בחרו בהיגד הנכון):
א. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים קטנה מהאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים.
ב. האנרגיה הנפלטת בפירוק הקשרים גדולה מהאנרגיה הנקלטת ביצירת הקשרים.
ג. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים גדולה מהאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים.
ד. האנרגיה הנקלטת בפירוק הקשרים שווה לאנרגיה הנפלטת ביצירת הקשרים.
9. ציינו בנוגע לכל אחד מהמשפטים הבאים אם הוא נכון או לא נכון.
א. פירוק של קשר כימי לפעמים פולט אנרגיה ולפעמים קולט אנרגיה.
ב. קשר שיתופי נוצר בזכות כוחות משיכה בין הגרעינים של אטומים שונים.
ג. בין שני אטומים פועלים כוחות משיכה ודחייה חשמליים.
ד. במולקולת פלואור (F2) כל אחד מהאטומים מוסר אלקטרון לאטום האחר.
ה. קשר יוני הוא משיכה חשמלית בין יונים חיוביים ליונים שליליים.
ו. יצירה של קשר כימי היא תהליך שתמיד פולט אנרגיה.
ז. במולקולת מימן פלואורי (HF) כל אחד מהאטומים משתף אלקטרון עם האטום האחר.
ח. אטומים של גזים אצילים יכולים ליצור קשר אחד.
10. איזו מבין התגובות הבאות היא דוגמה לתגובה פולטת אנרגיה?
א. התכת קרח
ב. פוטוסינתזה
ג. אידוי מים
ד. שריפת דלק
11. לפניכם איור המתאר התפרקות רדיואקטיבית של פלוטוניום 240 (שמספר המסה שלו 240).
א. כמה פרוטונים וכמה נויטרונים יש בגרעין של פלוטוניום 240?
12. השלימו את המשפטים הבאים:
חומצה היא חומר המשחרר יונים של -- בתמיסה מימית. בסיס הוא חומר המשחרר יונים של -- בתמיסה מימית. כאשר חומצה ובסיס מגיבים ביניהם מתרחשת תגובה של --, שבה היונים החיוביים של ה-- מגיבים עם היונים השליליים של ה-- ונוצרות מולקולות של --.
*57*
*57*
(בספר תמונה – היעזר במנחה)
מסך גמיש העשוי מגרפן, אחת הצורות של היסוד פחמן.
- תרכובות פחמן מרכיבות את מרבית גופנו ואת גופם של יצורים חיים אחרים, והן חיוניות לקיום.
- לאטום הפחמן תכונות ייחודיות: הוא יכול ליצור 4 קשרים חזקים עם אטומי פחמן אחרים ועם אטומים של יסודות אחרים; הוא יכול להופיע בצורות שונות הנבדלות זו מזו באופן סידור האטומים.
- תכונותיו הייחודיות של אטום הפחמן מאפשרות את המגוון הגדול של תרכובות הפחמן ואת קיומן של מולקולות ענק.
- שרשרת של אטומי פחמן הקשורים זה לזה יוצרת את "השלד הפחמני" של תרכובות פחמן רבות.
- בכל היצורים החיים קיימות תרכובות פחמן אורגניות השייכות לאותן הקבוצות - פחמימות, שומנים וחלבונים.
חומר אורגני
חומר אי-אורגנ
שלד פחמני
פולימר
מונומר
פחמימות - חד-סוכר, דו-סוכר, רב-סוכר
שומנים - חומצות שומן, גליצרול
חלבונים - חומצות אמיניות, מבנה מרחבי
נשימה תאית
קלורימטר
*58*
מה משותף לדברים הבאים: בושם, אבקת כביסה, בקבוק פלסטיק, DNA, ביצה, שמן, גז בישול, פחמן דר-חמצני?
אם נתבונן בהרכב הכימי של כל החומרים והמוצרים האלה, נראה כי כולם מכילים את היסוד פחמן, בתרכובת עם יסודות אחרים.
הפחמן הוא היסוד השישי הנפוץ ביותר על פני כדור-הארץ (הנפוץ ביותר הוא המימן), אך לא אחת מתייחסים אליו כאל "מלך היסודות" בגלל חשיבותו הרבה ליצורים חיים ולאדם.
שמו של היסוד נגזר מהמילה "פחם". ואכן, פחם האבן, שהוא מחצב חיוני לאדם, ופחם העץ, הנוצר משריפה של עצים, מכילים רמות גבוהות של פחמן. כבר בימי קדם היה הפחם מוכר לאדם ושימש לחימום, לאספקת אנרגיה ולרפואה מסורתית. מאוחר יותר השתמשו בפחם לשימושים נוספים, ובהם ייצור פלדה מברזל ומפחמן ולזיקוק סוכר.
בטבע, הפחמן נמצא כיסוד או בתרכובות פחמן במאגרים שונים - באוויר (אטמוספרה), במאגרי המים (הידרוספרה), בקרום כדור-הארץ (גאוספרה) או בגופם של יצורים חיים (ביוספרה) - והוא עובר ממאגר למאגר בתהליכים שונים המרכיבים את מחזור הפחמן בטבע.
הודות לתכונותיו הייחודיות של הפחמן, מספר תרכובות הפחמן בעולם הוא עצום. מיליוני תרכובות שונות של פחמן מרכיבות את הסביבה הטבעית ואת הסביבה המלאכותית. בגופם של יצורים חיים נוצרות ומתפרקות תרכובות שונות של פחמן, ותהליכים אלה מספקים את החומרים ואת האנרגיה הנחוצים לתהליכי החיים השונים.
יכולתם של אטומי הפחמן להיקשר זה לזה וליצור שרשראות ארוכות, מאפשרת את קיומן של מולקולות גדולות כמו החלבונים, הבונים את גופם של יצורים חיים, ושל מולקולות ענק כמו העמילן וכמו הפלסטיק לסוגיו השונים. מדי שבוע בשבוע, כימאים ומהנדסי חומרים יוצרים באופן מלאכותי אלפי תרכובות חדשות של פחמן במעבדות של מכוני מחקר ושל מפעלים.
(בספר שתי תמונות – היעזר במנחה))
- הגורם לטעמו החריף של הפלפל הוא תרכובת פחמן שמגנה עליו מפני אכילה בטרם הבשלה
- הארס של הנחש מורכב בעיקר מחלבונים - סוג של תרכובות פחמן
*59*
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
- מתרכובות פחמן מייצרים צבעים לבדים
- אנטיביוטיקה היא סוג של תרכובת פחמן הנוצרת על ידי מיקרואורגניזמים או במעבדה
- הדמיה של מעלית חלל שתנוע על כבלים העשויים מננו-חומרים המבוססים על פחמן
הענף בכימיה העוסק בכימיה של תרכובות הפחמן נקרא כימיה אורגנית. מדענים העוסקים בענף זה חוקרים את המבנה של תרכובות הפחמן ואת תכונותיהן ויוצרים תרכובות פחמן חדשות. כיום מושקע מאמץ גדול בפיתוח של ננו-חומרים (ננו-חומרים - חומרים שלפחות אחד הממדים שלהם קטן מ-100 ננומטר (ננומטר שווה מיליארדית המטר,10 בחזקת מינוס 9 מטר). המבוססים על פחמן, ובחקר של מגוון השימושים האפשריים בהם. לדוגמה: טיפול ממוקד בתאים סרטניים, ייצור חומרים קלים וחזקים לתעשיית התעופה והחלל, ייצור סוללות חזקות לרכבים חשמליים, תאי שמש (תאים סולריים) המבוססים על פחמן, רכיבים אלקטרוניים המבוססים על פחמן (במקום על צורן) ועוד.
בפרק הזה נכיר את תכונותיו של היסוד פחמן ואת המבנה והתכונות של תרכובות הפחמן. נכיר סוגים שונים של תרכובות פחמן, ונדון בשימושים שלהם בתעשייה ובהשפעות הסביבתיות של תעשייה המבוססת על תרכובות פחמן. נדון גם בתרכובות הפחמן - פחמימות, חלבונים ושומנים - המרכיבות את המזון שלנו ואת גופנו, נתנסה בזיהוי מרכיבי המזון במעבדה, ונבין כיצד גופנו מפיק אנרגיה מתהליכים כימיים שבהם תרכובות אלו מתפרקות בתאים.
*60*
מבין כל היסודות, לפחמן יש תכונות מיוחדות המאפשרות יצירת מגוון עצום של תרכובות החיוניות לחיים.
C6 פחמן - הפחמן היא מרכיב עיקרי בתרכובות הבונות את גופם של יצורים חיים. הפחמן הטהור יכול להופיע בצורות שונות. בטבע הוא מופיע בעיקר בצורת יהלום ובצורת גרפיט.
כל קבוצה תתייחס לאחת מהנקודות הבאות:
- תכונות כימיות של היסוד - מתכת/ אל-מתכת, מספר אטומי, מספר אלקטרונים חיצוניים, יכולת קישור, נקודות היתוך ורתיחה.
- צורות שונות של היסוד.
- תרכובות נפוצות.
- חשיבות היסוד בטבע ושימושיו לאדם.
- חדשנות - שימושים עתידיים ביסוד ובתרכובותיו.
על בסיס המידע שנאסף, כל קבוצה תציע אייקון שייצג את היסוד ותנמק את הצעתה. ערכו דיון בהצעות השונות ובחרו מביניהן אייקון אחד.
*61*
אטום הפחמן יכול ליצור 4 קשרים שיתופיים עם יסודות שונים: גם עם אטומים אחרים של פחמן, וגם עם אטומים של יסודות אחרים, לדוגמה מימן.
(בספר דגם - היעזר במנחה)
דגם תלת-ממדי של מולקולת המתאן (CH4). במולקולה זו הפחמן קשור ב-4 קשרים שיתופיים סימטריים ל-4 אטומים של מימן
אטום הפחמן יכול ליצור קשרים יחידים, קשרים כפולים, או קשרים משולשים עם אטומי פחמן אחרים ועם אטומים של יסודות שונים.
דוגמאות:
(בספר מבנים - היעזר במנחה)
במולקולת המתאן (CH4) הפחמן קשור ב-4 קשרים יחידים ל-4 אטומים של מימן.
במולקולת הפחמן הדו-חמצני הפחמן קשור ב-2 קשרים כפולים ל-2 אטומי חמצן.
במולקולת המימן הציאנידי (רעל חזק) הפחמן קשור בקשר משולש לאטום חנקן, ובקשר יחיד לאטום מימן.
אטום הפחמן יכול להיקשר לאטומי פחמן אחרים, וליצור מבנים בצורת שרשרת ישרה, שרשרת מסועפת או טבעת. המבנים האלה הם השלד הפחמני של תרכובות אורגניות רבות.
(בספר מבנים - היעזר במנחה)
- מבנה של שרשרת ישרה
- למולקולת האוקטאן צורה של שרשרת ישרה
- מבנה של שרשרת מסועפת
- למולקולת האיזואוקטאן מבנה של שרשרת מסועפת
- מבנה של טבעת. הטבעת יכולה להכיל 3 פחמנים ויותר
- למולקולת הבנזן צורה של טבעת
*62*
אטומי פחמן רבים הקשורים זה לזה בשרשרת יכולים ליצור מולקולות ענק. במקרים מסוימים יכולות להיווצר מולקולות ענק שהן פולימרים. (פולימר - (פולי שווה הרבה: מר שווה יחידה) מולקולת ענק הבנויה ממספר רב של יחידות החוזרות על עצמן בסדר קבוע וקשורות זו לזו בקשר שיתופי (קוולנטי).) פולימרים נוצרים כאשר הרבה מולקולות קטנות יותר, הנקראות מונומרים (מונומר - (מונו שווה אחד: מר שווה יחידה) מולקולה הנקשרת למולקולות אחרות באופן מחזורי ויוצרת פולימר.), נקשרות זו לזו בקשר שיתופי (קוולנטי) ובאופן מחזורי, ונוצרת מולקולה ענקית המורכבת מיחידות החוזרות על עצמן ברצף קבוע, בדומה לשרשרת הנוצרת מרצף קבוע של חרוזים. גודלם של הפולימרים יכול לנוע בין עשרות, מאות ואלפים של יחידות חוזרות. חומצות הגרעין כגון ה-DNA, ורב-סוכרים, כגון העמילן והתאית (צלולוז), הם דוגמאות לפולימרים טבעיים המכילים פחמן, שיש להם חשיבות רבה בתהליכי החיים. ניילון ופוליאסטר (המשמש לייצור בדים למשל) הם דוגמאות לפולימרים מלאכותיים (סינתטיים) המכילים פחמן.
(בספר שני תרשימים - היעזר במנחה)
פולימר: פולימר נוצר כאשר הרבה מולקולות (מונומרים) נקשרות זו לזו באופן מחזורי
היחידה החוזרת: מבנה של מולקולת הענק של הפולימר פוליאתילן שממנו עשויות שקיות ניילון
- אטום הפחמן יכול ליצור 4 קשרים שיתופיים עם אטומי פחמן אחרים או עם אטומים של יסודות שונים (קשר בודד, קשר כפול או קשר משולש).
- אטומי פחמן הקשורים זה לזה יכולים ליצור שרשראות באורכים שונים ובצורות שונות. השרשראות הללו הן השלד הפחמני של תרכובות אורגניות רבות.
- היכולת של אטום הפחמן להיקשר לאטומי פחמן אחרים מאפשרת יצירת שרשראות ארוכות מאוד. השרשראות האלה יוצרות את השלד הפחמני של מולקולות ענק.
*63*
מטרת הפעילות: המחשה של המגוון הגדול של תרכובות שאפשר ליצור מן הפחמן.
הציוד: ציוד שמתאים לבניית דגמים: פלסטלינה, קיסמים, קשיות, חרוזים, דגמים מוכנים ועוד.
בנו דגמים שונים של תרכובת הבנויה מ-8 אטומי פחמן וממספר מתאים של אטומי מימן.
תוכלו ליצור שלד פחמני בצורות שונות על פי רצונכם - שרשראות ישרות, שרשראות מסועפות או טבעות. אתם יכולים ליצור קשרים יחידים, כפולים או משולשים.
שימו לב שכל אטום פחמן יהיה קשור ב-4 קשרים, וכל אטום מימן יהיה קשור בקשר אחד.
א. רשמו את הנוסחה המולקולרית של התרכובת שבניתם. זכרו: הנוסחה המולקולרית מכילה את סימולי האטומים המרכיבים את המולקולה ואת מספר האטומים מכל סוג.
ב. כמה דגמים שונים הצליחו ליצור כל תלמידי הכיתה?
ג. מיינו את הדגמים שבניתם על פי מבנה השלד הפחמני:
- מולקולות במבנה של שרשרת ישרה
- מולקולות במבנה של שרשרת מסועפת
- מולקולות במבנה של טבעת
ד. האם יש תרכובות שהנוסחה המולקולרית שלהן זהה אבל המבנה שלהן שונה? הביאו דוגמאות.
ה. הביאו דוגמאות לתרכובות שבהן קיים קשר יחיד, קשר כפול או קשר משולש בין אטומי פחמן.
ו. כיצד פעילות זו מסבירה את הקשר בין תכונות הפחמן לבין המגוון הגדול של תרכובות המתקבלות ממנו?
בנו דגמים של פולימרים המבוססים על פחמן. תוכלו לעשות פעילות זו בקבוצות.
א. החליטו מה תהיה היחידה החוזרת במולקולה. היחידה יכולה להיות בצורה של שרשרת ישרה, של שרשרת מסועפת או בצורה של טבעת.
ב. הרכיבו דגמים רבים של היחידה החוזרת.
ג. הרכיבו את היחידות החוזרות זו לזו כך שיתקבל דגם של פולימר.
ד. הציגו את דגם הפולימר שבניתם בכיתה. התלמידים האחרים בכיתה יכולים להעלות השערות מהי היחידה החוזרת בפולימר שבניתם.
*64*
היסוד פחמן הוא יסוד אל-מתכתי, והוא מופיע בטבע בשתי צורות מסודרות עיקריות: יהלום וגרפיט. שני החומרים האלה מורכבים אך ורק מאטומי פחמן, אך המבנה והתכונות שלהם שונים. הסידור השונה של אטומי הפחמן ביהלום ובגרפיט מסביר את ההבדלים בין תכונותיהם. הפחם, המוכר לנו מפחמי העץ הנשארים במדורה, הוא עוד צורה של פחמן שבה האטומים אינם מסודרים בצורה מוגדרת.
(בספר שני דגמים - היעזר במנחה)
גרפיט
יהלום
ציוד: ציוד לבניית דגמים - פלסטלינה, קיסמים, קשיות, חרוזים, דגמים מוכנים וכדומה.
א. התבוננו באיורים של מבנה הגרפיט ומבנה היהלום והשוו ביניהם:
- לכמה אטומים קשור כל אטום פחמן בגרפיט? לכמה אטומים קשור כל אטום פחמן ביהלום?
- במה שונה המבנה של היהלום מהמבנה של הגרפיט?
ב. בנו דגמים של שני החומרים מן הציוד שברשותכם. בגרפיט הרכיבו שתי שכבות לפחות.
ג. שערו: איזה מן המודלים שבניתם הוא בעל מבנה חזק יותר? בדקו את השערתכם.
ד. הסיקו מסקנה: מה הקשר בין המבנה השונה של הגרפיט ושל היהלום לבין מידת הקשיות השונה שלהם? נמקו.
*65*
המבנה השונה של הגרפיט ושל היהלום מסביר את תכונותיהם השונות:
- היהלום קשה והגרפיט רך. מדוע?
ביהלום כל אטום קשור בקשרים שיתופיים חזקים ל-4 אטומי פחמן אחרים, כך שנוצר מבנה של סריג (גביש). המבנה הזה של היהלום והקשרים החזקים הקיימים בו הם המקנים לו את קשיותו - היהלום הוא החומר הטבעי הקשה בעולם.
בגרפיט המבנה הוא שונה. הגרפיט בנוי משכבות שטוחות של אטומי פחמן הקשורים זה לזה בצורת משושים. השכבות מסודרות זו על גבי זו וביניהן קיימים קשרים חלשים, כך שהן יכולות לזוז ולהחליק זו על גבי זו. המבנה הזה הוא האחראי לכך שהגרפיט הוא חומר רך.
- היהלום אינו מוליך חשמל, ואילו הגרפיט מוליך חשמל. מדוע?
לפחמן יש 4 אלקטרונים חיצוניים.
ביהלום כל אטום פחמן קשור ל-4 אטומים אחרים. כל 4 האלקטרונים החיצוניים של הפחמן משתתפים בקשרים שיתופיים עם אטומים אחרים, ואין אלקטרונים החופשיים לנוע ולהוליך זרם חשמלי.
לעומת זאת, בגרפיט כל אטום פחמן קשור רק ל-3 אטומים אחרים, ולכן רק 3 מתוך 4 האלקטרונים החיצוניים משתתפים בקשרים שיתופיים, ובכל אטום פחמן נותר אלקטרון חיצוני אחד החופשי לנוע בין הפחמנים ולהוליך זרם חשמלי. לכן, על אף שהפחמן הוא אל-מתכת, הוא יכול להוליך חשמל בחלק מהצורות השונות שלו, לדוגמה כגרפיט.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- קצה העיפרון העשוי גרפיט הוא רך
- בחיתוך של חומרים קשים משתמשים בדיסק יהלום העשוי ממתכת ומצופה באבקת יהלום
היהלום מוכר לאדם כבר אלפי שנים, אך עד לפני כ-250 שנים לא ידעו שהחומר היקר הזה הוא למעשה צורה אחרת של אותו היסוד שמרכיב את הפחם ואת הגרפיט. בשנת 1772 הצליח אנטואן לבואזיה להוכיח שהיהלום היקר מורכב רק מפחמן. הוא שרף יהלום עם חמצן, ומצא שהתוצר היחיד מהתהליך הזה הוא פחמן דו-חמצני.
*66*
היסוד פחמן יכול להופיע גם בצורות רבות נוספות. חומרים כאלה, המורכבים מאטומים של אותו היסוד אך במבנה שונה, נקראים אלוטרופים (אלוטרופים - צורות שונות של אותו יסוד, המורכבות מאותם האטומים אך במבנה שונה. לדוגמה, היהלום והגרפיט הם אלוטרופים של היסוד פחמן.) של היסוד. לפחמן כ-40 אלוטרופים ידועים, שמהם הכרנו את הפחם, את היהלום ואת הגרפיט. הפחמן יכול להופיע גם בצורה של פולרנים - אלה הם ננו-חומרים שבהם האטומים מסודרים בצורה של כדור ("כדורי באקי"), בצורת אליפסה או בצורת צינור.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
"כדור באקי'' הבנוי מטבעות מחומשות ומשושות של 60 אטומי פחמן המחוברות ביניהם ויוצרות צורת כדור, צורה זו מוכרת לנו מן הכדורגל
השמות "פולרן" ו"כדור באקי" ניתנו למולקולה C60 כמחווה לאדריכל ולמהנדס ריצ'רד באקמינסטר-פולר, שתכנן את מבנה הכיפה הגיאודזית הבנויה בדיוק כך, והמבנה המרחבי המיוחד שלה מקנה לה יציבות רבה.
(בספר תמונה)
חממות בצורת כיפות גיאודזיות בגנים בוטניים באנגליה
כדורי באקי קיימים בטבע, לדוגמה בפיח, ואף התגלו בחלל. כימאים ומהנדסי חומרים מייצרים במעבדה כדורי באקי בגדלים שונים ובהרכבים שונים, ובודקים את תכונותיהם ואת השימושים האפשריים בהם.
המבנה החלול של כדורי הבאקי מאפשר לכלוא בתוכם אטומים של יסודות שונים או מולקולות קטנות. לאפשרות זו יכולים להיות יישומים רבים, כגון העברת תרופות לתאי הגוף.
(בספר איור - היעזר במנחה)
"כדור באקי" שבתוכו כלואה מולקולה
*67*
פולרנים בעלי צורה של צינור נקראים ננו-צינוריות פחמן. המילה "ננו" מתייחסת לגודלן של מולקולות אלה, שבצורתן דומות לצורה של שיערה, אך הן דקות יותר משיערה פי 50,000. קוטרן של מולקולות אלה הוא ננומטרים ספורים (ננומטר שווה 10 בחזקת מינוס 9 מטר), ואורכן יכול להיות ממיקרומטרים אחדים (מיקרומטר שווה 10 בחזקת מינוס 6 מטר שווה מיליונית המטר) ועד לכמה מילימטרים.
ננו-צינוריות פחמן מיוצרות במעבדה ויש להן תכונות ייחודיות: הן חזקות פי 6 מפלדה, גמישות מאוד ואף ניתנות למתיחה, בעלות מוליכות חשמלית גבוהה מאוד (בדומה לנחושת), מוליכות חום מצוינות, ועמידות לחום, לקרינה ולחומרים מאכלים כגון חומצות. תכונות אלו עושות אותן מתאימות לייצור חומרים קלים וחזקים, לדוגמה עבור אופניים, מכוניות ומטוסים. כמו כן, אפשר לייצר מהן רכיבים אלקטרוניים ויריעות גמישות ומוליכות חשמל, לדוגמה עבור מסכים דקים.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
ננו-צינורית פחמן
הגרפן הוא שכבה אחת של אטומי פחמן הקשורים זה לזה בצורה של משושים, והוא למעשה שכבה בודדת של גרפיט. בדומה לגרפיט, גם בגרפן כל אטום פחמן קשור ל-3 אטומי פחמן אחרים. הגרפן בודד לראשונה מהגרפיט בשנת 2004 על ידי המדענים, זוכי פרס נובל, אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב. לגרפן שילוב תכונות הייחודי לו: הוא שקוף, גמיש, דק מאוד אך חזק מאוד (חזק בערך פי 300 מפלדה), והוא מוליך מצוין של חשמל ושל חום. ננו-צינורית פחמן היא למעשה שכבת גרפן מגולגלת לצורת גליל.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
גרפן
- יהלום, גרפיט, גרפן, פולרן וננו-צינוריות פחמן הם צורות שונות של היסוד פחמן, הנבדלות זו מזו באופן סידור האטומים.
1. רשמו נכון או לא נכון בנוגע לכל אחד מההיגדים הבאים:
א. היהלום משמש לקישוט, ואילו הגרפיט משמש לכתיבה. ההבדל הזה נובע מכך שסוג האטומים הבונים חומרים אלו הוא שונה.
ב. היהלום קשה יותר מהגרפיט. ההבדל הזה נובע מכך שסידור האטומים וצורת הקישור ביניהם שונים בגרפיט וביהלום.
ג. יהלום, גרפיט ופולרן הם איזוטופים שונים של אותו היסוד.
ד. הצורה שבה האטומים מסודרים וקשורים זה לזה בחומר משפיעה על תכונותיו.
2. החוקרים שגילו את הפולרן זכו על כך בפרס נובל לכימיה. חפשו מידע באינטרנט וענו על השאלות הבאות:
א. מתי ניתן הפרס ולמי הוא ניתן?
ב. מה היה ייחודה של התגלית, שבזכותו הוענק פרס נובל?
*68*
3. לפניכם גרף המתאר את הכמות היחסית של חיפושים שבוצעו בגוגל אחרי המושג גרפן. מה אפשר ללמוד מהגרף הזה? באיזו שנה בוצעו רוב החיפושים? חפשו מידע והסבירו: איזו התרחשות מסבירה זאת?
(בספר גרף - היעזר במנחה)
4. חפשו מידע באינטרנט והביאו דוגמה אחת או יותר לשימושים אפשריים בגרפן ובפולרנים (כדורי באקי או ננו-צינוריות פחמן).
סיב פחמן הוא חומר חזק וקל מאוד - הוא חזק פי 5 וקשה פי 2 מפלדה, אך שוקל הרבה פחות ממנה. סיבי פחמן הם סיבים דקים מאוד, המכילים בעיקר אטומי פחמן הקשורים זה לזה במבנה הדומה לגרפיט. כאשר שוזרים אלפי סיבי פחמן יחד, מתקבל חוט חזק שאפשר לארוג לאריג חזק מאוד וקל מאוד. מסיבי פחמן אפשר לייצר משטחים קלים וחזקים גם באמצעות יציקה שלהם עם שרפים או עם פלסטיק.
התכונות הייחודיות של סיבי הפחמן - חוזקם הרב ומשקלם הנמוך - מקנות להם יתרון בייצור מכוניות ואופנועי מרוץ, אופניים, מוצרים לתעשיית התעופה והחלל ועוד. עם זאת, מחירם היקר מגביל את השימוש בהם.
*69*
(בספר תמונה)
המים, הסלעים והאוויר עשויים מחומרים אי-אורגניים. העשב והעצים עשויים מחומרים אורגניים, אך יש בהם גם חומרים אי-אורגניים
מבין כל היסודות הידועים לנו, הפחמן מיוחד ביכולתו ליצור מגוון גדול כל כך של תרכובות המשתתפות בתהליכי החיים השונים. המספר העצום של תרכובות הפחמן נובע מהיכולת של הפחמן ליצור 4 קשרים שיתופיים, ליצור קשרים מסוגים שונים (קשר יחיד, כפול או משולש) עם מגוון גדול של יסודות, להיקשר לאטומי פחמן אחרים, וליצור שלד פחמני בצורות שונות ובגדלים שונים. גודלן של תרכובות הפחמן נע ממולקולות פשוטות המורכבות מאטומים בודדים, ועד למולקולות ענק המורכבות מאלפי אטומים.
תרכובות הפחמן הן ברובן חומרים אורגניים (חומר אורגני - תרכובת שמקורה ביצורים חיים, ומכילה אטום אחד לפחות של היסוד פחמן, הקשור לאטומי מימן, חמצן, חנקן, זרחן ועוד. כיום מייצרים חומרים אורגניים גם במעבדה.). חומרים אורגניים הם תרכובות המכילות אטום אחד לפחות של היסוד פחמן (C), הקשור לאטומי מימן (H), חמצן (O), חנקן (N), זרחן (P) ועוד. במרבית התרכובות האורגניות הפחמן קשור לאטומי פחמן נוספים, כך שנוצרת שרשרת של אטומי פחמן הקשורים לאטומים אחרים, או מבנים בצורות שונות. חומרים אורגניים יכולים להיווצר בגופם של יצורים חיים ויש להם חשיבות עצומה בתהליכי החיים - באספקת אנרגיה, בבניית הגוף ועוד. מסיבה זו ניתן להם השם אורגני (שמקורו באורגניזם, כלומר ביצור חי). השם הזה נמצא בשימוש גם היום, אף שחומרים אורגניים מצויים לא רק ביצורים חיים. כבר לפני כ-200 שנה התחילו לייצר תרכובות אורגניות באופן מלאכותי במעבדה. כיום קיימות מיליוני תרכובות אורגניות מלאכותיות הנמצאות בחומרים פלסטיים שונים, בתרופות, במזון, בצבעים, בחומרי ניקוי ועוד.
חומרים אי-אורגניים הם חומרים שאינם אורגניים. לדוגמה, יסודות כמו פחמן, חמצן וברזל, ותרכובות שאינן מכילות פחמן, כמו מים (H2O) ונתרן כלורי (מלח שולחן (NACl). קיימות גם מעט תרכובות אי-אורגניות המכילות אטומי פחמן, כגון הפחמן הדו-חמצני (CO2) הנמצא באוויר, וסידן פחמתי (CaCO3) המרכיב את הקונכיות של רכיכות, כגון שבלולים וצדפות, ואת סלעי הגיר שנוצרו מהשרידים של היצורים האלה.
*70*
לתרכובות הפחמן האורגניות יש חשיבות עצומה, מפני שהן חיוניות לחיים ומרכיבות את מרבית גופנו ואת מרבית גופם של כל היצורים החיים בעולם. לכן כאשר מחפשים סימני חיים בחלל, לעתים קרובות מחפשים תרכובות אורגניות. הדלקים המאובנים - פחם, נפט וגז טבעי - שמהם אנו מפיקים אנרגיה, בנויים גם הם מתרכובות אורגניות שמקורן בשרידי יצורים חיים.
(בספר 3 מודלים - היעזר במנחה)
CH4
נוסחה מולקולרית ודגם תלת-ממדי של מולקולת מתאן (גז הביצות) - התרכובת האורגנית הפשוטה ביותר
C6H12O6
נוסחה מולקולרית ודגם תלת-ממדי של מולקולת גלוקוז - התרכובת האורגנית הנפוצה ביותר בכדור-הארץ. גלוקוז נוצר בתהליך הפוטוסינתזה בצמחים הירוקים ומשמש מקור להפקת אנרגיה בתאים של יצורים חיים
דגם תלת-ממדי של חלק ממולקולת ה-DNA. DNA הוא החומר התורשתי המצוי בתאים של כל היצורים החיים, והוא דוגמה לפולימר טבעי, מולקולת ענק הבנויה ממיליוני אטומים של פחמן הקשורים לאטומי מימן, חנקן, חמצן וזרחן
כל החומרים האורגניים בוערים (בעירה - תגובה כימית של חומר עם חמצן.) עם חמצן, שלא כמו מרבית החומרים האי-אורגניים, עם חמצו- שאינם בוערים עם חמצן. תוצרי הבעירה של חומר אורגני עם חמצן הם תמיד מים ופחמן דו-חמצני או תרכובות אחרות של פחמן עם חמצן.
בתנאים מסוימים יתקבל גם תוצר שהוא פחמן טהור בצורה של פיח שחור. תהליך הבעירה של חומרים אורגניים הוא תהליך פולט אנרגיה, ובחומרים מסוימים אפשר להבחין בלהבה הפולטת חום ואנרגיית אור. מסיבה זו משתמשים בחומרים אורגניים לדלק.
*71*
לדוגמה: בבעירה של הגז מתאן, המשמש דלק, נוצרים מים ופחמן דו-חמצני ונפלטת אנרגיה.
CH4 פלוס 2O2 - CO2 פלוס 2H2O
מתאן פלוס חמצן - פחמן דו-חמצני פלוס מים
באופן דומה (אך בתהליך מורכב יותר ובו שלבים רבים), מגלוקוז ומחמצן נוצרים מים ופחמן דו-חמצני ונפלטת אנרגיה. התגובה הזו מתבצעת בכל אחד ואחד מתאי הגוף שלנו (בנשימה התאית), והאנרגיה הכימית הנפלטת בה משמשת לתהליכים רבים בגופנו.
C6H12O6 פלוס 6O2 - 6CO2 פלוס 6H2O
גלוקוז פלוס חמצן - פחמן דו-חמצני פלוס מים
- חומרים אורגניים הם תרכובות פחמן שמקורן בדרך כלל ביצורים חיים, והם מכילים אטום אחד לפחות של היסוד פחמן (C), הקשור לאטומי מימן (H), חמצן (O), חנקן (N), זרחן (P) ועוד.
- כל החומרים האורגניים בוערים עם חמצן. בתהליך הבעירה נוצרים מים ופחמן דו-חמצני (או תרכובות אחרות של פחמן וחמצן) ונפלטת אנרגיה.
*72*
בפעילות הזאת תנסו לשרוף תרכובות שונות - אורגניות ואי-אורגניות - ותבדקו: האם החומר בוער? מהם השינויים החלים בחומר?
מטות הפעילות: הבחנה בין תרכובות אורגניות לבין תרכובות אי-אורגניות.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
יש לשרוף כמויות קטנות בלבד של החומרים, ולהחזיק את הכלי שבו החומר הבוער רחוק ככל האפשר מן הפנים.
שימו לב! יש לנקוט את כל כללי הבטיחות הנהוגים באש. הניסוי יתבצע על שולחן המורה ובפיקוחו, מעל משטח מצופה בחומר בלתי דליק. יש לבצע את הניסוי בחדר מאוורר.
ציוד וחומרים: מבער בונזן או כוהלייה, גפרורים, כפית שריפה, חומרים ומוצרים שונים: קמח, סוכר, מלח, חול, צמר גפן, כוהל, מים, שמן.
שערו: אילו מבין החומרים הם אורגניים ואילו הם אי-אורגניים? נמקו את השערתכם.
שריפה של מוצקים:
א. שימו כמות קטנה של המוצק בתוך כפית השריפה, לא יותר מ-2 גרם.
ב. הכניסו לכמה שניות את כפית השריפה עם החומר ללהבה. בשריפה של סוכר שימו לב: בשלב הראשון הסוכר ניתך ויש להיזהר מלהיכוות מהנוזל החם.
ג. צפו בשינויים החלים בחומר. האם הוא ניתך? האם הוא משנה את צבעו?
שריפה של נוזלים:
א. שימו 3-2 טיפות נוזל בכפית השריפה (אסור יותר מ-1 מ"ל).
ב. הכניסו לכמה שניות את כפית השריפה שבה החומר ללהבה.
בשריפה של סוכר שימו לב: בשלב הראשון הסוכר ניתך ויש להיזהר מלהיכוות מהנוזל החם.
ג. צפו בשינויים החלים בחומר. האם הוא רותח? האם הוא "נעלם"? האם הוא משנה את צבעו?
תוצאות:
החומר, מצב הצבירה (נוזל/ מוצק), האם החומר בער?, השינוי בחומר בעקבות הבעירה |
--, --, --, -- |
--, --, --, -- |
ב. אילו מן החומרים לא בערו?
ג. אילו מן החומרים בערו ושינו את צבעם בעקבות השריפה? תארו את השינוי שהתרחש בצבע.
ד. אילו מן החומרים בערו ו"נעלמו" או התמעטו בעקבות השריפה?
*73*
1. הסבירו מה מקור השינוי בצבע של חלק מן החומרים שבערו.
2. סכמו: אילו שינויים עשויים להתרחש בחומר אורגני כאשר הוא בוער?
3. תלמידים קירבו להבה למשך זמן מה לכפית שריפה שבה כוהל, ולכפית שריפה שבה מים. לאחר זמן מה החומר "נעלם" משתי הכפיות. תארו את התהליך שהתרחש בכל אחת מן הכפיות. מה ההבדל בין שני התהליכים?
4. תלמידים חיממו סוכר במבחנה. לאחר זמן מה הם הבחינו בטיפות מים על דופן המבחנה. מהיכן הגיעו המים?
5. דניאל מילאה את מכל הדלק במכוניתה בבנזין, סגרה את מכסה המכל ויצאה לנסיעה. בתום הנסיעה התרוקן מכל הדלק של המכונית לחלוטין.
לאן "נעלם" הבנזין?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום כימיה. היכנסו לנושא מבנה החומר, ובחרו בפעילות מאטומים למולקולות.
א. התבוננו ברשימת המולקולות שבפעילות. אילו מן המולקולות הן תרכובות פחמן? רשמו את שמותיהן ואת הנוסחה שלהן.
ב. הביאו דוגמה מן הפעילות לתרכובת פחמן אורגנית ולתרכובת פחמן אי-אורגנית.
ג. התנסו בבנייה של תרכובות הפחמן. הביאו דוגמה לתרכובת פחמן עם שלד בצורה של שרשרת ישרה ודוגמה לתרכובת פחמן עם שלד בצורה של טבעת (אחת או יותר).
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*74*
מה משותף לכדור, משקפיים, עט, נר, כדור נגד כאב ראש ומשחת שיניים?
כל אלה, ולמעשה רוב האנרגיה והמוצרים שבהם אנחנו משתמשים בחיי היום-יום, נוצרים מחומרי גלם של תעשיית תרכובות הפחמן או בתהליכים שבהם משתתפים חומרים אלה.
התעשייה המבוססת על תרכובות הפחמן היא אחת התעשיות הגדולות בעולם, והיא כוללת ענפי תעשייה רבים:
- תעשיית הדלקים והאנרגיה.
- תעשיית הפלסטיק, המייצרת כלים, אריזות ומוצרים רבים אחרים.
- תעשיית הטקסטיל, העושה שימוש גם בסיבים מלאכותיים (סינתטיים) לייצור אריגים, לייצור מילויים לכריות ולשמיכות ועוד.
- תעשיית התרופות.
- תעשיית הצבעים והדבקים.
- תעשיית המזון, העושה שימוש בחומרים משמרים, בחומרי טעם וריח ובעוד תוספי מזון.
- תעשיית הקוסמטיקה, המייצרת מוצרי טיפוח ויופי.
- תעשיית הדשנים וחומרי ההדברה.
- תעשיות כימיות נוספות, המייצרות חומרי ניקוי, שמנים, שעוות ועוד.
המגוון העצום של המוצרים המיוצרים בתעשייה זו, זמינותם ומחירם הנמוך יחסית, העלו את איכות החיים של מרבית אוכלוסיית העולם. מוצרים רבים, כגון חומרי ניקוי וחיטוי, ציוד רפואי ותרופות, אף הביאו לשיפור בתנאי התברואה ובבריאות, והשפיעו על העלייה בתוחלת החיים.
המשאב העיקרי שממנו מפיקים את חומרי הגלם לתעשיית תרכובות הפחמן הוא הנפט הגולמי. אנחנו מכירים את הנפט כמקור אנרגיה חשוב, שממנו מייצרים דלקים שונים המשמשים להפקת חשמל, להנעת כלי רכב, לחימום, לבישול ועוד. אולם הנפט הגולמי הוא גם מקור ליותר מ-10 מיליון חומרים שונים, שהם חומרי גלם לייצור מגוון רחב של מוצרים שבהם אנחנו משתמשים בחיי היום-יום שלנו.
בשנת 1977 פרסם כתב העת האמריקני "טיים" מאמר מאת הסופר והמדען אייזק אסימוב בשם: חיים ללא נפט. במאמר הזה אסימוב מתאר את חיי האנושות בעולם ללא נפט.
היזכרו בשעה אחת בסדר יומכם. כתבו את הפעולות שאתם עושים, ואת החומרים, המוצרים והאנרגיה שבהם אתם משתמשים בשעה זו.
דונו בכיתה: כיצד הייתה נראית שעה זו בחייכם ללא המוצרים המיוצרים מן הנפט הגולמי?
*75*
מה אפשר לייצר מחבית אחת של נפט?
מחבית אחת של נפט גולמי (בערך 160 ליטר) אפשר לייצר דלק לנסיעה של 450 ק"מ במכונית משפחתית, ועוד חומרי גלם לכ-6,000 מוצרים, בהם שעווה לכ-170 נרות יום-הולדת, 39 חולצות פוליאסטר, 750 מסרקים קטנים ו-540 מברשות שיניים.
הנפט הגולמי נוצר משרידים של יצורים חיים קדומים בתהליך שנמשך עידנים רבים והתרחש בתנאים מיוחדים של חום ושל לחץ. הנפט אינו חומר אחד - הוא תערובת של חומרים שונים, בעיקר תרכובות פחמן.
תרכובות הפחמן העיקריות המרכיבות את הנפט הגולמי הן פחמימנים שונים. פחמימן, כפי שמרמז שמו, הוא תרכובת המורכבת אך ורק מאטומי פחמן ומאטומי מימן. (פחמימן - תרכובת המורכבת אך ורק מאטומי פחמן ומאטומי מימן. בוטאן (גז בישול) שנוסחתו הכימית היא C4H10 הוא דוגמה לפחמימן.)
התבוננו בנוסחאות המבנה של הפחמימנים השונים המוצגות משמאל.
(בספר נוסחאות - היעזר במנחה)
- מה משותף לפחמימנים השונים
- במה הם שונים זה מזה?
הפחמימן הפשוט ביותר הוא מתאן, CH4 (המכונה גם גז הביצות), המורכב מאטום פחמן אחד הקשור ל-4 נוסחאות מבנה של פחמימנים שונים אטומי מימן.
יש פחמימנים מסוגים שונים, הנבדלים זה מזה באורך השרשרת הפחמנית, בסוג הקשר הקיים בין אטומי הפחמן (יחיד, כפול או משולש) ובצורה (שרשרת ישרה, שרשרת מסועפת או טבעת). ככל שמספר אטומי הפחמן במולקולה גדול יותר, כך מסת הפחמימן גדולה יותר.
הנפט הגולמי מורכב מתערובת של פחמימנים באורכים שונים, החל מן המתאן, בעל הפחמן היחיד, ועד לפחמימנים שאורך השרשרת הפחמנית שלהם הוא 25 אטומי פחמן ויותר. כדי שאפשר יהיה להשתמש בפחמימנים השונים שבנפט הגולמי, יש להפריד אותם מתערובת הנפט הגולמי שבה הם נמצאים. התהליך הזה נקרא זיקוק והוא מתבצע בבית הזיקוק.
*76*
תהליך הזיקוק מבוסס על ההבדלים בנקודת הרתיחה של הפחמימנים השונים שבנפט הגולמי. כיצד הוא מתבצע?
מחממים את הנפט הגולמי עד שמרבית מרכיביו הופכים לגזים. את תערובת הגזים מזרימים בצינור למגדל הזיקוק. מגדל הזיקוק הוא מכל גבוה מאוד, שבחלקו התחתון הטמפרטורה גבוהה מאוד, ואילו בחלקו העליון הטמפרטורה נמוכה יחסית. כל חומר מתעבה בחלק אחר של מגדל הזיקוק והופך לנוזל שנאסף בצינור: בחלקו העליון של מגדל הזיקוק נאספים הפחמימנים בעלי נקודת הרתיחה הנמוכה ביותר, ואילו בחלקו התחתון נאספים הפחמימנים בעלי נקודת הרתיחה הגבוהה ביותר.
מרבית התזקיקים (תוצרי הזיקוק) הם נוזלים בטמפרטורת החדר, חוץ מן הגז הפחמימני (שהוא כמובן במצב של גז) ומהביטומן שהוא מוצק.
לאחר הזיקוק עוברים התזקיקים תהליכים נוספים כדי לקבל מהם חומר גלם מוגמר ונקי, המתאים לצורכי השוק.
התרשים שלפניכם מציג את התזקיקים השונים המופרדים מן הנפט, את אורך השרשרת הפחמנית שלהם ואת הטמפרטורה שבה הם מופרדים במגדל הזיקוק שבבתי הזיקוק. ליד כל אחד מן התזקיקים רשומים השימושים השונים שלו.
(בספר איור - היעזר במנחה)
*77*
הסיקו מסקנה מן המידע המוצג בתרשים: מה הקשר בין אורך השרשרת הפחמנית ומסת הפחמימן לבין נקודת הרתיחה שלו?
- הנפט הגולמי הוא תערובת של תרכובות פחמן, בעיקר פחמימנים שונים. תהליך הזיקוק מבוסס על ההבדלים בנקודת הרתיחה של פחמימנים בעלי אורך שונה של שרשראות.
פולימרים סינתטיים משמשים לייצור מגוון מוצרים שבהם אנחנו משתמשים ביום-יום. לדוגמה, בקבוקי שתייה ושקיות פלסטיק מיוצרים מן הפולימר הסינתטי פוליאתילן. כוסות קלקר עשויות מן הפולימר הסינתטי פוליסטירן מוקצף. פולימרים אלה נוצרו במעבדה ממונומרים שהגיבו ביניהם בתגובה הנקראת פלמור. (פלמור - תגובה שבה פולימר נוצר מן המונומרים שלו.)
(בספר שתי תמונות)
- בקבוק שתייה עשוי מפוליאתילן
- כוס עשויה מפוליסטירן מוקצף (קלקר)
לדוגמה, האיור שלפניכם מציג תגובת פלמור של אתילן שבה נוצר פוליאתילן.
(בספר איור - היעזר במנחה)
הפוליאתילן והפוליסטירן הם דוגמה לחומרים פלסטיים. כל החומרים הפלסטיים, הנפוצים מאוד בשימוש, הם פולימרים, ומרביתם הם פולימרים סינתטיים. במקרים רבים החומרים האלה מחליפים את המתכות בזכות תכונותיהם: הם קלים, מבודדי חום וחשמל, קלים לעיבוד וזולים יחסית.
לשימוש בחומרים הפלסטיים יש גם מגבלות בהשוואה לשימוש במתכות: רובם אינם עמידים בחום גבוה, וחלקם דליקים ומסיסים בממסים אורגניים כגון אצטון. עם זאת, קיים מגוון גדול של חומרים פלסטיים שמהם אפשר לבחור את החומר המתאים ביותר למוצר. כמו כן, אפשר ליצור במעבדות חומרים פלסטיים "תפורים על פי הזמנה", המתאימים לתכונות הנדרשות מהמוצר. כיום אפשר לייצר גם חומרים פלסטיים שמוליכים חשמל, עמידים בטמפרטורות גבוהות ואינם דליקים.
*78*
התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תתמחה בפולימר אחד ותאסוף עליו מידע.
הכינו תוצר שיתופי (כגון מסמך, מצגת או סרטון) המציג את הפולימר, וכולל מידע על המבנה שלו ועל השימושים שלו. הציגו את התוצר השיתופי שיצרתם בפני הכיתה. תוכלו להציג בפני הכיתה גם דוגמאות למוצרים המיוצרים מן הפולימר.
שם הפולימר, שם המונומר ונוסחתו, דוגמאות לשימושים בפולימר |
פוליאתילן, --, -- |
פוליפרופילן, --, -- |
פוליסטרין, --, -- |
פוליאמיד (ניילון), --, -- |
עד לפני כ-40 שנה היה מוסכם כי חומרים פלסטיים הם מבודדי חשמל. ואכן, אחד משימושיהם הנפוצים היה לבידוד רשתות חשמל ומעגלים חשמליים. בשנת 1977 התרחשה מהפכה של ממש כאשר צוות חוקרים הצליח ליצור פולימרים מוליכים ומוליכים-למחצה במעבדה (מוליכים-למחצה הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית נמוכה, המשתנה בהתאם לטמפרטורה, לתאורה ועוד). על תגליתם זו זכו המדענים היגר, מק-דיארמיד ושיראקאווה בפרס נובל לכימיה בשנת 2000.
האפשרויות הטמונות בפולימרים מוליכים ומוליכים-למחצה הן עצומות, מכיוון שאפשר להשתמש בפלסטיק הזול, הדק והגמיש בתעשיית האלקטרוניקה כתחליף למתכות ולצורן, הקשיחים והיקרים. הנה דוגמאות לשני יישומים מלהיבים אפשריים:
- מסכים גמישים - מפולימרים מוליכים-למחצה אפשר לייצר רכיבים אלקטרונים גמישים, שעשויים לשמש בנייר אלקטרוני, במסכי מחשב גמישים ועוד. בעתיד ייתכן שנוכל להדפיס את המעגלים האלה במדפסת ביתית.
(בספר תמונה)
צג גמיש שעליו הודפסו מעגלים חשמליים מפולימרים מוליכים. התצוגה על גבי הצג מתחלפת, בדומה למסך מחשב או טלוויזיה
*79*
- עור מלאכותי לרובוטים - בשנת 2003 הצליחו חוקרים יפנים לפתח יריעה גמישה המכילה רכיבים אלקטרוניים מבוססי פחמן, כדי לייצר שכבת עור רגישה ללחץ. החומר שפיתחו הוא רך וגמיש מספיק כדי שאפשר יהיה לכרוך אותו סביב אצבעות של רובוט ולהעניק לרובוט חוש מישוש. חוקרים אחרים מפתחים "עורות" מלאכותיים שבאמצעות חיישנים מתאימים יוכלו לקלוט מידע מסוגים שונים, כגון לחץ, טמפרטורה, אור, קול, לחות, דופק ו-pH. נוסף על כך, יש גם ניסיונות לפתח עורות המסוגלים לאחות את עצמם.
(בספר תמונה)
העור המלאכותי סביב ידו של הרובוט מאפשר לו לחוש את לחיצת היד האנושית
אילו יישומים נוספים עשויים להיות לרכיבים אלקטרונים גמישים המבוססים על פחמן? העלו כמה רעיונות והציגו אותם בפני הכיתה. בנוסף, חפשו באינטרנט יישומים הנמצאים בפיתוח.
חומרים פלסטיים הם פולימרים שמוסיפים להם חומרים שונים כדי לשנות את תכונותיהם לתכונות הרצויות. לדוגמה: להפוך אותם לקשים יותר, לגמישים יותר, לעמידים יותר בפני חום וכדומה. בניסוי זה ניצור חומר פלסטי מפולימר סינתטי (פוליויניל אלכוהול, המכונה דבק פלסטי) באמצעות הוספה של חומרים שונים: בורקס ומים.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! אסור לטעום או להריח חומרים במעבדה.
חובה לבצע את כל שלבי העבודה בתוך מנדף.
מטרת הפעילות: יצירת חומר פלסטי ובדיקת הגורמים המשפיעים על תכונותיו.
(מקור השם סיליפטי הוא באנגלית - siliy-putty - והוא מתאר דבק בעל תכונות מיוחדות המבוסס על סיליקון).
ציוד: 15 מ"ל דבק פלסטי (פוליויניל אלכוהול) בכוס חד-פעמית, מקל זכוכית, מים מזוקקים,2 משורות בנפח של 20 מ"ל, תמיסת בורקס 4 אחוז.
מהלך הפעילות:
קראו היטב את כל ההנחיות לפני תחילת ביצוע הפעילות.
*80*
א. מדדו בעזרת משורה 15 מ"ל של מים מזוקקים, והוסיפו אותם לכוס עם הדבק.
ב. ערבבו היטב בעזרת מקל הזכוכית.
ג. מדדו בעזרת המשורה האחרת 10 מ"ל מתמיסת הבורקס והוסיפו אותה לתערובת. יד. ערבבו היטב בעזרת מקל הזכוכית. המשיכו לערבב עד שיתקבל גוש חומר אחיד.
ה. הוציאו את הגוש מהכוס וגעו בו.
ו. הדבק הפלסטי שהשתמשנו בו מכיל סוג של פולימר מומס במים. בעזרת התמיסה המימית של הבורקס יצרנו חומר פלסטי מסוג חדש - סיליפטי.
תארו את תכונותיו (אסור לטעום את החומר). לחצו על החומר או נסו למתוח אותו: מה מתרחש כאשר אתם מרפים מן החומר? איזו תכונה של החומר בדקתם?
חקרו: כיצד תהליך הייצור משפיע על תכונות החומר הפלסטי שיצרתם?
א. נסחו שאלת חקר שאפשר לבדוק באמצעות ניסוי. שאלת החקר צריכה לכלול קשר בין שני משתנים: גורם משפיע וגורם מושפע.
ב. נסחו השערה העונה על שאלת החקר שהצגתם. נמקו את השערתכם.
ג. תכננו ניסוי שיבדוק את שאלת החקר. כתבו את כל מהלך הניסוי, שלב אחר שלב ומספרו את השלבים. רשמו בצורה מסודרת את הציוד ואת החומרים הנחוצים לביצוע הניסוי.
- ציינו מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי.
- כתבו שני גורמים קבועים בניסוי.
- הסבירו כיצד תמדדו את הגורם המושפע.
- נסחו את אמצעי הזהירות הנדרשים בניסוי הזה.
ד. ביצוע הניסוי: לאחר שהמורה יאשר את תכנון הניסוי, בצעו את הניסוי שתכננתם.
1. הסיקו מסקנות המבוססות על תוצאות הניסוי ועונות על שאלת החקר.
2. נסחו שאלת חקר נוספת.
3. דוח ניסוי: כתבו דוח מלא של הניסוי. בדוח כתבו את הפרטים הבאים: שאלת החקר, הציוד והחומרים, מהלך הניסוי, התוצאות והמסקנות. אם התעוררו קשיים בביצוע הניסוי ציינו אותם, ותארו איך התגברתם עליהם.
אם יש צורך, הציעו הצעות לשיפור הניסוי. בכתיבת דוח הניסוי תוכלו להיעזר במחולל הכתיבה דוח ניסוי: המופיע באתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, בתחום מיומנויות.
*81*
למוצרים המיוצרים בתעשיית תרכובות הפחמן יש תרומה רבה לאיכות החיים ולהתפתחות החברה והכלכלה. עם זאת, לתעשיית תרכובות הפחמן ולעלייה באיכות החיים יש גם מחיר סביבתי: הגברת הייצור התעשייתי ועלייה בצריכת מוצרים ואנרגיה. העלייה בייצור ובצריכה משפיעה בצורה ניכרת על איכות הסביבה. כיצד?
רבים חושבים שהגורם העיקרי לזיהום הסביבה הוא מפעלי התעשייה, אך למעשה השפעתם של מוצרים על איכות הסביבה אינה מוגבלת רק לשלב שבו מייצרים אותם. לכל מוצר שאנו משתמשים בו יש "מחזור חיים" המורכב משלבים שונים: הפקת משאבי הטבע הנחוצים לייצור חומרי הגלם, עיבוד המשאבים וייצור חומרי הגלם, ייצור המוצר, השימוש בו והגעתו אל הפסולת. בין כל שלב לשלב יש שינוע של חומרים באמצעות כלי תחבורה שונים או בצינורות, וכל אחד מהשלבים משפיע על איכות הסביבה. כל שלב במחזור החיים של המוצר צורך חומרים ואנרגיה, ופולט לסביבה - לאוויר, למים ולקרקע - פסולת וחומרים מזהמים, ובהם פחמן דו-חמצני הגורם להתחממות כדור-הארץ.
(בספר שתי תמונות)
- שימוש בדלק בעת נסיעה במכונית פולט לסביבה חומרים מזהמים רבים
- ייצור דלק בתהליכי זיקוק של נפט צורך הרבה משאבי טבע ואנרגיה ופולט לסביבה חומרים מזהמים
*82*
פוליאתילן, המשמש בין היתר לייצור בקבוקי שתייה, מיוצר מחומרי גלם שמקורם בנפט הגולמי. בתרשים הבא מוצג מחזור החיים של בקבוק שתייה העשוי מפוליאתילן, וההשפעה הסביבתית של בקבוק השתייה בשלב הייצור של חומר הגלם.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
- הפקת נפט גולמי
- זיקוק נפט גולמי והפקת פוליאתילן מן התזקיקים - חומרים: חומר גלם - נפט גולמי. משאבי אנרגיה: דלק (נפט, פחם או גז) לאספקת אנרגיה.
זיהום אוויר: פליטת מזהמי אוויר כתוצאה משריפת דלקים להפקת אנרגיה ומדליפות של חומרים. זיהום מים וקרקע: פליטת מזהמים למים ולקרקע. פסולת: יצירת חומרי פסולת.
- ייצור בקבוקים מפוליאתילן
- שימוש בבקבוקים
- פסולת
א. בחרו שלב אחד במחזור החיים של הבקבוק ותארו את ההשפעה שלו על איכות הסביבה. היעזרו בתרשים.
ב. תארו פעולה אחת היכולה להפחית את הפגיעה באיכות הסביבה בשלב של מחזור החיים שבחרתם.
ג. הכינו תוצר שיתופי שבו תציגו את ההשפעות הסביבתיות של בקבוק השתייה בכל אחד מהשלבים של מחזור חייו.
ליד כל שלב הציעו פעולות המפחיתות את הפגיעה בסביבה.
ד. בתום השימוש בבקבוק בחרתם שלא להשליך אותו לפסולת אלא להשתמש בו שימוש חוזר או להעביר אותו למחזור. כיצד ההחלטה שלכם תתרום לאיכות הסביבה? התייחסו לשלבים השונים של מחזור החיים של הבקבוק.
(בספר שתי תמונות)
- ערימה דחוסה של בקבוקי פלסטיק המיועדים למחזור
- בדי "פליז" מיוצרים מחומר גלם שהתקבל ממחזור של בקבוקי פוליאתילן
*83*
בעשורים האחרונים חלה תפנית חיובית במודעות של מפעלי תעשייה בישראל לבעיות של איכות הסביבה. התפתחות זו נובעת ממגמות כלליות בעולם, מן המודעות הגוברת בציבור לחשיבות החיים בסביבה נקייה, ומן הצורך לעמוד בתקנות ובחוקים סביבתיים שמכתיבים גופי ממשלה שונים ובראשם המשרד להגנת הסביבה.
בעבר, אימצה התעשייה את גישת קצה הצינור להפחתת הנזק לסביבה. על פי גישה זו, מטפלים במזהמים לאחר שכבר נוצרו בתהליכי הייצור. דוגמה להפחתת פליטת מזהמים בשיטת "קצה הצינור" היא התקנת מסננים על ארובות המפעלים. המסננים האלה מפחיתים את פליטות הגפרית הדו-חמצנית הנוצרת בעת שריפת הדלקים. דוגמה נוספת היא פעולות לטיהור מי השפכים הנוצרים במפעל כתוצאה מחדירת מזהמים אל המים בתהליכי הייצור.
שיטה אחרת להפחתת הפגיעה באיכות הסביבה בתעשייה נקראת ייצור נקי. בשיטה זו מפחיתים במקור את יצירת המזהמים - כבר בשלב בחירת חומרי הגלם ובתהליכי הייצור. כך מטפלים בבעיה עוד לפני שנוצרה וחוסכים בעלויות מיותרות לטיפול בזיהום.
הנה כמה דוגמאות לצמצום הפגיעה בסביבה בשיטה של "ייצור נקי":
- שימוש במקורות אנרגיה ידידותיים יותר לסביבה - שימוש בדלקים ששריפתם מזהמת פחות את האוויר, כגון גז טבעי, או מעבר לשימוש במקורות אנרגיה ירוקים ומתחדשים, כגון אנרגיית השמש.
- חיסכון בחומרי גלם ובאנרגיה - מפעלים רבים מגבירים את יעילות תהליכי הייצור כדי לחסוך בחומרי גלם ובצריכת אנרגיה. החיסכון בחומרי הגלם מצמצם את דלדול המשאבים ואת פליטת המזהמים והפסולת מן המפעל. החיסכון בצריכת האנרגיה חוסך בדלקים, ומוביל גם להפחתה בזיהום האוויר הנגרם כתוצאה מפליטת מזהמים בעת שריפת הדלקים.
- הפסולת שלך היא חומר הגלם שלי - פסולת של מפעל אחד יכולה להיות חומר גלם של מפעל אחר. בצורה כזו חוסכים כסף רב, מייצרים פחות פסולת ומכלים פחות משאבי טבע.
- שימוש בחומרי גלם ידידותיים לסביבה - לדוגמה, אחד מחומרי הגלם לייצור התרופה אספירין הוא בנזן, חומר מסוכן בריכוזים גבוהים. כיום מחפשים להמיר את הבנזן בחומרי גלם חלופיים וידידותיים יותר לסביבה, כגון שמנים המופקים מצמחים מסוימים. השימוש בשמנים כאלה ימנע מראש את הזיהום ויחסוך בעלויות של טיפול בזיהום לאחר שכבר נוצר.
(בספר שתי תמונות)
- תחנת כוח הפועלת על גז טבעי
- תחנת כוח המייצרת אנרגיה מביו-גז (תערובת גזים הנוצרים מפירוק של החומרים האורגניים שבפסולת).
*84*
לפניכם דוגמאות למוצרים המיוצרים מחומרי גלם של תרכובות הפחמן.
(בספר שבע תמונות)
קוטל עשבים, כדור אספירין, שקית ניילון, נוזל לשטיפת כלים, דשן לצמחים, חיתול, חומר משמר במזון
א. בחרו באחד המוצרים או הביאו דוגמה למוצר אחר השייך לקבוצה זו.
ב. אספו מידע על המוצר:
1. על איזה צורך המוצר עונה?
2. במה השתמשו לפני שהמוצר פותח?
3. מהי השפעת המוצר על כל אחד מהמאפיינים הבאים?
- איכות החיים (נוחות, זמינות, מחיר)
- הבריאות ותוחלת החיים
- הכלכלה
- איכות הסביבה (הביאו דוגמאות משלבים שונים של מחזור החיים של המוצר)
ג. הציגו את היתרונות ואת החסרונות של המוצר שבחרתם בפני הכיתה, ודונו בשאלות הבאות: כיצד משפיעים ייצור המוצר והשימוש בו על החיים של כל אחד מאתנו, על החברה ועל איכות הסביבה? מה אפשר לעשות כדי לצמצם את ההשפעה השלילית שיש למוצר על איכות הסביבה?
*85*
א. בחרו באחד המפעלים בארץ, ובדקו היכן הוא ממוקם.
ב. אספו מידע על המפעל וחקרו את השיקולים שהביאו להקמת המפעל במיקומו הנוכחי.
ג. הציגו את היתרונות ואת החסרונות של מיקומו הנוכחי של המפעל.
ד. האם לדעתכם הקמת המפעל במיקומו הנוכחי מוצדקת? אם לדעתכם קיים מיקום טוב יותר, הציעו מיקום אחר ונמקו את הצעתכם.
בעבודתכם תוכלו להיעזר בנקודות הבאות:
- חומר הגלם - מהם חומרי הגלם העיקריים שהמפעל משתמש בהם ומהיכן הם מגיעים? למרחק מחומר הגלם יש השפעה גם על עלויות ההובלה וגם על ההיבטים הסביבתיים הנוגעים לשינוע של חומרי הגלם.
- מקורות אנרגיה - מהי צריכת האנרגיה של המפעל? מפעלים הצורכים אנרגיה רבה זקוקים למקור אנרגיה זמין וזול.
- איכות הסביבה - מהן ההשלכות של פעילות המפעל על איכות הסביבה? התייחסו לפליטות מזהמים לקרקע, למים ולאוויר וליצירת פסולת.
- ריכוזי אוכלוסייה - אם המפעל עוסק בחומרים ובתהליכים מסוכנים או פולט לסביבה מזהמים שעלולים לפגוע בבריאות האוכלוסייה, יש לריכוזי אוכלוסייה היבטים בטיחותיים וסביבתיים. כמו כן, לריכוזי אוכלוסייה יש היבטים תעסוקתיים: המפעל זקוק לכוח אדם מקצועי מתאים.
- נתיבי תחבורה - מפעל התעשייה תלוי בנתיבי התחבורה לשינוע של עובדים, של חומרים ושל מוצרים ממקום למקום.
- שרשור - סמיכות למפעלים אחרים שמשתמשים בפסולת של המפעל כחומר גלם, חוסכת בעלויות פינוי פסולת ומפחיתה את הנזק לסביבה.
*86*
במה דומה האדם לעגבנייה, לחיידק או לחתול?
כל היצורים החיים - בעלי-החיים, הצמחים, החיידקים וכל השאר - מורכבים משתי קבוצות עיקריות של חומרים:
1. חומרים אורגניים - תרכובות פחמן אורגניות כמו פחמימות, שומנים, חלבונים, ויטמינים ועוד.
2. חומרים אי-אורגניים - המים, שהם המרכיב העיקרי בגופם של יצורים חיים, ומלחים שונים (מלחים הם תרכובות יוניות, לרוב בין מתכת לאל-מתכת, לדוגמה: נתרן כלורי הוא מלח).
יצורים חיים אמנם מורכבים מאותם סוגים של חומרים אורגניים, אך אינם מורכבים מאותם החומרים בדיוק. לדוגמה, גם בעלי-חיים וגם צמחים מכילים פחמימות, אך בעלי-החיים מכילים את הפחמימה גליקוגן ואינם מכילים את הפחמימה עמילן, ואילו אצל הצמחים המצב הפוך.
לחומרים בגופם של היצורים החיים יש שני תפקידים עיקריים:
1. בניית גופם של היצורים החיים. כשם שבניינים ומכוניות בנויים מחומרים שונים (כגון בטון, ברזל ופלסטיק), כך גם התאים השונים בגופם של יצורים חיים, הרקמות והאיברים, בנויים ממגוון חומרים המורכבים ממולקולות ומאטומים. החומרים האלה מגיעים אל גופם של היצורים באמצעות המזון.
2. אספקת אנרגיה. כל היצורים החיים זקוקים לאנרגיה לקיום תהליכים שונים בגופם. לבעלי-חיים האנרגיה דרושה לתנועה, לגדילה, להעברת אותות עצביים ועוד; לצמחים היא דרושה לגדילה, לפריחה, להבשלת פרי ועוד. למעשה, כל תא ותא צורך אנרגיה לפעילותו. יצורים חיים יכולים לנצל בתאי גופם אנרגיה כימית שהופקה בתהליכים כימיים המתרחשים בגוף בין חמצן לחומרים שונים שמקורם במזון. (אנרגיה כימית - אנרגיה הבאה לידי ביטוי בתהליכים שבהם . החומר עובר שינוי כימי.)
- כל היצורים החיים בנויים מאותם סוגים של חומרים אי-אורגניים וחומרים אורגניים, אך לא תמיד הם מורכבים מאותם החומרים האורגניים בדיוק.
- לחומרים בגופם של יצורים חיים יש חשיבות בבניית גופם ובאספקת אנרגיה הנחוצה לקיומם.
החומרים האורגניים העיקריים המרכיבים את גופנו ומצויים במזון שאנו אוכלים מתחלקים ל-4 קבוצות: פחמימות, שומנים, חלבונים וויטמינים.
בקבוצת הפחמימות נמנים חומרים המוכרים לנו, כגון עמילן התירס (קורנפלור) והסוכר שאנחנו ממתיקים אתו את המזון. אחד התפקידים העיקריים של הפחמימות בגופם של יצורים חיים הוא אספקת אנרגיה לתהליכי החיים, לדוגמה לבניית התאים והרקמות, לתנועה ולשמירה על חום גוף קבוע.
*87*
הפחמימות הן התרכובות האורגניות הנפוצות ביותר על פני כדור-הארץ. מולקולות הפחמימות מורכבות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן, ולעתים גם מאטומים נוספים כגון חנקן, גפרית ועוד. המשותף לכל הפחמימות הוא שהן בנויות מיחידת בניין בסיסית: חד-סוכר (חד-סוכרים - יחידות הבניין הבסיסיות של הפחמימות. לדוגמה, גלוקוז ופרוקטוז.). החד-סוכר המוכר ביותר הוא הגלוקוז. חד-סוכר זה הוא מולקולה קטנה ומסיסה במים. פחמימות רבות בנויות מיחידות בניין של גלוקוז.
(בספר איור - היעזר במנחה)
ייצוגים שונים של מולקולה של חד-סוכר - גלוקוז - המצויה לרוב בצורה של טבעת משושה
דו-סוכרים (דו-סוכרים - פחמימות הבנויות משתי יחידות בניין. לדוגמה: לקטוז וסוכרוז.) מורכבים משתי יחידות של חד-סוכר. דוגמאות לדו-סוכרים הן הסוכרוז, הסוכר שאנו משתמשים בו להמתקת המזון, והלקטוז, סוכר המצוי בחלב.
רב-סוכרים (רב-סוכרים - פחמימות הבנויות ממספר גדול מאוד של יחידות חד-סוכר המחוברות זו לזו. לדוגמה: גליקוגן, עמילן ותאית.) הם פולימרים המורכבים ממספר גדול מאוד של יחידות בניין חד-סוכר הקשורות זו לזו באופן מחזורי. עמילן, תאית וגליקוגן, למשל, הם דוגמאות לפולימרים שכל מולקולה שלהם בנויה מאלפי יחידות של חד-סוכר מסוג גלוקוז.
רב-סוכרים מסויימים משמשים חומרי תשמורת ביצורים חיים. (חומרי תשמורת - חומרים אורגניים שנבנים ונאגרים באיברים מסוימים של צמחים ושל בעלי-חיים, ומתפקדים כ"מחסני אנרגיה" לשימוש בעתיד. בעת הצורך הם מתפרקים ליחידות הבניין שלהם, ומהן התאים מפיקים אנרגיה זמינה.) הם נוצרים מן החד- סוכרים בתאי צמחים ובתאי בעלי-חיים, נאגרים באיברים מסוימים ומשמשים "מחסני אנרגיה" לשימוש עתידי. כיצד? בעת הצורך מולקולות הענק האלה מתפרקות ליחידות הבניין שלהן, ואלה משמשות מקור לאנרגיה זמינה ומיידית בתאים.
בחיי היום-יום אנו אמנם רגילים לחשוב על הסוכרים כ"מתוקים", אך למעשה רק חלק מן הסוכרים מתוקים. לרב-סוכרים אין טעם מתוק כלל, ויש אפילו סוכרים שטעמם מלוח!
(בספר איור - היעזר במנחה)
חד-סוכר, לדוגמה: גלוקוז
משתי יחידות של חד-סוכר נוצר דו-סוכר, לדוגמה: סוכרוז
מהרבה חד-סוכרים נוצר רב-סוכר, לדוגמה: עמילן
*88*
כל הפחמימות בנויות מאותה יחידת מבנה - חד-סוכר, אך תכונותיהן שונות זו מזו. התכונות השונות של הפחמימות משפיעות על תפקודן ביצורים חיים. בפעילויות הבאות נבדוק את תכונותיהן של פחמימות שונות ונשתמש באמצעי זיהוי, כמו חומרים בוחנים (אינדיקטורים) כדי לזהות חומרים מקבוצת הפחמימות - החד-סוכר (גלוקוז) והרב-סוכר (עמילן).
מטרת הפעילות: בדיקת המסיסות של פחמימות שונות - חד-סוכר (גלוקוז), דו-סוכר (סוכרת) ורב-סוכר (עמילן).
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
ציוד: עמילן, סוכר לבן (סוכרוז), גלוקוז, כן ובו 3 מבחנות מסומנות במספרים עם פקקים תואמים, כפית, מים.
א. התבוננו בשלושת החומרים. תארו כיצד הם נראים.
ב. הוסיפו למבחנה מספר 1 רבע כפית גלוקוז.
ג. הוסיפו למבחנה מספר 2 רבע כפית סוכר (סוכרת).
ד. הוסיפו למבחנה מספר 3 רבע כפית עמילן.
ה. הוסיפו לכל אחת מהמבחנות מים עד שני שלישים מגובהה.
ו. פקקו את המבחנות היטב, ונערו אותן בחוזקה כאשר אתם מהדקים את הפקק בעזרת האגודל.
ז. בדקו באיזו מבחנה החומר התמוסס היטב במים (מתקבלת תמיסה שקופה ולא עכורה או עם משקע).
מספר המבחנה, החומר במבחנה, מסיסות במים |
1, גלוקוז, -- |
2, סוכר, -- |
3, עמילן, -- |
1. האם אפשר להשתמש בתכונת המסיסות כדי להבחין בין החומרים סוכרת ועמילן? הסבירו.
2. בבעלי חיים הגלוקוז מובל בדם אל תאי הגוף. איזו תכונה של הגלוקוז מאפשרת זאת?
*89*
מטרת הפעילות: זיהוי גלוקוז ועמילן בעזרת חומרים בוחנים (אינדיקטורים).
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! בניסוי משתמשים במים רותחים ויש להיזהר מכווייה.
ציוד וחומרים: מקלונים בודקי-גלוקוז, תמיסת בנדיקט (חומר בוחן לגלוקוז), כוס כימית גדולה עם מים רותחים, טפטפת, כן למבחנות, אטב עץ, 3 מבחנות מסומנות:
מבחנה 1- מכילה כרבע מבחנה מים מזוקקים.
מבחנה 2 - מכילה כרבע מבחנה תמיסת גלוקוז 1 אחוז.
מבחנה 3 - מכילה כרבע מבחנה תמיסת עמילן 1 אחוז.
א. טבלו מקלון בודק-גלוקוז בכל אחת מהמבחנות.
ב. הוציאו את המקלונים והמתינו כדקה.
ג. בדקו: איזה מקלון שינה את צבעו? כתבו את התוצאות בטור השני בטבלת התוצאות (בעמוד הבא).
ד. הוסיפו לכל מבחנה 3-6 טיפות של תמיסת בנדיקט.
ה. אחזו את המבחנות באמצעות האטב וחממו אותן במים הרותחים במשך 2 דקות.
ו. בדקו: איזה נוזל שינה את צבעו? כתבו את התוצאות בטור הרביעי בטבלת התוצאות שבעמוד הבא.
(בספר תמונה)
מוסיפים לכל מבחנה 3-6 טיפות של תמיסת בנדיקט ומחממים את המבחנות
ציוד וחומרים: תמיסת יוד מהולה (1 אחוז) - חומר בוחן לעמילן, טפטפת, כן למבחנות, 4 מבחנות מסומנות:
מבחנה 1- מכילה מים מזוקקים.
מבחנה 2 - מכילה תמיסת גלוקוז 1 אחוז.
מבחנה 3 - מכילה תמיסת סוכרוז 1 אחוז.
מבחנה 4 - מכילה תמיסת עמילן 1 אחוז.
*90*
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה))
- מוסיפים לכל מבחנה 2 טיפות מתמיסת היוד
- איזו תמיסה נצבעת בסגול?
א. טפטפו לכל מבחנה 2 טיפות מתמיסת היוד.
ב. בדקו: איזה צבע קיבלתם?
ג. כתבו את התוצאות בטור החמישי (צבע לאחר הוספת תמיסת יוד) בטבלת התוצאות.
תוצאות:
העתיקו את טבלת התוצאות למחברתכם ורשמו בה את תוצאות הבדיקות שערכתם.
מבחנה מספר, תכולת המבחנה, צבע המקלון בודק-גלוקוז, צבע לאחר הוספת תמיסת בנדיקט בחימום, צבע לאחר הוספת תמיסת יוד |
1, מים, --, --, -- |
2, גלוקוז, --, --, -- |
3, סוכרוז, --, --, -- |
4, עמילן, --, --, -- |
1. מה תפקידה של המבחנה המכילה מים בניסויים? הסבירו.
2. כיצד אפשר לזהות גלוקוז?
3. כיצד אפשר לזהות עמילן?
4. האם בעזרת יוד אפשר להבדיל בין גלוקוז לבין סוכרוז? הסבירו.
5. עמילן נאגר בפקעות של צמחים. כיצד תוכלו להוכיח זאת?
6. השתן של חולי סוכרת מכיל גלוקוז, בניגוד לשתן של אנשים בריאים. הציעו בדיקה פשוטה לאבחון סוכרת.
- הפחמימות הן מולקולות המורכבות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. יחידת בניין בסיסית של הפחמימות נקראת חד-סוכר. הדו-סוכרים מורכבים משתי יחידות של חד-סוכר, והרב-סוכרים הם מולקולות ענק המורכבות ממספר רב של יחידות חד-סוכר.
- בתהליכי הפירוק של סוכר בנשימה התאית נפלטת אנרגיה כימית. חלק מהאנרגיה הכימית מנוצל לתהליכים שונים בגוף וחלק ממנה מומר לחום.
- לא כל הסוכרים מתוקים. חד-סוכרים ודו-סוכרים מסיסים במים, ואילו רב-סוכרים אינם מסיסים במים.
- אפשר לזהות פחמימות באמצעות חומרי בוחן ואמצעי זיהוי מיוחדים - תמיסת בנדיקט או מקלונים בודקי-גלוקוז לגלוקוז, ותמיסת יוד לעמילן.
*91*
אנו מכירים את השומנים בגופנו ובגופם של בעלי חיים אחרים, אבל גם שמנים צמחיים כמו שמן זית הם שומנים. לשומנים יש תפקידים רבים וחשובים בכל היצורים החיים: הם משמשים בגוף חומרי תשמורת ונאגרים בו כ"מחסן אנרגיה" לשימוש עתידי, הם מרכיבים חומרים חשובים בגוף כגון הורמונים מסוימים, הם מבודדים חום (ולכן מסייעים בשמירה על טמפרטורת הגוף), מגנים על איברים פנימיים מפני פגיעה, מרכיבים את קרום התא ועוד.
כמו הפחמימות, גם השומנים הם תרכובות פחמן אורגניות המורכבות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. המשותף לכולם הוא שהם אינם מסיסים במים. למשל, אם תערבבו שמן ומים בכלי, ותניחו אותו לזמן מה ללא תנועה, תוכלו להבחין בכך ששני החומרים נפרדים זה מזה ויוצרים שתי שכבות.
השומנים הנפוצים ביותר בגופם של בעלי-חיים ושל צמחים בנויים מיחידות בניין שנקראות חומצות שומן. חומצת שומן היא שרשרת של אטומי פחמן שקשורים אליהם אטומי מימן, שבקצה אחד שלה קיימת הקבוצה COOH, המכונה קבוצה קרבוקסילית.
קיימים סוגים רבים של חומצות שומן שנבדלות זו מזו באורך השרשרת הפחמנית ובקשרים בין אטומי הפחמן - קשר יחיד או קשר כפול. בחלק מן השומנים חומצות השומן קשורות למולקולה שנקראת גליצרול. למולקולה של גליצרול קשורות שתיים או שלוש חומצות שומן, בהתאם לסוג החומר השומני.
לדוגמה, השומנים בשמן זית ובחמאה מורכבים מ-3 חומצות שומן הקשורות לגליצרול. אלה הם שומנים מהסוג טריגליצרידים.
(בספר נוסחה - היעזר במנחה)
3 חומצות שומן
נוסחת מבנה של טריגליצרידים וייצוג סכמטי של המבנה. במולקולות אלו, מולקולה של גליצרול קשורה ל-3 מולקולות של חומצות שומן
(בספר שלושה איורים - היעזר במנחה)
- השומנים בגופו של הפינגווין מספקים לו אנרגיה ושומרים על חום גופו בתקופה שהוא דוגר על הביצים
- שומנים אינם מסיסים במים
- השומנים בשמן זית ובחמאה הם מהסוג טריגליצרידים
*92*
אחד החומרים השומניים ה"מפורסמים" ביותר הוא הכולסטרול. הכולסטרול שייך לסטרואידים - אלה הם חומרים שומניים שמבנה השרשרת הפחמנית שלהם מבוסס על 4 טבעות. הכולסטרול מצוי רק במזונות שמקורם בבעלי-חיים, ולא במזונות שמקורם בצמחים. למרות תדמיתו השלילית הוא חשוב לנו מאוד. לדוגמה, הוא מרכיב חשוב בקרום התא, והוא חומר מוצא לבניית חומרים שונים כגון ויטמין D, הורמונים סטרואידיים ומלחי מרה. רוב הכולסטרול המצוי בגופנו מיוצר על ידי הגוף עצמו בכבד, ומיעוטו מגיע מן המזון שאנו אוכלים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
נוסחת מבנה של כולסטרול
ללווייתנים, החיים במים הקרים של האוקיינוסים, יש רקמת שומן עבה מתחת לעור. לעטלפים, הישנים שנת חורף, יש רקמת שומן מתחת לעור, וגם הלב שלנו, בני האדם, עטוף ברקמת שומן. אילו תפקידים ממלאים השומנים בכל אחד מהמקרים?
מטרת ההתנסות: בחינת מסיסות של שומנים בממסים שונים.
אמצעי זהירות: שיער אסוף. בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: כוס כימית המכילה שמן מאכל, 2 מבחנות מסומנות, האחת מלאה עד לחצי גובהה בממס אורגני (כוהל 90 אחוז), והאחרת מלאה עד לחצי גובהה במים, פקקים תואמים, צבע מאכל (כהה) וטפטפות.
א. טפטפו לכל אחת מן המבחנות המכילות מים או כוהל 6 טיפות של צבע מאכל, וערבבו בעדינות עד שהצבע יתפזר בממס.
ב. הוסיפו לכל אחת מן המבחנות שמן, עד לשלושה רבעים מגובהה.
ג. צפו במתרחש.
ד. פקקו את שתי המבחנות היטב, ונערו אותן בחוזקה כאשר אתם מהדקים את הפקק שבקצה המבחנה בעזרת האגודל.
ה. העמידו את המבחנות למשך כ-5 דקות וצפו במתרחש.
א. תארו את המראה של המבחנה המכילה מים ושמן.
ב. תארו את המראה של המבחנה המכילה כוהל ושמן.
סיכום ומסקנות:
סכמו את תוצאות ההתנסות: שומנים -- במים ו-- בממסים אורגניים כגון כוהל.
*93*
מטרת הפעילות: זיהוי שומנים.
אמצעי זהירות: משקפי מגן, שיער אסוף.
ציוד: 4 פיסות נייר, שמן מאכל, חמאה, תמיסת גלוקוז 1 אחוז מים מזוקקים, 3 טפטפות.
א. טפטפו על פיסת נייר אחת טיפה של שמן.
ב. טפטפו על פיסת נייר שנייה טיפה של תמיסת גלוקוז.
ג. טפטפו על פיסת נייר שלישית טיפה של מים.
ד. מעכו על פיסת הנייר הרביעית מעט חמאה.
ה. בדקו: האם הופיע על פיסת הנייר כתם שקוף שאינו מתייבש ונעלם?
סכמו את תוצאות התצפיות: אילו מהחומרים גרמו להופעת כתם שקוף שאינו נעלם?
סיכום ומסקנות:
1. סכמו: כיצד אפשר לזהות שומנים?
2. האם שיטת הזיהוי לשומנים מאפשרת להבחין בין שומנים לבין פחמימות? הסבירו.
3. מה תפקיד המים בניסוי?
4. בבעלי חיים המטילים ביצים, העובר ניזון מן החלמון. שערו: האם חלמון ביצה מכיל שומנים? נמקו את השערתכם. כיצד אפשר לבדוק זאת?
- לשומנים יש חשיבות רבה בגופם של יצורים חיים: הם משמשים מאגר אנרגיה בגוף, הם מרכיב עיקרי בקרומי התאים, הם מונעים איבוד חום מן הגוף, הם מרכיבים בחומרים חשובים לתפקוד הגוף, הם מגנים על איברים פנימיים מפני פגיעה ועוד.
- השומנים הם תרכובות פחמן אורגניות המורכבות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. המשותף לכולם הוא שהם אינם מסיסים במים.
- השומנים הנפוצים ביותר בגופם של בעלי-חיים ושל צמחים בנויים מיחידות בניין שנקראות חומצות שומן.
- אפשר לזהות שומן באמצעות טפטוף טיפה של שומן או מעיכת שומן על דף. הכתם השקוף שיתקבל לא ייעלם.
*94*
ודאי שמעתם ש"חשוב לאכול חלבונים משום שהם בונים את השרירים". מהם החלבונים, החשובים כל כך לתזונת האדם? למה הם משמשים בגופם של יצורים חיים, וכיצד הם בנויים?
החלבונים בגוף
החלבונים הם החומר האורגני העיקרי המרכיב את רקמותיהם של היצורים החיים. לדוגמה: בגוף האדם יש אלפי סוגים שונים של חלבונים, שהם כ-50 אחוז ממשקל הגוף (ללא המים).
לחלבונים חשיבות רבה בתפקוד האורגניזם, והם נחוצים כמעט לכל התהליכים הכימיים המתרחשים בגוף. יש חלבונים מבניים, המתפקדים כמרכיבי מבנה של תאי הגוף ושל הרקמות השונות, לדוגמה: הקרטין הבונה את השיער ואת הציפורניים, והחלבונים הבונים את רקמת השריר. יש חלבונים תפקודיים (חלבוני פעולה) המשתתפים בתהליכים חשובים המתרחשים בגוף. אלה הם הנוגדנים המשתתפים בהגנה על הגוף מפני גורמי מחלה, ההמוגלובין המוביל את החמצן, חלק מההורמונים כגון האינסולין, האנזימים ועוד.
(הורמון - חומר שנוצר בגוף בכמות קטנה (לרוב בבלוטה מיוחדת), ומועבר אל כל חלקי הגוף (באמצעות מערכת ההובלה - הדם, או בצינורות ההובלה של הצמח), אך רק תאים מסוימים מושפעים ממנו ומגיבים לו. הורמונים עשויים מחומרים שומניים (למשל הורמונים מקבוצת הסטרואידיים) או מחומרים חלבוניים (למשל, אינסולין).
(אנזים - חלבון שמזרז תהליכים כימיים בגוף: פירוק, בנייה ושינוי של חומרים. האנזים נקשר לחומר; שעליו הוא פועל, סובסטרט (מצע), ומזרז תגובה כימית שבסופה. מתקבל חומר אחר (תוצר), בלי שהאנזים עצמו יעבור שינוי.)
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
החלבון קולגן מצוי בתאים של רקמות חיבור (עור, גידים, עצמות וסחוס) ונותן לעור נפח. כאשר אדם מזדקן, רמת הקולגן יורדת והעור מתקמט
1. למה משמשים החלבונים בגופם של יצורים חיים?
2. בלועזית החלבונים נקראים פרוטאינים (proteins). מקור השם במילה היוונית פרוטאיוס, שפירושה: ראשוני, עיקרי.
לפי דעתכם, מדוע החלבונים נחשבים "עיקריים" בגוף?
כמו כל החומרים האורגניים בגוף, גם מולקולות החלבון בנויות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. מלבד זאת, החלבונים מכילים אטומים של חנקן (וחלקם מכילים גם גפרית).
החלבונים בגופם של כל היצורים החיים מורכבים מ-22-20 חומצות אמיניות שונות. לכולן מבנה בסיסי זהה (מתואר באיור שבעמוד הבא בצורה של גליל), אך לכל חומצה אמינית יש גם חלק הייחודי לה (מתואר באיור כבליטה בעלת צורה הייחודית לכל חומצה).
חלבון הוא מולקולה גדולה הבנויה משרשרת של חומצות אמיניות שנקשרו זו לזו. יש חלבונים שבנויים משרשראות קצרות יותר או משרשראות ארוכות בהרבה.
*95*
מצירופים שונים של 20 סוגי החומצות האמיניות אפשר ליצור אין-סוף חלבונים שונים: שרשראות החלבון יכולות להיות שונות זו מזו באורך שלהן, בהרכב שלהן (מספר החומצות האמיניות מכל סוג בשרשרת החלבון) וברצף החומצות האמיניות (הסדר שלהן זו ליד זו לאורך השרשרת).
(בספר איור - היעזר במנחה)
מגוון החלבונים בגופם של היצורים החיים גדול מאוד: בגופו של כל יצור יש אלפי חלבונים שונים! יש חלבונים המשותפים ליצורים רבים, יש חלבונים שהם ייחודיים ואופייניים ליצור ממין כלשהו, ויש חלבונים שהם ייחודיים רק לתאים מסוג מסוים.
מה שקובע כיצד כל חלבון ייבנה (מאילו חומצות אמיניות ובאיזה סדר) הוא ה-DNA שבתא. הגנים שב-DNA נושאים את המידע התורשתי הדרוש ליצירת החלבונים (על כך תלמדו בהרחבה בפרק העוסק בתורשה).
בדומה לפחמימות ולשומנים, גם החלבונים המגיעים מן המזון מתפרקים בתהליך העיכול לאבני הבניין שלהם - החומצות האמיניות - ואלו עוברות אל זרם הדם, וממנו אל תוך תאי הגוף. בכל תא ותא של כל יצור חי נבנים מן החומצות האמיניות האלה מגוון החלבונים החיוניים לתפקודו, לפי המידע התורשתי שב-DNA שלו. אם יהיה בגוף מחסור באחד מסוגי החומצות האמיניות, תיפגע בנייתם של כל החלבונים המורכבים ממנו, ותפקודו של הגוף עלול להשתבש. לכן תזונה המכילה חלבונים חשובה מאוד!
1. האם ייתכן שחומצות אמיניות שהרכיבו את החלבונים במזון שאכלנו, יימצאו לאחר מכן בחלבוני ההמוגלובין שבתאי הדם האדומים שבגופנו? נמקו.
2. מגוון החלבונים בגופם של בני האדם הוא עצום (מספר החלבונים השונים מגיע לכמה עשרות אלפים), אולם רק 20 חומצות אמיניות שונות בונות את החלבונים. כיצד אפשר להסביר זאת?
*96*
מטרת הפעילות: לזהות חלבונים בעזרת חומר בוחן (אינדיקטור).
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: תמיסת ביורט, טפטפת, כן ובו 4 מבחנות מסומנות: במבחנה 1 - רבע מבחנה מים מזוקקים, במבחנה 2 - רבע מבחנה תמיסת גלוקוז 1 אחוז, במבחנה 3 - רבע מבחנה תמיסת עמילן 1 אחוז, במבחנה 4 - רבע מבחנה חלבון ביצה.
א. הוסיפו לכל מבחנה כ-5 טיפות מתמיסת ביורט A וכ-5 טיפות מתמיסת ביורט B.
ב. ערבבו את התמיסות בכל אחת מן המבחנות.
ג. צפו בצבע המתקבל בכל אחת מן המבחנות.
מספר המבחנה, החומר הנבדק, הצבע לאחר הוספת תמיסת ביורט |
1, מים מזוקקים, -- |
2, תמיסת גלוקוז, -- |
3, תמיסת עמילן, -- |
4, תמיסת חלבון, -- |
1. איך אפשר להבחין באמצעות תמיסת ביורט בין חלבונים לבין פחמימות?
2. למה משמשות מבחנות 3-1 בניסוי?
1. בגופם של יצורים חיים קיים מגוון עצום של חלבונים. ציינו 4 הבדלים אפשריים בין החלבונים.
2. מה התפקיד העיקרי של החלבונים שבמזון (בחרו בתשובה הנכונה)?
א. שמירה על טמפרטורת הגוף.
ב. הרכבת חלבונים חדשים לבניית התאים והרקמות.
ג. יצירת מאגר אנרגיה לשעת מחסור במזון.
ד. הפקת אנרגיה מהחומצות האמיניות שבחלבונים.
*97*
כאשר אנחנו מכינים "ביצת עין" או מבשלים ביצה, חלבון הביצה משנה את צבעו ומתקשה. מה קורה לחלבון בחימום, והאם התהליך הזה הפיך?
החלבונים אינם נמצאים בצורה של שרשרת פשוטה. שרשרת החומצות האמיניות מתפתלת ומתקפלת, ומתקבל מבנה תלת-ממדי הנקרא: המבנה המרחבי של החלבון. את הצורה התלת-ממדית הזאת קובע רצף החומצות האמיניות הבונות את שרשרת החלבון, והיא ייחודית לכל חלבון ואופיינית לו.
תנאים קיצוניים כגון טמפרטורה גבוהה או רמת חומציות גבוהה, גורמים לשינויים במבנה המרחבי של חלבונים, ולעתים אף להרס בלתי הפיך. שינויים כאלה בדיוק קורים לחלבון הביצה - אלבומין - כשאנו מחממים אותו: המבנה המרחבי שלו נהרס.
תפקודו התקין של החלבון בגוף תלוי במבנה המרחבי שלו: שינוי במבנה המרחבי של החלבון פוגע בפעילותו.
לכן אם טמפרטורת הגוף גבוהה מאוד (למשל, כשחולים או כשמקבלים מכת חום), המבנה המרחבי של חלבונים שונים בגוף עלול להשתנות ותפקודם עלול להיפגע. כתוצאה מכך ישתבשו תהליכים חיוניים בגוף, וייגרם נזק לתאים ולרקמות. אחת ה"משימות" החשובות של מערכות הגוף ביצורים חיים היא שמירה על תנאים המתאימים לפעילותם התקינה של החלבונים השונים בגוף. לדוגמה: שמירה על טמפרטורת הגוף שלנו בטווח יציב (בין 36 מעלות צלסיוס ל-38 מעלות צלסיוס), באמצעות מנגנונים שונים, כגון הסמקה והזעה בתנאי עומס חום, ורעידה כאשר קר.
(בספר איור - היעזר במנחה)
המחשה של מבנה תלת-ממדי של חלבון. הצבעים השונים מסמלים אזורים שונים במולקולת החלבון
אחד ממרכיביו העיקריים של השיער שלנו הוא חלבון, הנקרא קרטין.
בתהליך החלקת שיער או סלסול שיער מוסיפים לשיער חומר ההורס את המבנה המרחבי של הקרטין, מעצבים את השערה (מחליקים אותה או מסלסלים אותה), ומוסיפים לה חומרים אחרים כך שנוצר מבנה מרחבי חדש בצורה הרצויה.
*98*
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
שימו לב! בניסוי משתמשים במים רותחים ויש להיזהר מכווייה.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
מטרת הניסוי: לבדוק את ההשפעה של טמפרטורה ו-pH על חלבון ביצה (אלבומין).
ציוד וחומרים: כוס עם מים רותחים, כוס המכילה תערובת של קרח ומים, חלבון ביצה, 5 מבחנות, כן למבחנות, טפטפת, מלקטת, אטב, מד טמפרטורה, שעון עצר, נייר pH, כפפות, חומצת מלח (HCl) בריכוז 2M, תמיסת בסיס הנתרן (NaOH)
בריכוז 0.5M.
א. סמנו את המבחנות במספרים 5-1.
ב. חלקו בעזרת טפטפת את החלבון ל-5 המבחנות. ודאו שתהיה כמות שווה בכל מבחנה (כמות של רבע מבחנה מספיקה לביצוע הניסוי).
ג. טבלו באמצעות המלקטת את נייר ה-pH בחלבון שבמבחנה 5 ומדדו את ה-pH שלו. הניחו את המבחנה בצד.
ד. החזיקו את מבחנה 1 באמצעות האטב וטבלו בחלבון את מד הטמפרטורה. הכניסו את המבחנה עם החלבון לכוס עם המים הרותחים והפעילו את שעון העצר. רשמו את הטמפרטורה בכל 10 שניות, ועקבו בו-בזמן אחר השינויים בצורת החלבון ובמרקם שלו. רשמו תצפיות מפורטות.
ה. טבלו במבחנה 2 מד טמפרטורה. הכניסו את המבחנה לכוס עם מי הקרח והפעילו את שעון העצר. רשמו את הטמפרטורה בכל 10 שניות במשך כדקה, ועקבו בו-בזמן אחר השינויים בצורת החלבון ובמרקם שלו. רשמו תצפיות מפורטות.
ו. השוו בין מבחנות 1 ו-2. רשמו תצפיות מפורטות.
א. לבשו כפפות. טפטפו למבחנה 3 טיפה אחר טיפה של חומצת מלח עד שיחול שינוי במרקם של החלבון. עקבו אחר השינויים ורשמו תצפיות מפורטות. בדקו את ה-pH של החלבון לאחר שחל שינוי במרקם שלו.
ב. טפטפו למבחנה 4 טיפה אחר טיפה של תמיסה של בסיס הנתרן, עד שיחול שינוי במרקם של החלבון.
עקבו אחר שינויים ורשמו תצפיות מפורטות. בדקו את ה-pH של החלבון לאחר שחל שינוי במרקם שלו.
ב. באילו תנאי טמפרטורה ו-pH נהרס המבנה המרחבי של החלבון?
*99*
1. מי הגורמים המשפיעים ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
2. מה הייתה הבקרה בניסוי הזה? הסבירו.
3. השוו את התוצאות שקבלתם לתוצאות שקבלו תלמידים אחרים בכיתה. הסבירו את הממצאים.
4. הסיקו מסקנות מן הניסוי:
א. כיצד משפיעה הטמפרטורה על המבנה המרחבי של חלבון?
ב. כיצד משפיע pH על המבנה המרחבי של חלבון?
5. הציעו ניסוי שבאמצעותו תוכלו לבדוק אם התהליכים שהתרחשו הפיכים.
6. מה קורה לחלבון הביצה בזמן הבישול? הסבירו.
7. חלבון הביצה חשוב לשמירה על העובר מפני זעזועים ולאספקת מים וחומצות אמיניות הדרושות לבניית גופו של העובר המתפתח בביצה. האם חלבון הביצוע יכול למלא את תפקודו הביולוגי גם לאחר שהמבנה המרחבי שלו נהרס? הסבירו.
8. בהתבסס על התצפיות שהתקבלו ב-pH חומצי, הסבירו מה קורה לחלבון במזוננו כאשר הוא מגיע לקיבה.
- חלבונים הם מולקולות גדולות הבנויות מיחידות בניין בסיסיות הנקראות חומצות אמיניות. החלבונים מופיעים כשרשראות מקופלות ויוצרות את המבנה המרחבי של החלבון.
- יש חלבונים מבניים, המתפקדים כמרכיבי מבנה של הגוף, ויש חלבונים תפקודיים ("חלבוני פעולה"), המשתתפים בתהליכים חשובים המתרחשים בגוף.
- בסביבה חומצית או בסיסית, או בטמפרטורות גבוהות, המבנה המרחבי של החלבונים עלול להיפגע.
- אפשר לזהות חלבונים בעזרת תמיסת ביורט.
גם הוויטמינים הם חומרים אורגניים החיוניים לגופנו. כמות הוויטמינים הדרושה אמנם מזערית, אך בלעדיה לא יוכל גופנו לתפקד כראוי. לעומת הצמחים והחיידקים המסוגלים לייצר את הוויטמינים מחומרים המצויים בגופם, בני האדם ורוב בעלי-החיים חייבים לקבל את רוב הוויטמינים מן המזון.
*100*
נהוג לחלק את הוויטמינים לשתי קבוצות, לפי מסיסותם בשומן או במים.
א. מסיסים בשומן - ויטמינים הבנויים מחומר שומני. הם נאגרים ברקמות השומן שבגופנו, ומשתחררים מהן אל הגוף בעת הצורך (לדוגמה: ויטמין A, ויטמין D).
ב. מסיסים במים - הוויטמינים האלה אינם נאגרים בגופנו. אם נצבר עודף בגוף, הוא מופרש החוצה בשתן (לדוגמה: ויטמין B12, ויטמין C).
(בספר שתי תמונות)
- ויטמין C, המצוי בפירות, מסיס במים
- ויטמין D, המצוי בחלב, מסיס בשומן
מהיכן מגיעה אל גופנו האנרגיה הנחוצה לפעולתו - לתנועת הגוף והאיברים הפנימיים, לשמירה על חום גוף תקין הנחוץ לקיום התהליכים שבו, ועוד?
המזון שאנו אוכלים מספק לנו אנרגיה: הוא מתפרק בתהליך העיכול, אבני הבניין שלו עוברות אל הדם, מגיעות לתאים, ושם הן משתתפות בתהליך הנשימה התאית ומשמשות (בעיקר הגלוקוז, אבל גם חומצות השומן) להפקת האנרגיה הדרושה לגוף.
(נשימה תאית- תהליך המתרחש : במיטוכונדריה שבתאים, ובו מגלוקוז ומחמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים. בתהליך הזה נפלטת אנרגיה בצורה של אנרגיה כימית ושל חום. האנרגיה הנפלטת חיונית לקיומם של תהליכים בתא.)
בתחילת הפרק למדתם כי תהליך שבו חומר מגיב עם חמצן הוא תהליך של בעירה. כאשר חומר אורגני בוער עם חמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים ונפלטת אנרגיה (בצורה של חום ואור בלהבה).
גם בתהליך הנשימה התאית מגלוקוז (או מחומצות שומן) ומחמצן נוצרים תוצרים פשוטים יותר - פחמן דו-חמצני ומים, ונפלטת אנרגיה בצורה של אנרגיה כימית. חלק מהאנרגיה הכימית שנפלטת בתהליך הנשימה התאית משמשת לתהליכים אחרים בתא, וחלק ממנה מומר לחום.
תהליך הנשימה התאית מורכב משלבים רבים, וכולל תגובות כימיות רבות שבהן מעורבים אנזימים המזרזים את התגובות.
את התהליך אפשר לסכם בניסוח הבא:
C6H12O6 פלוס 6O2 - 6CO2 פלוס 6H2O
גלוקוז פלוס חמצן (מגיבים) - פחמן דו-חמצני פלוס מים (תוצרים)
המספרים הרשומים מצדה השמאלי של נוסחת כל אחד מהחומרים מתארים את היחס הכמותי בין החומרים המשתתפים בתהליך: כל מולקולה של גלוקוז מגיבה עם 6 מולקולות של חמצן ויוצרת 6 מולקולות של פחמן דו-חמצני ו-6 מולקולות מים. ניסוח התהליך, כפי שהוא רשום כאן, הוא מאוזן. כאשר ניסוח התהליך מאוזן הוא מבטא את חוק שימור המסה בתהליכים כימיים, כלומר, כמות האטומים מכל סוג במגיבים שווה לכמותם בתוצרים.
*101*
קבוצת אנשים נמצאת בתוך חדר סגור. איזה מהגרפים שלפניכם מתאר בצורה נכונה את השינויים ברמת החמצן וברמת הפחמן הדו-חמצני בחדר? היעזרו במידע על הרכב האוויר ובנוסחת הנשימה התאית והסבירו את בחירתכם.
(בספר ארבעה גרפים - היעזר במנחה)
פחמן דו-חמצני חמצן
מכל אחד מהחומרים האורגניים השונים המרכיבים את הגוף (פחמימות, חלבונים ושומנים) אפשר להפיק כמות שונה של אנרגיה. מגרם אחד של פחמימות ומגרם אחד של חלבון אפשר להפיק אותה כמות של אנרגיה.
מגרם אחד של שומן אפשר להפיק פי שניים אנרגיה ואף יותר.
אנרגיה של מרכיבי מזון נמדדת ביחידות שנקראות קלוריות. קלוריה היא כמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של מים ב- 1 מעלה צלסיוס. 1000 קלוריות נקראות קילו קלוריה (קק"ל או Kcal).
את האנרגיה שבמזון מקובל למדוד ביחידות של קילו קלוריות. אלה הן הקלוריות הרשומות על אריזות המזון. למשל, נהוג לומר ש-100 גרם קורנפלקס מכילים 450 קלוריות, אך למעשה הכוונה היא ל-450 קילו קלוריות.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
מאכלים בעלי אחוז גבוה של שומנים מכילים כמות גדולה של קלוריות
*102*
אפשר להעריך כמה אנרגיה יפיק גופנו ממרכיבי מזון שונים באמצעות שריפת כמות מדודה של מזון בתוך מכשיר הנקרא קלורימטר. הקלורימטר הוא מכל מבודד שבו אפשר לבצע תגובות כימיות, כמו תגובת בעירה. החום שנפלט בתגובה הכימית מחמם מים שנמצאים בו (או נוזל אחר). השינוי בטמפרטורת המים נמדד, ועל פיו אפשר לחשב את כמות האנרגיה שנוספה למים. מכיוון שהמערכת מבודדת, אפשר להניח שכל החום שנפלט בתגובה הכימית עבר אל המים, ומכאן לחשב את כמות האנרגיה שנפלטה מהמזון בתהליך הכימי הזה.
התוצאות המתקבלות במדידה בקלורימטר אינן מדויקות לצורך חישוב כמות הקלוריות שהגוף קולט. הסיבה לכך היא שבקלורימטר כל החומר מגיב, אך לא כל המזון שאנו אוכלים מתעכל ועובר אל תאי הגוף. לכן הערך הקלורי של מזון המתקבל בקלורימטר, גבוה מערכו הקלורי של המזון בגוף.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
קלורימטר
- בתהליך הנשימה התאית, מגלוקוז ומחמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים. בתהליך הזה נפלטת אנרגיה כימית, שחלק ממנה משמש לתהליכים שונים בתא וחלק ממנה מומר לחום.
- קלוריה היא יחידת מידה המשמשת למדידת כמות האנרגיה במזון.
- אפשר להעריך את כמות הקלוריות במזון (הערך הקלורי שלו) באמצעות שריפתו במכשיר קלורימטר.
בפעילות הזו נשרוף בוטן (אפשר לשרוף גם במבה) בקלורימטר, ונמדוד את שינוי הטמפרטורה של המים בתהליך.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
(בספר איור - היעזר במנחה)
ציוד: קלורימטר (ראו בתרשים), בוטן או חטיף במבה, מים, מצית ארוך (כמו של כירת הבישול בבית).
א. מדדו בעזרת המשורה 10 מ"ל מים (10 גרם מים בקירוב) ומזגו אותם למבחנה בלי להוציאה מהקלורימטר.
*103*
ב. מדדו ורשמו את טמפרטורת המים (לפני החימום) בטבלת התוצאות.
ג. הוציאו את הפקק מתחתית הקלורימטר.
ד. הדליקו את הבוטן בעזרת המצית והחזירו בזהירות רבה את הפקק עם הבוטן הבוער לקלורימטר.
כדי לחשב את כמות האנרגיה שנפלטה בתהליך, היעזרו בהגדרת הקלוריה: קלוריה אחת היא כמות האנרגיה הנחוצה לחימום גרם אחד של מים ב-1 מעלה צלסיוס.
טמפרטורת המים לפני השריפה, טמפרטורת המים לאחר השריפה, הפרש הטמפרטורה של המים, כמות האנרגיה שנפלטה בתהליך (קלוריות) |
--, --, --, -- |
1. כתבו מה הייתה מטרת הפעילות.
2. הסבירו מדוע עלתה טמפרטורת המים.
3. תארו בתרשים אנרגיה את סוגי האנרגיה ואת המרות האנרגיה במקרה זה.
4. שערו: מה יתרחש אם במקום לשרוף בוטן אחד תשרפו שני בוטנים? כמה אנרגיה (בקירוב) תתקבל?
5. תלמידים ביצעו פעילות דומה, אך במקום לשרוף בוטן שרפו מוצרי מזון אחרים. שערו: מה יהיה דומה ומה יהיה שונה בתוצאות הפעילויות השונות?
6. במה התהליך שהתרחש בקלורימטר דומה לתהליך הנשימה התאית המתרחש בגופנו, ובמה התהליכים שונים זה מזה?
*104*
- לאטום הפחמן יש תכונות מיוחדות: הוא יכול ליצור 4 קשרים שיתופיים חזקים עם אטומי פחמן אחרים או עם אטומים של יסודות שונים (קשר בודד, קשר כפול או קשר משולש). אטומי פחמן הקשורים זה לזה יכולים ליצור שרשראות באורכים שונים ובצורות שונות, שהן השלד הפחמני של תרכובות אורגניות רבות. מספר רב מאוד של אטומי פחמן הקשורים זה לזה יוצר תרכובות פחמן שהן מולקולות ענק.
- היסוד פחמן מופיע בצורות שונות, שבהן אטומי הפחמן מסודרים באופן שונה. יהלום וגרפיט הם דוגמאות לשתי צורות של היסוד פחמן.
- הפחמימות הן מולקולות המורכבות מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. יחידת בניין בסיסית של הפחמימות נקראת חד-סוכר. לפחמימות יש חשיבות רבה באספקת אנרגיה לגוף בתהליך הנשימה התאית, וכחומרי תשמורת היוצרים מאגר אנרגיה בגוף. רב-סוכרים הם פולימרים שהתקבלו מחד-סוכרים שנקשרו ביניהם באופן מחזורי.
- שומנים בנויים מיחידות בניין שנקראות חומצות שומן והם אינם מסיסים במים. לשומנים יש חשיבות רבה בגופם של יצורים חיים: הם משמשים מאגר אנרגיה בגוף, מהווים מרכיב עיקרי בקרומי התאים, מונעים איבוד חום מן הגוף, מרכיבים של חומרים חשובים לתפקוד הגוף, מגנים על איברים פנימיים מפני פגיעה, ועוד.
- חלבונים הם מולקולות גדולות הבנויות מיחידות בניין בסיסיות הנקראות חומצות אמיניות. החלבונים מופיעים כשרשראות מקופלות היוצרות את המבנה המרחבי של החלבון. יש חלבונים מבניים המתפקדים כמרכיבי מבנה של הגוף, ויש חלבונים תפקודיים ("חלבוני פעולה") המשתתפים בתהליכים חשובים המתרחשים בגוף.
- בתהליך הנשימה התאית, מגלוקוז ומחמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים. בתהליך הזה נפלטת אנרגיה כימית שחלקה משמש לתהליכים שונים בתא וחלקה מומר לחום.
*105*
1. התרכובת CH4 היא דוגמה ליכולתו של אטום הפחמן:
א. ליצור 4 קשרים שיתופיים.
ב. להיקשר לאטומי מימן בלבד.
ג. ליצור קשרים כפולים.
ד. ליצור פולימר.
2. מה מאפשר את יצירת השלד הפחמני בתרכובות פחמן רבות?
א. יכולתו של אטום הפחמן להיקשר לאטומי מימן.
ב. יכולתו של אטום הפחמן ליצור קשרים חזקים עם אטומי פחמן אחרים.
ג. יכולתו של אטום הפחמן ליצור מולקולות גדולות מאוד.
ד. יכולתו של אטום החמצן ליצור קשר כפול עם אטומים אחרים.
3. במה שונים יהלום, גרפיט, גרפן ופולרן?
א. בסוג האטומים
ב. במספר האטומים
ג. בסידור האטומים ובקישור ביניהם
ד. במצב הצבירה שלהם
4. בבעירה מלאה (תגובה עם חמצן) של גרפיט, התוצר המתקבל הוא הגז פחמן דו-חמצני. מהו התוצר של בעירה מלאה של פולרן? נמקו.
5. איזו מהתרכובות הבאות אינה פחמימן?
א. C3H8
ב. C6H6
ג. CH4O
ד. C2H2
6. מה משותף לכל השומנים?
א. הם מתפרקים לסוכרים.
ב. הם אינם מסיסים במים.
ג. הם מורכבים מחומצות אמיניות.
ד. הם נוצרים בתאי שומן.
7. חד-סוכרים הם אבני הבניין של ה:
א. שומנים.
ב. פחמימות.
ג. חלבונים.
ד. ויטמינים.
*106*
8. היחס בין חומצות אמיניות וחלבונים הוא כמו בין:
א. גלוקוז לסוכרת.
ב. עמילן לגלוקוז.
ג. חומצות שומן לטריגליצרידים.
ד. חומצות שומן לגליצרול. הסבירו את בחירתכם.
9. למרכיבי המזון יש מגוון של תפקידים בגופם של יצורים חיים.
ציינו לגבי כל אחד מהתפקידים הבאים את שם מרכיב המזון המתאים: פחמימות, שומנים או חלבונים.
א. מבודדים מפני איבוד חום ומסייעים בשמירה על חום הגוף.
ב. בונים רקמות שונות, כגון רקמת השריר.
ג. משמשים מקור להפקת אנרגיה בתאי-הגוף.
10. חלבון של ביצה לא מבושלת הוא נוזל שקוף. כאשר מחממים את הביצה מתקבל מוצק לבן. מהו הגורם לכך?
א. החלבון הפך לחומר אחר.
ב. המבנה המרחבי של החלבון נהרס.
ג. החלבון התפרק לחומצות אמיניות.
ד. מצב הצבירה של החלבון השתנה.
11. בטיול משפחתי מרתיחים מים על המדורה.
א. איזה תהליך כימי גרם לחימום המים?
ב. במה דומה התהליך הזה לתהליך הנשימה התאית בגופנו?
*107*
*107*
- התא הוא יחידת המבנה והתפקוד הבסיסית של כל היצורים החיים.
- החומרים העיקריים המרכיבים את התאים ומשתתפים בתהליכים המתרחשים בהם הם מים וחומרים אורגניים: פחמימות, שומנים וחלבונים.
- התא מוקף בקרום התא, ובתוך התא יש ציטופלזמה ואברונים כגון גרעין התא, מיטוכונדריה וריבוזומים. בתאי צמחים יש גם דופן וכלורופלסטים.
- לכל אחד מאברוני התא מבנה ותפקוד החיוניים לפעילות התא.
אברוני התא
קרום תא, ציטופלזמה, גרעין תא, מיטוכונדריה, ריבוזומים, דופן תא וכלורופלסט
חומרים בתא: שומנים, פחמימות וחלבונים
חומר תורשתי (DNA)
כרומוזומים
נשימה תאית
פוטוסינתזה
*108*
כל היצורים החיים בנויים מתאים. יש יצורים חד-תאיים שכל גופם הוא תא אחד - כגון חיידק או סנדלית, ויש יצורים המורכבים ממיליארדי תאים - כגון פיל, עץ אלון או האדם. התא הוא יחידת המבנה והתפקוד הבסיסית המשותפת לכל היצורים על פני כדור-הארץ.
בגופם של יצורים חיים יש מגוון גדול של תאים מסוגים שונים הנבדלים זה מזה בצורה ובתפקוד. למרות השוני שלהם זה מזה, קיים ביניהם דמיון רב - בכולם מתקיימים רוב מאפייני החיים: התאים נושמים, ניזונים וצורכים אנרגיה, מפרישים פסולת, מגיבים לגירויים, גדלים ומתפתחים, וחלקם גם מתרבים. הדמיון בין התאים מתבטא גם במבנה הבסיסי המשותף לכולם, גם בתהליכים המתחוללים בתוכם וגם בחומרים המרכיבים אותם. בכל תא נמצאים החומרים הבונים אותו והחומרים הנחוצים לקיום תהליכי החיים המתרחשים בו.
מה מקור החומרים המצויים בתאים?
התאים קולטים מהסביבה החיצונית להם חומרים מסוימים, ואת שאר החומרים הם מייצרים בעצמם בתהליכים כימיים שונים. כל תא קולט לתוכו חומרים שונים, מעבד ומשנה אותם בתהליכי פירוק או הרכבה, ויוצר מהם את החומרים הנחוצים לו. חומרים שאינם נחוצים בתא נפלטים ממנו החוצה.
המים הם המרכיב העיקרי בתא. המים הם חומר אי-אורגני, חשיבותם עצומה ובלעדיהם לא ייתכנו חיים. המים ממיסים את רוב החומרים שבתוך התא, ומאפשרים את פעולתם של האנזימים בתא. לכן כמעט כל התהליכים המתקיימים בתא לא היו יכולים להתקיים בסביבה שאינה מכילה מים.
פרט למים, התא מורכב מחומרים אורגניים: פחמימות, שומנים, חלבונים וויטמינים, וממגוון של חומרים אחרים שנמצאים בהם בכמויות קטנות, כמו מינרלים - חומרים אי-אורגניים המעורבים בתהליכי החיים ובוויסות מאזן המים בתא.
החלבונים מהווים למעלה ממחצית החומרים האורגניים בתא, והם נחלקים לשתי קבוצות מבחינת תפקידיהם: חלבונים מבניים וחלבונים תפקודיים.
החלבונים המבניים (חלבוני המבנה) הם חומר הבניין העיקרי של התא ושל אברוניו: קרום התא, הגרעין ועוד. חלק מן התאים מכילים חלבונים הייחודיים להם, למשל: חלבוני אקטין ומיוזין הנמצאים בתאי שריר ומאפשרים לשריר להתכווץ ולהתרפות, או החלבון קולגן הנמצא בעור, בגידים וברקמות אחרות בגוף ומקנה להם חוזק.
החלבונים התפקודיים (חלבוני הפעולה) מעורבים בתהליכים שונים בתא, ובהם תהליכי הפירוק וההרכבה של החומרים השונים בתא. בין החלבונים התפקודיים נכללים האנזימים המזרזים תגובות כימיות בתא. דוגמה לחלבונים כאלה הם אנזימי הנשימה התאית (המתרחשת בתאים של כל היצורים החיים) או אנזימי הפוטוסינתזה (המתרחשת בתאים של צמחים). גם חלק גדול מההורמונים הם חלבונים תפקודיים המעורבים בתהליכים רבים. לדוגמה, הורמון הגדילה המעודד תאי עצם להתחלק, או ההורמון אינסולין המשפיע על כניסה של גלוקוז מן הדם אל תוך התאים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
מולקולת חלבון: האנזים פפסין המפרק מזון במערכת העיכול. הצבעים השונים מסמלים אזורים שונים במולקולת החלבון
הפחמימות הן מקור האנרגיה העיקרי של התא. הגלוקוז שמקורו במזון, והחמצן שמקורו באוויר, הם המגיבים בתהליך הנשימה התאית שבו נפלטת אנרגיה זמינה ומיידית לקיומם
*109*
של כל שאר התהליכים בתא. פחמימות מקבוצת הרב-סוכרים הן חלק חשוב מחומרי התשמורת הנאגרים בתאים של בעלי-חיים (גליקוגן) ובתאים של צמחים (עמילן), והם משמשים מחסני אנרגיה עתידיים שאפשר לנצלם בעת הצורך.
רב-סוכרים אחרים, כמו תאית (צלולוז), הם מרכיב חשוב בדפנות של תאי צמחים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בפקעת הבטטה נאגר חומר התשמורת עמילן
השומנים הם מקור אנרגיה בגוף וגם מרכיב חשוב בקרום התא. השומנים הם חלק מחומרי התשמורת בתאים של בעלי-חיים ושל צמחים.
בפרק הזה נעסוק במבנה התא ובאברוניו. נכיר תהליכים המתרחשים באברוני התא ונשים דגש על החומרים העיקריים המעורבים בתהליכים האלה.
הכרת התהליכים המתרחשים בתא חשובה להבנה של תפקוד הגוף השלם, הבנוי מתאים רבים.
בגופם של יצורים יש סוגים שונים של תאים הנבדלים זה מזה במראה ובתפקוד, אך המבנה הבסיסי של כולם דומה, בכולם אברונים דומים.
- איזה יתרון יש לעובדה שבתא יש אברונים שונים, כגון גרעין התא, מיטוכונדריה וריבוזומים?
- מה היה קורה, למשל, אם התאים לא היו מוקפים בקרום?
- האם כל האברונים הנמצאים בתאים של צמחים נמצאים גם בתאים של בעלי-חיים?
- האם בכל אברוני התא נמצאים אותם חומרים? בפרק זה נענה על שאלות אלה.
נלמד על החומרים העיקריים הבונים את אברוני התא והמשתתפים בתהליכים השונים המתרחשים בתא ובאברוניו. נעסוק גם בדופן התא ובכלורופלסטים המצויים בתאי הצמחים אך אינם מצויים בתאי בעלי-החיים.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
איור של תא אוגר שומן
תא בעל-חיים
*110*
כל תא מוקף בקרום התוחם אותו ומפריד אותו מן הסביבה החיצונית. קרום התא הוא הגבול המאפשר קשר דו-כיווני בין התא לבין סביבתו: דרכו עוברים חומרים שונים אל תוך התא, ומן התא החוצה. הקרום מאפשר לתאים לקלוט מן הסביבה חומרים חיוניים, כגון מים (המרכיב העיקרי של התא), חמצן (לתהליך הנשימה התאית), סוכר (גלוקוז) ויחידות בניין נוספות של חומרים אורגניים אחרים. הקרום גם מאפשר לתאים לפלוט החוצה חומרים שונים, כגון עודפי מים, פחמן דו-חמצני, אנזימי עיכול או הורמונים (שנוצרים בתאים מסויימים וצריכים לצאת מהם) וחומרי פסולת שונים.
קרום התא הוא קרום בררני, (קרום בררני - קרום שמאפשר מעבר של חומרים מסוימים, ואינו מאפשר מעבר של חומרים אחרים.) כלומר רק חלק מן החומרים עוברים דרכו, וחומרים אחרים אינם יכולים לעבור דרכו. תכונת הבררנות של הקרום היא שקובעת אילו חומרים יחדרו אל תוך התא או יצאו ממנו החוצה. כך נשמרת בתוך התא סביבה פנימית יציבה וקבועה יחסית, שאינה משתנה בקלות בעקבות שינויים בסביבה החיצונית.
המבנה הייחודי של הקרום הוא הגורם לתכונת הבררנות של התא. קרום התא מורכב בעיקר משומנים המאורגנים בשתי שכבות וביניהן משובצים חלבונים (ראו באיור). מכיוון שמולקולות השומן אינן מסיסות במים, הן יוצרות חיץ (גבול מפריד) בין הסביבה המימית בתוך התא (הציטופלזמה, שבה מומסים החומרים בתא) לבין הסביבה המימית שמחוץ לתא (הנוזל החוץ-תאי).
(בספר איור - היעזר במנחה)
המבנה של קרום התא
- מים עוברים בקלות דרך קרום התא בתהליך שנקרא אוסמוזה.
- חומרים המסיסים בשומן (כמו כולסטרול) וחומרים הבנויים ממולקולות קטנות חסרות מטען חשמלי (כמו חמצן ופחמן דו-חמצני) עוברים דרך קרום התא במהירות ובקלות, משום שהם מסוגלים לעבור בין השומנים שבקרום. החומרים האלה עוברים בין מולקולות השומן בתהליך שנקרא פעפוע (דיפוזיה). התהליך הזה אינו צורך אנרגיה. (פיעפוע (דיפוזיה) - התפשטות של חומר או התערבבות של חומרים ללא כל התערבות חיצונית, כתוצאה מהתנועה העצמית של החלקיקים.)
- חומרים מסיסים במים (שאינם מסיסים בשומן) וחומרים בעלי מטען חשמלי (יונים) עוברים דרך קרום התא באמצעות החלבונים השונים שמצויים בקרום. בין החלבונים שבקרום התא יש כאלה המתפקדים בתעלות זעירות שדרכן עוברים יונים (כמו יוני סידן וכלור). חלבונים אחרים מתפקדים כנשאים הקושרים אליהם חומרים ייחודיים ו"נושאים" (מעבירים) אותם מצד אחד של הקרום לצדו האחר (כמו גלוקוז וחומצות אמיניות). (נשאים - חלבונים המצויים בקרום התא, היוצרים קשרים עם חומרים מסוימים ומעבירים אותם מצד אחד של הקרום לצדו האחר. כל נשא ייחודי לחומר אחר.)
מולקולות גדולות אינן מסוגלות לעבור דרך קרום התא - לא בין השומנים שבקרום ולא באמצעות החלבונים שבו. לכן חומרים הבנויים ממולקולות גדולות, כגון חלבונים ורב-סוכרים, בדרך כלל אינם עוברים דרך הקרום, ומרביתם אינם מסוגלים לחדור לתאים או לצאת מהם.
*111*
מטרת הניסוי: להשוות מעבר של עמילן (רב-סוכר) ושל גלוקוז (חד-סוכר) דרך קרום בררני.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: כוס כימית, 2 שקיות דיאליזה שאורכן כ-10 ס"מ, תמיסת יוד מהולה (1 אחוז), תמיסת גלוקוז מהולה (5 אחוז), תמיסת עמילן (1 אחוז), תמיסת בנדיקט או מקלונים בודקי-גלוקוז, 4 מבחנות, 2 משפכים.
שימו לב: שקית דיאליזה עשויה מחומר פלסטי שהוא קרום בררני מלאכותי. בשקית הדיאליזה יש חורים שרק מולקולות קטנות יכולות לעבור דרכם.
א. טבלו את שתי שקיות הדיאליזה במים כדי לרכך אותן.
ב. קשרו היטב צד אחד של כל שקית. הכניסו מים לשתי השקיות כדי לוודא שאין נזילה, ורוקנו אותן.
ג. באמצעות משפך, העבירו תמיסת עמילן אל תוך אחת משקיות הדיאליזה. קשרו היטב את קצה השקית ושטפו אותה מבחוץ (כדי להיפטר משאריות של תמיסת עמילן שאולי נזלה עליה).
ד. באמצעות המשפך האחר, העבירו תמיסת גלוקוז מהולה אל תוך שקית הדיאליזה האחרת. קשרו היטב את הקצה שלה ושטפו גם אותה.
ה. מזגו תמיסת יוד לשתי הכוסות הכימיות, והכניסו לכל אחת מהן אחת משקיות הדיאליזה. רשמו על הכוס איזו שקית הכנסתם לתוכה, והקפידו שכל שקית תהיה טבולה כמעט כולה בתמיסה שבכוס.
ו. שערו: האם החומרים יעברו החוצה דרך קרום השקיות אל הכוסות שבתוכן הן טבולות?
ז. לאחר 10 דקות בדקו נוכחות גלוקוז בשתי הכוסות.
א. תארו במילים מה קרה בכל כוס.
ריק, החומר, שקית, כוס |
תחילת הניסוי, עמילן, --, -- |
תחילת הניסוי, גלוקוז, --, -- |
סוף הניסוי, עמילן, --, -- |
סוף הניסוי, גלוקוז, --, -- |
1. נסחו מסקנה ונמקו אותה: איזה חומר עבר דרך שקית הדיאליזה, ואיזה חומר לא עבר?
2. מדוע השתמשו בשקיות הדיאליזה בניסוי הזה?
*112*
חלק מן החומרים הנכנסים אל התא או יוצאים ממנו עוברים דרך קרום התא בפעפוע. כיצד מתרחש תהליך הפעפוע?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא התא, ובחרו ביחידת הלימוד דיפוזיה (פעפוע) דרך קרום התא.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
הפעילו את ההדמיה, וראו כיצד חלקיקי חומר מפעפעים דרך שתי שכבות השומנים שבקרום התא.
קראו את המידע המופיע ביחידה וענו על השאלות שלפניכם.
א. מה מייצגים שני החצים המופיעים בהדמיה?
ב. במהלך הפעפוע של חלקיקי החומר דרך קרום התא, החץ הפונה כלפי פנים התא הולך וקטן, והחץ הפונה כלפי הנוזל החוץ-תאי הולך וגדל. מדוע?
1. קרום התא הוא קרום בררני. איך תכונת הבררנות של הקרום משפיעה על הרכב החומרים בתא?
2. חוקר פיתח חומר כימי חדש שיהיה אנטיביוטיקה נגד חיידקים הגורמים מחלה במעיים. אילו תכונות של החומר עליו לבדוק כדי לדעת אם יוכל לחדור לתאי החיידקים?
3. בדרך כלל, ככל שחומר כלשהו מסיס טוב יותר בשומן, חדירתו לתאים מהירה יותר. נמקו את הטענה הזאת. היעזרו במידע שלמדתם על מבנה קרום התא.
4. חומר A עובר דרך קרומי התאים בתהליך של פעפוע. היזכרו במה שאתם יודעים על מערכת הנשימה ועל מערכת ההובלה (הדם), והסבירו מה יהיה כיוון התנועה של רוב חלקיקי חומר A במצב תקין בגוף, במקרים שהחומר הוא:
א. חמצן.
ב. פחמן דו-חמצני.
(בספר איור - היעזר במנחה)
איור של קרום התא הבררני
*113*
רוב נפחו של התא מלא בנוזל צמיגי בעל מרקם של ג'לי, הנקרא ציטופלזמה (בלטינית: ציטו שווה תא, פלזמה שווה נחל). הציטופלזמה מורכבת ברובה ממים, כלומר המים הם המרכיב העיקרי בתאים של יצורים חיים.
כאמור, בסביבה המימית שבתוך התאים מתקיימים תהליכי החיים, מפני שהמים הם ממס טוב של חומרים רבים. חלקיקי החומרים המומסים מתפזרים בתא ובאים במגע זה עם זה ועם האנזימים שבתא. כך מתאפשר קיומן של תגובות כימיות בתא. במקרים רבים המים הם גם אחד המגיבים המשתתפים בתהליך הכימי עצמו.
בציטופלזמה של כל התאים (מלבד תאי החיידקים) יש אברונים מסוגים שונים. אלה הם גופיפים תוך-תאיים המוקפים בדרך כלל בקרום הדומה במבנהו לקרום התא. לכל סוג של אברון מבנה ותפקוד מוגדרים בתא.
(אברון - גופיף שנמצא בתא ולו מבנה:ותפקוד המאפשרים את תהליכי החיים בתא.
רוב האברונים מוקפים בקרום הדומה במבנהו לקרום התא.)
האברונים השונים מאפשרים "חלוקת עבודה" בתוך התא, וכך גוברת יעילותם של התהליכים המתרחשים בו.
גרעין התא הוא האברון הגדול ביותר בתא. הגרעין בולט בגודלו בהשוואה לאברונים האחרים, ואפשר להבחין בו בבירור באמצעות מיקרוסקופ אור. העובדה הזאת סקרנה את החוקרים ועוררה את השאלה: מהי חשיבותו של גרעין התא?
בשנת 1931 ערך החוקר הגרמני יואכים האמרלינג ניסויים באצה חד-תאית הנקראת אצטבולריה. (אצה - צמח מים חסר פרחים וזרעים.) הניסויים של האמרלינג הוכיחו שגרעין התא הוא הקובע את התבונות של התא.
מאוחר יותר ערך החוקר האמריקני דניאל מאזיה ניסויים באמבה, יצור חד-תאי זעיר הנראה רק במיקרוסקופ.
שלב 1: מאזיה חתך אמבות לשני חלקים באמצעות מחט עדינה. חלק אחד הכיל גרעין והחלק האחר היה חסר גרעין.
שלב 2: הוא הפריד בין החלקים חסרי הגרעין לבין החלקים בעלי הגרעין, וגידל אותם בתנאים שווים בתוך צלוחיות שהכילו תמיסת מזון. (תמיסת מזון - מים שבתוכם מומסים חומרי מזון הדרושים לחייהם של תאים, לגידולם ולהתרבותם.)
שלב 3: כעבור זמן-מה כל החלקים חסרי הגרעין מתו, ואילו החלקים בעלי הגרעין התפתחו, גדלו לאמבות שלמות והתרבו.
(בספר איור - היעזר במנחה)
האמבות באיורים אלה הוגדלו לצורך הלימוד. במציאות אפשר להכניס לכל צלוחית אלפי אמבות
*114*
1. מהי המסקנה הנובעת מתוצאות הניסוי?
2. מהן העובדות שעל פיהן היה מאזיה יכול להגיע למסקנתו בדבר תפקודיו של גרעין התא?
3. האם אפשר להסיק מהניסויים של מאזיה מסקנה כללית בנוגע לכל היצורים החיים? נמקו.
מתוצאות הניסויים שערכו האמרלינג ומאזיה, ומתוצאות ניסויים שערכו חוקרים אחרים, עלתה המסקנה שבגרעין התא נמצא המידע לתכונות התורשתיות של כל יצור חי. תכונות אלו אחראיות לחייהם התקינים של יצורים חד-תאיים, לתפקוד התקין של כל תא ותא ושל כל המערכות בגופם של יצורים רב-תאיים, ולהתרבותם.
המידע הזה נקרא "המידע התורשתי", והוא נמצא בחומר התורשתי, ה-DNA שבגרעין התא. החומר התורשתי מאורגן וארוז בצפיפות, במבנים צרים וארוכים הנקראים כרומוזומים.
(DNA - ראשי התיבות של .Deoxyribonucleic Acid החומר התורשתי בתאי היצורים החיים, הנושא את המידע לכל התכונות התורשתיות של היצור.)
(כרומוזומים - מבנים הנמצאים; בתוך גרעין התא. הכרומוזומים בנויים בעיקר מהחומר התורשתי DNA (וגם מחלבונים), ואפשר להבחין בהם רק כאשר תא מתחלק לשני תאים חדשים.)
בתאים של יצורים חיים ממינים שונים יש מספר שונה של כרומוזומים. מספר הכרומוזומים מאפיין את המין שהיצור משתייך אליו. לדוגמה: בגרעין תא גוף של בני האדם יש 46 כרומוזומים, בקוף 48 כרומוזומים, בתרנגולת 78 כרומוזומים, בנמלה 48 כרומוזומים, בסרטן נזיר 254 כרומוזומים, בתפוח אדמה 48 כרומוזומים ובצמח האפונה 14 כרומוזומים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
החומר התורשתי (DNA) מאורגן בכרומוזומים שבגרעין התא
כמעט בכל התאים מצויים אברוני המיטוכונדריה (וביחיד מיטוכונדריון), המספקים אנרגיה לפעילויות בתא. באברונים האלה מתבצע תהליך חשוב, שבלעדיו לא היו מתאפשרים החיים בעולמנו - תהליך הנשימה התאית.
נשימה היא אחד ממאפייני החיים, והיא מתקיימת בכל היצורים החיים - חד-תאיים, צמחים ובעלי-חיים. החמצן המגיע אל התאים משתתף בתהליך פולט אנרגיה שבו חומרים אורגניים, בעיקר גלוקוז, מתפרקים לחומרים פשוטים יותר. האנרגיה הכימית המתקבלת בתהליך הנשימה התאית מנוצלת בתא לקיומם של תהליכים קולטי אנרגיה, לדוגמה: הובלה של חומרים בתוך התא, בנייה של חומרים באמצעות
*115*
אנזימים ועוד. בתהליך הנשימה התאית נפלטת גם אנרגיה בצורה של חום.
הפירוק של חומרים אורגניים בתהליך הנשימה התאית מתרחש במיטוכונדריה בעזרת אנזימים (חלבונים) ייחודיים הנמצאים באברונים אלה. למיטוכונדריה מבנה מורכב של קרומים פנימיים. בדומה לשאר קרומי התא, גם קרומי המיטוכונדריה הם בררניים ומורכבים משתי שכבות של שומנים שביניהם משובצים חלבונים.
מספר אברוני המיטוכונדריה בתאים שונים של אותו יצור חי אינו קבוע, והוא יכול לנוע מעשרות ועד למאות, בהתאם לסוגי התאים ולצורכי האנרגיה בהם. לדוגמה, בתאי שריר יש מספר רב של אברוני מיטוכונדריה. כאשר אנו מבצעים מאמץ גופני, כגון ריצה, מתגברת הנשימה התאית באברוני המיטוכונדריה הרבים שבתאים של שרירי הרגליים, וכך אספקת האנרגיה בתאי השריר גדלה בצורה משמעותית ומאפשרת לשרירים להתכווץ ולהניע את הרגליים חזק יותר ומהר יותר.
גם בתאי הזרע יש אברוני מיטוכונדריה רבים, המספקים לתאים האלה את האנרגיה הרבה הדרושה לתנועתם אל עבר תא הביצה, לקראת ההפריה.
בניגוד לתאי שריר ולתאי זרע, בתאי שומן יש פחות מיטוכונדריה, מכיוון שצריכת האנרגיה בתאים האלה נמוכה יחסית.
אם כן בתאים הזקוקים לאנרגיה רבה לצורך פעילותם יש בדרך כלל אברוני מיטוכונדריה רבים מאוד.
1. הנשימה התאית מתרחשת במיטוכונדריה, והיא התהליך המספק את האנרגיה הדרושה לקיום כל התהליכים בתא.
באילו תאים, לדעתכם, כמות אברוני המיטוכונדריה גדולה יחסית, בתאי עור או בתאי שריר הלב? הסבירו.
2. לפניכם רשימת תהליכים המתרחשים בתאים.
קראו כל סעיף וענו: האם התהליך המתואר בו מתרחש באמצעות האנרגיה הנפלטת בנשימה התאית? אם עניתם שלא, נמקו את קביעתכם.
א. פעילות של תא שריר.
ב. כניסת חומצת שומן בפעפוע (דיפוזיה) אל תוך תא שומן.
ג. תנועה של תא זרע.
ד. יציאת פחמן דו-חמצני בדיפוזיה מתא דם לבן.
3. גלוקוז וחמצן הם המגיבים בתהליך הנשימה התאית.
א. מהיכן מגיע הגלוקוז אל תאי הגוף?
ב. מהיכן מגיע החמצן אל תאי הגוף?
4. החמצן הכרחי לקיומם של רוב היצורים החיים. הסבירו מה יתרחש בתאי-גופו של אדם אם מערכת הנשימה שלו נפגעת.
5. בזמן מאמץ גופני נפלט מגופנו חום רב יותר. הסיבה לכך היא (בחרו בהיגד הנכון):
א. קצב הנשימה התאית בכל תאי הגוף גובר, וצריכת החמצן בכל הגוף עולה.
ב. קצב הנשימה התאית בכל תאי הגוף גובר, ויותר פחמן דו-חמצני נפלט מהתאים.
ג. קצב הנשימה התאית בתאי השרירים גובר, ויותר חום משתחרר מהם.
ד. קצב הנשימה התאית בתאי השרירים גובר, והחום הופך לאנרגיה כימית.
*116*
הריבוזומים הם "מפעלי ייצור החלבונים" של התא. באברונים האלה החלבונים נוצרים, לפי המידע המצוי בחומר התורשתי שבגרעין התא. הריבוזומים אמנם נקראים אברונים, אך הם קטנים בהרבה משאר האברונים והם אינם מוקפים בקרום.
בפרק התורשה תלמדו כיצד חלבונים שונים נבנים בריבוזומים לפי המידע התורשתי שב-DNA של כל תא ותא.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בנייה של חלבון בריבוזום
החלבונים נוצרים בריבוזומים, אך היכן הם מתפרקים וכיצד?
בשנת 2004 זכו פרופסור אברהם הרשקו ופרופסור אהרון צ'חנובר, שני חוקרים ישראלים מהטכניון בחיפה, בפרס נובל לכימיה. ועדת הנובל העניקה לחוקרים את הפרס היוקרתי בזכות "גילוי אחד מהתהליכים החשובים ביותר בתא שמאפשר את פירוק החלבונים".
הרשקו וצ'חנובר גילו כי בתאים מצויים מבנים חלבוניים הקרויים פרוטאוזומים. הם חקרו ומצאו שבפרוטאוזום מתרחשים תהליכי פירוק של חלבונים פגומים או של חלבונים שסיימו את תפקידם בתא. התגלית הזאת הביאה לפריצת דרך בעולם המדע - בעיקר בחקר הסרטן, מנגנוני הזדקנות התאים ומחלות ניווניות של מערכת העצבים.
(בספר שתי תמונות)
פרופ' אברהם הרשקו
פרופ' אהרון ציחנובר
האנזימים הם קבוצה גדולה ומגוונת של חלבונים תפקודיים חשובים ביותר המצויים בגופם של כל היצורים החיים. (אנזים - חלבון שמזרז תהליכים כימיים בגוף: פירוק, בנייה ושינוי של חומרים. האנזים נקשר לחומר שעליו הוא פועל, סובסטרט (מצע), ומזרז תגובה כימית שבסופה מתקבל חומר אחר (תוצר), בלי שהאנזים עצמו יעבור שינוי.) הם נקראים גם "זרזים ביולוגיים", מפני שהם מזרזים את כל התהליכים הכימיים המתרחשים בתאים. ללא אנזימים רוב התהליכים האלה לא היו מתרחשים בתאי הגוף ביעילות, או כלל לא היו יכולים להתקיים בתנאים השוררים בתא. האנזימים מעורבים בתהליכי פירוק של מולקולות, בבנייה של מולקולות חדשות ובשינוי מבנה של מולקולות. בגוף, בתוך התאים ומחוץ להם, פועלים מאות סוגי אנזימים שונים.
האנזים נקשר לחומר (אחד או יותר) שעליו הוא פועל, החומר הזה נקרא סובסטרט (מצע). האנזים מזרז תגובה כימית, שבסופה מתקבל חומר שונה (אחד או יותר) הנקרא תוצר. התהליך הזה, הנקרא תגובה אנזימטית, מתרחש בלי שהאנזים עצמו יעבור שינוי כלשהו, כלומר: בסוף התהליך האנזים חוזר למצבו המקורי והוא שוב זמין להיקשר לסובסטרט חדש. לכן כל מולקולת אנזים מסוגלת לזרז תגובה כלשהי מספר רב של פעמים.
התגובה האנזימטית מתרחשת הודות להתאמה בין מבנה הסובסטרט למבנה האנזים. נהוג להשוות התאמה זאת להתאמה בין מפתח למנעול: כשם שרק מפתח מתאים פותח מנעול מסוים, כך כל אנזים יכול להיקשר רק לסובסטרט מסוים ולבצע את פעולתו. לכן כל אנזים פועל על סובסטרט ייחודי לו ומזרז תגובה כימית ייחודית. כאשר האנזים נקשר לסובסטרט שלו, מתרחשים תהליכים כימיים של פירוק או של הרכבה שבסופם מתקבל התוצר.
*117*
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
שלב 1:
המבנה של סובסטרט א ושל סובסטרט ב מתאים למבנה של האנזים
שלב 2:
שני הסובסטרטים נקשרים לאנזים ומתרחשת תגובה כימית
שלב 3:
התוצר שמתקבל ניתק מהאנזים, והאנזים מוכן לפעילות נוספת
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא התא, ובחרו ביחידת הלימוד כיצד פועלים האנזימים?
א. בחרו באפשרות פירוק, הפעילו את ההדמיה וראו את המנגנון שבו אנזים מזרז פירוק של סובסטרט לתוצריו.
ב. בחרו באפשרות הרכבה, הפעילו את ההדמיה וראו את המנגנון שבו אנזים מזרז הרכבה של שני סובסטרטים לתוצר חדש.
שימו לב להתאמה הייחודית של מבנה האנזים למבנה הסובסטרט שעליו הוא פועל, בשני חלקי ההדמיה.
האנזימים הם חלבונים, ולכל אנזים יש טווח טמפרטורות שבו הוא פועל בצורה מיטבית. ככל שעולה הטמפרטורה מעבר לטווח מסוים, משתנה המבנה המרחבי של האנזים (לעתים עד כדי הרס בלתי הפיך). כתוצאה מכך נפגעת ההתאמה בין האנזים לבין הסובסטרט, ופעילות האנזים יורדת ואף נפסקת לחלוטין. במקרים כאלה משתבש התהליך הכימי שהאנזים מזרז בגוף. כאשר הטמפרטורה יורדת לא מתרחש שינוי במבנה המרחבי של החלבון, אך יש האטה בפעילות האנזים.
לכל אנזים יש גם טווח חומציות מיטבי לפעולתו - המבנה המרחבי של אנזימים רבים משתנה בסביבה שרמת החומציות בה גבוהה (כלומר - pH נמוך) ואז נפגעת פעילותם. לדוגמה: הוספת כמות מסוימת של מיץ לימון (חומצת לימון) לתמיסה המכילה את האנזים עמילז תגרום לשינוי במבנה המרחבי של מולקולות האנזים ולשיבוש התגובה הכימית שהוא מזרז. גם סביבה בסיסית מאוד (pH גבוה) משבשת את המבנה המרחבי של האנזים ואת פעילותו.
*118*
האנזים קטלאז מזרז את התגובה הכימית של פירוק מימן על-חמצני (מי-חמצן, H2O2) למים ולחמצן.
מי-חמצן הם הסובסטרט, מים וחמצן הם התוצרים.
האנזים הזה אינו מזרז תגובות כימיות אחרות.
H2O2(סובסטרט) - (האנזים, קטלאז) - H2O פלוס O2 (תוצרים)
מטרת הניסוי: לבדוק את השפעת הטמפרטורה על פעילות האנזים קטלאז.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: 2 תפוחי אדמה, אחד טרי ואחד מבושל, קלופים ומרוסקים לעיסה בממחה (בלנדר) או בפומפייה דקה, מים מזוקקים, 2 משורות, 2 משפכים, 4 שכבות גזה, 8 מבחנות, 6 כוסות כימיות בנפח 250 מ"ל, מי-חמצן 9 אחוז, מי ברז חמים, קוביית קרח, מד טמפרטורה.
השערה: נסחו השערה בנוגע להשפעת הטמפרטורה על מהירות פעולתו של האנזים קטלאז בפירוק מי-חמצן ונמקו אותה.
א. העמידו את המשפך מעל המשורה והניחו עליו את הגזה. סננו דרך הגזה את עיסת תפוח האדמה הטרי. במשורה האחרת הכינו באותה הדרך מיצוי מתפוח אדמה מבושל (לפני הסינון יש להוסיף מעט מים לרסק תפוח האדמה המבושל).
ב. סמנו על כל המבחנות קו בשליש הגובה שלהן (כ-4 ס"מ מתחתית המבחנה).
ג. מספרו את 8 המבחנות, ומזגו לתוכן נוזלים עד לשליש הגובה
לפי התכנית הזאת: למבחנות 6-1 מזגו מיצוי מתפוח האדמה הטרי, למבחנה 7 מזגו מיצוי מתפוח האדמה המבושל, ולמבחנה 8 מזגו מים מזוקקים.
ד. מלאו כל כוס כימית במי ברז שהטמפרטורה שלהם שונה, עד גובה של שני שלישים. השתמשו במים חמים ובקוביות קרח בהתאם לצורך, ותוודאו שטמפרטורות המים בכוסות תהיינה כאלה:
10 מעלות צלסיוס, 20 מעלות צלסיוס, 30 מעלות צלסיוס, 40 מעלות צלסיוס, 50 מעלות צלסיוס ו-60 מעלות צלסיוס.
הטיפול בחלקי הניסוי שהטמפרטורות בהם 50 מעלות צלסיוס ו-60 מעלות צלסיוס יבוצע על ידי המורה.
ה. העמידו את 6 המבחנות עם מיצוי תפוח האדמה הטרי בתוך הכוסות. בכוס שהטמפרטורה שלה 40 מעלות צלסיוס העמידו גם את מבחנות 7 ו-8.
ו. הוסיפו לכל מבחנה מי-חמצן, עד לגובה שני שלישים של המבחנה. שימו לב לכמות הקצף שנוצר בכל מבחנה.
מדדו את גובה הקצף שנוצר בכל מבחנה לאחר חצי דקה, ודרגו את כמות הקצף שנוצרה באופן יחסי (פלוס, פלוס פלוס, פלוס פלוס פלוס).
*119*
1. מדוע נוצר קצף בחלק ממבחנות הניסוי - איזה גז השתחרר במבחנות אלה? איך אפשר להוכיח זאת?
2. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
3. מי הגורמים הקבועים בניסוי הזה?
4. מה הייתה הבקרה בניסוי הזה? הסבירו.
5. נסחו מסקנה הנובעת מתוצאות הניסוי.
6. נסחו שאלת חקר חדשה והציעו ניסוי המשך שיאפשר לבדוק השפעה של גורם אחר על פעילות האנזים קטלאז.
מלבד האברונים שאפשר למצוא כמעט בכל התאים החיים, בתאי צמחים יש מבנים נוספים הייחודיים להם.
דופן התא היא מעטפת קשיחה המקיפה את תא הצמח מחוץ לקרום. היא מייצבת את התא, שומרת על צורתו ומגנה עליו מפגיעות ומלחץ. לדוגמה: כאשר תא הצמח מאבד מים, או כאשר מים רבים חודרים אליו, הדופן הנוקשה שומרת על צורת התא ואינה מאפשרת לתא להתכווץ יותר מדי ולקרוס פנימה, או להתנפח יותר מדי ו"להתפוצץ". בדופן התא פתחים רבים המאפשרים לחומרים שונים לעבור דרכם. כלומר, בניגוד לקרום התא, הדופן אינה בררנית.
אחד המרכיבים העיקריים של דופן התא של תאי הצמח הוא סוג מסוים של פחמימה: מולקולות ענק של רב-סוכר הנקרא תאית (צלולוזה). על פי הערכת חוקרים, כשליש מהמסה של כל החומר הצמחי המצוי בכדור-הארץ הוא תאית.
בני-האדם ובעלי-חיים אחרים, אינם מסוגלים לעכל תאית. רק בעלי-חיים מסוימים, כגון מעלי גירה, אוכלי עשב אחרים (סוסים, גמלים, ארנבות ועוד) ומינים של טרמיטים וחלזונות שבמעיים שלהם מתקיימים חיידקים מפרקי תאית, מסוגלים להפיק ערך תזונתי מהתאית שהם אוכלים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תא צמח
*120*
בתאי הצמח הירוקים מצויים אברונים הנקראים כלורופלסטים. באברונים האלה מתרחש, בעזרת אנרגיית האור, תהליך הפוטוסינתזה שבו נוצרים חומרי מזון (פחמימה מסוג גלוקוז) וחמצן מפחמן דו-חמצני וממים. הגלוקוז שנוצר בפוטוסינתזה הוא מקור האנרגיה של תאי הצמח והוא מתפרק בנשימה התאית. נוסף על כך, ממולקולות הגלוקוז האלה נבנים בצמח שאר החומרים האורגניים הדרושים לו (פחמימות נוספות, שומנים וחלבונים).
(פוטוסינתזה - (פוטו שווה אור; סינתזה שווה בנייה), תהליך המתרחש בתאי הצמח הירוקים. בתהליך הזה הצמחים מייצרים, בעזרת אנרגיית האור, חומר אורגני (סוכר מסוג גלוקוז) מחומרי מוצא אי-אורגניים (CO2 ומים), ופולטים חמצן אל הסביבה.)
לכלורופלסטים מבנה מורכב של קרומים פנימיים, שגם הם בררניים ומורכבים משתי שכבות של שומנים שביניהם משובצים חלבונים. בתוך הכלורופלסטים נמצאים אנזימים (חלבונים) ייחודיים - אנזימי הפוטוסינתזה.
כל כלורופלסט מכיל מולקולות של צבען (פיגמנט) ירוק, שנקרא כלורופיל. מולקולות הכלורופיל קולטות אנרגיית אור מהשמש, שהיא מקור האנרגיה בתהליך הפוטוסינתזה. הכלורופיל הוא שמעניק לצמחים את צבעם הירוק.
(כלורופיל - (כלורו שווה ירוק; פילום שווה עלה) צבען (פיגמנט) ירוק שנימצא בכלורופלסטים בתאי הצמחים. לכלורופיל חשיבות מרכזית בתהליך הפוטוסינתזה: המרת אנרגיית האור לאנרגיה כימית.)
על הפוטוסינתזה ועל חשיבותה תלמדו בהרחבה בפרק העוסק בהזנה.
(בספר שני איורים - היעזר במנחה)
- תאים בעלה של צמח שצולמו במיקרוסקופ אור בהגדלה פי 400. הנקודות הכהות הן הכלורופלסטים
- איור של כלורופלסט המאפשר "להציץ" אל הקרומים היוצרים בתוכו מבנה מורכב
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים.
היכנסו אל הנושא התא, ובחרו ביחידת הלימוד תא בעל-חיים ותא צמח. העבירו את הסמן על פני תא בעל-החיים ועל פני תא הצמח, והכירו את האברונים שבהם.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*121*
נסחו את התבחינים (הקריטריונים) שעל פיהם תערכו את ההשוואה בין התאים, וציינו לגבי כל אחד מהם אם הוא קיים בתא של צמח, בתא של בעל-חיים, או בשניהם.
מטרת הפעילות: צפייה בתאים מן הלחי הפנימית, בתאים של הצמח אלודיאה ובתאים של בננה.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: מיקרוסקופ אור, עלה מהצמח אלודיאה, זכוכיות נושאות, זכוכיות מכסות, כלי מים, 2 טפי, מתילן כחול, נייר סופג, מלקטת (פינצטה), קיסמי עץ, מחט מתקן, בננה בוסר, בננה בשלה, תמיסת יוד מהולה (1 אחוז).
א. טפטפו טיפת מים על זכוכית נושאת אחת.
ב. גרדו בעדינות בקיסם את הצד הפנימי של הלחי (בתוך הפה).
ג. פזרו בתוך טיפת המים, בערבוב עדין, את התאים שעל הקיסם. כסו בזכוכית מכסה וספגו את עודפי המים.
ד. טפטפו באמצעות טפי טיפת מתילן כחול בצד אחד של זכוכית המכסה (הצבע הכחול יחדור אל מתחת לזכוכית המכסה).
ה. הניחו בעדינות נייר סופג בצד האחר של זכוכית המכסה וספגו את עודפי הצבע והמים. הצבע יתפזר על הדוגמה כולה.
ו. התבוננו בתכשיר מבעד לעדשות המיקרוסקופ וזהו את התאים.
ז. ציירו את התאים כפי שנראו במיקרוסקופ. אם הצלחתם להבחין בגרעיני תאים ציינו אותם בציור. תנו כותרת לציור, וכתבו באיזו הגדלה צפיתם בתאים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תאי אפיתל מן הלחי הפנימית (צבועים במתילן כחול), צולמו במיקרוסקופ בהגדלה פי 400
*122*
א. טפטפו טיפת מים על זכוכית נושאת אחרת.
ב. הניחו בזהירות באמצעות המלקטת עלה צעיר של אלודיאה בתוך טיפת המים.
ג. כסו את הדוגמה בזכוכית מכסה, וספגו בעדינות את עודף הנוזל. השתדלו שלא ייווצרו בועות אוויר.
ד. התבוננו בתכשיר מבעד לעדשות המיקרוסקופ בהגדלות השונות, וזהו את תאיו ואת האברונים האלה: כלורופלסטים, דופן התא, גרעין.
ה. ציירו את התאים, כפי שנראו במיקרוסקופ. אם הצלחתם להבחין בכלורופלסטים, בדופנות התאים ובגרעיני תאים ציינו אותם בציור.
תנו כותרת לציור, וכתבו באיזו הגדלה צפיתם בתאים.
(בספר ציור - היעזר במנחה)
תאים בעלה של אלודיאה, צולמו במיקרוסקופ בהגדלה פי 400
א. כתבו על זכוכית נושאת אחת "בננה בשלה", ועל זכוכית אחרת - "בננה בוסר".
ב. טפטפו טיפת מים על 2 הזכוכיות נושאות.
ג. בעזרת קיסם, גרדו בעדינות את פרי הבננה הבשלה והבננה הבוסר אל הזכוכיות הנושאות (קיסם חדש לכל בננה).
ד. פזרו בתוך טיפת המים, בערבוב עדין, את התאים שעל הקיסם וטפטפו טיפה אחת של תמיסת יוד מהולה. כסו בזכוכית מכסה וספגו את עודפי הנוזלים.
ה. התבוננו ב-2 תכשירי הבננות שהכנתם מבעד לעדשות המיקרוסקופ.
ו. ציירו את התאים כפי שנראו במיקרוסקופ. תנו כותרת לציור, וכתבו באיזו הגדלה צפיתם בתאים.
(בספר איור - היעזר במנחה)
עמילופלסטים בבננה, צולמו במיקרוסקופ בהגדלה פי 400
3. יסמין טוענת שבננה בשלה מכילה יותר עמילן מבננה בוסר.
עומר טוען שבננה בשלה היא מתוקה, מכיוון שהעמילן שהיה בה התפרק לסוכר.
א. האם על סמך התוצאות שקיבלתם אפשר להחליט מי משניהם צודק? הסבירו.
ב. מה הקשר בין צבע הבננה (קליפת הפרי) לבין כמויות העמילן בתאי הבננה?
ג. הציעו ניסוי שבעזרתו תוכלו לבדוק איזו בננה מכילה יותר עמילן - בננה בשלה או בננה בוסר.
*123*
- התא הוא יחידת המבנה והתפקוד הבסיסית של כל היצורים החיים על כדור-הארץ.
- כל התאים דומים זה לזה במבנה הבסיסי שלהם, בתהליכים המתחוללים בתוכם ובחומרים המרכיבים אותם. החומרים השונים שבתאים חשובים לתפקוד התא ולתפקוד אברוניו השונים.
- לכל התאים יש קרום תא וציטופלזמה, וברובם יש גרעין תא, מיטוכונדריה וריבוזומים. תא צמח כולל גם דופן תא וכלורופלסטים.
- קרום התא הוא בררני, והוא מאפשר לשמור על סביבה פנימית יציבה וקבועה בתא. הציטופלזמה היא התווך שבו מתרחשים תהליכים שונים בתא. בגרעין התא נמצא המידע לתכונותיו התורשתיות של היצור. במיטוכונדריה מתרחש תהליך הנשימה התאית, המספק אנרגיה לפעילות התא. בריבוזומים נוצרים החלבונים, הבונים את התא ומעורבים בפעילותו. הדופן של תאי הצמח היא מעטפת קשיחה הנמצאת מחוץ לקרום התא ושומרת על צורת התא. בכלורופלסטים שבתאי הצמח מתרחש תהליך הפוטוסינתזה.
1. לפניכם רשימת חומרים ורשימת תפקידיהם בתאים. התאימו בין כל חומר לתפקידיו העיקריים.
1. שומן
2. רב-סוכר
3. חלבון
4. DNA (חומר תורשתי)
5. מים
א. מקור אנרגיה ומרכיב בדופן תאי צמחים
ב. מרכיב עיקרי בציטופלזמה הממלאת את התא
ג. אנזים ומרכיב מבני בקרום התא (למשל: נשא)
ד. מקור אנרגיה ומרכיב עיקרי בקרום התא ובקרומי האברונים
ה. מרכיב עיקרי של הכרומוזומים בגרעין
2. לפניכם כמה משפטים על קרומים בררניים בתאים. איזה משפט נכון?
א. הם קיימים רק בתאי צמח ובתאים של בעלי-חיים.
ב. הם בנויים משתי שכבות של חלבונים שביניהם משובצים שומנים.
ג. הם עוטפים את התאים ולא מאפשרים להם להתכווץ יותר מדי או להתנפח יותר מדי.
ד. הם עוטפים את התאים ואת האברונים שבתאים (לדוגמה: גרעין, מיטוכונדריה).
3. דניאל טען כי בכל התאים של אורגניזם מסוים מספר המיטוכונדריה שווה פחות או יותר. לעומת זאת, הילית טענה כי יש הבדל בכמות המיטוכונדריה בתאים מסוגים שונים של אותו אורגניזם. לפי דעתכם, איזו טענה נכונה? נמקו את בחירתכם.
*124*
4. בצמחים מסוג מסוים התגלתה מחלה נדירה, שבה נפגעת אספקת האנרגיה בתאים. מאיזו פגיעה, ככל הנראה, נובעת המחלה?
א. בציטופלזמה או בדופן התא
ב. בכלורופלסט או במיטוכונדריה
ג. בריבוזומים
ד. בדופן התא
5. קראו את המשפטים שלפניכם, וקבעו אם הם נכונים או לא נכונים. תקנו את המשפטים השגויים.
א. הציטופלזמה היא נוזל צמיגי המורכב בעיקר משומנים וממלא את אברוני התא.
ב. גרעין התא מכיל חומר תורשתי (DNA) המאורגן בכרומוזומים.
ג. לתאי עצב של אדם יש קרום תא, ולתאים בגבעול של חמנית אין קרום אך יש דופן.
ד. בתאים הצורכים אנרגיה רבה אפשר למצוא כמות רבה יותר של מיטוכונדריה.
ה. בכל התאים מתקיימים רוב מאפייני החיים: נשימה, הזנה וצריכת אנרגיה, הפרשה ותגובה לגירויים.
ו. החומרים האורגניים המרכיבים את התאים הם מים, שומנים וחלבונים.
ז. בתהליך הנשימה התאית נוצר גלוקוז מפחמן דו-חמצני וממים, בעזרת אנרגיית האור.
ח. לרוב, חומרים מסיסים בשומן יכולים לחדור לתאים מהר יותר מחומרים שאינם מסיסים בשומן.
ט. תהליך הפוטוסינתזה מתרחש בכל תאי הצמח.
6. מחלת טאי-זקס נגרמת בעקבות חוסר באנזים חיוני המזרז תהליך כימי של פירוק שומנים בתוך תאי המוח. הצטברות השומנים שלא התפרקו בתאי המוח פוגעת בתפקוד המוח ובאיברים נוספים, והמחלה הקשה מסתיימת במוות בגיל צעיר.
תלמידים חשבו על רעיונות לתרופה שתוכל לסייע לתינוקות החולים:
יאיר הציע לתת לתינוקות לשתות סירופ המכיל את האנזים החסר.
מרינה הציעה להזריק ישירות לדם תמיסה המכילה את האנזים החסר.
שניהם טענו כי מולקולות האנזים שבתרופה יגיעו אל תאי המוח, יחדרו אליהם ויזרזו את פירוק השומנים בהם.
מה דעתכם על כל אחד מהרעיונות האלה? האם הם מתאימים כתרופה למחלת הטאי-זקס? נמקו.
*125*
*125*
- כל היצורים החיים זקוקים למזון למחייתם.
- הצמחים מייצרים חומרים אורגניים (חומרי מזון) מחומרים אי-אורגניים.
- מקור האנרגיה המשמש לתהליכי ייצור של חומרים אורגניים בצמח הוא אור השמש.
- האדם, וכמוהו גם שאר בעלי-החיים, אוכלים את המזון ומשתמשים בו לבניית הגוף ולהפעלתו.
- תזונה נבונה כוללת את כל הקבוצות של מרכיבי המזון, בכמויות המתאימות לצורכי הגוף.
- עיכול הוא תהליך של פירוק חומרי המזון ליחידות הבניין שלהם.
- האיברים המשמשים את בעלי-החיים, ובכללם האדם, להשגת המזון ולעיכולו, מותאמים לתפקודם.
יצרנים – אוטו טרופים
צרכנים – הטרו טרופים
פוטוסינתזה
כלורופיל
עיכול (פירוק מכני, פירוק כימי, ספיגת המזון)
פירמידת מזון
*126*
מעטים הם הנושאים המעוררים עניין כה רב כמו נושא התזונה. המזון, מלבד היותו צורך קיומי, מעסיק אותנו גם בהקשרים חברתיים, בריאותיים ואחרים. התזונה היא נושא חשוב לא רק ברמה האישית, אלא גם ברמה העולמית. בעוד שבמקומות אחדים בעולם אנשים רבים סובלים מהשמנת יתר, במקומות אחרים בעולם אנשים סובלים מרעב.
הפרק שלפניכם עוסק בתזונה של כל היצורים החיים בעולמנו - הצמחים, האדם ושאר בעלי-החיים. הצורך במזון הוא אחד ממאפייני החיים, הוא משותף לכל היצורים החיים בעולם. אנחנו, הפילים, התולעים, החיידקים, הכלניות ושאר היצורים החיים, כולנו זקוקים למזון. רכיבי התזונה המצויים במזון משמשים עבורנו לשתי מטרות: (רכיבי תזונה - החומרים הבסיסיים הדרושים לבנייה ולהפעלה של הגוף החי: פחמימות, חלבונים, שומנים? ויטמינים, מינרלים ומים.)
1. בניית התאים, הרקמות והאיברים של הגוף - כמו שבניינים ומכוניות בנויים מחומרים שונים (כגון בטון, ברזל ופלסטיק), כך גם גופם של יצורים חיים בנוי ממגוון חומרים. האיברים השונים של הגוף, הרקמות, התאים והאברונים - בנויים כולם מחומרים שמורכבים ממולקולות ומאטומים. החומרים האלה מגיעים אל גופם של היצורים החיים באמצעות המזון.
2. אספקת אנרגיה לקיום תהליכים שונים - כל היצורים זקוקים לאנרגיה לקיומם של תהליכי החיים. בבעלי-חיים האנרגיה נחוצה לתנועה, לגדילה, להעברת אותות עצביים ועוד. בצמחים היא נחוצה לגדילה, לפריחה, להבשלת פרי ועוד. האנרגיה הדרושה לבעלי-חיים מגיעה עם החומרים המצויים במזון שהם אוכלים. לעומת זאת, צמחים אינם אוכלים מזון, ומקור האנרגיה בתאיהם הוא חומרי המזון שהם מייצרים בעצמם בעזרת אור השמש.
באופן כללי, אפשר לחלק את רכיבי התזונה לשני סוגים:
1. חומרים אורגניים - פחמימות, חלבונים ושומנים המשתתפים בתהליך הנשימה התאית שבו נפלטת אנרגיה. גם הוויטמינים הם חומרים אורגניים.
2. חומרים אי-אורגניים - מים ומינרלים שונים. החומרים האלה מעורבים בכל התהליכים המתקיימים בגופם של היצורים החיים.
חומרים אורגניים - פחמימות, חלבונים, שומנים, ויטמינים
חומרים אי-אורגניים - מים, מינרלים
אך לא רק הצורך במזון משותף לכל היצורים, גם החומרים הדרושים להם דומים. גופם של כל היצורים החיים - בעלי-החיים, הצמחים, החיידקים וכל השאר - מורכב ממים ומאותן קבוצות של חומרים, כגון פחמימות, חלבונים ושומנים. לכן היצורים החיים ניזונים זה מזה: הזחל אוכל את הצמח וכך הוא משיג את החומרים שהוא זקוק להם, הציפור אוכלת את הזחל, והנחש אוכל את הציפור. אם כן, כל היצורים החיים קשורים זה בזה ויוצרים יחד מארג של מזון, מארג שהאדם הוא רק חוליה אחת בתוכו.
*127*
החומרים האורגניים בגופם של יצורים חיים בנויים מאותם יסודות כימיים (אטומים של פחמן, של מימן, של חמצן ועוד). לכן כאשר אוכלים ומעכלים חומר אורגני כלשהו (מזון), האטומים שהרכיבו אותו יכולים לשמש לבניית חומרים אורגניים אחרים בגוף.
- מה המקור של חומרי המזון בעולמנו?
- כיצד האדם ושאר בעלי-החיים משיגים מזון?
- איך יודעים אם המזון שאוכלים מכיל את כל החומרים הנחוצים לגוף?
- מדוע צריך לעכל את המזון, ומה קורה לאחר שתהליך העיכול הסתיים?
- מה מקור האנרגיה לפעולות כל היצורים החיים?
בפרק הזה נעסוק בשאלות האלה ובשאלות אחרות הקשורות לנושא ההזנה והאנרגיה ביצורים חיים.
התבוננו בתמונות שלפניכם. האם גם אתם נוהגים לאכול את הפירות ואת הירקות האלה?
(בספר חמש תמונות - היעזר במנחה)
כל הצמחים האלה הם חלק מ"מפעל המזון" הטוב ביותר בטבע - ממש בית חרושת משוכלל המייצר חומרים חיוניים בתפריט שאנו אוכלים.
לא רק אנחנו אוכלים צמחים, גם בעלי-חיים רבים אוכלים צמחים. למעשה, בכל סביבות החיים שעל כדור-הארץ - ביבשה, בים וגם מתחת לפני הקרקע - אפשר למצוא מינים שונים של בעלי-חיים ושל צמחים המהווים זה את מזונו של זה. הקשרים בין האוכלים לנאכלים, בין הטורפים לנטרפים, יוצרים שרשרות מזון.
(שרשרת מזון - רצף של יצורים הניזונים אלה מאלה. הראשונים בשרשרת המזון הם היצרנים (הצמחים), מהם ניזונים הצרכנים הראשוניים (הצמחוניים), ומהם ניזונים הצרכנים המשניים (הטורפים).
(בספר איור - היעזר במנחה)
בשרשרת המזון הזו החיטה היא מזונו של העכבר, והעכבר הוא מזונו של הנחש
*128*
הצמחים מייצרים בעצמם חומרים אורגניים המשמשים מזון לשאר היצורים החיים, ולכן במערכות אקולוגיות הם נקראים היצרנים. הם אינם זקוקים למזון ממקור חיצוני, ואנו משייכים אותם לקבוצת היצורים האוטוטרופים.
(יצרנים - יצורים כגון צמחים ואצות, המייצרים חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים שהם קולטים מסביבתם. היצרנים נמצאים בבסיסן של כל שרשרות המזון בטבע.)
(אוטוטרופים - (אוטו שווה עצמי; טרוף שווה מזון), יצורים שאינם ניזונים ממקור חיצוני אלא מייצרים חומרים אורגניים מחומרים אי-אורגניים. דוגמאות: צמחים, אצות וחיידקים מקבוצה מסוימת.)
כל שאר היצורים החיים בעולמנו, שאינם יצרנים, נקראים צרכנים. הם אינם יכולים לייצר חומר אורגני מחומר אי-אורגני אלא זקוקים למזון ממקור חיצוני, ולכן אנו משייכים אותם לקבוצת היצורים ההטרוטרופים. כאשר יצור שהוא צרכן אוכל יצור אחר, הוא מפרק את החומרים האורגניים שאכל ליחידות הבניין שלהם, ובונה מהן את החומרים האורגניים היחודיים לו.
(צרכנים - היצורים במערכת האקולוגית הניזונים מחומרים: אורגניים שמקורם ביצורים אחרים. הצרכנים הם: הצמחוניים, הטורפים, אוכלי-הכול, אוכלי השיירים, הטפילים והמפרקים.)
(הטרוטרופים - (הטרו שווה שונה; טרוף שווה מזון), יצורים הניזונים מהחומרים האורגניים שבמזון שהם אוכלים. דוגמאות: הצמחוניים, הטורפים, אוכלי-הכול, אוכלי השיירים, הטפילים והמפרקים.)
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- יצרנים: צמחי יבשה וצמחי מים
- יצרנים: אצות ים
ערכו השוואה בין דרך ההזנה של הצמחים (האוטוטרופים) לבין דרך ההזנה של בעלי-החיים (ההטרוטרופים).
א. החליטו מהם התבחינים (קריטריונים) החשובים להשוואה.
התבחינים להשוואה, בעלי-חיים (הטרו טרופים), צמחים (אוטו טרופים) |
--, --, -- |
--, --, -- |
--, --, -- |
*129*
בתהליך הפוטוסינתזה הצמחים מייצרים חומר אורגני מחומרים אי-אורגניים שהם קולטים מן הסביבה. בתהליך הזה הצמחים קולטים את אנרגיית האור, והיא מומרת בהם לאנרגיה כימית, המשמשת אותם בתהליכים בהם נוצר גלוקוז (סוכר). התהליך הזה מתרחש בכלורופלסטים שבתאי הצמח. התוצר השני של הפוטוסינתזה הוא החמצן, שנפלט מתאי הצמחים אל הסביבה (האוויר או המים), ומשמש לנשימה של היצורים החיים.
(פוטוסינתזה - (פוטו שווה אור; סינתזה שווה בנייה), תהליך המתרחש בתאי הצמח הירוקים. בתהליך הזה הצמחים מייצרים, בעזרת אנרגיית האור, חומר אורגני (סוכר מסוג גלוקוז) מחומרי מוצא אי-אורגניים (CO2 ומים), ופולטים חמצן אל הסביבה.)
תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך מורכב ורב-שלבי שמעורבים בו חומרי ביניים רבים ואנזימים שונים, אך אפשר לסכם אותו בניסוח פשוט המציין רק את המגיבים ואת התוצרים בתהליך הכולל. בנוסף, הניסוח מדגיש את חשיבות אנרגיית האור בתהליך.
ניסוח מסכם של תהליך הפוטוסינתזה: המגיבים (חומרי המוצא), אנרגיית האור והתוצרים
(בספר נוסחה - היעזר במנחה)
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
הניסוח המאוזן של התהליך הוא:6CO2 פלוס 6H2O - C6H12O6 פלוס 6O2. ניסוח זה כולל את היחס המספרי בין המולקולות המשתתפות בתהליך: מ-6 מולקולות של פחמן דו-חמצני ו-6 מולקולות של מים, נוצרות מולקולה אחת של גלוקוז ו-6 מולקולות חמצן.
הגלוקוז שהצמחים מייצרים בתהליך הפוטוסינתזה הוא אחד מחומרי המוצא המשמשים לייצור חומרים אורגניים אחרים בצמחים, כגון תאית (רב-סוכר), שומנים וחלבונים. עודפי גלוקוז, שאינם מנוצלים בתאי הצמחים (כמקור של אנרגיה זמינה בתהליך הנשימה או לבניית חומרים אחרים) הופכים לעמילן. העמילן הוא חומר תשמורת בצמחים, כלומר: הוא משמש "מחסן של אנרגיה". זרעים של צמחים שונים, כגון אורז, תירס, חיטה, קטניות ופקעות של תפוחי אדמה, מכילים כמות רבה של עמילן.
(בספר דגם - היעזר במנחה)
מולקולת גלוקוז
מי המגיבים ומי התוצרים בתהליך הפוטוסינתזה?
*130*
החומרים שהצמחים מייצרים - הסוכרים ושאר החומרים האורגניים - הם הבסיס של שרשרות המזון של כל היצורים החיים. כל היצורים אוכלי-הצמחים אוכלים את החומרים המצויים בזרעים, בפירות, בעלים, בגבעולים ובשורשים של הצמחים, והטורפים ממשיכים את שרשרות המזון בטבע.
גורמים שונים מעורבים בתהליך הפוטוסינתזה, ובהם אלה:
1. אור 2. פחמן דו-חמצני 3. מים 4. גלוקוז (סוכר) 5. חמצן
השמש מאירה את כדור-הארץ ומחממת את הסביבה, אך קרינת השמש חשובה אף יותר מכך. בלי אור השמש, כל "מפעל המזון" של הטבע - תהליך הפוטוסינתזה המתקיים בצמחים - לא היה יכול להתקיים.
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
התבוננו בנוסחאות המגיבים והתוצרים של הפוטוסינתזה. בתהליך הזה מתפרקים הקשרים הקיימים בין האטומים של המגיבים, ונוצרים קשרים חדשים בין האטומים היוצרים את התוצרים. התהליך הזה קולט אנרגיה.
מקור האנרגיה בתהליך הפוטוסינתזה הוא אור השמש. מי שקולט את אנרגיית האור בצמחים הוא צבען (פיגמנט) בשם כלורופיל - חומר ירוק שנמצא בכלורופלסטים שבתאי העלים. זהו החומר המעניק לצמחים את צבעם הירוק. כאשר מולקולת הכלורופיל קולטת את אנרגיית האור, המולקולה משתנה. השינוי הכימי הזה מתחיל שרשרת של תהליכים שבסופה נוצר הגלוקוז.
אם כן, אנרגיית האור מומרת (משתנה) לאנרגיה כימית באמצעות הכלורופיל שבצמחים. מכאן אפשר גם להבין שתהליך הפוטוסינתזה יכול להתקיים בטבע רק במהלך היום, כאשר הצמחים נחשפים לאור השמש.
*131*
מטרת הניסוי: להוכיח כי האור חיוני לתהליך הפוטוסינתזה.
אמצעי זהירות: שיער אסוף, משקפי מגן.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
שיטת העבודה: קשה לבדוק נוכחות של גלוקוז בעלים של צמח, קל יותר לבדוק נוכחות של עמילן (שנוצר מהגלוקוז). לכן בניסוי זה מוכיחים את קיומו של תהליך הפוטוסינתזה באמצעות בדיקת נוכחות של עמילן בעלים של הצמח.
ציוד: צמח בעציץ - אפשר להשתמש באחד מהצמחים האלה: פלרגוניום, ירבה, כובע הנזיר או נדנונית (קוליאוס), רדיד אלומיניום ("נייר אלומיניום"), מהדקים, פלטה מחממת, 2 צלחות פטרי, 2 מבחנות, מלקטת ארוכה, בקבוק שטיפה, כוס כימית, טפטפת, אתנול 95 אחוז, צמר גפן, תמיסת יוד מהולה (1 אחוז), מים רותחים.
א. כסו עלה אחד או יותר של הצמח ברדיד אלומיניום. האלומיניום ישמש להסתרת האור מן העלה. הדקו את גזרי רדיד האלומיניום כך שיכסה את שני הצדדים של העלה ולא יאפשר לאור להגיע אליו.
ב. לאחר יומיים-שלושה הסירו את כיסוי האלומיניום מן העלים.
ג. בדקו: האם רואים הבדל בין העלים שהיו חשופים לאור לבין העלים שהיו מכוסים?
כדי לבדוק באמצעות תמיסת יוד אם יש עמילן בעלים של הצמח, עליכם להרחיק מהם את הכלורופיל. הסיבה: עלי הצמחים מכילים הרבה כלורופיל ירוק, והצבע הירוק מסתיר את הצבע הסגול הנוצר בתגובה של היוד לנוכחות עמילן. כדי להרחיק את הכלורופיל מן העלים, משרים את העלים בתוך כוהל רותח. פעלו כך:
א. קטפו את העלים שהיו מכוסים באלומיניום וכמה מן העלים שהיו גלויים לאור.
ב. על מבחנה אחת כתבו "חושך", ועל המבחנה האחרת כתבו "אור". מלאו כשליש מנפחה של כל מבחנה בכוהל, והכניסו אליהן את העלים המתאימים.
ג. סגרו היטב את שתי המבחנות בפקק מצמר גפן. העמידו אותן בכוס כימית רחבה, ומזגו לתוכה מים רותחים.
שימו לב: כוהל הוא חומר דליק! גם הכוהל הנוזלי וגם האדים המתפזרים ממנו באוויר עלולים להידלק. לכן אסור להדליק אש בסביבה כאשר משתמשים בכוהל!
ד. השאירו את המבחנות בתוך המים הרותחים שבכוס למשך 20-10 דקות. במקרה הצורך, החליפו את המים שהתקררו במים רותחים.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- עלי פלרגוניום מכוסים בנייר אלומיניום
- העלים, כפי שהם נראים בסוף השלב הראשון של הניסוי
*132*
ה. לאחר שהכלורופיל התמצה מן העלים והם התבהרו - כתבו על צלחת פטרי אחת את המילה "אור", והעבירו אליה באמצעות המלקטת את העלים ממבחנת ה"אור".
כתבו על צלחת הפטרי האחרת את המילה "חושך", והעבירו אליה את העלים ממבחנת ה"חושך".
ו. פרסו בזהירות את העלים בצלחות הפטרי, כך שצדם התחתון יפנה כלפי מעלה.
ז. שטפו במים את שאריות הכוהל מן העלים שבצלחות הפטרי.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
מיצוי הכלורופיל מן העלים באמצעות כוהל רותח
מהו צבע הכוהל לאחר ההרתחה? הסבירו.
שלב שלישי: זיהוי העמילן בעלים
א. טפטפו לכל צלחת פטרי תמיסת יוד שתכסה את העלים שבתוכה.
ב. לאחר 5 דקות שטפו את העלים במים.
שלב רביעי: תוצאות הניסוי ומסקנותיו
1. תוצאות: התבוננו בעלים. כיצד הם נראים לאחר שהוטבלו בתמיסת היוד? כתבו את צבע העלים שהיו בחושך ואת צבע העלים שהיו גלויים לאור.
2. הסגירו את התוצאות שהתקבלו.
3. בניסוי מסוג זה יש משתנה כלשהו - הגורם המשפיע - הגורם לשינוי בתהליך כלשהו - הגורם המושפע. מי הגורם המשפיע בניסוי הזה ומי הגורם המושפע?
4. מהי הבקרה בניסוי?
5. מהן המסקנות הנובעות מהניסוי?
6. הציעו רעיונות לשיפור הניסוי.
אחד הגזים המרכיבים את האטמוספרה של כדור-הארץ הוא הפחמן הדו-חמצני (C02).
אמנם הגז הזה נמצא באטמוספרה בריכוז נמוך מאוד (פחות מ- 0.04 אחוז), אך יש לו השפעה מכרעת על תהליכים שונים המתרחשים בכדור-הארץ, ובהם תהליך הפוטוסינתזה ואפקט החממה.
הפחמן הדו-חמצני חיוני ליצירת החומר האורגני בצמחים בתהליך הפוטוסינתזה. הוא המקור לאטומי הפחמן והחמצן בגלוקוז שנוצר בצמחים.
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
*133*
הצמח קולט את הפחמן הדו-חמצני מן האוויר דרך הפיוניות שבעלים ושבגבעולים. אטומי הפחמן במולקולה של הפחמן הדו-חמצני משמשים לבניית מולקולות הגלוקוז.
(פיוניות - פתחים זעירים בעלים (או בגבעולים) של צמחים. דרך הפיוניות של הצמח מתבצע :חילוף הגזים בינו לסביבה. בדרך :כלל, צורתן דמוית פה (שפתיים)).
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא הזנה ואנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד פוטוסינתזה.
הפעילו את שני הניסויים הווירטואליים, וענו על השאלות שאחריהם.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
חקלאים מגדלים צמחים בשתי חממות: בחממה א ריכוז הפחמון הדו-חמצני נמוך, ובחממה ב הוא גבוה.
החקלאים מעוניינים לדעת מהי עוצמת האור המיטבית שבה קצב הפוטוסינתזה גדול ביותר, ותתאפשר גדילה מרבית ומהירה של הצמחים בכל אחת משתי החממות.
בצעו ניסוי באמצעות ההדמיה, ובדקו:
מהי עוצמת האור המיטבית בכל אחת משתי החממות?
חקלאים מגדלים תות-שדה בשתי חממות:
ההצללה בחממה א רבה, וההצללה בחממה ב מעטה.
החקלאים מצאו כי קצב הפוטוסינתזה נמוך יותר במרכזה של כל חממה לעומת שוליה. הם מצאו שהסיבה לכך היא מחסור בפחמן דו-חמצני במרכזי החממות, והחליטו להעשיר את החממות בפחמן דו-חמצני.
בצעו ניסוי באמצעות ההדמיה, ובדקו:
כיצד תשפיע העשרת האוויר בפחמן דו-חמצני על קצב הפוטוסינתזה בכל אחת משתי החממות?
1. תארו במילים את התוצאות שקיבלתם בשני הניסויים.
2. כתבו את מסקנותיכם.
*134*
הצמחים קולטים את המים הנחוצים להם דרך השורשים, ומשם המים מועברים לעלים דרך צינורות ההובלה של הצמח. המים הם מרכיב עיקרי בגופם של הצמחים: כ- 70 אחוז-80 אחוז מנפח התאים של הצמחים.
כאמור, תהליך הפוטוסינתזה מתחיל כאשר אנרגיית האור פוגעת במולקולת הכלורופיל שבכלורופלסט, ומכאן מתחילה שרשרת של תהליכים כימיים שבסופה נוצר הגלוקוז. לכן פוטוסינתזה אינה מתרחשת בחושך.
השלב הראשון בשרשרת הזאת הוא פירוק של מולקולות המים לאטומים של מימן ושל חמצן. אטומי המימן משתתפים בבניית מולקולת הגלוקוז. אטומי החמצן נפלטים ברובם כגז (O2) אל האוויר, אך את חלקם צורכים הצמחים עצמם בתהליך הנשימה.
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
כאמור, תהליך הפוטוסינתזה הוא תהליך קולט אנרגיה. אנרגיית השמש דרושה כדי לייצר מולקולות אורגניות של גלוקוז.
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
כדאי לזכור: חלק מן הגלוקוז שנוצר בצמחים בתהליך הפוטוסינתזה נשאר בעלים, והוא מקור של אנרגיה כימית זמינה לצמחים - אנרגיה לצרכים מידיים בתאים. חלק אחר של הגלוקוז הופך בעלים לרב-הסוכר עמילן, שכזכור הוא חומר תשמורת - "מחסן" של אנרגיה לצרכים עתידיים. שאר הגלוקוז עובר מן העלים אל חלקי הצמח האחרים, וגם בהם הוא משמש מקור לאנרגיה כימית זמינה לצרכים מידיים או הופך לעמילן ונאגר שם.
*135*
מולקולת הגלוקוז היא גם מקור של חומרים: כאשר מולקולות של גלוקוז מתפרקות בתאים, מתקבלות מולקולות קטנות יותר. חלקן משמשות לבנייתם של חומרים אורגניים אחרים הדרושים לתא: פחמימות נוספות, חלבונים, שומנים, ויטמינים וחומרים רבים אחרים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
התרשים מתאר את סוגי האטומים המגיבים (חומרי המוצא) היוצרים מולקולות גלוקוז
מדוע חשוב שיצורים חיים, ובמיוחד הצמחים, ייצרו בגופם חומרי תשמורת - "מחסנים" של אנרגיה ושל חומרים?
חמצן הוא אחד הגזים המרכיבים את האטמוספרה (הוא מהווה יותר מ-20 אחוז מנפח האוויר). גז החמצן הוא אחד התוצרים של תהליך הפוטוסינתזה. החמצן, הנפלט מן הצמחים אל הסביבה דרך הפיוניות שבעלים, מאפשר את נשימתם של כל היצורים החיים על פני כדור-הארץ, ובכללם גם של הצמחים עצמם. מקור החמצן הוא במולקולות המים המתפרקות בתחילת תהליך הפוטוסינתזה.
כדי להוכיח שתהליך הפוטוסינתזה מתרחש, אפשר לאסוף את החמצן שנפלט במהלכו. לשם כך יש לבצע ניסוי בצמחים הטבולים בתוך מים. מסיסותו של החמצן במים קטנה, ולכן רוב החמצן הנפלט מהצמחים אינו מתמוסס אלא עולה במים כבועות, ואותן אפשר לאסוף בקלות.
CO2 (פחמן דו-חמצני) פלוס H2O (מים) - אנרגיית אור בכלורופלסט - C6H12O6 (גלוקוז) פלוס O2 (חמצן)
*136*
מטרת הניסוי: לעקוב אחר תהליך הפוטוסינתזה בצמח באמצעות בדיקת החמצן הנפלט ממנו.
אמצעי זהירות: שיער אסוף, משקפי מגן.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: מחטים (עלים) של אורן, אבקת סודה לשתייה (NaHCO3),
2 כוסות גדולות, 2 משפכי זכוכית, 2 מבחנות, מנורת שולחן (ובה נורה של 150-100 ואט), קיסמי עץ ארוכים, גפרורים, מד טמפרטורה.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
א. מלאו כוס גדולה במים כמעט עד שפתה.
ב. הוסיפו למים כפית של אבקת סודה לשתייה, וערבבו היטב.
ג. הרכיבו את מערכת הניסוי, כמו שמתואר בתמונה. ודאו שהמבחנה המונחת על צינור המשפך מלאה במים.
ד. העמידו את מערכת הניסוי במקום מואר היטב, והגבירו את התאורה באמצעות אור הנורה.
ה. תכננו מערכת בקרה מתאימה לניסוי והרכיבו גם אותה.
ו. לאחר חצי שעה בדקו את השינויים שחלו במערכות הניסוי והבקרה. את הגז שנפלט תוכלו לזהות באמצעות קיסם עץ עומם.
התבקשתם לערבב במים מעט סודה לשתייה מכיוון שהסודה לשתייה מתמוססת במים ומעשירה אותם בפחמן דו-חמצני מומס, וכך היא מזרזת את קצב הפוטוסינתזה.
מלבד הוספת אור, הנורה עלולה גם לחמם את המים במערכת הניסוי, והחום יכול לזרז את התהליך. הקפידו שטמפרטורת המים לא תעלה על 30 מעלות צלסיוס. חימום המים כשלעצמו יכול גם הוא להביא לשחרור חמצן מומס, כי כאשר הטמפרטורה עולה, המסיסות של הגז יורדת.
1. מהי מערכת הבקרה שהכנתם? אילו תנאים שוררים בה?
2. לשם מה דרושה בקרה?
3. מהן תוצאות הניסוי? הסבירו אותן.
4. מהי המסקנה העולה מהניסוי?
א. הציעו רעיונות לשיפור הניסוי.
ב. בחרו אחד מהרעיונות שהצעתם, ונסחו את שאלת החקר של הניסוי החדש.
ג. אם עומד לרשותכם ציוד מתאים, תכננו את הניסוי הזה, בצעו אותו וכתבו לו דוח מסכם. להכנת דוח הניסוי אפשר להיעזר במדור כלים לבניית מיומנויות שבאתר הילקוט הדיגיטלי לחט"ב.
ד. אם אין באפשרותכם לבצע את הניסוי המורחב, שערו אילו תוצאות היו מתקבלות בו, ונמקו את השערותיכם.
*137*
תהליך הפוטוסינתזה חשוב לכל היצורים החיים בגלל הקשר שלו למזון ולהרכב האטמוספרה (לחמצן ולפחמן דו-חמצני):
1. מקור מזון לכל היצורים החיים.
2. פליטת חמצן המשמש לנשימה תאית.
3. הפחתה של כמות הפחמן הדו-חמצני שבאוויר.
הצמחים הם היצרנים הנמצאים בבסיסו של כל מארג המזון על כדור-הארץ. בזכות תהליך הפוטוסינתזה המתקיים בצמחי היבשה ובאצות במים, מתאפשר קיומו של כל עולם היצורים העשיר על כדור-הארץ. החומרים האורגניים, שהצמחים מייצרים מחומרים אי-אורגניים, הם מקור המזון לכל שאר היצורים החיים בעולמנו שאינם יכולים לייצר מזון. חומרי המזון שהצמחים מייצרים משמשים לבניית גופם של כל היצורים החיים בכדור-הארץ וחיוניים לפעילות גופם.
התבוננו בתרשים וציינו: מה דומה ומה שונה בתהליך ההזנה של בעלי-החיים לעומת תהליך ההזנה של הצמחים?
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
מעבר חומרים וחשיבותם בצמחים ובגופם של בעלי-חיים
*138*
תהליך הפוטוסינתזה הוא המקור העיקרי של גז החמצן הנמצא באטמוספרה. כאמור, החמצן נחוץ לתהליך הנשימה התאית של הצמחים, של האדם ושל בעלי-חיים אחרים.
נשימה תאית מתרחשת הן בתאי הצמחים והן בתאי בעלי-החיים במשך כל ימי חייהם, והם קולטים חמצן ופולטים פחמן דו-חמצני ביום ובלילה - 24 שעות ביממה! אך שימו לב: כל עוד הצמחים גדלים ומבצעים פוטוסינתזה (במקביל לנשימתם), פליטת החמצן שלהם רבה מן הצריכה שלהם. לכן הצמחים נחשבים ספקי החמצן לכל שאר היצורים החיים.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- בעלי-חיים וצמחים נושמים בליליה
- בעלי-חיים וצמחים נושמים ביום.
צמחים גם מבצעים פוטוסינתזה ביום
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא הזנה ואנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד פוטוסינתזה ונשימה.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
1. "הפעילו" את התהליך פוטוסינתזה ביום ובלילה, וראו את התוצאות המתקבלות בתרשים שמימין.
איזה גז נקלט בצמח? איזה גז נפלט ממנו האם קצב הפליטה וקצב הקליטה של הגזים שווים זה לזה או שונים זה מזה?
באיזה חלק של היממה התהליך מתרחש - ביום או בלילה?
2. עתה "הפעילו" את התהליך נשימה ביום ובלילה, והתבוננו בגרף שמימין.
איזה גז נקלט בצמח ואיזה גז נפלט ממנו?
האם קצב הפליטה וקצב הקליטה של הגזים שווים זה לזה או שונים זה מזה? באיזה חלק של היממה מתרחש - ביום או בלילה?
3. סכמו את ההבדלים בין תהליך הנשימה לבין תהליך הפוטוסינתזה.
4. כיצד משפיעים שני התהליכים - הפוטוסינתזה והנשימה - על הרכב הגזים באטמוספרה?
*139*
(בספר נוסחאות - היעזר במנחה)
ניסוח מסכם של תהליך הפוטוסינתזה: C6H12O6 פלוס O2 (מגיבים) - CO2 פלוס H2O (תוצרים)
ניסוח מסכם של תהליך הנשימה התאית: CO2 פלוס H2O (מגיבים) - C6H12O6 פלוס O2 (תוצרים)
שימו לב: פוטוסינתזה ונשימה תאית הם שני תהליכים שונים המשלימים זה את זה - התוצרים בתהליך אחד הם המגיבים בתהליך האחר. שני התהליכים האלה מעורבים בחלק ממחזורי החומרים בטבע. בתרשים שלפניכם תוכלו לראות את הקשר בין שני התהליכים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
הקשר בין תהליך הפוטוסינתזה בצמחים לבין תהליך הנשימה התאית בצמחים ובבעלי-חיים
התהליכים/ חשיבות התהליכים, תהליך הנשימה, תהליך הפוטוסינתזה |
מה חשיבות התהליך?, --, -- |
מי מקיים את התהליך? (צמחים/ בעלי-חיים), --, -- |
מתי התהליך מתרחש? (ביום/ בלילה), --, -- |
היכן התהליך מתרחש בתא (באילו אברונים)?, --, -- |
מי המגיבים?, --, -- |
מי התוצרים?, --, -- |
איזו אנרגיה מעורבת? (אנרגיית אור/ אנרגיה כימית), --, -- |
2. "הפוטוסינתזה והנשימה הן תהליכים הקשורים למחזורי חומרים בטבע". האם הטענה הזאת נכונה? נמקו.
3. האטמוספרה של כוכב-הלכת מאדים מכילה פחמן דו-חמצני אך אינה מכילה חמצן. מדענים טוענים כי אם בעתיד יקימו על המאדים מושבה של בני-אדם, יהיה צורך לשתול שם צמחים. ציינו לפחות 3 נימוקים התומכים בטענתם.
*140*
ג'וזף פריסטלי היה כומר אנגלי שחי במאה ה-18 וחקר תופעות טבע שונות. אחת מהן הייתה תהליך הבעירה.
בחיפוש אחר הסבר לתהליך הבעירה ערך פריסטלי ניסויים לבדיקת תכונות האוויר. באותה תקופה לא ידעו שהאוויר הוא תערובת של גזים. באחד הניסויים הוא הציב נר בכלי אטום, והבחין כי לאחר זמן קצר הנר כבה (ציור 1). מכאן הוא הסיק שהאוויר בכלי הסגור הוא אוויר "מקולקל". הוא הוסיף לכלי הסגור עכבר, והעכבר מת (ציור 2). מכאן הוא הסיק שהנר שבער בכלי הוא ש"קלקל" את האוויר בכלי.
פריסטלי ידע שגם צמחים הם יצורים חיים הזקוקים לאוויר, ולכן ציפה שגם צמחים יפסיקו לגדול באוויר "מקולקל" כזה. הוא הכניס לכלי האטום צמח ונר דולק והעמיד את הכלי בשמש, אבל להפתעתו גילה שהנר המשיך לבעור (ציור 3), והצמח לא נבל.
(בספר ארבעה ציורים - היעזר במנחה)
ציור 1: הנר כבה, ציור 2: הנר כבה והעכבר מת, ציור 3: הנר המשיך לבעור, ציור 4: העכבר לא מת
פריסטלי סבר שהצמח"תיקן" בדרך כלשהי את האוויר. כדי לבדוק את השערתו הוא ביצע ניסוי פשוט: הוא שם נר דולק בכלי אטום שקודם לכן היה בו ענף של צמח. התוצאות אימתו את השערתו: הנר דלק ולא כבה מיד. פריסטלי שיער שבעקבות "תיקון" האוויר ה"מקולקל" בכלי האטום, גם בעלי-חיים יוכלו לחיות בו. בניסוי נוסף הוא הכניס את העכבר לכלי האטום עם צמח. ואכן, במהלך הניסוי הזה, שנמשך שעות אחדות, העכבר לא מת (ציור 4). תוצאות הניסוי הזה חיזקו את השערתו.
פריסטלי היה גאה מאוד בגילויים שלו וטען כי "הצמחים הם האמצעי שהטבע מפעיל כדי לתקן את האוויר".
במהלך השנים הבאות הוא המשיך במחקרו וביצע ניסויים בשעות שונות של היום ובעונות שונות בשנה, אך התוצאות שקיבל לא היו עקביות. לפעמים הצמחים הצליחו "לתקן" את האוויר ולפעמים נכשלו בכך. הוא התקשה להסביר את התוצאות שקיבל, והבין כי הטיעון שהציע אינו שלם.
1. ציינו שתי ראיות התומכות בטענתו של פריסטלי: "צמחים מתקנים אוויר מקולקל".
2. לפי הידוע לנו כיום: מה מכיל האוויר ה"מקולקל"? במה הוא שונה מאוויר "מתוקן"?
3. מה הקשר בין תהליך הנשימה לבין תהליך הבעירה הנזכר בקטע? הסבירו.
*141*
4. אילו תנאים שפריסטלי לא היה מודע להם היו עשויים להשפיע על התוצאות שקיבל בניסויים החוזרים?
5. על סמך תשובתכם הקודמת, שערו: באילו מועדים הצליחו הניסויים של פריסטלי, ובאילו מועדים הם נכשלו?
6. לפי דעתכם, מה היה קורה לעכבר אילו היו שמים אותו בכלי אטום עם צמח, ומשאירים את הכלי בחושך למשך ימים אחדים? נמקו את טענתכם.
תהליך הפוטוסינתזה משפיע רבות על הרכב הגזים באטמוספרה: הוא גם משחרר חמצן לאטמוספרה וגם גורע מכמות הפחמן הדו-חמצני המצוי בה.
לכמות הפחמן הדו-חמצני באוויר יש חשיבות רבה, כי הוא אחד מגזי החממה העיקריים באטמוספרה. האדמה מתחממת באור השמש ופולטת חום, והפחמן הדו-חמצני שנמצא באוויר לוכד את החום באטמוספרה ומונע את יציאתו אל החלל החיצון, ובכך תורם ליצירת אפקט החממה.
(גז חממה - גז שאינו מאפשר לחום הנפלט מהאדמה המתחממת להיפלט בחזרה לחלל. פחמן דו-חמצני, אדי מים ומתאן הם דוגמאות לגזי חממה. גזי החממה שבאטמוספרה יוצרים את אפקט החממה.)
(אפקט החממה - תהליך שבו קרינת השמש חודרת מבעד לאטמוספרה, פוגעת בקרקע ובים, וחוזרת אל האוויר כחום. החום נלכד באטמוספרה בגלל הפחמן הדו-חמצני ובגלל גזים אחרים המצויים באטמוספרה של כדור-הארץ. אפקט החממה מאפשר טמפרטורה נוחה לקיום חיים בכדור-הארץ.)
רמות גבוהות של פוטוסינתזה מעודדות את הצמיחה, את ההתרבות ואת הפריחה של הצמחים. קצב הגידול של צמחים הוא מדד חשוב לבני-האדם, במיוחד כאשר מגדלים צמחים לצורך כלשהו: למאכל, להפקת תרופות, לנוי וכדומה. לכן חשוב להכיר את הגורמים המשפיעים על הפוטוסינתזה ולקבוע אותם בהתאם לנדרש. הקצב של תהליך הפוטוסינתזה בצמחים תלוי ב-4 גורמים סביבתיים:
1. עוצמת האור הנקלטת בצמח
2. ריכוז הפחמן הדו-חמצני
3. הטמפרטורה של הצמח
4. כמות המים בצמח (בעקיפין)
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
גידול צמחים בחממה שהתנאים בה מבוקרים
*142*
כדי לבדוק את השפעתם של הגורמים השונים על תהליך הפוטוסינתזה יש למדוד את קצב הפוטוסינתזה, כלומר: יש למדוד את מהירות התהליך במשך זמן מסוים. לצורך כך אפשר למדוד את קצב הייצור של אחד משני התוצרים, חמצן וגלוקוז (או של שניהם), או למדוד את קצב הקליטה של המגיב פחמן דו-חמצני בצמח.
לפניכם 3 תרשימים המתארים תוצאות של ניסויים שבדקו את ההשפעה של הגורמים הסביבתיים על קצב תהליך הפוטוסינתזה. כל תרשים מראה את ההשפעה של גורם סביבתי אחד (הגורם המשפיע) על קצב הפוטוסינתזה (הגורם המושפע).
את הגורם המשפיע נהוג לציין בתרשים בציר האופקי, ציר X, ואת הגורם המושפע מציינים בציר האנכי, ציר Y.
כפי שלמדתם, אור השמש הוא מקור האנרגיה של תהליך הפוטוסינתזה. בצמחים אנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית, וכך היא מאפשרת ליצור את מולקולת הסוכר מחומרים פשוטים יותר. לכן תהליך הפוטוסינתזה יכול להתקיים בטבע רק בשעות האור, ביום, ושינויים בעוצמת האור יכולים להשפיע על הקצב שלו.
ראו בתרשים 1 את ההשפעה של עוצמת האור על קצב הפוטוסינתזה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
כפי שלמדתם, הפחמן הדו-חמצני הוא אחד מחומרי המוצא בתהליך הפוטוסינתזה. אם כך, גם שינויים בריכוז הפחמן הדו-חמצני יכולים להשפיע על קצב הפוטוסינתזה.
ראו בתרשים 2 את הקשר בין ריכוז הפחמן הדו-חמצני לבין קצב הפוטוסינתזה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*143*
עליית הטמפרטורה עשויה לזרז את קצב הפוטוסינתזה, כמו שקורה בתהליכים כימיים אחרים, אבל עלייה רבה מדי של הטמפרטורה עלולה לפגוע באנזימי הצמחים ולעכב את התהליך או להפסיקו.
תרשים 3 מתאר תוצאות של ניסוי שבדק את ההשפעה של הטמפרטורה על קצב תהליך הפוטוסינתזה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
המים משפיעים על קצב הפוטוסינתזה בעקיפין, באמצעות הפיוניות. כאשר כמות המים בצמח פוחתת, כגון בתנאים סביבתיים של יובש, הפיוניות שבעלים נסגרות. איבוד המים של הצמח אמנם פוחת כאשר הפיוניות סגורות, אך גם קליטת הפחמן הדו-חמצני דרך הפיונית יורדת. ירידה זאת מאטה את קצב הפוטוסינתזה.
שימו לב: על קצב הפוטוסינתזה משפיעים כמה גורמים, ולפחות חלק מהם קשורים זה בזה. לכן שילוב של כל הגורמים המשפיעים קובע את קצב הפוטוסינתזה בכל רגע נתון.
1. העתיקו את טבלת הסיכום שלפניכם למחברת, תנו לה כותרת והשלימו בה את הפרטים החסרים לפי שלושת התרשימים בעמוד הקודם ובעמוד הזה.
הניסוי, הגורם משפיע, הגורם המושפע, תיאור הקשר בין שני הגורמים, ההסבר לקשר בין הגורמים |
השפעת עוצמת האור על קצב הפוטוסינתזה, --, --, --, -- |
השפעת ריכוז ה-CO2 על קצב הפוטוסינתזה, --, --, --, -- |
השפעת הטמפרטורה על קצב הפוטוסינתזה, --, --, --, -- |
2. לפניכם כמה מקרים:
א. צמחים הגדלים בעציץ בבית.
ב. צמחים הגדלים על פסגות של הרים גבוהים.
ג. צמחים הגדלים בצל עצים ביער.
ד. צמחים הגדלים בתנאי יובש.
איזה גורם סביבתי עיקרי עלול להגביל את קצב הפוטוסינתזה בצמחים בכל אחד מהמקרים האלה?
*144*
3. בשל המצב הקשה של משק המים בישראל, חקלאים מחפשים דרכים לייעל את השימוש במים במטעי תפוחים. אחת הדרכים שהוצעו הייתה שימוש ברשתות-צל שיפחיתו את כמות הקרינה המגיעה אל הצמחים. החקלאים קיוו שכך הצמחים יתייבשו פחות, הפיוניות בעלים יישארו פתוחות זמן ארוך יותר, והפוטוסינתזה תתגבר.
כדי לבדוק את הרעיון, בחרו החוקרים 4 חלקות במטע התפוחים. על 3 מהחלקות הם פרסו רשתות-צל באחוזי ההצללה האלה: 16 אחוז, 30 אחוז, 60 אחוז. החלקה הרביעית הייתה הבקרה - עליה לא פרסו החוקרים רשת כלל.
התרשים שלפניכם מתאר את תוצאות הניסוי.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
תרשים 4: השפעת אחוז ההצללה של רשת החיפוי על קצב הפוטוסינתזה בעצי הפרי
א. מי הגורם המשפיע ומי הגורם המושפע בניסוי הזה?
ב. מה נבדק בבקרה בניסוי הזה?
ג. תארו במילים את תוצאות הניסוי.
ד. מהי עוצמת ההצללה הטובה ביותר לגדילת הצמחים? נמקו.
ה. מדוע קצב הפוטוסינתזה ירד בהצללה של יותר מ-30 אחוז?
ו. מהי המסקנה מהניסוי?
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
מטע של עצי פרי המכוסים ברשתות באחוזי הצללה שונים
*145*
ההתאמה בין המבנה של איברי הגוף לבין תפקודיהם היא אחד המאפיינים של כל היצורים החיים.
בצמחים העיקרון הזה בא לידי ביטוי בצורות שונות, והמבנה של עלי הצמחים, המותאם לקליטת אור, הוא דוגמה טובה לכך.
כאמור, בתהליך הפוטוסינתזה האור נקלט בצמח בחלקיו הירוקים, בעיקר בעלים. קליטה טובה של האור חיונית לתהליך הפוטוסינתזה ולקיומו של הצמח כולו. ואכן, הצמחים מותאמים לקליטה מיטבית של אור בדרכים רבות, לדוגמה:
סידור העלים לאורך הגבעול
היחס בין שטח העלים לבין נפחם
כיוון צמיחת הצמח
עמדת העלים (הזווית שלהם) ביחס לשמש
א. צאו לסיור וחפשו צמחים שלדעתכם מותאמים במיוחד לקליטת האור. שימו לב לפרטים האלה: היחס בין שטח הפנים של כל עלה לבין הנפח שלו, צבע העלים, המיקום שלהם לאורך הגבעול, עמדתם על הגבעול (נוטים לצדדים, צמודים לגבעול, תלויים כלפי מטה וכדומה), גודלם של העלים, היותם שעירים או חלקים, ותכונות אחרות שלהם.
ב. מצאו את החלק בצמח שלדעתכם הוא המותאם ביותר לביצוע הפוטוסינתזה, והביאו אותו לכיתה.
1. מדוע העלה או קטע הצמח שבחרתם הוא החלק המותאם ביותר בצמח לביצוע פוטוסינתזה? הסבירו.
בצמחים ממינים שונים (תורמוס, מעוג, חלמית, כובע הנזיר ועוד) אפשר לראות שכל עלי הצמח נוטים לכיוון השמש, ושכך הם חשופים למידה מרבית של אור. הנטייה של העלים בצמחים כאלה משתנה במשך היום, בהתאם למיקום השמש בשמים: העלים "עוקבים" אחר השמש.
*146*
בתהליך הפוטוסינתזה הצמחים מייצרים גלוקוז, אך מובן שגופם של הצמחים בנוי לא רק מגלוקוז. יש בו גם תרכובות אורגניות אחרות: פחמימות אחרות, חלבונים, שומנים, ויטמינים ועוד.
החלבונים, השומנים, הוויטמינים ושאר החומרים האורגניים הנוצרים בצמחים מכילים לא רק פחמן, מימן וחמצן, כפי שיש בגלוקוז, אלא גם יסודות אחרים, כגון חנקן, אשלגן וזרחן. איך הצמחים משיגים אותם?
חומרים אי-אורגניים אלה הם המינרלים הנמצאים באדמה ומתמוססים במים. מקורם בתהליכי פירוק של סלעים ושל שרידים של יצורים חיים. הצמחים קולטים אותם בשורשיהם עם המים בתהליך שנקרא הזנה מינרלית.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
הצמחים קולטים את המינרלים מהסביבה יחד עם המים
המינרלים משמשים לבניית חומרים בצמחים ולוויסות תהליכים שונים בתאים. דוגמאות:
- חנקן (N) וגפרית (S) נחוצים, בין השאר, לבניית חלבונים.
- זרחן (P) דרוש, בין השאר, לבניית החומר 'התורשתי בתאים (DNA).
- אשלגן (K) חשוב לשמירה על תפקוד התאים ועל מאזן המים בהם.
- מגנזיום (Mg) דרוש לבניית כלורופיל ולפעילותם של אנזימים שונים.
- סידן (Ca) נחוץ לבניית דופן התא.
כאשר האדמה ענייה במינרלים החיוניים לצמחים, חקלאים מוסיפים לה חומרי דשן. כך הם מעשירים אותה במינרלים, מגדילים את פוריותה ומשפרים את התוצרת החקלאית.
(דשן - חומר המכיל חומרי הזנה הדרושים לצמחים (כגון חנקן, זרחן ואשלגן), ומשמש לזיבול (לדישון) האדמה ולהגברת פוריותה.)
חשוב לזכור: הדשנים מכילים בעיקר את החומרים הנחוצים לצמחים בכמויות גדולות, אך דישון עודף עלול לפגוע בצמחים ולגרום נזקים סביבתיים. חומרי הדשן העודפים, שאינם נקלטים בשורשי הצמחים, עלולים להמליח את האדמה או לחלחל אל מי התהום ולזהם אותם.
*147*
חפשו מידע על תכולת החומרים המצויים בדשנים לצמחי בית, ועל השפעותיהם על הצמחים במקרים שהם חסרים באדמה ובמקרים שהם עודפים בה.
היעזרו במידע הכתוב על אריזות דשן הנמכרות במשתלות ובמידע המפורסם באינטרנט.
הציעו פתרונות לבעיות המופיעות בשאלות שלפניכם.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
1. מהם המרכיבים העיקריים של הדשנים השונים?
2. נסחו טענה המסבירה מדוע דווקא חומרים אלה (ולא אחרים) נמצאים בדשנים, ונמקו אותה. (זכרו: טיעון שווה טענה פלוס נימוק.)
3. באחד השדות גדלו צמחים חיוורי עלים. בדיקת הצמחים העלתה שכמות הכלורופיל בעלים קטנה מהרגיל.
א. מה יכולה להיות הסיבה לכך?
ב. הציעו פתרון לבעיה הזאת.
4. בשדות חקלאיים רבים יש צורך לדשן את הקרקע כדי לקבל את אותה כמות של תוצרת שהתפתחה בהם בעבר בתנאים דומים ללא דישון. הציעו הסבר מנומק לכך.
5. הציעו דרכים למניעת דישון עודף בחקלאות.
השוו את הפתרונות השונים שהוצעו, ובחרו את הפתרון הטוב ביותר.
הסבירו מדוע הפתרון שבחרתם הוא הטוב ביותר.
*148*
- צמחים קולטים חומרים אי-אורגניים מן הסביבה: באמצעות השורשים הם קולטים מן האדמה מים ומינרלים, ובאמצעות הפיוניות שבעליהם הם קולטים מן האוויר פחמן דו-חמצני.
- מהפחמן הדו-חמצני ומהמים, הצמחים מייצרים בתהליך הפוטוסינתזה חומר אורגני - גלוקוז.
- מהגלוקוז (סוכר) הנוצר בפוטוסינתזה ומהמינרלים, הצמחים מייצרים גם חומרים אורגניים אחרים.
- האור הוא מקור האנרגיה בתהליך הפוטוסינתזה. בתהליך הזה אנרגיית האור מומרת לאנרגיה כימית.
- תהליך הפוטוסינתזה מורכב משלבים רבים, ואת הקצב שלו קובע שילוב של גורמים שונים המשפיעים על הצמח בעת ובעונה אחת.
- תהליך הפוטוסינתזה חשוב לכל היצורים החיים בעולמנו - בעלי-החיים והצמחים. זהו התהליך הייחודי של יצירת חומר אורגני מחומר אי-אורגני. הצמחים מייצרים מתוצרי הפוטוסינתזה ומהמינרלים את שאר החומרים האורגניים הדרושים לבניית גופם ולפעילותו התקינה. החומרים האורגניים שהצמחים מייצרים משמשים מזון לבעלי-החיים.
- תהליך הפוטוסינתזה הוא המקור העיקרי של החמצן באוויר, הדרוש לנשימתם של היצורים החיים. התהליך הזה גם מקטין את כמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה, ובכך הוא תורם להפחתת ההתחממות בכדור-הארץ.
1. השלימו: החומרים האורגניים חשובים ליצורים החיים:
א. כחומרי מוצא לתהליך הפוטוסינתזה.
ב. כתוצרים של תהליכי נשימה ופוטוסינתזה.
ג. כמקור עיקרי של חומרים אי-אורגניים.
ד. כמקור של אנרגיה ולבנייה של תאי הגוף.
2. איזה חומר דרוש לתהליך הפוטוסינתזה?
א. חמצן
ב. CO2
ג. חנקן
ד. סוכר
3. איזה חומר דרוש לתהליך הנשימה התאית?
א. חמצן
ב. CO2
ג. אור
ד. חנקן
*149*
4. הגלוקוז, שנוצר בפוטוסינתזה, בנוי מאטומים של פחמן, של מימן ושל חמצן. אילו חומרים הם מקור לאטומים האלה?
א. מים ומינרלים שהצמחים קולטים מן האדמה דרך השורשים.
ב. חמצן ופחמן דו-חמצני שהצמחים קולטים מן האוויר דרך העלים.
ג. מים שהצמחים קולטים מן האדמה, ופחמן דו-חמצני שהם קולטים מן האוויר.
ד. אור השמש, חמצן ופחמן דו-חמצני שהצמחים קולטים מן הסביבה.
5. קראו את הקטע שלפניכם, וענו על השאלות שאחריו.
תלמידים ערכו ניסוי בשני שלבים.
בשלב הראשון הם הנביטו זרעי שעועית ב-30 עציצים בתנאי אור. לאחר 4 שבועות צמחו כל הצמחים לגובה ממוצע של כ-30 ס"מ, וכל גבעול נשא עלים אחדים.
התלמידים קצרו 10 צמחים, ייבשו אותם, שקלו אותם וקבעו את המסה הממוצעת של צמח יבש.
בשלב השני העבירו התלמידים 20 עציצים לתנאי חושך. שאר התנאים נשארו דומים לתנאים של העציצים שנשארו באור. כעבור 3 שבועות נוספים הם קצרו את הצמחים, ייבשו אותם ושקלו אותם, וקבעו את המסה הממוצעת של הצמחים שהוחזקו באור ושל הצמחים שהוחזקו בחושך.
התלמידים השוו את המסה הממוצעת של הצמחים בסוף השלב הראשון למסה הממוצעת שלהם בסוף השלב השני.
א. האם היה הבדל בסוף השלב השני בין המסה של הצמחים ששהו באור לבין המסה של הצמחים ששהו בחושך? הסבירו.
ב. האם בסוף השלב השני הייתה המסה של הצמחים ששהו באור גדולה, שווה או קטנה לעומת המסה בסוף השלב הראשון? הסבירו.
ג. האם בסוף השלב השני הייתה המסה של הצמחים ששהו בחושך גדולה, שווה או קטנה לעומת המסה בסוף השלב הראשון? הסבירו.
6. לצמח כלשהו הוחדר חומר שפוגע במבנה מולקולות הכלורופיל ובתפקודן. לפניכם מפורטים תהליכים שונים המתרחשים בצמח. החליטו, בנוגע לכל תהליך, אם הוא עלול להיפגע (באופן ישיר או עקיף) מהחומר שהוחדר אל הצמח.
נמקו את החלטתכם.
א. תהליך הפוטוסינתזה
ב. תהליך הנשימה התאית
ג. ייצור החלבונים בתאי הצמח
ד. בניית העמילן בתאי הצמח
ה. חדירת חומרים בדיפוזיה אל תאי הצמח
*150*
עד כה למדתם שהצמחים הם אוטוטרופים, כלומר: הם מייצרים חומרי מזון. לעומתם, בעלי-החיים הם הטרוטרופים, והם חייבים לצרוך מזונות ממקורות שונים, כגון צמחים או בעלי-חיים שהם טורפים.
מה קורה למזון אחרי שבולעים אותו? מדוע צריך לעכל את המזון?
המזון מורכב מחומרים שהגוף אינו יכול להשתמש בהם כפי שהם. כדי שיהיה אפשר להשתמש בחומרי המזון לבניית התאים ולאספקת אנרגיה בגוף, צריך לפרק את החומרים למרכיביהם היסודיים - ליחידות הבניין שלהם. אלה התהליכים המתרחשים במערכת העיכול, והם כוללים את השלבים האלה:
- פירוק של המזון ליחידות הבניין שלו - הרב-סוכרים מתפרקים לחד-סוכרים, החלבונים מתפרקים לחומצות אמיניות, והשומנים מתפרקים לחומצות שומן ולגליצרול.
- ספיגה של החומרים אל הדם - רוב תוצרי הפירוק של המזון הם מולקולות קטנות שיכולות לעבור דרך קרומי התאים, ולכן הם יכולים לעבור ממערכת העיכול אל מערכת ההובלה שבגוף (הדם). כך הם מגיעים אל כל תאי הגוף.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
פירוק המזון למרכיביו מתבצע בשתי דרכים שונות: פירוק מכני ופירוק כימי. בפירוק המכני המזון נחתך לחתיכות קטנות. בפירוק הכימי המזון מתפרק למרכיביו באמצעות אנזימים.
(פירוק מכני - חיתוך של חומר לחתיכות קטנות. בפירוק מכני הקשרים הכימיים אינם נשברים והמולקולות אינן מפורקות. הפירוק המכני משנה את הגודל ואת המרקם של החומר, ולא את תכונותיו הכימיות.)
(פירוק כימי - פירוק של החומרים לחומרים פשוטים יותר. תוצרי הפירוק הכימי שונים בתכונותיהם מחומר המוצא.)
הפירוק המכני מתבצע באמצעות ערבוב המזון, לישתו וגריסתו לחתיכות קטנות. החיתוך לחתיכות קטנות מאפשר למזון להיכנס אל מערכת העיכול ולהתקדם בתוכה. מלבד זאת, הוא מגדיל את שטח הפנים של המזון, ומאפשר לאנזימי העיכול להיות במגע רב עם המזון ולבצע את הפירוק הכימי ביעילות רבה.
(אנזימי עיכול - אנזימים המצויים במערכת העיכול ואחראים לפירוק הכימי של המזון. לכל סוג של מרכיבי מזון יש אנזים ייחודי האחראי לפירוקו.)
בפירוק הכימי של כל אחד ממרכיבי המזון משתתף אנזים הייחודי לו. למשל: אנזים מסוג אחד המצוי בקיבה הוא האחראי לפירוק החלבונים, ואנזים מסוג אחר המצוי במעי הדק אחראי לפירוק הפחמימות. לו היינו רוצים לבצע פירוק כימי של מולקולות אורגניות במעבדה,
*151*
היינו זקוקים לתנאים קיצוניים, כגון טמפרטורות גבוהות או חומצה חזקה. לעומת זאת, בגופם של בעלי-חיים הפירוק הכימי נעשה בטמפרטורה נמוכה של 37 מעלות צלסיוס בלבד, וברוב חלקי מערכת העיכול גם בתנאי חומציות מתונים. זאת הודות לאנזימים של מערכת העיכול.
החומרים שבמזון אינם יכולים לשמש את היצור החי כפי שהם בגלל שתי סיבות:
1. המולקולות שמרכיבות את המזון הן גדולות מכדי לעבור דרך קרומי התאים אל זרם הדם וממנו אל תאי הגוף. לעומתן, יחידות הבניין המתקבלות מהפירוק הכימי הן קטנות מספיק כדי לעבור דרך הקרומים וכדי להיקלט בתאים.
2. המולקולות המרכיבות את המזון אינן זהות למולקולות המרכיבות את גופו של היצור שאוכל את המזון. לדוגמה, החלבונים של כל היצורים בנויים מאותן חומצות אמיניות, אבל סוגי החלבונים שבונים את גופנו שונים מאלה שמרכיבים את המזון שאנו אוכלים. למשל, אף שאנו אוכלים אפונה וביצה, איננו יכולים לנצל את החלבונים שלהן כפי שהם. כדי לבנות מהאפונה ומהביצה את החלבונים שאנחנו זקוקים להם, עלינו לפרק את חלבוני האפונה והביצה במערכת העיכול שלנו עד לחומצות האמיניות המרכיבות אותם. רק אז נוכל לבנות מן החומצות האמיניות האלה את החלבונים המיוחדים לנו.
(בספר איור - היעזר במנחה)
פירוק והרכבה של מולקולות חלבון
1. בפרק שעסק בתא בדקתם מעבר של גלוקוז ושל עמילן דרך קרום בררני. היזכרו בתוצאות שקיבלתם: האם גלוקוז ועמילן יכולים לפעפע דרך קרום בררני?
2. הסבירו: מה הקשר בין מעבר של חומרים דרך קרום בררני לבין פירוק כימי של מזון?
3. האם אדם ששותה תמיסת גלוקוז מפרק את הגלוקוז בתהליך העיכול? נמקו.
*152*
כאמור, כדי שהמזון שאנו אוכלים ישמש אותנו לבניית גופנו ולהפקת האנרגיה הדרושה לנו, עלינו לעכל את החומרים האורגניים המצויים במזון. תהליך זה מתרחש בגופנו בתוך מערכת העיכול, שהיא צינור שאורכו כ-9 מטרים - יותר מפי 5 מגובהו של אדם ממוצע!
(בספר מד-גובה - היעזר במנחה)
הצינור מתחיל בפה, שאליו המזון נכנס, ומסתיים בפי הטבעת, שממנו החומרים שלא עוכלו יוצאים אל מחוץ לגוף. לאורך הצינור יש איברים שונים, כל איבר כזה הוא תחנה שבה מתרחש חלק מתהליך העיכול.
כיצד המזון מתקדם בצינור העיכול מתחנה לתחנה?
שרירים לא רצוניים המרפדים את דופנות הצינור מתכווצים לאורכו, ודוחפים את המזון קדימה. בכל פעם שקבוצת שרירים מתכווצת, המזון נדחף קדימה וקבוצת השרירים שמאחור מתרפה. זאת הסיבה שהעיכול מתבצע גם כשאנו שוכבים, ואפילו כשאנחנו עומדים על הראש...
(בספר איור - היעזר במנחה)
מערכת העיכול של האדם
*153*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים.
היכנסו אל הנושא הזנה ואנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד המזון במערכת העיכול.
הפעילו את ההדמיה, זהו את החלקים השונים של מערכת העיכול ובדקו מה מתעכל בכל אחד מהם - הפחמימות, החלבונים או השומנים.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
כדי להבין כיצד המזון מפורק למרכיביו וכיצד הוא נספג אל הדם, נכיר את החלקים השונים של מערכת העיכול באדם ואת תפקודם, ונבדוק מה מתרחש בכל חלק: פירוק מכני, פירוק כימי או שניהם.
הפה הוא התחנה הראשונה של המזון, וכבר כאן המזון עובר שינויים רבים:
- בלוטות הרוק מפרישות נוזל שמרטיב את המזון ומרכך אותו.
- הלשון לשה את המזון, ועם הרוק הוא נהפך לעיסה רכה ורטובה שקל לבלוע.
- השיניים חותכות את המזון לחתיכות קטנות, וכך שטח הפנים שלו גדל - פירוק מכני של המזון.
- ברוק נמצאים אנזימים המפרקים את העמילן שבמזון לסוכרים פשוטים יותר - פירוק כימי.
השיניים בנויות מחומרים קשים מאוד, ובכך הן מותאמות לעבד את המזון פירוק מכני. השיניים החותכות חותכות את המזון, והשיניים הטוחנות מועכות ומרסקות אותו לחתיכות קטנות. כך שטח הפנים של המזון גדל, והוא מוכן לפירוק הכימי באמצעות האנזימים. לכן חשוב ללעוס היטב את המזון ולהקפיד על בריאות השיניים: לצחצח אותן ולטפל בכל מקרה של פגיעה בהן.
(בספר איור - היעזר במנחה)
שיניים חותכות
שיניים טוחנות
ניב
שיניים חותכות
*154*
שלושה זוגות של בלוטות רוק גדולות נמצאות מסביב לפה: מתחת לאוזן, מתחת ללסת ומתחת ללשון. בנוסף להן, בלוטות רוק קטנות מפוזרות בכל חלל הפה: בלחיים, בחך (תקרת הפה), בלשון ובשפתיים. בלוטות הרוק מייצרות ומפרישות בממוצע כליטר וחצי רוק ביום.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בלוטות הרוק הגדולות באזור הפה (צבועות בכתום)
בחלק זה של הפעילות תבדקו מה קורה ללחם שאתם אוכלים כשהוא מגיע לתחנה הראשונה במערכת העיכול: הפה.
1. קחו חתיכת לחם לבן ולעסו אותה במשך כחצי דקה בלי לבלוע אותה.
2. תארו בכיתה: איזה טעם היה ללחם בשניות הראשונות של הלעיסה? איזה טעם היה לו בסופה?
3. הסבירו את השינוי. רמז: הלחם הוא מזון עשיר ברב-סוכר עמילן.
מטרת הניסוי: לעקוב אחרי פירוקו של עמילן המצוי בצלחת אגר-עמילן בידי האנזים עמילז.
ציוד: טפטפת, מרקר, צלחות אגר-עמילן (עמילן 0.5 אחוז), תמיסת יוד מהולה מאוד (0.25 אחוז), תמיסת עמילז מוכנה (עמילז סינתטי), קיסמים לניקוי אוזניים.
א. טבלו קיסם לניקוי אוזניים בתמיסת העמילז המוכנה, וכתבו או ציירו באמצעות הקיסם על אגר-עמילן שבצלחת.
ב. המתינו כ-15 דקות.
ג. טפטפו מתמיסת היוד על האגר-עמילן שבצלחת. הטו את הצלחת כדי לפזר את התמיסה באופן שווה, עד שכל הצלחת תכחיל.
ד. שטפו את עודפי תמיסת היוד והתבוננו בתוצאות.
יבוצע על ידי המורים:
ה. חלקו את צלחת האגר-עמילן לשניים באמצעות סימון קו במרקר בתחתיתה (מבחוץ).
במחצית אחת כתבו "רוק", ובאחרת - "עמילז סינתטי".
ו. שימו מעט רוק מפיכם על המכסה של צלחת האגר-עמילן.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
מטפטפים תמיסת יוד על צלחת אגר-עמילן
*155*
ז. טבלו קיסם לניקוי אוזניים בתמיסת הרוק, וכתבו או ציירו באמצעותו על החצי המתאים של צלחת האגר-עמילן; טבלו קיסם לניקוי אוזניים בתמיסת העמילז המוכנה, וכתבו או ציירו באמצעות הקיסם על האגר-עמילן שבצלחת.
ח. המתינו כ-15 דקות ובצעו את השלבים ג-ד. הציגו לתלמידים את התוצאות.
תוצאות: תארו במילים: מה קרה בצלחת האגר-עמילן?
1. מה מסקנתכם בנוגע לחשיבות הרוק בעיכול המזון? נמקו.
2. לאור מה שאתם יודעים על מבנה העמילן, אילו תוצרים התקבלו בניסוי?
3. הציעו ניסוי שבו אפשר לבדוק אם תשובתכם לשאלה 2 נכונה. היזכרו באמצעי זיהוי שונים שהכרתם.
4. מה הקשר בין הניסוי שערכתם לבין תהליך העיכול?
5. האם בניסוי התרחש פירוק מכני או פירוק כימי? נמקו.
6. האם בפה מתרחש פירוק מכני או פירוק כימי? נמקו.
7. שערו: מה תהיה ההשפעה של הטמפרטורה על קצב פירוק העמילן? נמקו השערתכם.
8. הציעו ניסוי הבודק את השערתכם, ואם אפשר בצעו את הניסוי בכיתה וסכמו אותו.
המזון המעוכל בחלקו והמזון שטרם עוכל עוברים מן הפה אל הקיבה דרך צינור שנקרא ושט.
זהו צינור שרירי המשמש תחנת מעבר בלבד. המזון אינו ממשיך להתפרק בו.
שרירי הוושט מתכווצים בגלים, ודוחפים את גושי המזון לכיוון הקיבה גם כאשר שוכבים במאוזן, ואפילו כאשר עומדים על הראש.
במעבר בין הוושט לקיבה נמצא שריר טבעתי שנקרא סוגר. שריר זה מאפשר את תנועת המזון אל תוך הקיבה, ומונע את חזרתו של המזון מן הקיבה אל הוושט. לעתים, כתוצאה מגירויים שונים כגון מזון מקולקל, נגיף או ריח רע, כיוון התנועה של המזון מתהפך, ואנו מקיאים: שרירי הבטן מתכווצים בחוזקה ולוחצים על הקיבה, השריר הסוגר נפתח, והמזון נדחף לכיוון ההפוך - מהקיבה אל הוושט, ומשם אל הפה והחוצה.
(בספר איור - היעזר במנחה)
המזון עובר בוושט ללא פירוק
*156*
המזון, שהתחיל להתעכל בפה, מגיע דרך הוושט לקיבה. הקיבה היא איבר דמוי שק שדפנותיו עבות ושריריות. כאשר המזון נכנס לקיבה, השרירים של הקיבה מתחילים להתכווץ. תנועת השרירים לשה את המזון, מערבלת אותו ומערבבת אותו עם מיצי העיכול של הקיבה.
מיצי הקיבה מופרשים משכבת הרירית המרפדת את הקיבה מבפנים.
מיצים אלה מכילים אנזימים האחראים לפירוק החלבונים המצויים במזון וחומצה. החומצה מספקת את הסביבה החומצית הדרושה לפעילותם של האנזימים האלה (pH של 2-1).
לחומצה יש גם תפקיד של חיטוי: היא משמידה חיידקים לא רצויים שחודרים לקיבה עם המזון, וכך היא מגנה על הגוף מפני זיהומים.
האנזימים הפועלים בקיבה מפרקים את החלבונים שבמזון למקטעי חלבון קטנים מאוד (אך לא עד ליחידות הבניין שלהם - החומצות האמיניות. הפירוק הסופי יתבצע במעי הדק).
כשהמזון יוצא מן הקיבה הוא עדיין מעוכל חלקית. הוא יוצא דרך הפתח התחתון של הקיבה ועובר אל התריסריון. גם הפתח הזה נפתח ונסגר באמצעות שריר סוגר טבעתי. כל זמן שהמזון נמצא בקיבה ומתעכל בה, השריר הסוגר מכווץ ומונע מן המזון להתקדם אל התריסריון. לאחר שהעיכול בקיבה מסתיים השריר מתרפה, והמזון ממשיך בדרכו במערכת העיכול.
(בספר איור - היעזר במנחה)
בקיבה החלבונים מתחילים להתפרק
ראו בעמוד 153 את המקרא לאיורים המציגים את איברי מערכת העיכול ואת התהליכים המתרחשים בהם.
1. האם בקיבה מתבצע פירוק מכני, פירוק כימי או שניהם? נמקו.
2. האם הקאה היא פעולה רצונית או לא רצונית? מה היתרון בכך?
התריסריון הוא החלק הראשון של המעי הדק, והמזון מגיע אליו מן הקיבה. אל התריסריון נשפכים מיצי עיכול שנוצרים בשתי בלוטות עיכול חשובות: הכבד והלבלב. הנוזלים האלה מתערבבים במזון המעוכל חלקית, וממשיכים עמו אל המעי הדק.
(בלוטת עיכול - מבנה שבו תאים המפרישים מיצי עיכול.)
הכבד הוא הבלוטה הגדולה ביותר בגוף, והוא ממוקם ליד צינור העיכול. הכבד אינו חלק מצינור העיכול, אך הוא קשור לתהליך העיכול בגלל נוזל המרה שהוא מייצר (מיצי המרה).
נוזל המרה נאגר בכיס המרה, ומשם הוא נשפך אל התריסריון. נוזל המרה מסייע בעיכול השומנים שבמזון בכך שהוא הופך אותם לתחליב - טיפות שומן קטנטנות שצפות בתוך הנוזלים של צינור העיכול. כך יש לאנזימים שבמעי הדק שטח מגע גדול יותר עם החומרים השומניים, והם מפרקים אותם ביעילות רבה יותר.
כדאי לדעת: בכבד מתרחשים גם תהליכים אחרים: הוא מייצר חומרים שונים החיוניים לגוף, כגון כולסטרול וחלבונים המעורבים בקרישת הדם, והוא מנטרל חומרי פסולת מזיקים הנישאים בזרם הדם.
*157*
גם הלבלב הוא בלוטה שאינה חלק מצינור העיכול, אך הוא מפריש לצינור העיכול מיצי עיכול. מיצים אלה מכילים אנזימים המשתתפים במעי הדק בפירוק של חלבונים, של פחמימות ושל שומנים.
כדאי לדעת: בלבלב מתרחש גם תהליך אחר שאינו קשור למערכת העיכול: הוא מפריש הורמונים שמשתתפים בוויסות של חילוף החומרים בגוף. ההורמון החשוב שבהם הוא האינסולין, המשפיע על ריכוז הסוכר בדם.
(בספר איור - היעזר במנחה)
מיצי העיכול נשפכים מן הכבד ומן הלבלב אל התריסריון
המעי הדק הוא צינור ארוך ומפותל מאוד - אם ניישר אותו יגיע אורכו לכ-6 מטרים! המעי הדק הוא המשכו של התריסריון. המזון ומיצי העיכול שנשפכו מהכבד ומהלבלב אל התריסריון, עוברים כולם אל המעי הדק.
חומרי המזון המגיעים אל המעי הדק מתפרקים בו עד ליחידות הבניין שלהם:
החלבונים, שהחלו להתפרק בקיבה, ממשיכים להתפרק עד שמתקבלות חומצות אמיניות.
הפחמימות, שפירוקן החל בפה, ממשיכות להתפרק עד שמתקבלים חד-סוכרים.
השומנים, מתחילים את פירוקם כאן וגם מסיימים אותו כאן, ומתקבלים מהם חומצות שומן וגליצרול.
(בספר איור - היעזר במנחה)
החלבונים, הפחמימות והשומנים מתפרקים במעי הדק
האם במעי הדק מתבצע פירוק מכני, פירוק כימי או שניהם? נמקו.
התוצרים הסופיים של העיכול - יחידות הבניין של המזון - נספגים מן המעי הדק אל התאים של דופן המעי. משם הם עוברים אל צינורות הדם המקיפים את המעי, וזרם הדם נושא אותם אל הכבד ואל שאר תאי הגוף.
כיצד מבנה המעי הדק מותאם לתפקודו?
הדופן הפנימית של המעי הדק אינה חלקה. היא עשויה בליטות שנראות כמו אצבעות קטנטנות. הבליטות האלו נקראות סיסים (או מוריגי מעיים). (סיסים (מוריגי מעיים) - בליטות קטנות דמויות אצבע הנמצאות על הדפנות הפנימיות של המעי הדק. הסיסים מגדילים את שטח הפנים של המעי, ומייעלים את ספיגת המזון המעוכל מן המעי אל הדם.) כל בליטה בנויה מתאים, ומן הקרום של כל תא בולטות שלוחות רבות. המבנה הזה יוצר שטח פנים גדול מאוד של הדופן. לו היינו פורסים את המעי לכל אורכו ועל כל פיתוליו למשטח שלם אחד, היינו מקבלים שטח בגודל של מגרש טניס!
*158*
שטח הפנים הגדול של המעי הדק מייעל את תהליך הספיגה של תוצרי העיכול, משום שכך יש יותר מגע בין המולקולות (תוצרי העיכול) שבחלל המעי לבין התאים שסופגים אותן.
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
- המעי הדק מקופל ומפותל בחלל הבטן. אם ניישר אותו נגלה שאורכו 7-5 מטרים
- הדופן הפנימית של המעי אינה חלקה! היא בנויה מבליטות קטנות, שנקראות סיסים (או מוריגים)
- כל סיס מרופד בשכבה של תאים סופגים. חומרי מזון עוברים מהמעי אל התאים הסופגים, ומהם אל נימי הדם הצמודים אל התאים. הדם נושא אותם אל תאי הגוף
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט''ב- מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא הזנה ואנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד אל תוך מערכת העיכול.
הציצו לתוך המעי הדק באמצעות ה"מגדלת" שבהדמיה. התבוננו בפיתולים ובסיסים שלו, המגדילים את שטח הפנים של המעי, וראו כיצד תוצרי העיכול (אבני הבניין המרכיבות את החומרים השונים) עוברים מן המעי אל הדם.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*159*
מטרת ההתנסות: לדמות את תהליך הספיגה הבררנית של חומרים במעי הדק.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
שיטת העבודה: בניית דגם של המעי הדק באמצעות שקית דיאליזה.
(שימו לב: שקית הדיאליזה עשויה קרום בררני המאפשר לסוכר לעבור דרכו בקלות. במציאות, לעומת זאת, ספיגת הסוכר במעי היא תהליך מורכב הרבה יותר שדורש גם השקעת אנרגיה.)
ציוד: כוס מים, 4 מבחנות, שקית דיאליזה, כוס כימית גדולה, משורה שנפחה 10 מ"ל לפחות, תמיסת גלוקוז (10 אחוז), תמיסת עמילן (1 אחוז), תמיסת בנדיקט או 8 מקלונים בודקי גלוקוז (אפשר לחתוך כל מקלון לאורך), תמיסת יוד מהולה (1 אחוז).
א. טבלו את שקית הדיאליזה במים כדי לרכך אותה.
ב. קשרו היטב צד אחד של השקית והכניסו לתוכה מים כדי לוודא שאין נזילה בקצה הקשור. רוקנו את השקית.
ג. ערבבו בכוס הכימית נפחים שווים של תמיסת גלוקוז ושל תמיסת עמילן. היעזרו במשורה.
ד. העבירו לשקית הדיאליזה מהתמיסה שהכנתם. אל תמלאו את השקית.
ה. קשרו היטב את הקצה האחר של השקית, ושטפו אותה מבחוץ כדי להיפטר משאריות תמיסה שאולי נזלה עליה.
ו. הכניסו את השקית לכוס המים. הקפידו שהשקית תהיה טבולה כמעט לחלוטין במים.
ז. הניחו את המערכת למשך 30 דקות, ואז הוציאו את השקית. הקפידו לא לשפוך את המים מן הכוס.
ח. העבירו מעט מהנוזל שבשקית לשתי מבחנות ריקות. בדקו באחת מהן נוכחות של גלוקוז, ובאחרת - נוכחות של עמילן.
ט. העבירו מעט מהנוזל שבכוס לשתי מבחנות ריקות, וחזרו על הבדיקות.
תוצאות ההתנסות והמסקנות:
החומר, מיקום החומר בתחילת הניסוי במבחנה, מיקום החומר בתחילת הניסוי בשקית, מיקום החומר בסוף הניסוי במבחנה, מיקום החומר בסוף הניסוי |
גלוקוז, --, --, --, --, -- |
עמילן, --, --, --, --, -- |
*160*
הקריטריון, הדגם, המעי הדק |
המבנה, צינור, -- |
החומר שהוא עשוי ממנו, פלסטיק, -- |
תכונת הדופן, קרום בררני, -- |
הנוזל שהחומרים עוברים אליו, מים, -- |
החומרים שעוברים, גלוקוז (חד-סוכר), -- |
החומרים שלא עוברים, עמילן (רב-סוכר), -- |
3. מה המסקנה הנובעת מן ההתנסות? נמקו.
4. האם אפשר להסיק מסקנה דומה גם בנוגע לשומנים ולחלבונים? הסבירו.
5. לאור מה שלמדתם, מה דעתכם על ההיגד שלפניכם? נמקו.
"מזון שמכיל סוכרים פשוטים מגיע אל הדם מהר הרבה יותר ממזון שמכיל רב-סוכרים".
6. עודפי סוכר שנשארים בתאי הגוף הופכים לחומרי תשמורת מקבוצת הרב-סוכרים (גליקוגן בבעלי-חיים ועמילן בצמחים).
הסבירו: מה הקשר בין מעבר של חומרים דרך קרום בררני לבין חומרי תשמורת אלה בגופם של יצורים חיים?
חומרים שלא עוכלו ממשיכים את דרכם בצינור העיכול אל המעי הגס. חומרים אלה הם, למשל, תאית וסיבים תזונתיים אחרים שמקורם בצמחים. לסיבים התזונתיים יש חשיבות רבה כי הם משפיעים על התכונות של עיסת המזון העוברת בצינור העיכול, ובכך משפרים את פעולת המעיים.
המעי הגס הוא רחב וקצר לעומת המעי הדק (אורכו "רק" מטר וחצי). אין בו סיסים, ולכן שטח הספיגה שלו קטן. חשיבותו העיקרית היא בספיגת עודפי מים שמקורם במזון או במיצי העיכול שהופרשו במהלך פירוק המזון. כך נמנע אבדן מים רבים. שאריות של מזון שלא התעכל הנותרות במעי הגס הן הצואה, והיא נפלטת החוצה.
פי הטבעת הוא הפתח התחתון של צינור העיכול. דרכו הצואה נפלטת מן הגוף החוצה. פי הטבעת נפתח ונסגר באמצעות שריר טבעתי שעל פעולתו אנחנו יכולים לשלוט.
*161*
עד כה למדתם שהמזון מספק חומרים לבניית תאים ומשמש מקור של אנרגיה לגוף. עוד למדתם שהגוף אינו יכול להשתמש בחומרים המרכיבים את המזון כפי שהם, אלא צריך לפרק את חומרי המזון ליחידות הבניין שלהם (לחומצות אמיניות, לחד-סוכרים, לחומצות שומן ולגליצרול). רק אז אפשר לבנות מהאטומים המרכיבים אותם את החומרים האורגניים הנחוצים בתאי הגוף.
כדי שחומרי מזון יתפרקו, יגיעו אל תאי הגוף וישמשו לבנייתם ולאספקת אנרגיה, מערכות הגוף השונות פועלות במשותף, כמערכת-על אחת.
את התפקיד של פירוק המזון ליחידות הבניין ממלאת מערכת העיכול. תוצרי הפירוק של המזון הם מולקולות קטנות שיכולות לפעפע דרך קרומי התאים. מולקולות אלו יכולות לעבור מחלל המעי הדק אל התאים של דופן המעי, ומשם אל צינורות הדם המקיפים את המעי. כלומר: במערכת העיכול מתרחשת גם הספיגה של המזון אל הדם.
בשלב הזה מערכת ההובלה (הדם) מעורבת בפעולה. זרם הדם נושא את תוצרי העיכול של המזון עד לנימי הדם הדקיקים הנמצאים בקרבת כל התאים בגוף, ומשם הם נכנסים אל תוך התאים. חומצות אמיניות וחומצות שומן שנכנסות אל התאים משמשות בעיקר לבניית התאים. הגלוקוז הוא בעיקר מקור של אנרגיה כימית בתא, המתקבלת בתהליך הנשימה התאית.
בתהליך זה, מגלוקוז ומחמצן נוצרים פחמן דו-חמצני ומים.
ואיך החמצן מגיע אל התאים?
חמצן שנקלט בריאות עובר גם הוא עם זרם הדם ומפעפע אל תוך תאי הגוף. כלומר: גם מערכת הנשימה מעורבת באספקת האנרגיה לתאים.
לא כל האנרגיה הנפלטת בתהליכי פירוק המזון היא אנרגיה כימית זמינה בתאים. חלק מהאנרגיה הנפלטת מומר לחום, שמיעוטו נשאר בגוף ורובו משתחרר מן הגוף אל הסביבה.
התרשים שלפניכם מסכם את תהליך הנשימה התאית ומדגיש את חשיבותו באספקת אנרגיה לתא.
אנרגיה כימית אנרגיה כימית שאינה זמינה בתאים + חום זמינה לפעילות בתאים
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
אנרגיה כימית שאינה זמינה לפעילות בתאים – אנרגיה כימית זמינה בתאים פלוס חום
גלוקוז פלוס חמצן - פחמן דו-חמצני פלוס מים
(בספר איור - היעזר במנחה)
חמצן וגלוקוז שהגיעו בזרם הדם עוברים אל תאי הגוף, ומשתתפים בתהליך פולט האנרגיה של הנשימה התאית, המתרחש במיטוכונדריה
בתהליך הנשימה התאית נוצרים מים וגם פחמן דו-חמצני. את הפחמן הדו-חמצני צריך לסלק מן הגוף. את התפקיד הזה מבצעות מערכת ההובלה (הדם) ומערכת הנשימה. הפחמן הדו-חמצני מפעפע מן התאים אל זרם הדם, וזרם הדם מוביל אותו אל הריאות. שם הוא מפעפע מזרם הדם אל תוך נאדיות הריאה, ויוצא מן הגוף.
המים נשארים בתאים או עוברים אל הדם. חלק מהמים שבזרם הדם מגיע לכליות ומופרש בשתן, וחלק מופרש לאוויר דרך הריאות בזמן הנשיפה (כאדי מים) ומתאי העור (בזיעה).
*162*
אם כן, ללא שיתוף פעולה בין מערכות העיכול, הנשימה וההובלה (הדם), לא היינו יכולים לקיים את תהליך ההזנה של הגוף ביעילות, ולא היינו יכולים להפיק אנרגיה מהמזון.
האיור שלפניכם מציג את הקשרים ואת שיתוף הפעולה בין מערכות העיכול, הנשימה וההובלה (הדם) ובין התהליכים המתבצעים בהן. התבוננו באיור וענו על השאלות שאחריו.
(בספר איור - היעזר במנחה)
1. תארו במשפט אחד את הקשר בין כל זוג מהזוגות שלפניכם: מערכת העיכול ומערכת הנשימה; מערכת העיכול ומערכת הדם; מערכת הנשימה ומערכת הדם.
2. הסבירו את המשפט שלפניכם: "מערכת העיכול שונה ממערכת הנשימה בכך שמערכת העיכול היא מערכת קליטה בלבד, ואילו מערכת הנשימה היא מערכת קליטה ופליטה". |
3. העמילן בחתיכת הלחם שלעסנו התפרק בפה לשרשרות קצרות המורכבות מכמה מולקולות גלוקוז, ואף לכמה מולקולות גלוקוז בודדות. תארו את מסלולה של מולקולת גלוקוז אחת בגוף ואת מה שקורה לה בכל תחנה, עד שהיא מתפרקת בתוך התא.
4. לפי דעתכם, האם יש מערכת כלשהי בגוף שאי אפשר לקשור אותה למערכות שבאיור? נמקו את תשובתכם.
5. חלק מהאנרגיה שגופנו מפיק בעת הנשימה התאית נפלט כחום מן הגוף אל האוויר שמסביבנו והולך לאיבוד.
הציעו דרכים לנצל את החום הזה, למשל, במקומות הומי אדם כמו תחנות רכבת או מרכזי קניות.
*163*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא מערכות גוף האדם ובריאות, ובחרו ביחידת הלימוד חומרים ואנרגיה בתאי הגוף.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. הפעילו את ההדמיה וציינו מה מסמלים האיורים המחוברים זה לזה בחצים הכחולים, מה מסמלים האיורים המחוברים בחצים הכתומים, ומה מסמלים האיורים המחוברים בחצים האדומים.
ב. תארו את המסלול של מולקולת חמצן מהרגע שהיא נכנסת לגוף ועד שהיא מנוצלת להפקת אנרגיה בתא.
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים.
היכנסו אל הנושא מערכות גוף האדם ובריאות, ובחרו ביחידת הלימוד הגוף כמערכת.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. הפעילו את ההדמיה, והסבירו את הקשר שבין קצב הנשימה לבין הנשימה התאית.
ב. כיצד משתלב העור בשיתוף הפעולה שבין מערכות העיכול, הנשימה וההובלה (הדם)?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים.
היכנסו אל הנושא מערכות גוף האדם ובריאות, ובחרו ביחידת הלימוד זרמים משתנים.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. הפעילו את ההדמיה, וגלו איזה איבר מקבל אספקת דם קבועה, בלי קשר לסוג הפעילות הגופנית של האדם. הסבירו מדוע זה חשוב.
ב. קראו את המידע ביחידת הלימוד, וענו על השאלות המופיעות בה.
*164*
בעלי-חיים ממינים שונים אוכלים סוגים שונים של מזונות. מערכת העיכול של כל בעל-חיים מותאמת לסוג המזון שהוא אוכל. הקשר מרשים במיוחד כאשר משווים את מערכת העיכול של הצמחוניים לזאת של הטורפים.
בעלי-חיים צמחוניים, כגון עזים ופרות, ניזונים מצמחים. צמחים מכילים מעט חלבונים ושומנים, ולכן כדי לספק לעצמם את החומרים האלה, הצמחוניים צריכים לאכול מזון רב מאוד. בהתאמה לכך, לצמחוניים רבים יש לסתות ארוכות שיוצרות חלל פה גדול. כך הם יכולים לקלוט בבת אחת כמות גדולה של מזון צמחי. גם מבנה השיניים של הצמחוניים ייחודי להם: הוא מותאם ללעיסת עלים וגבעולים נוקשים של צמחים.
(בספר ארבע תמונות - היעזר במנחה)
- הפרה היא בעל-חיים צמחוני
- השיניים החותכות של הפרה ממוקמות בקדמת הלסת התחתונה. כך הן מותאמות לחיתוך יעיל של עלי צמחים
- לפרה יש לסתות ארוכות (כמו לבעלי חיים צמחוניים אחרים). חלל הפה הגדול שלה מותאם ללעיסה של צמחים רבים בבת אחת
- על השיניים הטוחנות של הפרה יש בליטות אורך נוקשות (רכסים), המותאמות ללעיסה ולריסוק של עלים קשים במיוחד. תנועת הלעיסה של לסתות הפרה - לצדדים - מסייעת בכתישת העלים
*165*
טורפים כמו אריות, זאבים ונמרים אינם לועסים את מזונם, הם נוגסים חתיכות מבשר הטרף המזין, ובולעים אותן בשלמותן. לכן אין להם צורך בלסת גדולה כמו זו של הצמחוניים. ואכן, הלסתות של הטורפים קצרות יותר ומותאמות להפעלת לחץ גדול לקטילת הטרף או לריסוק העצמות שלו. גם שיניהם של הטורפים שונות מאלו של הצמחוניים. הן מותאמות לחיתוך חתיכות מבשר הטרף, ואף לכרסום שרידי הבשר הצמודים לעצמות.
(בספר ארבע תמונות - היעזר במנחה)
- האריה הוא בעל-חיים טורף
- בקדמת הלסת של האריה יש ניבים ענקיים. כאשר הם נסגרים זה לצד זה, הם הורגים את הטרף
- הלסתות של האריה (כמו של שאר הטורפים) קצרות יחסית
- השיניים האחוריות, המלתעות, של האריה מותאמות לחיתוך של בשר הטרף לחתיכות. כאשר הטורף סוגר את לסתותיו בתנועה אנכית, המלתעות העליונות והתחתונות חותכות את הבשר כמו מספריים
*166*
אוכלי-כול כשמם כן הם, אוכלים מזון מגוון - גם בעלי-חיים וגם צמחים. בהתאמה לכך, מבנה השיניים שלהם מותאם לחיתוך וללעיסה של מבחר מזונות. חשבו על מבנה השיניים שלנו, האם החותכות והטוחנות שלנו מותאמות לאכילת מזון מגוון?
(בספר שתי תמונות)
- הדוב הוא אוכל-כול
- הדוב הוא אחד הנציגים של אוכלי-הכול. לסתותיו מוארכות במקצת, אך פחות מאלה של הצמחוניים
מלבד ההתאמה של מבנה הלסתות והשיניים, מערכות העיכול של בעלי-החיים מותאמות לתפקודן גם בהיבטים אחרים:
- המעיים של הצמחוניים ארוכים יותר מאלו של הטורפים, בהתאמה לכך שהמזון הצמחי קשה יותר לעיכול מאשר המזון מן החי, ופעולת העיכול נמשכת זמן רב יותר.
- במערכת העיכול של בעלי-החיים הצמחוניים יש מיקרואורגניזמים שמפרקים את התאית (רב-סוכר, המרכיב העיקרי בדופנות הצמחים). (מיקרואורגניזם - (מיקרו שווה זעיר; אורגניזם שווה יצור חי) יצור זעיר שאפשר לראותו רק באמצעות מיקרוסקופ, כגון חיידק, נגיף, או פטריית שמר.) המיקרואורגניזמים ובעלי-החיים הצמחוניים חיים בסימביוזה הדדית זה עם זה: בעל-החיים המאכסן מספק למיקרואורגניזמים בית גידול נוח, והמיקרואורגניזמים מספקים לבעל-החיים המאכסן (ולעצמם) את תוצרי הפירוק של התאית. נוסף על כך, המיקרואורגניזמים עצמם הם מקור טוב לחלבונים, ובעל-החיים המאכסן אותם מעכל גם חלק מהם. בעלי-חיים שאין להם מיקרואורגניזמים כאלה במערכת העיכול אינם יכולים לעכל תאית.
- לחלק מבעלי-החיים הצמחוניים יש בקיבה 4 מדורים! אלה הם מעלי הגירה, ועמם נמנים הצבי, הג'ירף, הפרה ועוד רבים אחרים. (מעלי גירה - קבוצה של יונקים המאופיינים בבליעה כפולה: העלאת מזון שנבלע מן הקיבה אל הפה, לעיסתו מחדש בפה ובליעתו מחדש.) מערכת קיבות ייחודית כזו מקנה להם יתרון הישרדותי. כאשר הם אוכלים צמחים בשטח הפתוח הם נחשפים לטורפים, אך בזכות מבנה מערכת העיכול הם לועסים את המזון באופן חלקי, בולעים אותו בחיפזון ויכולים לקצר מאוד את שהותם במקום. לאחר שהם בולעים כמות גדולה של צמחים הם עוברים למקום מסתור ושם הם מעלים גירה: מחזירים מן המדור הראשון של הקיבה אל הפה את המזון המעוכל חלקית, ולועסים אותו ביסודיות להמשך יעיל של תהליך העיכול.
(בספר איור - היעזר במנחה)
לפרה יש 4 מדורים בקיבה לעיכול המזון הצמחי
*167*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא הזנה ואנרגיה, ובחרו ביחידת הלימוד תזונה בבעלי-חיים.
א. זהו את הקשר בין צורת המקור של העופות לבין המזון שהם אוכלים.
ב. קראו את המידע והתבוננו במבנה הגולגולת ובשיניים של בעל-חיים צמחוני (פרה), של טורף (אריה) ושל אוכל-כול (דוב). שימו לב להתאמה בינם לבין סוג המזון שהם אוכלים.
ג. קראו על מבנה הקיבות של מעלי הגירה. שימו לב כיצד הן מותאמות לעיכול כמות גדולה של מזון צמחי.
- האדם ושאר בעלי-החיים ההטרוטרופים (הצרכנים) משיגים את החומרים הדרושים לבניית גופם ולהפקת אנרגיה באמצעות אכילת יצורים אחרים.
- בתהליך העיכול רכיבי המזון מתפרקים ליחידות הבניין שלהם, שנספגות אל מערכת ההובלה. כתוצאה מכך, יחידות הבניין של רכיבי המזון יכולות להיכנס אל תאי הגוף ולשמש לבניית התאים ולהפקת אנרגיה בהם. העיכול מתרחש בשלבים, בחלקים השונים של מערכת העיכול, וכל חלק מותאם לתפקודו.
- בתהליך העיכול הפחמימות מתפרקות לחד-סוכרים, החלבונים מתפרקים לחומצות אמיניות, ורוב השומנים מתפרקים לחומצות שומן ולגליצרול.
- מערכות העיכול של בעלי-חיים (טורפים, צמחוניים ואוכלי-כול) מותאמות לסוג המזון שהם אוכלים.
1. תלמידים אכלו מנות פלאפל. תארו את המסלול של הפלאפל בתוך מערכת העיכול, מהשלב שהוא נכנס לפה ועד ששאריות שלו יוצאות מן הגוף. ציינו מאילו חומרים המאכל הזה מורכב, ותארו את השינויים המכניים והכימיים הנגרמים לו בתחנות השונות במערכת העיכול.
2. בתהליך העיכול המזון מתפרק. מדוע יש צורך בפירוק המזון?
3. מה ההבדל בין פירוק כימי לפירוק מכני?
4. "יעילות הפירוק הכימי של המזון מותנית בפירוקו המכני". הסבירו את המשפט הזה.
*168*
5. כאשר עקרב צהוב עוקץ, הוא מזריק את הארס שלו לתוך הדם של הטרף. הארס מכיל חלבונים שפועלים על מערכת העצבים של הקורבן ומשתקים אותה.
מישהו הציע לתת לאדם שנעקץ מעקרב צהוב גלולה שמכילה אנזימים מפרקי חלבון, כדי שאלו יפרקו את חלבוני הארס.
מה דעתכם על ההצעה? נמקו את תשובתכם.
6. מה יתרונו של שטח הפנים הגדול של המעי הדק?
א. חיתוך המזון
ב. פירוק המזון
ג. ספיגת המזון
ד. הפקת אנרגיה מהמזון
7. מה מבין הבאים עלול לפגוע בעיכול שומנים? הסבירו מדוע.
א. היצרות של הוושט
ב. חומציות גבוהה מדי של מיץ הקיבה
ג. פגיעה בתפקוד הכבד
ד. פגיעה באנזימים המחברים חומצות שומן לגליצרול
8. חוקרים סימנו חלבונים שבתוך סטייק בקר באמצעות חומר המאפשר לעקוב אחריהם בגוף. לאחר האכילה הם בדקו את הגוף מדי פעם, והצליחו לזהות בו את מיקום החומצות האמיניות.
איפה סביר להניח שזיהו את החומצות האמיניות האלה? התייחסו לכל אחת מהאפשרויות הבאות.
א. באנזימים שבתאים
ב. בקרום של תאי העור
ג. באוויר שנפלט מן הריאות
ד. בזרם הדם
9. למה בחדר מלא אנשים הטמפרטורה עולה?
בתשובתכם דונו גם בתהליכים המתרחשים במערכות הגוף וגם בתהליכים המתרחשים בתוך התאים שבגוף.
10. האם האדם הוא טורף, צמחוני או אוכל-כול? נמקו.
11. איזה גורל צפוי לאריה שניביו נשחקו עם הזמן? הסבירו.
12. לפני עידנים רבים חיו דינוזאורים בכדור-הארץ, אך כיום נותרו מהם רק שלדים וגולגלות מאובנים.
כיצד יכולים החוקרים לקבוע ממה ניזונו הדינוזאורים?
*169*
רוב האנשים החיים בעולם המערבי, ובכלל זה גם אנחנו, מוקפים בהיצע גדול מאוד של מזון ובשלל אמצעי פרסום המנסים לגרום להם לצרוך מוצרי מזון שונים.
המידע העומד לרשותנו בנוגע לסוגי המזון שרצוי לאכול או לא לאכול, בנוגע לכמויות המומלצות ובנוגע לזמני האכילה המומלצים הוא עצום, ולפעמים אף שגוי או סותר. איך מתמודדים עם כל זה? איך בוחרים את המזון המיטיב עם הגוף?
בגלל השוני בין האנשים אי אפשר לתת הנחיות חד-משמעיות שיתאימו לכולם. גורמים שונים כגון מין, משקל גוף, גיל, גובה, פעילות גופנית ותורשה קובעים את הכמות ואת סוגי המזונות הנחוצים לכל אדם. לדוגמה, בתקופת הילדות והנעורים, כאשר הגוף נמצא בשלבי גדילה, יש צורך לאכול כמויות מזון גדולות יותר מאשר בתקופת הבגרות, לאחר שהגוף סיים לגדול. גם גורמים כמו חשיפה לתנאי אקלים קיצוניים או מחלה, עשויים להשפיע על כמויות המזון הנחוצות לגוף.
אדם כלשהו צריך לאכול 2,000 קילו קלוריות ביום כדי לספק לגופו את האנרגיה הנחוצה לגופו. 4 מנות ספגטי ברוטב עגבניות מספקות בערך את כמות האנרגיה הזו (זהו הערך הקלורי שלהן).
האם זהו תפריט מומלץ? הסבירו את תשובתכם.
למדנו שתפקידו של המזון הוא לספק לגוף את האנרגיה הדרושה לו ואת החומרים הנחוצים לבניית התאים. אם כן, תזונה נבונה, שמספקת לגוף את כל החומרים הדרושים למגוון צרכיו, היא תזונה מגוונת הכוללת מגוון סוגים של מזון.
נהוג למיין את המזונות לקבוצות לפי מרכיב המזון העיקרי שהם מכילים: פחמימות, חלבונים, שומנים, מינרלים וויטמינים. אלה הן קבוצות של מרכיבי המזון. כל קבוצת מזונות היא מקור של חומרים חיוניים לגוף, ולכן תפריט מגוון צריך לכלול את כל הקבוצות של מרכיבי המזון.
קבוצות של מרכיבי המזון - קבוצות של כל סוגי המזון, ממוינים לפי המרכיב העיקרי שלהם (פחמימות, חלבונים, שומנים, מינרלים וויטמינים).
*170*
פירמידת המזון - ייצוג גרפי של כל קבוצות המזון ושל הכמויות היחסיות שיש לצרוך מהן.
פירמידת המזון היא ייצוג גרפי של ההמלצות לאכילה מאוזנת. היא נועדה לעזור לנו לבנות תפריט בריא ומזין, הכולל את כל הקבוצות של מרכיבי המזון בכמויות המתאימות לגופנו.
הפירמידה כוללת את 6 הקבוצות של מרכיבי המזון שיש לצרוך מסודרות בקומות, וכן מים. שטח כל קומה מסמל את הכמות היחסית המומלצת לצריכה של המזונות מאותה הקבוצה. מכאן, ככל שעולים בקומות הפירמידה, הכמות המומלצת לצריכה מכל קבוצה קטנה. הפירמידה מציעה לנו אומדן כללי (ולכן לא מדויק) שמומלץ להתייחס אליו לבניית תפריט אישי מגוון ומאוזן.
שימו לב שבצד הפירמידה מצוירות דמויות המבצעות פעילויות גופניות שונות. נוכחותן מדגישה שאורח חיים בריא מושפע הן מתזונה מאוזנת (לפי המלצות הפירמידה) והן מפעילות גופנית.
(בספר איור - היעזר במנחה)
פירמידת המזון הישראלית על פי משרד הבריאות בישראל 2012
*171*
לפניכם מידע על קבוצות המזון ועל תרומתן לגוף.
המזונות בקבוצת הדגנים מכילים בעיקר רב-סוכרים (עמילן). רובם כוללים גם חלבונים, סיבים תזונתיים, ויטמינים ומינרלים. חשוב לכלול מזונות מקבוצה זו בתפריט היומי, משום שהפחמימות הן מקור האנרגיה העיקרי של הגוף. דגנים מלאים (המכילים גם את הקליפה של זרעי הדגן) מכילים גם סיבים, החשובים לתפקודה של מערכת העיכול.
קבוצת הדגנים כוללת, בין השאר, את המזונות האלה: לחם מדגנים שונים, תירס (ובכלל זה דגני בוקר), אורז, אטריות ותפוחי אדמה.
קבוצה זו מכילה מזונות עשירים בשומנים שמקורם בבעלי-חיים ובצמחים. השומנים מרכיבים את קרומי התאים, הם מקור לאנרגיה, משמשים לבידוד הגוף, ממיסים בתוכם את הוויטמינים A,D , E, ו-K (ויטמינים מסיסים בשומן) ועוד.
למזונות העשירים בשומן מאפיינים שונים, הנובעים בעיקר מן ההבדלים בחומצות השומן המרכיבות אותם. יש שומן המכיל יותר חומצות שומן רוויות (שכל אטומי הפחמן בהן קשורים זה לזה בקשרים יחידים), והוא נקרא שומן רווי. שומנים רוויים נפוצים במזונות מעולם בעלי-החיים, כגון חמאה מחלב הפרה, ביצים של תרנגולת, וכן בשומן שבסוגי הבשר השונים. שומן רווי הוא, בדרך כלל, מוצק בטמפרטורת החדר. (שומן רווי - שומן שמורכב ברובו מחומצות שומן רוויות. ברוב המקרים זהו חומר מוצק בטמפרטורת החדר. בשפת היום-יום נקרא "שומן".)
יש שומן המכיל יותר חומצות שומן בלתי רוויות (שחלק מאטומי הפחמן בהן קשורים זה לזה בקשרים כפולים), והוא נקרא שומן בלתי רווי. (שומן בלתי רווי – שומן שמורכב ברובו מחומצות שומן בלתי רוויות. ברוב המקרים זהו חומר נוזלי בטמפרטורת החדר. בשפת היום-יום נקרא "שמן".) שומנים בלתי רוויים נפוצים במזונות מן הצומח, כגון אבוקדו, בוטנים ואגוזים למיניהם, שומשום ומוצריו (טחינה, חלווה) ושמנים שמופקים מצמחים (למשל: שמן זית, שמן תירס ושמן חמניות). שומן בלתי רווי הוא, בדרך כלל, נוזל בטמפרטורת החדר, ובשפת היום-יום הוא נקרא "שמן".
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- שומן מן החי
- שומן מן הצומח
*172*
צריכה מוגזמת של שומנים מבעלי-חיים עלולה לגרום לבעיות בריאותיות: חומצות השומן הרוויות והכולסטרול מעורבים ביצירת משקעים על הדפנות הפנימיות של כלי הדם - תופעה הנקראת טרשת העורקים. המצב הזה גורם היצרות של העורקים, ויכול לגרום מחלות לב וכלי דם. מחקרים מוכיחים שרצוי להימנע מאכילת כמויות גדולות של שומנים רוויים. כלומר, צריכת שומנים בלתי רוויים (מצמחים) עדיפה על צריכת שומנים רוויים (מבעלי-חיים). אך שימו לב: מזונות העשירים בשומנים רוויים, שמקורם בבעלי-חיים, עשירים גם בחלבונים. לכן, אף שלמזונות מקבוצה זו ערך אנרגטי גבוה, אין לוותר עליהם. חשוב לצרוך אותם בכמות מתאימה.
החלבונים הם אבני הבניין של תאי הגוף בכלל, ושל רקמות השרירים ושל הדם בפרט. גם אנזימים הם חלבונים, ולכן החלבונים חשובים לכל התהליכים הנעשים בגוף.
1. קבוצת הבשר - כוללת בשר (בקר, הודו, עוף), דגים וביצים. חלק מהמזונות בקבוצה זו עשירים גם בברזל (מינרל החיוני לתפקוד מערכת הדם) ובמינרלים אחרים.
2. קבוצת מוצרי החלב - כוללת חלב ומוצריו, כגון גבינה, יוגורט מעדני חלב וכדומה. מזונות אלה עשירים גם במינרלים של סידן, המשמש מרכיב חשוב של העצמות ושל השיניים, וגם במינרלים של אשלגן. מוצרי חלב מספקים לגוף גם ויטמין D.
3. קבוצת הקטניות - כוללת אפונה, שעועית, עדשים, חומוס וסויה. מזונות אלה עשירים גם בברזל, בפחמימות ובסיבים תזונתיים, המקנים תחושת שובע ותורמים למניעת מחלות מסוימות.
זכרו: המזונות השייכים לקבוצת הבשר ולקבוצת מוצרי החלב עשירים בחלבונים, אבל חלקם עשירים גם בשומנים רוויים וכוללים רמות גבוהות של כולסטרול, ולכן עלולים לגרום נזקים בריאותיים.
הירקות עשירים בוויטמינים ובמינרלים, החיוניים לקיום תהליכים שונים בגוף. ירקות בעלי עלים ירוקים, למשל, הם מקור טוב במיוחד לסידן המשתתף בבניית העצמות, ולברזל הקשור לקליטת החמצן. ירקות כתומים (כגון גזר, דלעת ובטטה) הם מקור טוב של בטא
*173*
קרוטן, שהופך בגוף לוויטמין A ומשתתף, בין היתר, בתהליך הראייה. ירקות כגון כרוב אדום, סלק וחצילים מכילים חומרים נוגדי סרטן.
כל הירקות מכילים גם סיבים תזונתיים, החשובים לתפקודה של מערכת העיכול.
גם הפירות עשירים בוויטמינים ובמינרלים. פירות הדר, מלון ותות שדה עשירים במיוחד בוויטמין C, המסייע למניעת מחלות. פירות יבשים עשירים במינרלים (מלחי סידן, מגנזיום וברזל). פירות מכילים גם סיבים תזונתיים, החשובים לתפקודה של מערכת העיכול.
כדאי לשים לב: פירות מכילים גם סוכרים, כלומר: כאשר אוכלים פירות צורכים גם כמות גדולה של פחמימות.
רוב האנשים אוהבים מאכלים מתוקים, אך רצוי לצרוך את המזונות שבקבוצה הזאת בכמויות קטנות ביותר. הסוכר בממתקים עלול לגרום נזקים לבריאות, כגון משקל גוף עודף, סוכרת ופגיעה בשיניים. חיידקים שנמצאים בפה מפרקים את הסוכר, והחומצה המתקבלת עלולה ליצור חורים בשיניים.
מזונות השייכים לקבוצה זו הם, למשל: סוכר, עוגיות, ממרח שוקולד, גלידות ומשקאות ממותקים בסוכר.
*174*
ויטמינים הם חומרים אורגניים חיוניים. מקור השם ויטמינים הוא במילה הלטינית "ויטה" שפירושה חיים. ואכן, מחסור ממושך בוויטמינים פוגע במערכות רבות בגוף. הוויטמינים מעורבים בתהליכים חשובים כגון ייצור הורמונים וחילוף חומרים, ומכיוון שרוב הוויטמינים אינם נוצרים בגופנו עלינו לצרוך אותם במזון.
ויטמין, חשיבותם בגוף האדם (רשימה חלקית), הנזקים הצפויים בתוצאה ממחסור בוויטמין, מקורות מזון (רשימה חלקית) |
A, חשוב לראיית לילה; מגן על העור: מעורב בתפקוד של מערכת החיסון ושל מערכת הרבייה, הפרעות בראייה (עד כדי עיוורון); ירידה במספר תאי הדם האדומים; זיהומים ודלקות (עקב פגיעה במערכת החיסון), ירקות ופירות כתומים, ירקות ופירות ירוקים, חלמון ביצה, כבד, מוצרי חלב "שמנים" (חמאה, שמנת) |
B12, משתתף ביצירת החומר התורשתי (RNA ,DNA); חיוני לפעילות תאי הדם האדומים ולתפקוד מערכת העצבים, אנמיה; מחלות לב וכלי דם; עייפות וחולשה; הפרעות עצביות, מזונות שמקורם בבעלי-חיים: כבד, בשר, דגים, חלב וביצים |
C, מגן מפני נזקי חמצון; משפר את תפקוד מערכת החיסון; חשוב לריפוי פצעים ולתיקון רקמות, מחלת הצפדינה. תסמיני המחלה הם: דימומים קשים, אנמיה, דלקת בחניכיים ושיניים חלשות, בעיות במפרקים, נטייה לזיהומים שונים (עקב פגיעה במערכת החיסון), פירות (ובהם תות שדה, קיווי, פירות הדר), ירקות (ובהם פלפל, עגבנייה) וכבד |
D, שמירה על מאזן המינרלים בגוף - הסידן והזרחן - הבונים את העצמות, גדילה לא תקינה של העצמות וחולשה שלהן: חולשת שרירים; עייפות, חלמון ביצה, כבד, מוצרי חלב "שמנים" (חמאה, שמנת) |
*175*
סיבים תזונתיים אינם נחשבים מרכיב תזונה הכרחי, כי אפשר להתקיים גם בלעדיהם. הם אינם מתעכלים במערכת העיכול שלנו, ולכן אינם יכולים לשמש מקור ליחידות בניין או לאנרגיה. ובכל זאת, חשוב מאוד להקפיד לכלול אותם בתפריט. מדוע?
הסיבים יוצרים הרגשת שובע. כאשר הם עוברים בצינור העיכול הם סופגים מים, והנפח שלהם גדל. הגדלת הנפח גורמת ללחץ קל על דופנות הקיבה ולתחושה של שובע. הסיבים גם מעודדים את פעולת המעיים, המאפשרת התרוקנות תקינה וסדירה, וכשהם עוברים במעי הם גם סופחים אליהם חומרים מזיקים הנמצאים במזונות שלנו ומנטרלים אותם.
מזונות המכילים סיבים הם פירות, ירקות וקטניות (למשל, אפונה וחומוס), וכן דגנים מלאים (דגנים המכילים גם את הקליפה של זרעי הדגן). בדגנים ללא הקליפה יש מעט סיבים, ולכן לא די לבחור מזונות מקבוצת הדגנים, אלא יש להקפיד שיהיו מלאים.
1. השוו בין שומן לשמן.
היעזרו בשאלות האלה: מהו מבנה החומר? באילו יצורים חיים הוא נפוץ? באילו סוגים של מזונות הוא מצוי? מהי השפעתו על בריאות האדם?
2. מדוע מערכת העיכול שלנו אינה מסוגלת לעכל סיבים?
3. חשבו על התפריט שלכם: מה אכלתם אתמול בכל ארוחה וארוחה? האם אתם אוכלים סיבים?
התייחסו גם לדגנים שאתם אוכלים - האם הם דגנים מלאים? האם אתם יכולים להגדיל את כמות הסיבים שאתם אוכלים? ציינו דוגמאות.
4. יש אנשים הממליצים להפריד בין מרכיבי המזון, כלומר: לאכול בכל ארוחה מזון מקבוצה אחת בלבד של מרכיבי מזון. למשל, בארוחה אחת לאכול רק מזונות המכילים חלבון, ובארוחה אחרת רק מזונות המכילים פחמימות.
מה דעתכם על ההצעה הזאת?
5. התבוננו שוב בפירמידת המזון, ושימו לב שבבסיסה נמצאים מים. מה אפשר להסיק מכך?
*176*
תזונה נבונה מורכבת מתפריט מגוון המספק את כל צרכינו. מכיוון שאנו שונים זה מזה במבנה גופנו, בצרכינו ובהרגלי האכילה שלנו, אי אפשר לנסח כללים של תזונה נכונה שיתאימו לכולם. עם זאת, לפניכם רשימה של המלצות כלליות לתזונה נבונה המקובלות על רוב התזונאים:
- לבנות תפריט לפי פירמידת המזון: תזונה מגוונת ואכילה בכמויות נכונות מכל הקבוצות של מרכיבי המזון.
- להפחית את כמות השומנים במזון, ובעיקר את כמות השומנים שמקורם בבעלי-חיים (השומנים הרוויים).
- להפחית את צריכת החטיפים, הממתקים והשתייה המתוקה.
- לכלול בתפריט מזונות עשירים בסיבים, כגון ירקות, פירות, קטניות ודגנים בקליפתם.
- לאכול באופן מסודר כמה ארוחות במשך היום ובזמנים קבועים. כך יגדל הסיכוי לאכילה מאוזנת מבחינת כמות המזון, ויפחת הסיכוי ל"נשנושים" שאינם בריאים ונובעים מתחושה פתאומית של רעב.
- להרבות בשתיית מים. יש להעדיף מים על מיצים, כדי לספק לגוף את הנוזלים הדרושים לו, ללא סוכרים מיותרים.
1. איזו קבוצה של מרכיבי מזון היא מקור האנרגיה העיקרי לגוף?
2. האם קבוצת המזונות העשירים בחלבונים מכילה גם חומרים אחרים? הביאו דוגמאות.
3. מה מספקות קבוצת הירקות וקבוצת הפירות?
4. לאילו קבוצות מרכיבי מזון שייך המאכל פלאפל בפיתה?
5. עינב היא נערה שאינה אוהבת לאכול ירקות. היא טוענת שכמות הפירות שהיא אוכלת מפצה על היעדר הירקות בתפריט שלה. האם היא צודקת? הסבירו.
6. ירון אינו אוהב לאכול דגים. הוא טוען שהבשר שהוא אוכל מספק לו את החלבונים שהוא זקוק להם. האם הוא צודק? הסבירו.
*177*
מטרת הפעילות: לזהות נוכחות עמילן, גלוקוז, חלבון ושומן במזון.
אמצעי זהירות: כפפות, משקפי מגן, שיער אסוף.
בעלי עדשות מגע חייבים להרכיב משקפי מגן בכל ניסוי.
ציוד: מבחנות, כן למבחנות, מים, טפטפות, קיסמי עץ, דף נייר לבן, חומרים שמרכיבים כריך חלבי (חמאה וגבינה צהובה) או בשרי (מרגרינה ונקניק או פסטרמה), פרוסת עגבנייה או מלפפון, אינדיקטורים לבדיקת מרכיבי המזון.
א. תכננו את הדרך שבה תבדקו אילו מרכיבי מזון מצויים בכריך.
ב. בצעו את הפעילות בהתאם לתכנון שלכם.
ג. כתבו דוח לסיכום הפעילות. בדוח תתארו את שלבי העבודה ותסכמו את התוצאות.
ד. ציינו בדוח אם תוצאה כלשהי שקיבלתם בפעילות הזאת (אחת או יותר) הפתיעה אתכם. תארו מה חשבתם על תכולת הכריך לפני הבדיקה, ומה גיליתם אחריה.
בבחירת המזון חשוב להתייחס גם לתפריט מאוזן וגם לטיפול שהמזון עובר לפני אכילתו - לבדוק אם המזון מעובד או אינו מעובד - מכיוון שלפעמים תהליכי עיבוד ושימור משפיעים על ערכו התזונתי של המזון.
כבר האדם הקדמון הבין שכדי לשמר את המזון לתקופות של מחסור, יש צורך לעבד אותו. אלא שהאמצעים שעמדו לרשותו היו מוגבלים: ייבוש מזון או בישולו על אש. עם התפתחות המדע והטכנולוגיה שכלל האדם את שיטות העיבוד, וכיום אפשר לשמר מזון לזמן ארוך מאוד, לייצר מוצרים בעלי טעם, מראה וריח מגוונים ומפתים ועוד. כיום, עיבוד מזון הוא דבר כה שכיח עד שרוב המזון שאנו אוכלים עבר עיבוד כלשהו. לפניכם שיטות אחדות לעיבוד מזון ולשימורו.
מזון שמאחסנים בתנאי קירור עשוי להישמר זמן ארוך לפני שהוא מתקלקל. קור מאט פעילות של אנזימים ולכן הוא מעכב התרבות חיידקים במזון. הקפאה של המזון מאריכה עוד יותר את משך הזמן שאפשר לצרוך אותו. ירקות שנקטפים ומיד מוקפאים בהקפאה עמוקה (בטמפרטורה של מינוס 20 מעלות צלסיוס) שומרים על רוב הוויטמינים המצויים בהם.
*178*
בכל המדינות המתועשות עובר החלב תהליך שנקרא פסטור: חימום של החלב לטמפרטורה של 63 מעלות צלסיוס. הפסטור משמיד את רוב החיידקים, העלולים לקלקל את החלב ואת מוצריו ולפגוע בבריאותנו. ההפחתה הניכרת בכמות החיידקים מאפשרת לשמור את מוצרי החלב במקרר במשך ימים, עד לצריכתם.
(פסטור - תהליך של חימום מזון אל מתחת ל-100 מעלות צלסיוס, כדי להשמיד את רוב החיידקים המזיקים. התהליך נקרא על שמו של הכימאי הצרפתי בן המאה ה-19, לואי פסטר.)
כאשר מעוניינים להיפטר מכל החיידקים שבמזון, מחממים את המזון לטמפרטורה גבוהה יותר בתהליך שנקרא עיקור. (עיקור - (בלועזית: סטריליזציה) טיהור מוחלט של משהו מכל, החיידקים והמיקרואורגניזמים האחרים שיש בו.) החלב העמיד שנמכר במרכולים הוא חלב מעוקר, ולכן הוא נשמר וראוי לצריכה במשך חודשים רבים. עם זאת, לאחר שפותחים את הקופסה יש לשמור את החלב במקרר, ולצרוך אותו תוך זמן סביר.
(בספר שתי תמונות)
- מזונות מפוסטרים
- חלב מעוקר
מזונות רבים שאנו אוכלים - בשר, ירקות ועוד - הם תוצרים של תהליכי עיבוד הכרוכים בסוגים שונים של חימום, כגון בישול, טיגון(טיגון - בישול מזון בשמן חם מאוד, במחבת או בסיר טיגון.)
או אידוי. (אידוי - בישול באדים: בישול בסיר מעל מים המתחממים בו ומתאדים.) ערכו התזונתי של המזון נשמר בצורה הטובה ביותר בשיטת האידוי, מפני שבבישול במים חלק מהוויטמינים נהרסים והמינרלים עוברים מהמזון אל המים, ובטיגון מקבלים מוצר מזון עתיר שמן.
(בספר שלוש תמונות)
- אידוי
- בישול במים
- טיגון
*179*
כיום אנו יודעים שקלקול המזון הוא תוצאה של פירוק חומרים אורגניים, בעיקר על ידי חיידקים ופטריות עובש. המלחה (הוספת מלח למזון) והוספת חומרים משמרים מונעות מהחיידקים ומהעובשים להתרבות במזון ולגרום לקלקולו. הקרנה (חשיפתו לקרינה מזיקה) עשויה אפילו לחסל את כל החיידקים, כלומר לעקר את המזון.
(בספר שתי תמונות)
- גבינה מלוחה
- נקניקיות עם חומר משמר
שמירת מזון באריזות ואקום אטומות (ששאבו את האוויר מתוכן), כגון קופסאות שימורים, אריזות פלסטיק או צנצנות זכוכית, מונעת מחיידקים הזקוקים לחמצן להתקיים, ולכן המזון נשמר לתקופה ארוכה. עם זאת, לאחר שפותחים אריזת ואקום, יש לשמור את המזון בקירור או בתנאים אחרים המונעים את קלקולו, ולצרוך אותו בתוך זמן סביר.
(בספר שתי תמונות)
- בשר בוואקום
- שימורים
כיצד נדע אם המזון המוצע למכירה בחנויות המזון אכן טוב לגופנו? כיצד נוכל לבחור אם לקנות מוצר כלשהו או לא?
כדי לעזור לנו, הצרכנים, נחקק חוק המחייב את כל חברות המזון בישראל להצמיד תווית לכל פריט מזון שעבר עיבוד. התווית הזאת היא "תעודת הזהות" של המוצר, והיא חייבת לכלול נתונים שונים על המוצר, למשל, את הסימון התזונתי שלו. זהו מידע מפורט המתייחס לערכים התזונתיים הנמצאים ב-100 גרם של המוצר. הסימון התזונתי חייב לכלול את הערך האנרגטי של המזון (קלוריות), את תכולת החלבונים שבו, את תכולת הפחמימות שבו (לרבות סיבים תזונתיים), את תכולת השומנים שבו ואת תכולת הנתרן שבו.
(סימון תזונתי - מידע שחייב להימצא בתוויות המזון של מוצרים ארוזים, ועליו לכלול את הערך הקלורי של המוצר, את תכולת החלבונים, הפחמימות (לרבות סיבים תזונתיים), השומנים והנתרן ב-100 גרם של המוצר.)
תווית המזון צריכה לכלול גם מידע נוסף, כגון שם היצרן, מקום הייצור של המוצר, הכמות שלו, הרכיבים שלו, אופן האחסון המומלץ לו והתאריך האחרון לשיווקו. את מרכיבי המזון יש לפרט בתווית המזון בסדר כמותי יורד, כלומר: המרכיב שכמותו היא הגדולה ביותר יופיע ראשון ברשימה, והמרכיב שכמותו היא הקטנה ביותר יופיע אחרון. הפירוט חייב לכלול גם מרכיבים שכמותם קטנה, למשל: תוספי מזון שונים.
(בספר תמונה)
תווית מזון
*180*
לתוספי המזון יש מטרות מוגדרות, אך מחקרים מראים שיש גם תוספי מזון העלולים להזיק לבריאות, ולכן כדאי לדעת מה השפעתם על המזון. הנה כמה דוגמאות:
- צבעי מאכל מקנים למזון מראה מפתה. חלקם מופקים ממקורות טבעיים, כמו קרמל (E150) שהוא תוצר של סוכר מחומם, וחלקם ממקורות מלאכותיים כמו טרטראזין (E102). הטרטראזין מקנה למזון את צבעו הצהוב, אבל הוא עלול לגרום לתופעות אלרגיות לחלק מהאוכלוסייה.
- חומרים מתחלבים משמשים בתעשיית המזון לערבוב רכיבים שאינם מתמוססים זה בזה, כגון שמן ומים. לציטין (E322), למשל, הוא חומר מתחלב בתעשיית הגלידות והשוקולד.
- חומרים מייצבים נוספים לתערובת כדי לייצב אותה, כלומר: למנוע את היפרדות הרכיבים שלה.
- חומרים מעכבי חמצון מעכבים את התגובה הלא רצויה של המזון עם החמצן שבאוויר. חמצון של שמנים, למשל, מקלקל אותם, וחמצון של מזונות המכילים ויטמינים הורס את הוויטמינים. חומר מעכב חמצון ידוע הוא ויטמין C, או בשמו האחר: חומצה אסקורבית (E300).
(בספר שלוש תמונות)
- צבעי מאכל לקישוט
- חומרים מעכבי חמצון למניעת קלקול המזון
- חומרים מתחלבים לערבוב רכיבים
לעתים נכתבות על אריזת המזון המילים "ללא", "נטול", "מופחת", "דל" או "דיאט". מה פירושן?
ללא - המזון אינו מכיל את החומר המצוין (למשל, "ללא כולסטרול" במזון שמקורו מן הצומח).
נטול - מזון שהוציאו ממנו את הרכיב המצוין (למשל, מוצר "נטול קפאין" הוא מוצר שהוציאו ממנו את הקפאין).
מופחת - המזון מכיל רק שני שלישים מכמות הרכיב המצוין לעומת כמותו המקובלת במזון כזה (למשל, "מופחת שומן")
דל - מזון המכיל כמות מעטה של הרכיב המצוין, כמו קלוריות, נתרן (דל מלח), שומן וכולסטרול.
דיאט - מזון המכיל עד 40 קלוריות בכל 100 גרם.
*181*
א. גשו לחנות מזון ובחרו באחד המוצרים האלה: קטשופ, חלווה או דגני בוקר.
ב. מצאו בחנות מוצרים של 4-3 יצרנים שונים המייצרים את המוצר שבחרתם, והשוו את תוויות המזון שלהם.
ג. האם בכל התוויות שבדקתם סדר המרכיבים זהה? אם לא, מהם ההבדלים? מה משמעותם של ההבדלים האלה?
ד. מדוע מחייבים לציין על תווית המזון את הערכים התזונתיים ב-100 גרם של המוצר? הסבירו.
באריזות של מוצרים רבים, ובמיוחד של מוצרי חלב, רשום גם תאריך התפוגה (התאריך האחרון לשיווק) וגם אופן האחסון המומלץ. עד כמה חשוב להתייחס לנתונים כאלה כאשר קונים מזון? - תכננו ניסוי שיבדוק זאת.
- נהוג למיין את המאכלים לקבוצות של מרכיבי מזון לפי מרכיב המזון העיקרי שהם מכילים: פחמימות, חלבונים, שומנים, מינרלים וויטמינים. כל קבוצת מזונות היא מקור של חומרים מסוימים שחיוניים לגוף.
- כדי להשיג את כל החומרים הנחוצים לגוף, יש להקפיד על תפריט מגוון ומאוזן: לאכול מזונות מכל קבוצות המזון ולצרוך כמויות מתאימות מכל קבוצה, מפני שכל קבוצת מזונות היא מקור של חומרים שונים החיוניים לגוף.
- בבחירת המזון חשוב להתייחס גם לטיפול שהמזון עובר לפני אכילתו, מכיוון שלפעמים תהליכי עיבוד ושימור משפיעים על ערכו התזונתי של המזון.
*182*
תלמידי כיתה מסוימת יצאו ל"חופש הגדול" וקבעו לעשות פיקניק משותף בחורשה הצמודה לשכונת המגורים. התלמידים מתכננים להגיע למקום בשעות הבוקר ולשהות שם במשך כל היום, עד לשעות הערב המאוחרות. התלמידים התבקשו להכין תפריט לכל הארוחות שיתקיימו בפיקניק באותו היום.
א. התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תנסח עלון מידע המפרט את הכללים לתזונה נבונה (מה חשוב לעשות וממה יש להימנע).
ב. כל קבוצה תכין תפריט ל-3 הארוחות העיקריות (בוקר, צהריים וערב), ולארוחות הביניים ביום הפיקניק.
ג. השוו את התפריט שלכם עם תפריטים שהכינו קבוצות התלמידים השונות, ובחרו את התפריט המאוזן ביותר בהתאם לידע שצברתם בדבר אכילה נבונה. תוכלו לשלב בו הצעות של קבוצות שונות. נמקו את בחירתכם.
- הצמחים קולטים חומרים אי-אורגניים מן הסביבה - פחמן דו-חמצני ומים, ובאמצעות תהליך הפוטוסינתזה הם מייצרים חומר אורגני - גלוקוז. האור הוא מקור האנרגיה בתהליך הזה.
- תהליך הפוטוסינתזה חשוב לכל היצורים החיים בעולמנו, מפני שהחומרים האורגניים שהצמחים מייצרים משמשים מזון לכל היצורים. תהליך הפוטוסינתזה הוא גם המקור העיקרי של החמצן באוויר, הדרוש לנשימתם של היצורים החיים.
- כדי שאפשר יהיה לנצל את המזון לצורכי הגוף, צריך לעכל אותו - לפרק את חומרי המזון ליחידות הבניין שלהם (למולקולות קטנות של חד-סוכרים, חומצות אמיניות וחומצות שומן).
- מערכות העיכול של היצורים החיים (טורפים, צמחוניים ואוכלי-כול) מותאמות לסוג המזון שהם אוכלים.
- כדי להשיג את כל החומרים הנחוצים לגוף, חשוב להקפיד על תפריט מגוון ומאוזן.
*183*
1. האם ייתכן חוסר תזונה אצל אנשים שיש להם די כסף לקנות מזון? נמקו.
2. שרון אוכלת לפי התפריט הזה:
ארוחת בוקר: קערת דגנים וחלב
ארוחת עשר: כריך עם גבינה צהובה
ארוחת צהריים: כדורי בשר, אורז וברוקולי "מוקפץ"
ארוחת ביניים: תפוח
ארוחת ערב: לחם, ביצה וסלט ירקות ברוטב טחינה
תזונאים שבדקו את התפריט של שרון שמו לב שאין בו מאכלים מקבוצת השומנים. למרות זאת, הם לא המליצו לשרון להוסיף שומנים. מה ההסבר הנכון לכך? בחרו את התשובה הנכונה.
א. התזונאים טעו. שרון חייבת להוסיף שומנים לתפריט.
ב. שומנים אינם נחוצים לתפקוד השוטף של הגוף.
ג. השומנים הנדרשים לשרון נמצאים במזונות הכלולים בתפריט.
ד. אסור לאכול שומנים, אפילו לא בכמויות קטנות.
3. החלטתם לקיים "יום בריאות". אילו מן המצרכים הרשומים לפניכם תקנו? נמקו את בחירתכם. רשימת המצרכים: לחמניות מחיטה מלאה, פיתות, חבילת בייגלה מלוחים, בשר (שצריך לבשל בבית), קציצות בשר מטוגנות מוכנות, ביצים, גבינה 26 אחוז שומן, גבינה 5 אחוז שומן, יוגורט, מעדן פירות, מעדן שוקולד, בננות, תפוחים, מלפפונים, עגבניות, שימורי אננס, אפונה קפואה, קלחי תירס, שימורי תירס, תפוזים, מיץ תפוזים סחוט, דגנים מועשרים בסובין, דגנים צבעוניים, גלידה.
4. לפניכם רשימה של רכיבי מזון: גלוקוז, חלבונים, מינרלים, עמילן, חומצות אמיניות ומים. אילו מן הרכיבים אפשר לתת באינפוזיה למי שאינו יכול לאכול במשך זמן ממושך? נמקו.
5. לפניכם גרף המתאר את השינוי
ברמת הגלוקוז בדם של אדם שינויים כלשהו בעקבות ארוחה שכוללת בעיקר פחמימות. אם אותו אדם יאכל מזון שמורכב בעיקר מחלבונים ומשומנים, האם יתקבל גרף שגם בו רמת הגלוקוז בדם תהיה הגבוהה ביותר כעבור שעה?
(בספר גרף - היעזר במנחה)
שינויים ברמת הגלוקוז בעקבות ארוחה
*184*
6. חומר יכול לשמש חומר תשמורת בכמה תנאים. איזה תיאור איננו התנאי הדרוש לכך? הסבירו.
א. חומר שהיצור יכול לאכול
ב. חומר שהיצור יכול לבנות
ג. חומר שהיצור יכול לפרק בעת הצורך
ד. חומר שהיצור יכול לאגור
7. בוויכוח בכיתה אמרו תלמידים את המשפטים שלפניכם. איזו טענה נכונה? נמקו את בחירתכם.
א. הפוטוסינתזה היא הנשימה של הצמחים.
ב. צמחים אינם נושמים אלא מבצעים פוטוסינתזה.
ג. גם בעלי-חיים יכולים לבצע פוטוסינתזה.
ד. צמחים גם נושמים וגם מבצעים פוטוסינתזה.
8. לפניכם רשימה של היגדים הקשורים לתהליכים המתקיימים בגופם של יצורים חיים. אילו היגדים נכונים ואילו שגויים? נמקו.
א. פירוק חומר אורגני לפחמן דו-חמצני ולמים מתרחש גם בצמחים וגם בבעלי-חיים.
ב. הרכבה של חומרים אורגניים מתרחשת רק בצמחים.
ג. בניית חומרי תשמורת מחומרים אורגניים פשוטים מתרחשת רק בבעלי-חיים.
ד. פירוק רב-סוכר לחד-סוכרים מתרחש גם בבעלי-חיים וגם בצמחים.
ה. קליטת אנרגיית אור לצורך ביצוע תהליכים כימיים בגוף מתקיימת בכל היצורים החיים.
9. מדוע למזונות מפוסטרים ומעוקרים יש תאריך תפוגה?
*185*
*185*
- הורים מורישים לצאצאיהם את המידע לתכונות תורשתיות.
- גרגור מנדל הוא זה שפענח, כבר לפני כ-150 שנים, את החוקיות שלפיה תכונות עוברות בתורשה מדור לדור (עקרונות התורשה).
- חוקי התורשה מאפשרים לחשב את הסיכוי שתכונה תורשתית כלשהי של ההורים תתבטא בדורות הבאים.
- שיטת ההנדסה הגנטית שהאדם פיתח, מאפשרת לשנות את תכונותיו של יצור חי באמצעות שינוי המטען הגנטי שלו (שינוי גנים, הוספת גנים או סילוקם).
- התערבות האדם בתהליכי התורשה בשיטות שונות משפיעה רבות על החברה האנושית ועל הסביבה.
מושגים שנכיר:
תכונה תורשתית ותכונה נרכשת
נוקלאוטיד
כרומוזומים הומולוגים
גן
אלל
פנוטיפ וגנוטיפ
אלל דומיננטי (שלטן) ורצסיבי (נסגן)
מוטציה
הנדסה גנטית
שיבוט
תאי גזע
יעוץ גנטי
*186*
תורת התורשה (בלועזית: גנטיקה) עוסקת בתכונות המאפיינות יצורים חיים, ובהעברת (הורשת) המידע לתכונות הללו מדור לדור.
תורה זו מסבירה גם את הדמיון הקיים בין קרובי משפחה, בין פרטים מאותו מין ובין כל היצורים החיים, וגם את השוני בין היצורים השונים ואת המגוון הרב של היצורים החיים בימינו או שחיו בעבר על כדור-הארץ.
אפשר לתאר כל אחד מן היצורים החיים בעזרת אוסף גדול של מאפיינים - מכלול התכונות של היצור. (תכונה - מאפיין; מה שאופייני ליצור חי או לקבוצת יצורים (וגם לדומם). למשל: צבע עיניים, צורת פרחים, מבנה עלים, גובה, דרך הרבייה, סוגי הדם, דרכי התקשורת בין בעלי-חיים ועוד.)
נהוג למיין את היצורים החיים לקבוצות (מינים, סוגים, משפחות וכדומה) על פי צירופי התכונות השונות. יש תכונות המאפיינות רק קבוצה מצומצמת של יצורים, ואחרות מאפיינות קבוצות גדולות יותר. לדוגמה: רק לבעלי-חיים ממחלקת העופות יש נוצות, ורק היונקים מעיקים את צאצאיהם. אבל גם היונקים וגם העופות מסוגלים לשמור על טמפרטורת גוף יציבה פחות או יותר, שאינה תלויה בסביבה. לשתי הקבוצות האלה, וגם לדו-חיים ולזוחלים, יש שלד פנימי ועמוד שדרה הבנוי חוליות-חוליות, ולכן כל הקבוצות האלה משתייכות לחולייתנים.
בין התכונות של היצורים החיים יש כאלה הבאות לידי ביטוי במראה החיצוני, ותכונות אחרות באות לידי ביטוי במבנה הפנימי של הגוף. יש תכונות הקשורות לתהליכים פיזיולוגיים המתרחשים בגוף (לדוגמה: היכולת להתקיים בטמפרטורות נמוכות או להתקיים בסביבה ענייה במים), ויש הקשורות לאורח החיים ולהתנהגות (לדוגמה: לסמן טריטוריה או לקיים תקשורת). יש תכונות בולטות לעין (לדוגמה: צבע העיניים), ויש תכונות שלא מבחינים בהן באמצעות החושים (לדוגמה: סוג הדם או מידת הרגישות לחום או לקור).
כפי שיצורים ממינים שונים נבדלים זה מזה בתכונותיהם, כך גם יש הבדלים בין תכונותיהם של פרטים שונים מאותו המין, אפילו אם הם חלק מאותה אוכלוסייה. הרבגוניות בתכונות היצורים השונים היא הבסיס למגוון הביולוגי העשיר על פני כדור-הארץ. השוני בתכונותיהם התורשתיות של היצורים נובע מהשוני במידע התורשתי העובר מדור לדור. על המגוון הביולוגי בטבע תלמדו בהרחבה בפרק העוסק באקולוגיה.
*187*
כל הכלבים שאנו מגדלים כחיות מחמד משתייכים לאותו המין, אבל שונים זה מזה בתכונות רבות: צבע הפרווה, אורך הפרווה, גודל הגוף, מבנה הגוף (רזה, מוארך וכדומה), צורת האוזניים, מבנה הראש (פחוס, מוארך), אורך הזנב, צורת הזנב וכדומה.
א. חפשו כלבים שונים בסביבתכם. בקשו רשות מבעלי הכלבים וצלמו כלבים הנבדלים זה מזה ב-3 תכונות (או יותר). תוכלו גם לחפש באינטרנט תמונות של כלבים שונים. הקפידו לבחור כלבים בני אותו גיל פחות או יותר (גורים או בוגרים).
ב. כתבו לאילו תכונות מצאתם דוגמאות.
ג. הכינו אלבום תמונות המציג גם את הדמיון וגם את השוני בתכונות הכלבים שמצאתם.
ד. השוו את תמונותיכם עם התמונות של חבריכם לכיתה.
1. האם מצאתם כלבים דומים זה לזה? במה הם היו דומים?
2. האם יכולים להיות כלבים זהים זה לזה? הסבירו.
ה. כתבו עוד שתי תכונות שאינן בולטות במראה החיצוני, ועשויות להבדיל בין כלבים שונים.
(בספר תמונה)
כלבים מגזעים שונים
בפרק זה נכיר את עקרונות התורשה, את התהליכים הגורמים להתבטאות תכונות ביצורים חיים, את חידושי המדע בתחום ההנדסה הגנטית ואת האפשרויות ליישום הידע הזה בחקלאות, ברפואה, בפלילים ועוד.
*188*
התכונות המאפיינות את היצורים החיים רבות ומגוונות, ואפשר למיינן לקבוצות בדרכים שונות.
אחת מדרכי המיון המקובלות בביולוגיה היא חלוקה של התכונות לשתי קבוצות:
ו. תכונות תורשתיות - תכונות שחוזרות ומופיעות בהורים ובצאצאים במהלך הדורות. המידע לתכונות אלה מצוי ב-DNA של כל פרט מלידתו, הועבר אליו מהוריו ועשוי לעבור לצאצאיו: המבנה (החיצוני והפנימי) והצורה של הגוף, של איברי הגוף ושל תאי הגוף.
לדוגמה: שתי עיניים ואף אחד: פרח המעוטר ב--5 עלי כותרת בצבע סגול; נחש המייצר ארס בבלוטות מיוחדות; נוכחות המוגלובין בתאי הדם האדומים ועוד.
(תכונות תורשתיות - תכונות המופיעות בהורים ובצאצאים במהלך הדורות. התכונות התורשתיות מתפתחות בפרט כתוצאה מכך שהמידע לתכונות אלה מצוי בגנים שב-DNA שלו, שהועבר אליו מהוריו.)
2. תכונות נרכשות - תכונות שהפרט "רוכש" במהלך חייו בהשפעת הסביבה. ניתן לרכוש תכונות בעקבות למידה או חינוך, או בעקבות השפעה תרבותית.
לגבי התכונות הנרכשות אין מידע מוגדר ב-DNA הן אינן מתפתחות בכל פרט מאליהן, ועשויות להופיע בצאצאיו רק אם הצאצאים נחשפו גם הם לאותם תנאי סביבה.
לדוגמה: החלקה או סלסול של השיער, ידיעת שפה מסוימת, כלב שאולף לסייע לעיוורים ועוד.
(תכונות נרכשות - תכונות הנרכשות במהלך חייו של פרט, כתוצאה מהשפעתם של תנאי סביבה מסוימים. לגבי תכונות אלה אין מידע מוגדר ב-DNA, ולכן הן מופיעות בצאצאים רק אם הצאצאים רכשו אותן בעצמם.)
חשוב לשים לב כי לעתים קרובות ההבחנה בין תכונה תורשתית לבין תכונה נרכשת אינה חד-משמעית, מפני שהסביבה משפיעה על הביטוי של תכונות תורשתיות רבות. היכולת (כושר) לבטא תכונות הוא תורשתי, אך המימוש של כושר זה תלוי בסביבה או מושפע ממנה. כלומר, יש גם תכונות המושפעות הן מהגנים והן מהסביבה. אלו תכונות עם בסיס תורשתי, אך לא יתפתחו מעצמן, אלא בהשפעת הסביבה או התנהגות הפרט.
לדוגמה, אנו נולדים עם היכולת (התורשתית) להבין, לדבר, לקרוא ולכתוב בכל השפות. אך כדי לדעת שפה מסוימת עלינו ללמוד (לרכוש) אותה מהסביבה. צאצאיו של אדם שרכש את ידיעת השפה העברית לא בהכרח ידברו עברית, אלא אם ילמדו בעצמם את השפה (למשל אם יחיו בסביבה דוברת עברית).
ביכולתנו ללמוד לשחק כדורגל, לנגן בפסנתר, לרקוד ולשחק שח-מט. אולם חלק מאתנו ילמדו זאת בהצלחה רבה יותר, ואחרים בהצלחה פחותה - בהתאם ליכולת התורשתית של כל אדם ואדם. לעומת זאת, יצורים שהם חסרי תכונות תורשתיות כאלה, לעולם לא יוכלו לעשות זאת, עץ ברוש לא ירקוד, וכלבים לא ינגנו בפסנתר.
(בספר שתי תמונות)
לכל נקבת קנגורו יש כיס המשמש את הוולדים
לאדם יכולת תורשתית לנגן בפסנתר אך עליו ללמוד זאת
גם בטבע יש דוגמאות לתכונות שהן שילוב של תורשה וסביבה: צמחי אפונה פורחים רק באביב, כאשר הימים מתארכים (למעלה מ-14 שעות אור) והלילות מתקצרים.
צמחים כאלה נקראים בשם צמחי יום ארוך. אך אם נגדל אותם בתנאי חושך ונדליק את האור רק מעט שעות בכל יום
*189*
(כמו חורף רציף), הם לא יפרחו. לעומתם, צמחי דלעת פורחים רק בסתיו, כשהימים מתקצרים והלילות מתארכים. הם נקראים צמחי יום קצר, והם לא יפרחו אם נגדל אותם בחממה שתהיה מוארת כל השנה (בלי לילה). אם כך, היכולת לפרוח בתנאי הארה שונים היא תכונה תורשתית, אך התכונה הזאת מושפעת מתנאי סביבתי - אורך היום.
(בספר תמונה)
מועד הפריחה של צמח הדלעת הוא דוגמה לתכונה תורשתית המושפעת מן הסביבה
גם מחלת הסוכרת היא דוגמה לקשר מורכב בין תכונות תורשתיות לבין תנאי הסביבה.
אצל אדם בריא ריכוז הסוכר בדם נשמר בתחום קבוע, פחות או יותר, בסביבות 0.1 אחוז הודות להורמון אינסולין, הגורם לכניסת סוכר (גלוקוז) מן הדם אל תאי הגוף, וכך מעורב בוויסות רמת הסוכר בדם.
אצל החולים בסוכרת, ריכוז הסוכר בדם גבוה מהרמה הנורמלית. העלייה בריכוז הסוכר בדם היא תוצאה של מחסור בהורמון אינסולין או של פגיעה ביכולתו לאפשר את כניסת הסוכר לתאי הגוף. בדרך כלל מחלת הסוכרת מתפתחת באנשים מבוגרים, לרוב מעל גיל 40. ככל שהגיל עולה, יותר ויותר אנשים חולים בסוכרת.
לסוכרת יש בסיס תורשתי, כלומר, המידע הגנטי של החולים שונה מזה של הבריאים. עם זאת, לא תמיד מי שנושא את הגנים האחראים למחלה יהיה חולה בסוכרת. עצם הופעת המחלה, או הגיל שבו היא מופיעה, מושפעים מאוד מגורמים שאינם תורשתיים כגון כמות הסוכרים במזון, המצב הרגשי ועוד.
1. א. האם התנהגות האדם יכולה להשפיע על התבטאות מחלת הסוכרת? הסבירו.
ב. אדם בריא שינה את תזונתו והחל לצרוך כמות גדולה של מאכלים עתירי שומן. בהמשך חייו לקה בסוכרת. האם אפשר להסיק מכך שזוהי תכונה נרכשת? נמקו.
2. לפניכם רשימה של תכונות. מיינו אותן לתכונות תורשתיות, לתכונות נרכשות ולתכונות תורשתיות המושפעות מהסביבה. הסבירו את קביעתכם עבור כל תכונה. התכונות: כושר ציור ופיסול, גון עור שחום בעקבות שיזוף, כושר נביחה של כלב, כושר דיבור (באדם), ידיעת השפה הצרפתית, הימצאות 5 אצבעות בכל יד, חור באוזן, כושר עיכול מזון, כושר שחייה של דג, כושר שחייה של אדם, כושר גופני, שימוש במשקפי קריאה, הזעה ביום חם.
אוסף התכונות הייחודי של כל אחד (הן התורשתיות והן הנרכשות) הוא היוצר את ההבדלים בין הפרטים בכל אוכלוסייה. גם תאומים זהים, שהם בעלי תכונות תורשתיות זהות, לעולם אינם זהים לחלוטין, מכיוון שלסביבה יש השפעה לא מבוטלת על תכונות הפרט. דוגמה נוספת היא צמחים בעלי מטען גנטי זהה, שעשויים לגדול בתנאי סביבה שונים (מידת התאורה, ההשקיה או הדישון) ולכן יבטאו תכונות מסוימות בצורה שונה (גובה, כמות הפרחים, צבע העלים וכדומה).
*190*
לפניכם סיפורם של שני זוגות תאומים זהים.
תאומים זהים מתפתחים מתא ביצה מופרה אחד, כלומר הם בעלי אותו חומר תורשתי. אחרי ההפריה התפצלו תאי העובר הצעיר לשני חלקים שהתרחקו זה מזה. כל חלק המשיך להתפתח בנפרד, וכך נוצרו שני עוברים.
נהוג לומר שתאומים זהים דומים זה לזה "כמו שתי טיפות מים". האם זה באמת כך?
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
שיר ודניאל הן זוג תאומות זהות, בנות 15, שגדלו יחד באותו בית, למדו באותו גן ולומדות עכשיו באותו בית ספר.
עופר ועומרי הם זוג תאומים זהים, בני 15, אך עופר עבר בגיל צעיר להתגורר בשבדיה, ואילו עומרי נשאר בארץ.
תכונות/ שם, שיר, דניאל, עופר, עומרי |
גובה (ס"מ), 159, 163, 167, 162 |
משקל, 57.2, 57.8, 63.1, 63.4 |
צבע עיניים, כחול, כחול, חום, חום |
צבע שיער, חום בהיר, חום בהיר, חום כהה, חום כהה |
שפות, עברית, אנגלית, עברית, אנגלית, עברית, שבדית, אנגלית, עברית, אנגלית |
תחביבים, ריקוד, קריאה, צפייה בסרטים, נגינה בגיטרה, קריאה, ריצה, נגינה בפסנתר, רכיבה על אופניים, טיולים בטבע, נגינה בגיטרה, כדורסל, קריאה |
מאכלים אהובים, חביתה, סלט ירקות, צ'יפס, חביתה, סלט ירקות, פסטה, כדורי בשר, גבינות עזים, תפוחי אדמה בתנור, מרק ירקות, סושי, צ'יפס |
*191*
1. תנו דוגמה לתכונה דומה אצל כל זוג תאומים, ולתכונה מבדילה בין שני התאומים מכל זוג.
3. א. עבור אילו תכונות התקשיתם לקבוע אם הן תורשתיות או נרכשות?
ב. האם תכונות אלו זהות אצל התאומים מאותו זוג או שונות? כיצד תסבירו זאת?
4. לעומרי צבע עור כהה יותר מאשר לעופר. כיצד תסבירו זאת?
5. שערו אילו גורמים סביבתיים עשויים להשפיע על תכונות כגון תחביבים ומאכלים אהובים.
אנו יודעים כי לכל אחד מאתנו אוסף תכונות ייחודי, ושתכונות רבות עוברות בתורשה. אולם, כאשר גליה מחייכת ומסבירה ש "את התלתלים שלי קיבלתי בתורשה מאבא שלי", למה היא מתכוונת? כיצד אבא של גליה יכול להעביר לה שיער מתולתל? ובניסוח כללי יותר: מה גורם לתכונה כלשהי של ההורים להופיע בצאצאיהם?
נדמיין, לדוגמה, שעלינו להרכיב שידת מגירות חדשה בחדר. לשם כך ניעזר בחוברת ההוראות המסבירה כיצד לחבר את חלקי הרהיט: דופנות השידה, המגירות, הברגים וכדומה. בחוברת ההוראות לא נמצאים חלקי הרהיט וכלי העבודה הדרושים, אלא רק המידע הנחוץ להרכבת הרהיט. ביכולתנו לקרוא את ההוראות ולתרגם אותן לשפת המעשה: להכין את כלי העבודה המתאימים ולבצע את כל הפעולות שבסופן שידת המגירות תעמוד יציבה בפינת החדר.
בהקבלה לכך, הורים מעבירים לצאצאיהם את החומר התורשתי, DNA, שהוא מעין "חוברת הוראות" שבה מידע לתכונות תורשתיות. כדי להבין את הקשר בין המידע שבDNA לבין התכונות התורשתיות, צריך להכיר את המבנה של ה-DNA ואת הדרך שבה המידע התורשתי מאורגן בו.
כל אחת ממולקולות ה-DNA שבגרעיני התאים בנויה כפולימר ארוך, שלאורכו נמצאים קטעים המכילים מידע לגבי תכונות מסוימות של היצור החי. קטעים אלה נקראים גנים, והמידע המצוי בהם מכתיב את התכונות התורשתיות של אותו יצור. תרגום נכון של המידע הזה והפעלת מנגנונים מורכבים בתאי הגוף, גורמים לתכונות התורשתיות להופיע בצאצאים.
(גן - (ביוונית: יוצר) היחידה הבסיסית של התורשה. הגן הוא קטע של מולקולת DNA, ובו יש מידע לתכונה תורשתית כלשהי. הגנים מועברים מהורים לצאצאיהם.)
*192*
החומר התורשתי (DNA) מאורגן בגרעין התא במבנים שנקראים כרומוזומים. כל כרומוזום בנוי ממולקולת DNA אחת ארוכה מאוד ומחלבונים מיוחדים שה-DNA מקופל ונדחס סביבם בצפיפות. אם כך, מספר מולקולות ה-DNA שיש בכל אחד מתאי גופנו שווה למספר הכרומוזומים שבתא.
(בספר איור - היעזר במנחה)
איור המדגים מולקולת DNA ש"נמתחה והתיישרה" מתוך כרומוזום
בכרומוזומים אפשר להבחין בצפייה מבעד למיקרוסקופ, רק במהלך חלוקת התא.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תאים בשורש של בצל במהלך חלוקתם: (1) הכרומוזומים במרכז התא; (2) הכרומוזומים נדדו אל הקטבים בתא (צולם במיקרוסקופ, בהגדלה פי 400)
*193*
בכל אחד מתאי גופו של היצור יש מספר והרכב קבוע של כרומוזומים, המאפיינים את המין הביולוגי שהיצור משתייך אליו. בתאי גופו של הקוף יש 46 כרומוזומים, בתאי תרנגולת - 78 כרומוזומים, בתאי יתוש - 6 כרומוזומים, בתאי תירס - 20 כרומוזומים, ובתאי תפוח אדמה - 48 כרומוזומים.
בדיקה דקדקנית של מספר הכרומוזומים וצורתם מגלה שהכרומוזומים מופיעים בגרעיני התאים בזוגות. כל זוג כרומוזומים שונה מהזוגות האחרים, אך שני הכרומוזומים בכל זוג דומים זה לזה בהרכבם ובגודלם, ומכילים מידע תורשתי לאותן התכונות. לכן בני הזוג מכונים: כרומוזומים הומולוגים (הומולוגי שווה תואם, שווה). כל זוג כרומוזומים הומולוגים כולל כרומוזום אחד שמקורו באם, וכרומוזום אחר שמקורו באב.
(כרומוזומים הומולוגים - (הומולוגי שווה תואם, שווה) כרומוזומים הדומים באורכם ובהרכבם. בכל תאי הגוף, פרט לתאי הרבייה, נמצאים זוגות של כרומוזומים הומולוגים; האחד - מוצאו באם, והאחר - מוצאו באב.)
לפניכם תמונת כרומוזומים של תא, שבה זוגות הכרומוזומים ההומולוגים מסודרים וממוספרים על פי הצורה והגודל של כל זוג.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תמונת כרומוזומים מתאי גוף של אדם (זכר), צולמה במיקרוסקופ בהגדלה פי 1,000.
הכרומוזומים מסודרים בזוגות של כרומוזומים הומולוגיים.
הביטו בתמונת הכרומוזומים. כמה כרומוזומים יש בכל גרעין של תא גוף האדם? כמה זוגות של כרומוזומים הומולוגים יש בכל גרעין תא של האדם?
*194*
אם נפריד ו"נמתח" את המבנה הדחוס של כל כרומוזום, נגלה שהמבנה של מולקולת ה-DNA דומה לסולם. כל אחד משני צדי הסולם מכונה "גדיל". כל גדיל מורכב מרצף ארוך מאוד של יחידות בניין הנקראות נוקלאוטידים. במולקולות ה-DNA יש 4 סוגי נוקלאוטידים בלבד: A, T, C, G.
(נוקלאוטידים - (מן המילה Nucleus, גרעין), יחידות הבניין המרכיבות את מולקולות ה-DNA וה-RNA.)
כל הנוקלאוטידים בנויים בצורה דומה: סוכר שבצדו האחד מחובר לזרחה, ובצדו האחר מחובר לבסיס חנקני (מכונה גם: בסיס).
(זרחה - יון המכיל אטום זרחן וארבעה אטומי חמצן. ליון הזרחה חשיבות רבה בתא.)
(בסיס חנקני - מולקולה בעלת מבנה טבעתי, המכילה אטומי חנקן ומבחינה כימית יש לה תכונות של בסיס.)
ההבדל בין ארבעת סוגי הנוקלאוטידים הוא בסוג הבסיס המרכיב אותם. הנוקלאוטידים השונים מסומנים באותיות לפי שם הבסיס שהם מכילים באנגלית (אדנין Adenine, תימין Thymine, ציטוזין Cytosine וגואנין Guanine).
לדוגמה: באיור שלפניכם מופיע נוקלאוטיד המכיל את הבסיס אדנין (Adenine) ולכן הוא מסומן באות A.
(בספר איור - היעזר במנחה)
כל נוקלאוטיד מחובר לנוקלאוטיד שנמצא מולו בגדיל השני, וכך נוצרים ה"שלבים" בסולם ה-DNA. כל נוקלאוטיד יכול להתחבר רק לנוקלאוטיד מסוים, כך שהם מזווגים תמיד בזוגות קבועים: A מחובר ל-T, ו-C מחובר ל-G. לכן סדר הנוקלאוטידים לאורך גדיל אחד, מתאים לרצף הנוקלאוטידים בגדיל שמולו. שני הגדילים המחוברים מסתלסלים יחד, ולכן המבנה של מולקולת ה-DNA נקרא סליל כפול.
בכל גדיל של DNA הנוקלאוטידים חוזרים פעמים רבות מאוד בסדר שונה. אפשר לדמות את הנוקלאוטידים לאותיות המרכיבות מילים ומשפטים. כמו שסדר האותיות בכל מילה קובע את משמעותה, כך גם לסידור הנוקלאוטידים לאורך שרשרת ה-DNA יש חשיבות מרובה: המידע לתכונה שמכיל גן מסוים נקבע על ידי הרצף של הנוקלאוטידים במקטע ה-DNA. רצף הנוקלאוטידים קובע אילו חלבונים ייבנו בתא באמצעות תהליכים מורכבים שעליהם תלמדו בהמשך.
(בספר איור - היעזר במנחה)
האיור שלפניכם מציג קטע ממולקולת DNA. רצף הנוקלאוטידים בגדיל העליון של מקטע ה-DNA הוא: TCAGTC ובהתאמה לו, הרצף בגדיל התחתון הוא: AGTCAG
*195*
לפניכם רצף נוקלאוטידים מגדיל אחד של מולקולת GATCATTCGTA :DNA מה הרצף התואם בגדיל שמולו (רצף הנוקלאוטידים המשלים)?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד המסע אל ה-DNA.
הפעילו את ההדמיה: היכנסו אל תוך הגוף, אל תוך התא ואל תוך גרעין התא, שלב אחרי שלב.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
1. מבט אל תוך הגוף - לפניכם תרשים המתאר את רמות הארגון השונות בגופם של יצורים חיים, מרמת היצור השלם ועד ליחידות הבסיס המרכיבות את ה-DNA שבכל אחד מן התאים.
העתיקו את התרשים אל המחברת ומלאו בו את המושגים המתאימים ממחסן המילים. מחסן המילים: תאים, מערכות גוף, איברים, כרומוזומים, רקמות, גרעין התא, נוקלאוטידים, חומר תורשתי (DNA), אורגניזם, אברונים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
-- מורכב מ...--מורכבות מ... -- בנויים מ... -- הבנויות מ... -- המכילים -- כגון: -- המכיל -- הבנויים מ... -- הבנוי מרצף של... --
2. מהו אורכו של הכרומוזום המוצג בהדמיה ובאילו יחידות נמדד גודל זה? באיזה שלב בחיי התא נמדד אורך זה?
*196*
עד שנות ה-50 של המאה העשרים, האמינו מרבית החוקרים כי החלבונים שבגרעין, שסביבם מתפתלות מולקולות DNA, הם הנושאים את המידע התורשתי.
שני חוקרים צעירים מאוניברסיטת קיימברידג' שבאנגליה: ג'יימס ווטסון ופרנסיס קריק, ערכו מחקר משותף שהתמקד במולקולות ה-DNA שבגרעין ולא בחלבונים. מחקרם התבסס על מאפיינים כימיים ופיזיקליים של מולקולת ה-DNA, ועל מחקריה של החוקרת האנגלייה רוזלינד פרנקלין שעבדה במעבדתו של מוריס וילקינס. על בסיס כל הממצאים, בנו פרנסיס וקריק מודל המייצג את מבנה הסליל הכפול של מולקולת DNA, ופרסמו אותו בשנת 1953.
תגלית זו, של המבנה המדויק של ה-DNA, הייתה פריצת דרך משמעותית במחקר הגנטי, וזיכתה את ווטסון, קריק ווילקינס בפרס נובל שהוענק להם בשנת 1962. רוזלינד פרנקלין נפטרה שנים אחדות לפני מתן הפרס, ומכיוון שפרס נובל לא ניתן למי שנפטר, היא לא זכתה להוקרה הראויה לה.
(בספר תמונה)
ג'יימם ווטסון ופרנסיס קריק עם איור ה-DNA
הכינו דגם מוגדל של קטע ממולקולת DNA.
בחרו את החומרים שמתאימים לייצג את יחידות הבניין של המולקולה, ובעזרתם עצבו את צורתה.
*197*
מולקולות ה-DNA הן בעלות מבנה מרחבי מורכב, שביסודו רצף של נוקלאוטידים מארבעה סוגים. אך מה הקשר בין המבנה של מולקולות ה-DNA לבין תכונותיו של היצור החי?
חלק מן המקטעים לאורך מולקולות ה-DNA שבכרומוזומים הם הגנים, המכילים מידע לגבי תכונות מסוימות ביצור החי. בכל כרומוזום יש מאות עד אלפי גנים, ורוב הגנים כוללים בין 100 ל-2,000,000 זוגות נוקלאוטידים. המידע לתכונה הכלול בגן מסוים נקבע על ידי רצף הנוקלאוטידים במקטע ה-DNA. כלומר, רצף הנוקלאוטידים בכל גן הוא המכתיב את התכונות התורשתיות של אותו יצור.
המידע שהגן מכיל הוא קוד ("מתכון") להרכבת חלבון מסוים בגוף היצור. כלומר, גן מקודד ליצירת חלבון. אולם מה הקשר בין חלבון לתכונה?
היזכרו במה שלמדתם על חלבונים (עמודים 95-94 בספר): הם חומר בניין עיקרי של תאי הגוף, ומשתתפים ברוב התהליכים המתרחשים בגוף (כאנזימים המזרזים תגובות, כנשאים בקרומי התאים וכחלבונים תפקודיים נוספים). לכן, על אף שהגוף בנוי גם מחומרים נוספים, הבסיס ליצירתם של כל החומרים בגוף, וכן היכולת של הגוף לבצע פעולות, תלויים בקיומם של חלבונים רבים ומגוונים. למעשה, החלבונים עומדים בבסיס התכונות השונות של היצור - קיומו של חלבון מסוים מתבטא בהופעת תכונה כלשהי. יש תכונות הנקבעות על ידי גן אחד, כלומר על ידי חלבון אחד, ויש תכונות המושפעות מכמה חלבונים.
וככלל: DNA - מכיל מידע הגורם ליצירת - חלבון - גורם לביטוי של - תכונה.
לדוגמה: רצף ה-DNA בגן קובע את תכונת צבע העור.
(בספר שלושה איורים - היעזר במנחה)
רצף הנוקלאוטידים באחד הגנים שב-DNA (א) אחראי ליצירת חלבון שהוא אנזים (ב).
זה אחד האנזימים המשתתפים ביצירת הפיגמנט מלנין בתאי העור, וכך הוא קובע את התכונה של צבע העור (ג).
מתוך יחידת הלימוד מגן לתכונה - צבע העור, בילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה
*198*
חלבון בנוי משרשרת ארוכה של יחידות בניין הנקראות חומצות אמיניות. בגופם של היצורים החיים יש 20 חומצות אמיניות שונות, והצירופים השונים שלהן מאפשרים את הרכבתם של עשרות אלפי החלבונים השונים בגוף. (חומצות אמיניות - יחידות המבנה היסודיות של החלבון.)
מולקולות ה-DNA בנויות מרצף ארוך של נוקלאוטידים מ-4 סוגים, ואילו מולקולות החלבון בנויות מרצף ארוך של עד 20 סוגים של חומצות אמיניות.
כיצד אפשר באמצעות 4 יחידות בניין בלבד לקודד (לרשום בצורת קוד) את המידע ל-20 חומצות אמיניות שונות?
חוקרים גילו שהקוד לחומצה אמינית כלשהי מורכב מרצף של 3 נוקלאוטידים. כל שלישיית נוקלאוטידים כזו נקראת קודון. (קודון - רצף של 3 נוקלאוטידים ב-DNA, שהוא צופן לחומצה אמינית מסוימת בחלבון הנבנה על פי הגן.) כלומר הקוד הגנטי, שעל פיו מתורגם המידע שב-DNA ליצירת חלבונים בתא, בנוי משלשות של נוקלאוטידים. (קוד גנטי - כללי ההתאמה בין כל קודון (שלישיית נוקלאוטידים) לבין כל אחת מ-20 החומצות האמיניות.) סוג הנוקלאוטידים והסדר שלהם בכל קודון קובעים את סוג החומצה האמינית. רצף הקודונים לאורך הגן קובע את סדר החומצות האמיניות בתוך החלבון שייבנה לפי גן זה. אם כך, אפשר ליצור מ-4 סוגי הנוקלאוטידים מגוון גדול של צירופים (עד 64!).
לדוגמה: באיור שלפניכם רצף של נוקלאוטידים (מתוך גן ובו אלפי נוקלאוטידים). ברצף זה 5 קודונים (המורכבים מ-15 נוקלאוטידים), ובעזרת RNA הם מקודדים ל-5 חומצות אמיניות (שהן קטע מחלבון שייבנה בתא).
(בספר איור - היעזר במנחה)
חשוב להדגיש כי הקוד הגנטי הוא אוניברסלי, כלומר זהה כמעט בכל מיני היצורים החיים על פני כדור-הארץ. אותו קודון (אותה שלישיית נוקלאוטידים) מייצג תמיד אותה חומצה אמינית, בין אם מדובר בתאיהם של דג, של חיידק, של חרצית, של עץ אלון או של סוס, ובין אם מדובר בתאים של האדם. וכך, על אף שרצף הנוקלאוטידים המרכיבים את ה-DNA של יצורים ממינים שונים הוא אחר, ותכונות היצורים האלה שונות גם הן, הקוד הגנטי עצמו זהה כמעט בכל היצורים המוכרים לנו.
*199*
1. לפניכם שני משפטים המתארים שינויים ב-DNA.
שערו מה תהיה התוצאה בכל מקרה: האם יהיה שינוי בחלבון? האם יהיה שינוי בתכונה? נמקו את השערתכם.
א. אחד הנוקלאוטידים ברצף של גן כלשהו התחלף במקרה בנוקלאוטיד אחר.
ב. אחד הנוקלאוטידים חסר לגמרי ברצף של הגן.
2. גנטיקאים גידלו במעבדה תאים של דג ושל זבוב וערכו בהם ניסויים. הם הצליחו לשלב ב-DNA של אחד מתאי הדג גן מסוים שנלקח מה-DNA של הזבוב. האם התא של הדג יוכל לבנות את החלבון שהמידע ליצירתו מקודד ב-DNA של הזבוב? הסבירו.
למדתם כי רצף הנוקלאוטידים ב-DNA הוא המכתיב את שרשרת החלבון שתיבנה. אולם אצל רוב היצורים ה-DNA נמצא בתוך גרעין התא, ואילו החלבונים נבנים בריבוזומים שבציטופלזמה.
בנוסף, מולקולות ה-DNA הן שרשראות נוקלאוטידים ארוכות מאוד, שאינן מסוגלות לצאת דרך קרום הגרעין אל הציטופלזמה. אם כך, איך המידע שבגרעין התא מגיע לריבוזומים? ברור שדרוש מנגנון מתאים להעברת המידע מן ה-DNA שבגרעין אל הציטופלזמה.
את תפקיד ה"שליח" מן הגרעין אל הציטופלזמה ממלאת מולקולה שנקראת RNA. כמו DNA, גם מולקולות RNA מורכבות מרצף של נוקלאוטידים. אך מולקולות RNA קצרות יותר מן DNA (לרוב, אורכן כאורך גן אחד). בנוסף, בניגוד ל-DNA, מולקולות ה-RNA אינן בעלות מבנה דו-גדילי, אלא עשויות מגדיל אחד בלבד, כלומר מרצף אחד של נוקלאוטידים שאינם "מזווגים".
(RNA - ראשי התיבות של Ribo Nucleic Acid. מולקולה חד-גדילית הבנויה מרצף נוקלאוטידים קצר יחסית, המשלים לרצף הנוקלאוטידים באחד מגדילי ה-DNA.
המולקולה נושאת את המידע התורשתי מן הגרעין אל הציטופלזמה.)
מדוע לדעתכם מבנה זה של מולקולות ה-RNA מתאים להעברת המידע מן ה-DNA שבגרעין אל הציטופלזמה?
*200*
אילו תהליכים בתא מובילים ליצירת חלבון על פי המידע התורשתי המקודד ב-DNA?
(בספר ארבעה איורים - היעזר במנחה)
א. מולקולת ה-RNA נבנית בגרעין התא, על בסיס תבנית של אחד משני הגדילים של ה-DNA. כלומר, לפי רצף הנוקלאוטידים שבאחד הגדילים. תהליך זה נקרא תעתוק. (תעתוק - תהליך שבו נבנית מולקולת RNA על פי רצף הנוקלאוטידים בגדיל אחד של DNA. במהלך תעתוק בתא כלשהו רק חלק מהגנים DNA עוברים תעתוק.)
ב. מולקולת ה-RNA שהנוקלאוטידים שלה משלימים לאלה שבגדיל ה-DNA שעל פיו היא נבנתה, נושאת את המידע שהיה ב-DNA, יוצאת מן הגרעין ומגיעה אל הריבוזומים שבציטופלזמה.
ג. בריבוזומים חומצות אמיניות מתחברות זו לזו בהתאם לרצף הקודונים שב-RNA.
ד. החומצות האמיניות המתחברות זו לזו יוצרות את ה"שרשרת" של מולקולת החלבון. תהליך זה נקרא תרגום. (תרגום - תהליך שבו נבנית מולקולת חלבון מרצף חומצות אמיניות, על פי רצף הקודונים של מולקולת RNA.)
שימו לב: שרשרת הנוקלאוטידים ב-DNA ארוכה מאוד, אך בתהליך יצירתו של חלבון מסוים רק גן אחד עובר תעתוק - מקטע DNA קצר יחסית האחראי ליצירת החלבון. כך נוצרת מולקולת RNA קטנה יחסית, שמסוגלת לעבור דרך קרום הגרעין ולעבור תרגום לחלבון המסוים.
מתוך יחידת הלימוד DNA לחלבון, בילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה
*201*
1. העתיקו את הקטע שלפניכם למחברת, והשלימו אותו בעזרת מחסן המילים.
ה-DNA בנוי מסליל -- של נוקלאוטידים. רק אחד מגדילי ה-DNA מתפקד כתבנית לתהליך התעתוק, ועל פיו נבנית מולקולת RNA שהיא --. הנוקלאוטידים במולקולת ה-RNA משלימים לרצף הנוקלאוטידים שב-DNA. כך הקודונים שב-RNA מייצגים את הקודונים שבDNA, המרכיבים את ה-- האחראי ליצירת חלבון כלשהו. בתהליך התרגום נבנה חלבון מרצף של --, המתאימות לקודונים ברצף rnaה-RNA.
מחסן המילים: גן, חד-גדילית, דו-גדילי, חומצות אמיניות.
2. התרשים שלפניכם מתאר כיצד מידע המצוי ב-DNA ומקודד לתכונה תורשתית כלשהי, גורם בסופו של דבר להתבטאות התכונה ביצור חי.
כתבו לגבי כל תהליך המופיע בתרשים היכן הוא מתרחש בתאי הגוף.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
DNA - (תעתוק) - RNA - תרגום - חלבון – תכונה (תורשתית)
לרצף הנוקלאוטידים ב-DNA יש חשיבות רבה לתפקודם התקין של תאי הגוף. לפעמים מתרחש שינוי ברצף הנוקלאוטידים: נוקלאוטיד יחיד, או אפילו מקטעים שלמים של DNA, עלולים להתחלף באחרים, להישמט ממולקולת ה-DNA או להתווסף לה. שינוי כזה ב-DNA מכונה מוטציה. (מוטציה - שינוי ברצף הנוקלאוטידים ב-DNA העלול לגרום לשינוי בחלבון ובתכונה תורשתית.) כתוצאה ממוטציה יכול לחול שינוי גם בחלבון שמקודד לו קטע ה-DNA שהשתנה, ובעקבות זאת שינוי בתכונה התורשתית הקשורה לחלבון זה.
(בספר איור - היעזר במנחה)
מוטציה ב-DNA שבה נוקלאוטיד אחד התחלף לנוקלאוטיד אחר
*202*
לשינוי ברצף הנוקלאוטידים עלולות להיות השלכות על תכונות היצור החי. לעתים קרובות מוטציה גורמת לשינוי במבנה החלבון שנוצר או בכמותו, ואז פעולתו נפגעת. מוטציה שבעקבותיה נפגע תפקודו של חלבון מסוים, משפיעה על תכונה של הפרט הנושא את המוטציה ועלולה להזיק לו. יש מוטציות הגורמות לפגמים שבאים לידי ביטוי כמחלות תורשתיות, כגון סיסטיק פיברוזיס (CF) או טאי-זקס; ויש מוטציות שהשפעתן כה שלילית עד שהפרט הנושא אותן אינו שורד. לעומתן, יש מוטציות מעטות שהשפעתן כמעט שאינה מורגשת. יש מוטציות שאפילו מקנות יתרון לפרט הנושא אותן, מכיוון שמוטציה יכולה לגרום להופעת תכונה שתגדיל את הסיכויים להישרדותו של יצור מסוים.
מוטציות יכולות להיווצר כתוצאה מטעויות בזמן שכפול ה-DNA וחלוקת התא. מוטציות עלולות להיווצר גם בעקבות חשיפה לקרינה מזיקה או לחומרים מזיקים. בתאי הגוף פועלים מנגנונים שונים המתקנים את הטעויות האלה. כאשר התיקון לא מצליח, מתקבלת המוטציה.
מוטציה יכולה לעבור בתורשה רק אם היא קיימת בתאי הרבייה של אותו יצור. ואכן, לעתים מוטציות עוברות בתורשה מפרט אחד לצאצאיו וכך ממשיכות מדור לדור.
לבקנות היא דוגמה למוטציה (שינוי גנטי) המשפיעה על יצירת חלבון ועל התבטאות תכונה.
אצל רוב האנשים נוצר פיגמנט (צבען) חום הנקרא מלנין, המקנה את הצבע לעור, לעיניים ולשיער, ומגן על הגוף מקרינת השמש. אצל אנשים הלוקים בלבקנות לא נוצר מלנין עקב מוטציה נקודתית בגן המקודד לבניית אחד האנזימים המשתתפים בייצור מלנין. לכן לבקנים הם בעלי עור בהיר מאוד, שיער לבן ועיניים בצבע תכלת בהיר או אדמדמות, כתוצאה מהשתקפות כלי הדם שבתוך גלגל העין הבהיר. מוטציה זו קיימת גם בתאי הגוף וגם בתאי הרבייה של הלבקנים, ולכן היא מועברת בתורשה מדור לדור.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
ללבקנים שיער לבן, עור בהיר ועיניים בהירות
*203*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד מגן לתכונה - צבע העור.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
הפעילו את ההדמיה ובדקו: מה הקשר בין המוטציה בגן האחראי על ייצור מלנין לבין הופעת תכונת הלבקנות?
א. מהם ההבדלים בין אדם בעל צבע עור תקין לבין אדם הנושא את התכונה לבקנות? התייחסו להבדלים ברמת ה-DNA, ברמת החלבון וברמת התכונה.
ב. העתיקו את הקטע שלפניכם למחברת, והשלימו אותו בעזרת מחסן המילים.
על תכונת צבע העור אחראי, בין היתר, אנזים מסוים המשתתף ביצירת הצבען (פיגמנט) מלנין. אנזים זה הוא סוג של -- הנוצר בתאי העור, על פי מידע המקודד ב-- מסוים. הגן מורכב מרצף של --, ומצוי באחד מן ה-- שבגרעיני כל תאי הגוף. אצל אדם לבקן התחלף אחד ה-- בגן המקודד לאנזים המייצר מלנין. בעקבות ה-- בגן, ה-- שנוצר בתאי גופו אינו תקין. כתוצאה מכך האנזים אינו פעיל ולא נוצר מלנין. לכן עורו, עיניו ושיערו של האדם בהירים מאוד. כך מתקבלת ה-- לבקנות.
מחסן המילים (חלק מן המילים מופיעות פעמיים): תכונה, מוטציה, נוקלאוטידים, גן, כרומוזומים, חלבון.
*204*
במחלות תורשתיות רבות, הגורם למחלה הוא מוטציה מסוימת ב-DNA שהתרחשה בעבר ומועברת מדור לדור. לדוגמה, אצל החולים באנמיה החרמשית הגורם למחלה הוא מוטציה בכרומוזום מספר 11- בגן האחראי ליצירת החלבון המוגלובין המצוי בתאי הדם האדומים. החלבון הזה אחראי, בין השאר, לצבע ולצורה המעוגלת של התאים האלה. אצל החולים באנמיה חרמשית יש שינוי בנוקלאוטיד אחד בלבד: בקודון מסוים בגן, במקום נוקלאוטיד מסוג A יש אצלם נוקלאוטיד T (ראו איור).
(בספר איור - היעזר במנחה)
חפשו מידע על אנמיה חרמשית וענו על השאלות שלפניכם:
1. הסבירו מדוע המחלה נקראת בשם זה.
2. תארו מה התסמינים (סימפטומים) של המחלה, ואילו נזקים היא עלולה לגרום לחולה.
3. סרטטו תרשים זרימה של כל השלבים המתארים את הקשר בין ה-DNA לבין מצבו הרפואי של הלוקה במחלה זו.
שינויים בחומר התורשתי (מוטציות) מגדילים את המגוון הביולוגי על פני כדור-הארץ משום שהם הבסיס לרבגוניות בתכונות היצורים השונים: היווצרות אקראית (מקרית) של מוטציות היא אחד המנגנונים המרכזיים הגורמים להתפתחות מינים שונים. בנוסף, מוטציות תורמות גם לשונות הרבה הקיימת בין פרטים שונים מאותו מין. על כך תלמדו בהרחבה בהמשך הספר, בפרק אקולוגיה בפעולה. (מגוון ביולוגי - (Biodiversity) מונח המתאר את מגוון צורות החיים על פני כדור-הארץ. המגוון הביולוגי כולל את מגוון המערכות האקולוגיות, את מגוון המינים ואת המגוון הגנטי של יצורים מאותו המין.)
דוגמה: גנים אחדים משפיעים על הצבע של עלי הכותרת בצמחי כלנית, חלקם קובעים את הצבע עצמו, וחלקם את המקום בעלי הכותרת שבו הצבע ייראה (במרכז, באמצע או בשוליים). מוטציות שונות שהתרחשו בגנים האלה במהלך הדורות ועברו בתורשה גרמו לשונות בין הכלניות, ומכאן מגוון הצבעים של פרחי הכלניות.
(בספר תמונה)
כלניות בצבעים שונים
*205*
ה-DNA מכיל את המידע הגנטי של כל אחד ואחד מאתנו (וגם של יצורים חיים אחרים), וקובע את תכונותינו. לכן כל פגיעה במולקולת ה-DNA, כגון שינוי במבנה שלה ושבירתה או שינוי ברצף הנוקלאוטידים שלאורכה, עלולה לשבש את הפעילות התקינה של התאים, לפגוע בבריאות הגוף ואפילו לסכן את החיים. פגיעה ב-DNA שבתאי הרבייה היא בעייתית במיוחד, מפני שהיא עלולה לפגוע לא רק באדם עצמו אלא גם בצאצאיו העתידיים.
מכיוון שלפגיעה ב-DNA עלולה להיות השפעה מזיקה, חשוב מאוד להקפיד על התנהגות מקדמת בריאות: להקפיד על אורח חיים בריא, ולהימנע מחשיפה לגורמים המגדילים את הסיכון להיווצרות מוטציות.
בין הגורמים העלולים לפגוע ב-DNA ולסכן את בריאותנו יש גם כאלה שכולנו נחשפים אליהם, כגון חומרים מזיקים הגורמים למוטציות, וסוגים שונים של קרינה בעלת אנרגיה רבה.
ניקל וקדמיום הנמצאים בסוללות חשמל, בריליום המשמש בתעשיית המתכות, סיבי אסבסט שנמצאים בגגות אסבסט ובחומרים המבודדים חום, בנזן (ממס שמשתמשים בו בתהליכי ייצור רבים בתעשייה) ועשן סיגריות, הם רק חלק ממגוון של חומרים מזיקים הפוגעים ב-DNA.
קרינה בעלת אנרגיה גבוהה, כגון קרינת רנטגן (קרני X) וקרינה רדיואקטיבית, גורמים לניתוק מולקולת ה-DNA ו"לשבירת" כרומוזומים. גם הקרינה העל-סגולה (אולטרה-סגולה שווה UV) שמקורה בעיקר באור השמש עלולה לגרום למוטציות.
דוגמאות לאירועים שבהם בני אדם נפגעו בעקבות חשיפה לקרינה רדיואקטיבית שפוגעת ב-DNA:
פצצות האטום שהוטלו במלחמת העולם השנייה על הירושימה ונגסאקי שביפן, האסון בכור הגרעיני בצ'רנוביל שבברית המועצות, וכן האסון בכור הגרעיני בפוקושימה שביפן שנפגע ברעידת אדמה ומגלי הצונאמי שבאו בעקבותיה.
הבילוי על חוף הים מהנה עבור כולנו, אך חשוב לזכור שקרינת השמש כוללת גם קרינה על-סגולה (אולטרה-סגולה; קרינת UV) העלולה לפגוע בחומר התורשתי. למזלנו, האטמוספרה של כדור-הארץ, ובעיקר שכבת האוזון הנמצאת באטמוספרה בגובה רב, בולעות וחוסמות את רוב הקרינה המזיקה של השמש. למרות זאת, בימי הקיץ, בעיקר בשעות הצהריים, קרינת השמש חזקה במיוחד, וחשיפה ממושכת לשמש עלולה להזיק לעור הגוף, לעיניים ואף לאיברים אחרים.
צילומי רנטגן (קרני X) משמשים אותנו בעיקר בתחום הרפואה, הודות ליכולתם להציג איברי גוף פנימיים. כאשר קרני רנטגן נתקלות ברקמה קשה, כמו עצמות או שיניים, הן נבלעות ברקמה ונעצרות. בצילומי רנטגן רואים את מבנה העצמות והשיניים בצבע לבן, ואילו שרירים ורקמות רכות אחרות נראים בשחור או בגוונים שונים של אפור, לפי מידת
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
- היזהרו מקרינת השמש!
- צילום רנטגן
*206*
יכולתם להעביר את הקרניים או לעצור אותן. האנרגיה של קרני הרנטגן גבוהה מאוד ולכן יכולה לחדור בקלות מבעד לעור ולרקמות רכות. אך חוץ מהתועלת שבקרינת רנטגן, היא גם עלולה לגרום למוטציות בתאי הגוף. קרינת הרנטגן עלולה לגרום למוטציות בעיקר בתאים הנמצאים בשלבי חלוקה, לכן במהלך צילום רנטגן שמים מגנים מיוחדים על האזורים בגוף שאין צורך לבדוק, כדי להגן עליהם מפני החשיפה לקרינה.
רדון הוא גז אציל, חסר צבע, ריח וטעם, הפולט קרינה רדיואקטיבית מסוכנת. גז רדון נוצר באופן טבעי באדמה ונפלט ממנה או מחומרי בנייה מסוימים (כגון בטון או לבנים).
רדון משתחרר אל האוויר בדרך כלל בכמות קטנה שאינה מזיקה, אך במקומות שבהם יש באדמה ריכוז גבוה של רדון, הוא עלול להצטבר במרתפים ובחדרים סגורים בקומת הקרקע. ככל שריכוז הרדון עולה, כך הסיכון גדל, בגלל הנזק שהקרינה הרדיואקטיבית עלולה לגרום לגוף.
מה אפשר לעשות כדי להימנע מפגיעה ב-DNA שלנו? - על כך בפעילות שלפניכם.
מטרות הפעילות: להכיר את ההשפעות של גורמים המזיקים ל-DNA על תפקודו התקין של הגוף, ולדעת כיצד להימנע מסכנות כאלה או לפחות להקטין אותן.
א. התחלקו לקבוצות. כל קבוצה תאסוף מידע על אחד הגורמים הפוגעים ב-DNA ומסכנים את הבריאות, תארגן אותו ותציג את ממצאיה בפני שאר התלמידים. חשוב להיעזר במקורות מידע אמינים, כגון משרד הבריאות והמשרד להגנת הסביבה.
תוכלו לבחור אחד מבין הגורמים שנזכרו בפרק או גורם כלשהו אחר. המידע שתאספו יכלול:
- הסבר על הנזק הבריאותי הנגרם בהשפעת הגורם שבחרתם - נזק מיידי, עקיף או ארוך טווח.
- סרטוט תרשים זרימה המתאר את הקשר בין החשיפה לגורם המזיק לבין השפעתו על ה-DNA ולסוג הפגיעה בבני אדם.
- פירוט של מי שחשוף במיוחד לסכנה (בני גיל מסוים, בעלי מקצוע או תחביבים מסוימים וכדומה).
- רשימה של אמצעי הגנה ושל כללים להתנהגות שימנעו את הנזק או יפחיתו אותו.
ב. הכינו כרזה (פוסטר), סרטון או מצגת על הנושא, והציגו אותו לחבריכם עם שאר המידע שאספתם.
*207*
- בגרעיני התאים יש כרומוזומים הבנויים ממולקולות DNA. המולקולות האלה בנויות מרצף ארוך של נוקלאוטידים, שמקטעים מסוימים ממנו מכונים גנים.
- כל גן מקודד לחלבון כלשהו, וקיומו של החלבון המסוים עשוי להתבטא בהופעת תכונה כלשהי.
- המידע ליצירת החלבונים השונים המכתיבים את התכונות טמון ברצף הנוקלאוטידים ועובר בתורשה מהורים לצאצאיהם.
התרשים שלפניכם מתאר בצורה גרפית את הקשר בין תאי הגוף לבין המידע התורשתי המצוי בהם ובין התבטאות התכונות התורשתיות.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
תא (מכיל) גרעין תא (מכיל) כרומוזומים (בנויים מ...) DNA (לאורכו מצויים) גנים, (מקדדים ל...) חלבונים לדוגמה: אנזים שמייצר מלנין (מתבטאים כ...) תכונות תורשתיות (לדוגמה): צבע עיניים, צבע העור
1. איזה מהמשפטים הבאים מתאר בצורה נכונה את הקשר בין DNA לתכונות תורשתיות?
א. ה-DNA מכיל את התכונות התורשתיות המתבטאות ביצור החי.
ב. ה-DNA מכיל את המידע לייצור חלבונים הבאים לידי ביטוי בתכונות התורשתיות.
ג. תכונותיו התורשתיות של היצור החי מכילות חלבונים הנבנים על פי ה-DNA.
ד. ה-DNA בונה חלבונים המכילים את תכונותיו התורשתיות של היצור החי.
2. כמה מולקולות DNA יש בגרעין של כל אחד מתאי הגוף של יצור חי ממין מסוים?
א. אחת בלבד, כי בכל תא יש רק גרעין אחד.
ב. כמספר הכרומוזומים האופייני לאותו מין של יצורים.
ג. מספר משתנה, בהתאם לסוג התא ולתפקודו.
ד. מספר משתנה, בהתאם לגודלו של היצור: בגדולים - הרבה, ובקטנים - מעט.
נמקו את תשובתכם.
*208*
3. לפי דעתכם, במה שונה הגן הקובע את צבע העור של הפרה מהגן הקובע את צורת הקרניים שלה?
א. הגן לצבע עובר בתורשה, והגן לקרניים מושפע מתנאי הסביבה.
ב. הגן לצבע נמצא בתאי העור, והגן לקרניים נמצא בקצה הגולגולת.
ג. רצף הנוקלאוטידים של הגן לצבע שונה מהרצף של הגן לקרניים.
ד. הגן לצבע מורכב מנוקלאוטידים, והגן לקרניים מורכב מחלבונים.
4. מה נכון לומר בנוגע למוטציות?
א. יש מוטציות המקנות ליצורים יתרון בסביבת הגידול שלהם, יש מוטציות שאינן משפיעות על היצורים, ויש מוטציות הפוגעות ביצורים.
ב. מוטציות יוצרות מגוון ושוני בין יצורים חיים.
ג. מוטציות הן שינויים ברצף הנוקלאוטידים ב-DNA.
ד. כל התשובות נכונות.
5. באחד מתאי העור התרחשה מוטציה העלולה לגרום להתפתחות של גידול. האם מוטציה זו תעבור בתורשה לצאצאי אותו אדם? נמקו.
6. מה המשותף ל-DNA של כל בני האדם, בחרו את כל התשובות הנכונות:
א. כל מולקולות ה-DNA מורכבות מאותן יחידות מידע - הנוקלאוטידים.
ב. רצף הנוקלאוטידים ב-DNA זהה אצל כל בני האדם.
ג. מולקולות ה-DNA זהות אצל כל בני האדם.
ד. מספר הכרומוזומים שווה וכן מספר מולקולות ה-DNA.
7. היכן נמצא המידע לתכונת הלבקנות?
א. רק בתאי העור
ב. רק בגרעין שבכל תאי העור
ג. בכל תאי הגוף
ד. רק בתאי הרבייה של הגוף
8. איזה מהסעיפים שלפניכם מתאר את רמת הארגון לפי סדר, מהקטנה לגדולה:
א. תא, גרעין התא, כרומוזום, DNA, גן
ב. גן, נוקלאוטידים, DNA, כרומוזום
ג. גן, DNA, כרומוזום, גרעין התא, תא
ד. כרומוזום, DNA, RNA
9. מהו הקשר הנכון בין גן לבין תכונה? בחרו את התרשים המתאים.
א. מגן - לחלבון - לתכונה
ב. מכרומוזום - ל-DNA - לגן
ג. מכרומוזום - ל-RNA - ל-DNA
ד. מגן - לתכונה – לאנזים
*209*
הגנים שבכרומוזומים הם קטעים ממולקולת ה-DNA, הנושאים מידע ליצירת חלבונים וגורמים להתבטאות של תכונה תורשתית מסוימת. בכל תא גוף יש שני עותקים של כל אחד מהגנים הנושאים מידע לגבי אותה התכונה: האחד בכרומוזום ההומולוגי שמקורו באם, והאחר בכרומוזום ההומולוגי שמקורו באב.
כאשר אותה תכונה מתבטאת בשתי צורות שונות (למשל פרח לבן ופרח אדום), כל אחת מהצורות האפשריות של הגן נקראת: אלל. אללים שונים של אותה תכונה נבדלים זה מזה ברצף הנוקלאוטידים שממנו הם בנויים. (אלל - כל אחת מהצורות האפשריות של הגן. כל אלל אחראי לצורת ביטוי שונה של אותה תכונה.)
לדוגמה, התכונה צבע הפרווה בשרקנים מתבטאת בשתי צורות שונות: צבע פרווה לבן, וצבע פרווה שחור. אלל אחד אחראי להתבטאות של צבע פרווה לבן, אלל שני אחראי להתבטאות של צבע פרווה שחור.
יש מקרים שבהם לגן מסוים יש יותר משני אללים, לדוגמה, באחד ממיני הצמחים צבע הפרחים יכול להיות לבן, ורוד, סגול או אדום (יש 4 אללים שונים לתכונת צבע הפרחים). אבל גם במקרה כזה, בתאיו של יצור מסוים נמצאים רק שני אללים של הגן הזה, ושניהם יכולים להיות זהים זה לזה או שונים זה מזה.
- יצור שבו שני האללים האחראים להיווצרותה של תכונה מסוימת זהים זה לזה הוא הומוזיגוטי לתכונה. (הומוזיגוט - (הומו שווה שווה) יצור שבכל אחד מתאי גופו שני האללים שאחראים לתכונה מסוימת זהים זה לזה.)
- יצור שבו שני האללים האחראים להיווצרותה של תכונה מסוימת שונים זה מזה הוא הטווזיגוטי לתכונה. (הטרוזיגוט - (הטרו שווה שונה) יצור שבכל אחד מתאי גופו שני האללים שאחראים לתכונה מסוימת שונים זה מזה.)
(בספר איור - היעזר במנחה)
זוג כרומוזומים הומולוגים בשרקן הומוזיגוטי לתכונה: צבע הפרווה
זוג כרומוזומים הומולוגים בשרקן הטרוזיגוטי לתכונה: צבע הפרווה
*210*
לתכונות תורשתיות רבות יש צורות ביטוי שונות.
לכל אחת מצורות הביטוי של תכונה מסוימת קוראים: פנוטיפ. (פנוטיפ - צורת הביטוי של תכונה ביצור החי.)
להרכב האללים האחראים לתכונה מסוימת קוראים: גנוטיפ. (גנוטיפ - (גן פלוס טיפ שווה טיפוס) הרכב האללים (הגנים) האחראים להיווצרותה של תכונה מסוימת, או האחראים למכלול התכונות התורשתיות של יצור חי כלשהו.) מה שקובע את הפנוטיפ הוא הרכב (צירוף) האללים לתכונה זו.
לתכונת צבע הפרווה בשרקנים יש שני פנוטיפים שונים: צבע פרווה שחור, וצבע פרווה לבן.
התרשים שלפניכם מתאר את הופעתה של תכונה זו במהלך שני דורות. השרקן בעל הפנוטיפ הלבן (האם) הוא הומוזיגוט לאלל הלבן, כלומר הגנוטיפ שלו: לבן/ לבן. לעומת זאת, לשרקן בעל הפנוטיפ השחור יש שני גנוטיפים אפשריים:
הומוזיגוט בעל הגנוטיפ: שחור/ שחור (האב), או הטרוזיגוט בעל הגנוטיפ: שחור/ לבן (הצאצא).
שימו לב, לא תמיד הפנוטיפ מאפשר לנו לדעת בוודאות מהו הרכב האללים בכל אחד מתאי גופו של הפרט. את ההסבר לכך תגלו בהמשך הפרק.
*211*
לתכונות רבות מאוד המוכרות לכם באדם, בבעלי-חיים אחרים ובצמחים, יש שני פנוטיפים שונים או יותר. פרטים שונים המשתייכים לאותו המין נבדלים זה מזה בפנוטיפים של תכונות רבות.
התכונה, הפנוטיפים של התכונה |
גלגול הלשון, יכולת לגלגל לשון; היעדר יכולת לגלגל לשון |
צבע העיניים, חום; ירוק; כחול |
סוג הדם, A, B, AB, O |
עיכול הסוכר לקטוז (המצוי בחלב), יכולת לעכל את הסוכר לקטוז; היעדר יכולת לעכל את הסוכר לקטוז |
צורת השיער, שיער חלק, שיער גלי, שיער מתולתל, שיער מקורזל |
א. אילו פנוטיפים אי אפשר לראות בעין?
ב. תנו דוגמה לשתי תכונות נוספות של האדם ולפנוטיפים של תכונות אלו.
(בספר תמונה)
מגלגלים לשון
*212*
כיום ברור לנו שהמידע על התכונות התורשתיות נמצא בגנים שבDNA המרכיב את הכרומוזומים שבגרעין התא. אך תפקודו של ה-DNA כחומר התורשתי, הדרך שבה הוא עובר מדור לדור בתאי הרבייה, והקשר בין מבנה ה-DNA לתכונות ולפנוטיפים השונים שלהן, לא היו ידועים למי שנחשב לאבי תורת התורשה (הגנטיקה) - גרגור יוהן מנדל. למרות זאת, מנדל הצליח לפענח את חוקיות ההורשה של תכונות מהורים לצאצאיהם, קרוב למאה שנים לפני גילוי מבנה ה-DNA! כל זאת בהתבסס על ניתוח תוצאות ניסוייו בעזרת חשיבה בלבד, בלי שהיה בידיו הידע המדעי המצוי בימינו.
ממצאי המחקרים שמנדל ביצע במאה ה-19 הם הבסיס למדע התורשה עד היום.
מנדל רצה לגלות כיצד תכונות של יצורים עוברות מדור לדור. הוא הקפיד לבצע את הניסויים ביצורים המעמידים צאצאים רבים בכל דור, ושמשך חייו של כל דור קצר יחסית (למשל צמחים), כדי שיוכל לחזור על כל ניסוי כמה פעמים. בנוסף, הוא הבין כי אי אפשר לבדוק את ההורשה של כל התכונות בעת ובעונה אחת, ולכן עקב אחר הורשתה של כל תכונה בנפרד במהלך דורות אחדים.
בניסוייו הרבים הכליא צמחים ובחן את היחס בין מספר הצאצאים בעלי הפנוטיפים השונים של התכונה הנחקרת. (הכלאה - הפריה מכוונת בין הורים שנבחרו לשם כך, בדרך כלל לצורכי מחקר או השבחה.) לדוגמה: כאשר מנדל בדק את הורשת התכונה: צבע הזרע. באפונת הגינה, הוא ספר כמה זרעים היו ירוקים וכמה זרעים היו צהובים.
האם אפשר להגיד שמנדל ניהל את מחקריו לפי שיטת החקר המדעי? נמקו את תשובתכם תוך התייחסות לשלבים שונים של שיטת החקר המדעי.
מנדל גדל באזור חקלאי של מוראביה (חבל ארץ בצ'כיה). בגיל 25 התקבל מנדל למנזר, ומאוחר יותר למד מתמטיקה וביולוגיה באוניברסיטה של וינה. בסיום לימודיו שימש כומר ומורה בבית ספר תיכון. בשנים שבהן חי במנזר גידל מנדל, בין היתר, צמחי אפונת גינה בחצר המנזר, ובצמח הזה ערך את רוב הניסויים בתורשה.
מנדל פרסם את ממצאיו ומסקנותיו בשנת 1865 במאמר בשם "ניסויים בצמחי כלאיים". למרות זאת, ממצאיו לא עוררו עניין אצל בני דורו, ורק כעבור 35 שנה, בשנת 1900, זכתה תורתו להכרה מחודשת ונרחבת, ומאז הוא נחשב לאבי תורת התורשה. לכן, אף שמנדל חי במאה ה-19, מקובל לציין את ראשית המאה ה-20 כתקופה שבה החלה תורת התורשה המדעית.
(בספר שתי תמונות)
- גרגור יוהן מנדל (1884-1822)
- תרמילים וזרעים של אפונת גינה
*213*
מנדל בחר לצורך מחקריו בצמח אפונת הגינה, המתרבה ברבייה זוויגית. בניסויים שונים הוא עקב אחר הופעתן של 7 תכונות שונות של הצמח הזה במהלך הדורות.
התכונה, הפנוטיפים |
צבע הזרע, ירוק, צהוב |
צורת הזרע, חלק, מקומט |
צורת התרמיל, נפוח, מקומט |
גובה הצמח, גבוה, נמוך |
נתאר אחד ממחקריו של מנדל באפונת הגינה (ראו את התרשים שבעמוד הבא).
מטרת המחקר הייתה לבדוק את ההורשה של התכונה: גובה הצמח. לתכונה הזאת שני פנוטיפים:
צמח גבוה - גובהו כ-2 מטרים, צמח נמוך - גובהו כ-20-15 ס"מ.
שאלת החקר שמנדל רצה לבדוק הייתה: אילו צאצאים ייווצרו כתוצאה מהכלאה בין צמח גבוה לצמח נמוך?
בשלב הראשון הכליא מנדל בין צמח גבוה, שהוא צאצא של דורות רבים של צמחים גבוהים, לבין צמח נמוך, שהוא צאצא של דורות רבים של צמחים נמוכים - אלה הם ההורים (P).
מנדל זרע את הזרעים שנוצרו כתוצאה מההכלאה, וכל הצמחים שגדלו מהם היו גבוהים - אלה הם הצאצאים בני הדור הראשון (F1).
בשלב השני הוא הכליא בין צמחים מדור הצאצאים הראשון (F1), שהיו כאמור גבוהים.
רוב הצמחים שנוצרו כתוצאה מהכלאה זו היו גבוהים, וחלק קטן מהם נמוכים - אלה הם הצאצאים בני הדור השני (F2).
בחקר התורשה נעזרים במקרים רבים בהכלאה של צמחים המתרבים רבייה זוויגית. ההכלאה מאפשרת לחוקר לשלוט במקורם של תאי הרבייה (תא הזרע ותא הביצה) המשתתפים בתהליך ההפריה, כלומר לדעת מי הם הצמחים-ההורים. כך יכול החוקר לעקוב אחר הופעתה של תכונה כלשהי במהלך הדורות. כאשר חוקר רוצה לבצע הכלאה בצמחים, הוא לוקח גרגירי אבקה (שבתוכם תאי רבייה זכריים) מפרחי ההורה האחד - ה"אב", ומעביר אותם אל פרחי ההורה האחר - ה"אם". בטבע, גרגירי האבקה עוברים מפרח לפרח בעזרת חרקים, בעזרת הרוח וכדומה.
(בספר איור - היעזר במנחה)
העברה של גרגירי אבקה מפרח ה"אב" אל פרח ה"אם"
(בספר תמונה)
החוקר מעביר גרגירי אבקה מפרח לפרח באמצעות מכחול עדין
*214*
לפניכם תרשים המתאר את הניסוי של מנדל ותוצאותיו ב 3 דורות של אפונת הגינה:
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
P - דור ההורים
X - הכלאה
F1 - הדור הראשון של הצאצאים (נוצר מהכלאה בין צמחים מדור ההורים)
F2 - הדור השני של הצאצאים (נוצר מהכלאה של F1 עם F1)
1. על פי הניסוי של מנדל, מה היו הפנוטיפים של התכונה גובה הצמח בכל אחד מהבאים:
א. אצל ההורים (P)
ב. אצל הצאצאים בני הדור הראשון (F1)
ג. אצל הצאצאים בני הדור השני (F2)
2. אם תשוו בין הפנוטיפים בשלושת הדורות, תגלו שתי תופעות מעניינות. מהן?
3. שערו: מדוע השלב השני של הניסוי מוכיח ששני הפנוטיפים של התכונה גובה הצמח (צמח גבוה וצמח נמוך) הם תורשתיים?
4. נוסף על ההכלאה שבתרשים, שבו צמח האב היה נמוך וצמח האם היה גבוה, מנדל ערך גם הכלאה הפוכה: צמח האם היה נמוך וצמח האב היה גבוה. בהכלאה זאת התקבלו תוצאות דומות לניסוי שבאיור, כלומר בשני הניסויים התקבלו צאצאים בעלי אותו פנוטיפ.
איזו מסקנה אפשר להסיק מתוצאות אלה?
*215*
התכונה הנחקרת/ הפנוטיפים, הפנוטיפים בדור ההורים (P), הפנוטיפים בדור הצאצאים הראשון (F1), הפנוטיפים בדור הצאצאים השני (F2) |
צורת הזרע, חלק, מקומט, כולם חלקים, רובם חלקים ומיעוטם מקומטים |
צבע הזרע, ירוק, צהוב, כולם ירוקים, רובם ירוקים ומיעוטם צהובים |
צורת התרמיל, נפוח, מקומט, כולם נפוחים, רובם נפוחים ומיעוטם מקומטים |
א. מה משותף בין תוצאות שלושת הניסויים המתוארים בטבלה? השוו את P, F1, ו-F2 בין הניסויים השונים. |
6. לסיכום הקשר בין מושגים שונים שלמדתם עד כה, התאימו לכל הגדרה את המושג המתאים לה:
א. קטעי DNA האחראים ליכולת לפתח תכונה כלשהי
ב. מאפיין של יצור חי או של קבוצת יצורים
ג. גופיפים המורכבים מחומר תורשתי (וחלבונים)
ד. החומר שבו נמצא המידע לכל התכונות התורשתיות
ה. הצורות השונות האפשריות של גן כלשהו
אללים
DNA
תכונה
גנים
כרומוזומים
מנדל הגיע למסקנותיו על בסיס התבוננות בפנוטיפים וספירתם.
בכל התכונות שמנדל חקר בניסוייו הוא הכליא שני הורים (P), כאשר לכל אחד מההורים פנוטיפ שונה של אותה התכונה. הוא הבחין בשתי תופעות:
1. צמחי דור הצאצאים הראשון (F1) היו אחידים - כלומר, לכולם היה אותו פנוטיפ של אחד משני ההורים. לדוגמה, כשהורה אחד היה גבוה והאחר היה נמוך - כל הצאצאים היו גבוהים.
2. בדור הצאצאים השני (F2) חזר והופיע הפנוטיפ ש"נעלם" בדור הצאצאים הראשון (לדוגמה, צמח נמוך).
גדולתו של מנדל הייתה בכך, שאף על פי שבתקופתו לא ידעו דבר על כרומוזומים, על גנים ועל אללים, ולא ידעו על דרך ההיווצרות של תאי רבייה, הוא הגיע להסברים נכונים על דרך העברתן של תכונות תורשתיות מהורים לצאצאיהם.
עקרונות התורשה לפי מנדל מקובלים עד היום, והם הבסיס לתורת התורשה.
*216*
- בתאי הגוף יש שני עותקים של כל גן - זוגות של אללים, הנושאים מידע לגבי אותה התכונה. האחד מקורו באב והאחר - באם.
- הפנוטיפ, שהוא צורת הביטוי של התכונה בפרט, נקבע על ידי הגנוטיפ, שהוא הרכב האללים האחראים לתכונה מסוימת.
(אלל דומיננטי - (דומיננטי שווה שליט, שלטן) אלל, שכאשר הוא נמצא ביצור, תמיד יבוא לידי ביטוי בפנוטיפ.
אלל רצסיבי - (רצסיבי שווה נשלט, נסגן) אלל, שכאשר הוא נמצא ביצור יחד עם האלל הדומיננטי, הוא אינו בא לידי ביטוי בפנוטיפ.)
התרשים שלפניכם מתאר את השלב הראשון בניסוי שערך מנדל על הורשת התכונה גובה הצמח באפונת הגינה, אך הפעם מוצגים לא רק הפנוטיפים של כל פרט, הנראים לעין, אלא גם הגנוטיפים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
כאשר מתבוננים בתרשים רואים שעל אף שהוכלא צמח גבוה עם צמח נמוך, כל הצאצאים שהתקבלו הם גבוהים. כיצד ייתכן הדבר?
את התשובה נמצא בהתבוננות בגנוטיפים הן של ההורים והן של הצאצאים.
אפשר לראות כי כל אחד מן הצמחים שמנדל בחר כהורים (P) היה הומוזיגוטי לתכונה גובה הצמח, כי בכל אחד מתאי גופו נמצאו זוג אללים זהים.
*217*
לעומת זאת, כל אחד מצאצאיהם (F1) היה הטרוזיגוטי, כי כל אחד מתאי גופו הכיל זוג אללים לתכונת הגובה השונים זה מזה - אלל אחד האחראי לצמח גבוה, ואלל אחר האחראי לצמח נמוך. למרות זאת, כל הצאצאים שהתקבלו הם גבוהים!
לפי ההסבר של מנדל, הצאצא גבוה מפני שהגורם התורשתי (אלל) האחראי לצמח גבוה הוא גורם דומיננטי (שליט, שלטן), ואילו הגורם התורשתי (אלל) האחראי לצמח נמוך הוא רצסיבי (נשלט, נסגן). לכן השפעתו של הגורם התורשתי האחראי לצמח נמוך לא באה לידי ביטוי בפנוטיפ של הצאצא.
מקובל לסמן גנים ואללים באותיות לטיניות. בוחרים אות שתייצג את הגן האחראי לתכונה המסוימת, ומסמנים באמצעותה את האללים של אותו הגן: את האלל הדומיננטי מסמנים באות גדולה, ואת האלל הרצסיבי מסמנים באות קטנה.
לדוגמה, בתרשימים 1 ו-2 שלפניכם נתייחס לתכונה גובה הצמח שחקר מנדל. נבחר באות E לייצוג הגן האחראי לתכונה זו. נסמן את האלל האחראי לצמח גבוה, ונסמן ב-e את האלל האחראי לצמח נמוך. בתרשים אפשר לראות שביצור הטרוזיגוטי כמו הצאצאים (F1), בא לידי ביטוי האלל הדומיננטי בלבד.
(בספר שני תרשימים - היעזר במנחה)
כעת ברור מדוע לא תמיד אפשר לדעת מהו הגנוטיפ (הרכב האללים) של פרט מסוים לפי הפנוטיפ בלבד. לדוגמה: צמח אפונה בעל פנוטיפ גבוה, יכול להיות הומוזיגוטי שבתאיו שני אללים דומיננטים (גבוה/ גבוה - E /E), ויכול להיות הטרוזיגוטי שבתאיו אלל דומיננטי ואלל רצסיבי (גבוה/ נמוך - e /E).
- אם אלל דומיננטי נמצא בתאי גופו של היצור, הוא תמיד יבוא לידי ביטוי בפנוטיפ שלו.
כאשר מכליאים שני פרטים הטרוזיגוטים, חלק מהצאצאים עשויים לקבל משני הוריהם את האלל הרצסיבי, האחראי לצמח נמוך. כלומר צאצאים כאלה הם הומוזיגוטים רצסיביים, ובהם האלל האחראי לצמח נמוך יבוא לידי ביטוי - הם יהיו נמוכים (תרשימים 3 ו-4).
(בספר שני תרשימים - היעזר במנחה)
- אלל רצסיבי יבוא לידי ביטוי בפנוטיפ רק ביצור הומוזיגוטי, שבו זוג הגורמים התורשתיים (אללים) האחראים לאותה תכונה הם רצסיבים (לדוגמה: צמח ההורה הנמוך).
*218*
כדי להבין את ההסבר המלא לתוצאות הניסויים שערך מנדל, חשוב לזכור שביצורים המתרבים ברבייה זוויגית כל צאצא נוצר מהתלכדות של שני תאי רבייה - תא זרע שמקורו באב, ותא ביצה שמקורו באם.
(רבייה זוויגית - (רבייה מינית) תהליך יצירת צאצא בהפריה, שבו תא זרע מתלכד עם תא ביצה. לצאצאים יש שני הורים, זכר ונקבה, ומשניהם הם מקבלים בתורשה תערובת של אללים לתכונות רבות.
תאי רבייה - תאי הזרע ותאי הביצה הנוצרים בגופם של ההורים. תאים אלה מתלכדים בעת הרבייה הזוויגית. תאי רבייה נקראים גם "תאי מין" או "גמטות".)
תאי הרבייה נוצרים בגופם של ההורים בתהליך חלוקת תא הנקרא מיוזה (חלוקת הפחתה). (מיוזה - (חלוקת הפחתה) חלוקה של תא, שבסופה כמות החומר התורשתי בתאים שנוצרו מופחתת לחצי. בדרך זאת נוצרים תאי הרבייה (תאי זרע ותאי ביצה).). בכל תא רבייה שנוצר בחלוקת מיוזה יש רק מחצית ממספר הכרומוזומים המצויים בשאר תאי הגוף, ולמרות זאת תאי הרבייה מכילים מידע על כל התכונות התורשתיות של אותו היצור.
כיצד זה ייתכן?
במהלך המיוזה, כל שני כרומוזומים הומולוגים נפרדים זה מזה וכל אחד מהם עובר אל תא בת אחר, כך שבסוף תהליך המיוזה יש בכל תא רבייה הומולוג אחד מכל זוג כרומוזומים הומולוגים. כלומר, בכל תא רבייה יש רק עותק אחד של כל גן - אלל אחד בלבד משני האללים הנמצאים בשאר תאי הגוף של אותו הורה.
ההיפרדות של כל זוג כרומוזומים הומולוגים זה מזה אקראית ואינה תלויה בהיפרדות של שאר הזוגות ההומולוגים. לכן תאי הרבייה שנוצרים אצל אותו הורה עשויים להיות שונים זה מזה - בכל תא רבייה עשוי להיות צירוף שונה של אללים.
כאשר שני תאי רבייה מתלכדים נוצר תא הביצה המופרה, וממנו יתפתחו כל תאי גופו של הצאצא. כך מתקבלת בצאצא מערכת שלמה של זוגות כרומוזומים הומולוגים, ולכל גן יש שוב זוג אללים: האחד - מקורו בתא הזרע שהגיע מן האב, והאחר - מקורו בתא הביצה שהגיע מן האם. כלומר, כל תא בגופו של הצאצא מכיל תערובת אללים השונה מהרכב האללים של אביו ושל אמו, וברוב המקרים שונה גם מתערובת האללים של אחיו ושל אחיותיו. לאותם הורים נוצרים צאצאים בעלי צירופי גנים שונים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
- הכרומוזומים בתאי הרבייה ובהפריה - לכל הורה 2n כרומוזומים וכן גם לצאצא
*219*
מכיוון שבכל תא רבייה אצל כל אחד מההורים יש הרכב אחר של אללים, לכל צאצא יש צירוף אקראי של אללים שהוא חדש (שונה משל הוריו) וייחודי לו. כלומר, צאצאים של אותם הורים (אחים) הם בעלי גנוטיפים שונים. זה ההסבר לכך שצאצאים-אחים עשויים להיות דומים במידה מסוימת זה לזה ולהוריהם, אך אינם זהים לאף אחד מהוריהם וגם לא לאחיהם (למעט תאומים זהים).
ביצורים המתרבים ברבייה זוויגית מתקבלת שונות רבה בין פרטים שונים מאותו מין. השונות הגנטית מגדילה את המגוון הביולוגי על פני כדור-הארץ. על כך תלמדו בהרחבה בהמשך הספר, בפרק העוסק במגוון המינים שבטבע.
(בספר תמונה)
מגוון תכונות בכלבלבים "אחים", בני אותו זוג הורים
1. צמחים ממינים רבים, יצורים חד-תאיים, וגם חלק מבעלי-החיים, מתרבים ברבייה אל-זוויגית. (רבייה אל-זוויגית - (רבייה אל-מינית) התפתחות של צאצאים מתא או מאיבר של יצור בוגר, בלי שהפריה מתרחשת. לצאצאים יש הורה אחד, והם זהים לו בתכונות התורשתיות.) הצאצאים של היצורים המתרבים ברבייה אל-זוויגית נוצרים מתאי הגוף של הוריהם. לדוגמה: צמח הבטטה מייצר פקעות, וכל אחת מהן יכולה להתפתח לצמח-צאצא חדש.
לפי דעתכם, הגנוטיפ של הצאצאים זהה לזה של ההורה או שונה ממנו? מדוע?
2. איזה משפט מתאר נכון רבייה זוויגית ביצורים חיים? נמקו.
א. לכל צאצא יש הורה אחד בלבד.
ב. כל הצאצאים של אותם ההורים זהים זה לזה בתכונותיהם התורשתיות.
ג. התכונות התורשתיות של הצאצאים שונות מאלו של כל אחד מהוריהם.
ד. כל הצאצאים זהים בתכונותיהם התורשתיות לאחד ההורים.
3. צמח תפוח אדמה הגדל בגינה התרבה גם ברבייה אל-זוויגית (באמצעות פקעות) וגם ברבייה זוויגית (באמצעות פריחה והפריה). האם כל צאצאיו דומים זה לזה בתכונותיהם התורשתיות?
א. כן, כל הצאצאים זהים זה לזה.
ב. לא, כל הצאצאים שונים זה מזה.
ג. הצאצאים שנוצרו ברבייה אל-זוויגית שונים זה מזה, והצאצאים שנוצרו ברבייה זוויגית זהים זה לזה.
ד. הצאצאים שנוצרו ברבייה אל-זוויגית זהים זה לזה, והצאצאים שנוצרו ברבייה זוויגית שונים זה מזה.
(בספר שתי תמונות)
- תפוח אדמה פורח (למעלה)
- ופקעת עם ניצנים (למטה)
*220*
המטרה: להציג את הכרומוזומים ההומולוגים ואת האללים בשלבים שונים: בתאי הגוף של ההורים בתאי הרבייה ובתאי הצאצאים.
הציוד: אביזרים או חומרים שמאפשרים לייצג את הכרומוזומים והאללים השונים: סרטי נייר, מנקי מקטרות, פלסטלינה בצבעים שונים, חוטי צמר צבעוניים, גזירי נייר צבעוניים, צבעים או עפרונות צבעוניים וכדומה.
היעזרו באיור שבעמוד 218 והכינו, בעזרת החומרים שבחרתם, דגם של כרומוזומים בתאי ההורים, בתאי הרבייה (של ההורים) ובתאי הצאצאים. הקפידו שכל זוג כרומוזומים הומולוגים יהיה שונה מן האחרים (בגודלו, בצבעו או בצורתו).
1. סמנו על גבי הכרומוזומים ההומלוגיים שהכנתם את האללים השונים לתכונה זו.
2. ציינו את הגנוטיפים ואת הפנוטיפים של ההורים ושל הצאצאים.
- בתאי הגוף של כל יצור יש שני עותקים של כל גן (שני אללים). מקורו של כל עותק בהורה אחר. העותקים יכולים להיות זהים או שונים.
- בתהליך המיוזה, שבו נוצרים תאי הרבייה, נפרדים שני העותקים של כל גן (שני האללים), ולכן בכל תא רבייה יש רק אלל אחד לכל גן.
- התלכדות תאי הרבייה בתהליך ההפריה היא אקראית, ואצל הצאצאים מתקבלים צירופים שונים של אללים.
- ביצורים המתרבים ברבייה זוויגית נוצרת שונות רבה בין פרטים שונים מאותו מין.
*221*
לפניכם דוגמאות נוספות של הורשת תכונות בבני אדם, שאפשר להסביר אותן בעזרת עקרונות התורשה של מנדל.
לתכונה זו שני פנוטיפים: תנוך אוזן נפרד ותנוך אוזן מחובר.
התבוננו בתרשים המתאר את הופעתה של התכונה במשפחה, וענו על
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
(בספר שתי תמונות)
- תנוך אוזן מחובר
- תנוך אוזן נפרד
1. מי מהפרטים הומוזיגוט ומי הטרוזיגוט? הסבירו.
2. איזה אלל נמצא בתא הביצה של האם? האם הוא דומיננטי (שלטן) או רצסיבי (נסגן)? נמקו.
3. איזה אלל נמצא בתא הזרע של האב? האם הוא דומיננטי (שלטן) או רצסיבי (נסגן)? נמקו.
4. האם לזוג ההורים האלה יכול להיות גם צאצא עם תנוך אוזן מחובר? הסבירו מדוע.
5. האם לזוג הורים, שלשניהם תנוך אוזן מחובר, יכול להיוולד צאצא עם תנוך אוזן נפרד? הסבירו מדוע.
6. בתרשים הזה יש שני פרטים בעלי פנוטיפ זהה, אף על פי שיש בתאי גופם אללים שונים. מהם שני הפרטים הללו ומה השוני ביניהם?
*222*
את הגן האחראי לתכונה זו נייצג בעזרת האות T.
נסמן ב-T את האלל הדומיננטי האחראי להיעדר גומת-חן בסנטר, ונסמן ב-t את האלל הרצסיבי האחראי להופעתה של גומת-חן בסנטר.
מספיק שיש אלל אחד T (כלומר TT או Tt), הפנוטיפ יהיה של האלל הדומיננטי.
התבוננו בתרשים שלפניכם המתאר את הופעתה של התכונה במשפחה, וענו על השאלות.
1. העתיקו את המשפטים הבאים למחברתכם והשלימו אותם:
הגנוטיפים העשויים להיות אצל חסרי גומת-חן בסנטר הם -- ו--.
הגנוטיפ אצל בעלי גומת-חן בסנטר הוא --.
2. מהו הגנוטיפ של כל אחד מן הפרטים במשפחה זו (האב, האם והצאצא)?
3. יש מקרים שבהם הפנוטיפ מעיד על הגנוטיפ, ויש מקרים שבהם הפנוטיפ אינו מעיד על הגנוטיפ. אצל מי מבין הפרטים במשפחה זו הפנוטיפ מעיד על הגנוטיפ? ואצל מי מבין שלושתם הפנוטיפ אינו מעיד על הגנוטיפ? נמקו מדוע.
4. אילו צאצאים עשויים להיוולד לאם שאין לה גומת-חן בסנטר שהיא הטרוזיגוטית ולאב בעל גומת-חן בסנטר (הומוזיגוט לאלל הרצסיבי)? מה הגנוטיפים ומה הפנוטיפים שלהם?
כדי לענות על שאלה זו, העתיקו את התרשים שמימין למחברתכם והשלימו בו תחילה את האלל שמכיל כל טיפוס של תא רבייה, ולאחר מכן את הגנוטיפים האפשריים של הצאצאים (במלבנים) ואת הפנוטיפים שלהם (מתחת לכל מלבן).
שימו לב: בתרשים זה גנוטיפ האב והאללים בתאי הרבייה שלו רשומים למעלה, פרטי האם רשומים בהתאמה בצד שמאל, ובריבועים שבמרכז נמצאים הגנוטיפים והפנוטיפים של הצאצאים האפשריים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*223*
הפנוטיפים של 5 תכונות של הצמח אפונת הגינה במשך 3 דורות (F2,F1,P)
התכונה, פנוטיפ ההורים (P), פנוטיפ הצאצאים בדור הראשון (F1), מספר הצאצאים בעלי הפנוטיפים השונים בדור השני (F2) - דומיננטי, מספר הצאצאים בעלי הפנוטיפים השונים בדור השני (F2) - רצסיבי, היחס בין הפנוטיפים בדור הצאצאים השני (F2) |
גובה הצמח, גבוה כפול נמוך, גבוה, 787 גבוהים, 277 נמוכים, 1 ל-2.84, רבע לשלושה רבעים |
צבע הפרח, סגול כפול לבן, סגול, 705 סגולים, 224 לבנים, 1 ל- ל3.15, רבע ל שלושה רבעים |
צבע הזרע, צהוב כפול ירוק, צהוב, 6,022 צהובים, 2,01 ירוקים, 1 ל-3.01, רבע לשלושה רבעים |
צורת הזרע, חלק כפול מקומט, חלק, 5,474 חלקים, 1,850 מקומטים, 1 ל-2.96, רבע לשלושה רבעים |
צבע התרמיל, ירוק כפול צהוב, ירוק, 428 ירוקים, 152 צהובים, 1 ל-2.82, רבע לשלושה רבעים |
*224*
בעקבות תוצאות אלה, ובעקבות תוצאות מחקרים נוספים שערך מנדל על תכונות אחרות, הוא גילה שיש חוקיות בהופעתם של הפנוטיפים השונים של התכונות במהלך הדורות:
- אחידות בדור הצאצאים הראשון (F1)
כאשר מכליאים הורים (P), שכל אחד מהם הוא הומוזיגוט לתכונה מסוימת אך הם בעלי פנוטיפ שונה זה מזה, לכל צאצאיהם (F1) יהיה אותו פנוטיפ (בהתייחס לתכונה זו). האלל הדומיננטי הוא זה שקובע את הפנוטיפ של הצאצאים (F1).
- יחס של 1 ל-3 (רבע לשלושה רבעים בדור הצאצאים השני (F2)
כתוצאה מהכלאת הצאצאים בדור F1, היחס הצפוי בין הפנוטיפים של צאצאיהם (F2) הוא יחס של 1 ל-3 (בהתייחס לתכונה המסוימת) - מספר הצאצאים בעלי פנוטיפ אחד גדול בערך פי 3 ממספר הצאצאים בעלי הפנוטיפ האחר.
כלומר, אם יכליאו בין הורים ששניהם הטרוזיגוטים לאותה תכונה, אפשר לצפות שכ-רבע מהצאצאים יהיו בעלי הפנוטיפ שהאלל הרצסיבי אחראי לו, ושכ-שלושה רבעים מהם יהיו בעלי הפנוטיפ שהאלל הדומיננטי אחראי לו.
1. מנדל גילה חוקיות מספרית בנוגע להופעתם של הפנוטיפים השונים של התכונות במשך הדורות. האם חוקיות זו היא תוצאה של הניסויים או מסקנה? נמקו.
3. לפניכם טבלת הכלאה בין שני צמחי אפונה, ובה ארבעת הטיפוסים האפשריים של הצאצאים.
צבע הפרח באפונה נקבע על ידי אלל דומיננטי לצבע סגול (B) ואלל רצסיבי האחראי לצבע לבן (b).
השלימו את הפרטים החסרים בתרשים שלפניכם:
א. מהו הגנוטיפ ומהו הפנוטיפ של כל אחד מהצמחים ההורים?
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*225*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד הורשה של תכונה אחת - יחסים מספריים.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
ביחידת הלימוד הזאת יש כמה משימות. בכל אחת מהמשימות תוכלו לבצע הכלאות מכוונות עד לקבלת התוצאות הרצויות. כל משימה עוסקת בהורשה של תכונה אחת עם שני אללים בלבד.
קראו את המידע ואת ההוראות ביחידת הלימוד, בצעו את משימות ההכלאה, וענו על השאלות שלפניכם.
1. נסחו 4 היגדים הקשורים לעקרונות התורשה הבאים לידי ביטוי במשימות ההכלאה שביחידת הלימוד (לדוגמה: "כאשר מכליאים הורה הומוזיגוט דומיננטי עם הורה הטרוזיגוט, לכל הצאצאים יהיה הפנוטיפ הדומיננטי").
2. חקלאי אחד מעוניין לדעת אם צמח מסוים שפרחיו אדומים הוא הומוזיגוט דומיננטי לתכונת צבע הפרח (RR) או הטרוזיגוט לתכונה זו (Rr).
חקלאי אחר אמר לו שיוכל לגלות זאת אם יכליא את הצמח שפרחיו אדומים עם צמח שפרחיו לבנים (הומוזיגוט רצסיבי rr), ויבדוק את הצאצאים שמתקבלים. הסבירו את ההצעה של החקלאי השני.
3. האם היחסים המספריים בין הפנוטיפים השונים שקיבלתם בהכלאות שביצעתם בהדמיה דומים ליחסים המספריים שקיבל מנדל בניסויים שערך?
*226*
בגינה מסוימת גידלו צמחי מלכת הלילה, ושמו לב שהתכונה צבע הפרח מופיעה ב-3 פנוטיפים שונים: צמחים בעלי פרחים לבנים, צמחים בעלי פרחים אדומים, וצמחים בעלי פרחים ורודים.
החוקרים רצו לבדוק מהי דרך הורשתה של תכונה זאת. לשם כך הם הכליאו צמח שפרחיו אדומים בצמח שפרחיו לבנים. לכל צמחי הדור הראשון (F1) היו פרחים ורודים. כשהכליאו בין שני צמחים של דור הצאצאים הראשון F1, התברר שלחלק מצאצאיהם (F2) היו פרחים אדומים, לרוב הצאצאים פרחים ורודים, ולחלק נוסף היו פרחים לבנים.
לפניכם תרשים המתאר את מהלך הניסוי.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
(בספר תמונה)
פרחי מלכת הלילה
א. ההורים (p)
ב. דור הצאצאים הראשון (F1)
ג. דור הצאצאים השני (F2)
*227*
עד כה עסקנו בתכונות שבהן שני אללים אחראים לאותה תכונה - אחד דומיננטי והאחר רצסיבי. גם בתכונה צבע הפרחים בצמח מלכת הלילה יש לגן המסוים שני אללים - אלל אחד אחראי לצבע האדום, והאלל האחר אחראי לצבע הלבן. אך בין שני האללים האלה אין יחס של דומיננטיות-רצסיביות, אלא יחס של קו-דומיננטיות (שווה ערך). במקרה כזה, הפנוטיפ של ההטרוזיגוטים לתכונה הוא תוצאה של ההשפעה המשותפת של שני האללים, ושונה מהפנוטיפ של כל אחד משני סוגי ההומוזיגוטים לתכונה.
לפיכך, בצמחי מלכת הלילה ההטרוזיגוטים צבע הפרחים הוא ורוד.
כאשר יש יחס של קו-דומיננטיות בין אללים של גן מסוים, מקובל לסמן את שניהם באות גדולה.
לדוגמה, מסמנים את הגן האחראי לתכונת צבע הפרחים במלכת הלילה באות C, את האלל האחראי לצבע הלבן מסמנים כ-C 1 ואת האלל האחראי לצבע האדום כ-C 2.
- כאשר בין זוג אללים שונים האחראים לתכונה מסוימת יש יחס של קו-דומיננטיות - אפשריים שלושה פנוטיפים שונים לאותה התכונה, אף על פי שאחראים לה רק שני אללים שונים של אותו גן.
1. התרשים משמאל מתאר את הניסוי בהורשת התכונה צבע הפרחים בצמח מלכת הלילה. העתיקו אל המחברת את התרשים, והשלימו בו את הפנוטיפים החסרים.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
2. מה הגנוטיפ או הגנוטיפים האפשריים לכל אחד מהפנוטיפים הבאים:
א. פרחים לבנים
ב. פרחים ורודים
ג. פרחים אדומים
3. מהו היחס בין הפנוטיפים השונים?
*228*
יש תכונות רבות, שבין האללים האחראים להן יש יחס של קו-דומיננטיות. לפניכם אחת הדוגמאות באדם.
לגן האחראי על סוג הדם יש באוכלוסיית בני האדם יותר משני אללים שונים. בין חלק מן האללים של גן זה יש יחס של קו-דומיננטיות, ובין אללים אחרים של אותו הגן יש יחס של דומיננטיות-רצסיביות.
סוג הדם הוא תכונה תורשתית המאפיינת את כל בני האדם.
סוג הדם נקבע על ידי שני סוגים מסוימים של מולקולות סוכר, הקשורים אל השומנים שבקרום תאי הדם האדומים ופונים כלפי חוץ התא. יש ארבעה סוגי דם עיקריים שסימניהם: AB ,B ,A ו-O.
אצל בני אדם בעלי סוג דם A, קשורות אל קרום התא מולקולות סוכר מסוג אחד שסימנו באות A. לעומתם, אצל בני אדם בעלי סוג דם B, קשורות אל קרום התא מולקולות סוכר מסוג אחר. לקרום התא של בעלי סוג דם AB קשורות מולקולות סוכר משני הסוגים, ואילו לבעלי סוג דם O - לא קשורות כלל מולקולות של סוכרים אלה.
בדמו של כל אדם יש נוגדנים* נגד מולקולות הסוכר מן הסוג שאינו נמצא על קרום תאי הדם האדומים שלו. נוגדנים אלה מסוגלים להיקשר לסוכר זר, שאינו מוכר להם. (נוגדנים - נוגדנים הם חלבונים של מערכת החיסון שמתפקדים בהגנה על הגוף - הם נקשרים אל מרכיבים זרים (תאים או חומרים) ומסייעים לנטרל אותם.)
סוגי הדם, מולקולות הסוכר בקרומי תאי הדם האדומים, הנוגדנים בדם |
A, A, אנטי B |
B, B, אנטי A |
AB, AB, -- |
O, (היעזר במנחה), אנטי A, אנטי B |
כאשר נותנים עירוי דם, חשוב שתהיה התאמה בין סוגי הדם של מקבל העירוי ותורם הדם.
אם בגופו של מקבל העירוי יש נוגדנים נגד סוג הסוכר שעל קרום תאי הדם האדומים של התורם, נוגדנים אלה ייקשרו אל תאי הדם שנתרם. כתוצאה מכך, תאי הדם שנתרמו ייצמדו זה לזה וייווצרו מעין גושים שעלולים לחסום את כלי הדם של מקבל העירוי ולגרום למותו. לכן מקפידים לתת עירוי דם רק מתורם שסוג הדם שלו זהה לסוג הדם של מקבל העירוי.
*229*
סוג הדם הוא תכונה שבאה לידי ביטוי ב-4 פנוטיפים שונים: AB, B, A, ו-O. נסמן את הגן האחראי לסוג הדם באות I. לגן זה יש 3 אללים שונים. נסמן אותם כך: (היעזר במנחה) IA, I IB.
בין האללים IA, IB יש יחס של קו-דומיננטיות, ובינם לבין האלל i יש יחס של דומיננטיות-רצסיביות (i הוא האלל הרצסיבי).
הפנוטיפים והגנוטיפים האפשריים של התכונה: סוג הדם של האדם
הפנוטיפים (סוגי הדם), גנוטיפים אפשריים |
סוג דם A, (היעזר במנחה) |
סוג דם B, (היעזר במנחה) |
סוג דם AB, (היעזר במנחה) |
סוג דם O, (היעזר במנחה) |
1. גלו את הגנוטיפים של בני המשפחה המתוארת בתרשים שלפניכם לפי הפנוטיפים שלהם (רמז: השלימו קודם את הגנוטיפ של הילד).
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*230*
2. התבוננו בתרשים שלפניכם: אילו גנוטיפים אפשריים יכולים להיות להורים של ילדה שסוג הדם שלה AB, אם סוג הדם של האם הוא A וסוג הדם של האב הוא B? (רמז: השלימו קודם את הגנוטיפ של הילדה.)
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
3. במשפחה מסוימת יש 7 ילדים (צאצאים): לשני אחים יש סוג דם A, לאח ולאחות נוספים - סוג דם AB, לאחות נוספת - סוג דם O ולשתי אחיות נוספות - סוג דם B. העתיקו את התרשים שלפניכם, השלימו אותו וענו על השאלות:
א. האם ייתכנו פנוטיפים אלה של הצאצאים? נמקו.
ב. האם ייתכן שלאחד ההורים במשפחה זאת יש סוג דם O? נמקו.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*231*
כזכור, מנדל גילה שקיימת חוקיות בהורשתן של תכונות. חוקיות זו מתייחסת לקשר שבין הפנוטיפ של ההורים לפנוטיפ של הצאצאים.
למשל, האלל האחראי לגומה בסנטר הוא רצסיבי. אם אנו מעוניינים לדעת אם לתינוק שייוולד תהיה גומה בסנטר, נוכל להיעזר במידע על הפנוטיפים והגנוטיפים של הוריו.
בדרך כלל, מידע זה לא יספק לנו תשובה ודאית בנוגע לתכונת הגומה בסנטר של התינוק העתיד להיוולד. רק כאשר שני ההורים הם הומוזיגוטים רצסיביים לתכונה זו, אפשר לדעת בוודאות שלתינוק תהיה גומה בסנטר (כי אצל שני ההורים כל תאי הרבייה שנוצרים מכילים אותו אלל). בכל שאר המקרים נוכל רק לדבר על הסיכויים של גנוטיפים ופנוטיפים מסוימים להופיע אצל התינוק. למשל, נוכל לומר שיש סיכוי מסוים להיות בעל גומת חן בסנטר, וסיכוי מסוים להיות בלי גומה כזו.
מכיוון שהחוקיות של מנדל דנה בסיכויים, ננסה להבין את משמעות המונח "סיכויים" בעזרת הפעילות שלפניכם.
(בספר תמונה)
אדם עם גומת-חן בסנטר
קחו מטבע שבצדו האחד ציור ובצדו האחר מספר. אתם עומדים להטיל אותו על השולחן. האם המטבע ייפול כשהציור כלפי מעלה? אי אפשר לדעת בוודאות על איזה צד ייפול המטבע, אולם אפשר לשאול - מהו הסיכוי שהמטבע ייפול כך שהציור יפנה כלפי מעלה? ננסה לענות על שאלה זו בצורה מסודרת.
למטבע יש שתי אפשרויות נחיתה על השולחן: כשהציור כלפי מעלה, או כשהמספר כלפי מעלה. לשתי האפשרויות הללו אותו סיכוי (בהנחה שהמטבע תקין).
נהוג לבטא סיכויים במספר שבין אפס (0) לבין אחד (1):
- אפס (0) פירושו - אין כל סיכוי. בטוח שלא.
מה הסיכוי לכך שהמטבע ינחת על צדו הצר וישאר זקוף? - סיכוי ממש אפסי.
- אחד (1) פירושו - ודאות. בטוח שכן.
מה הסיכוי לכך שהמטבע ינחת על צד רחב (ולא משנה מה מופנה כלפי מעלה, הציור או המספר)? - כאן התשובה ודאית. הסיכוי 1.
- שבר (גדול מ-0 אך קטן מ-1) מבטא סיכוי קיים כלשהו. למשל סיכוי של חצי (סיכוי של 50 אחוז).
מה הסיכוי לכך שהמטבע ייפול כך שהציור יפנה כלפי מעלה? - הסיכוי הוא חצי.
ומה הסיכוי לכך שהמטבע ייפול כך שהמספר יפנה כלפי מעלה? - גם כאן הסיכוי הוא חצי.
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
*232*
בדיקה:
כאמור, הסיכוי שהמטבע ייפול על צד הציור שווה לסיכוי שייפול על צד המספר.
א. הטילו את המטבע ובדקו איזה צד מופנה כלפי מעלה.
אם תטילו שוב את המטבע, הסיכויים של שני הצדדים עדיין זהים.
ב. הטילו את המטבע פעם שנייה ובדקו איזה צד מופנה הפעם כלפי מעלה.
גם לפני ההטלה השלישית הסיכויים זהים, וכך גם בהמשך: לפני כל הטלה של המטבע יש לאפשרות "ציור" אותו סיכוי כמו לאפשרות "מספר".
התוצאה של כל הטלת מטבע היא אקראית, ואינה מושפעת מתוצאות הטלות המטבע הקודמות. אם תמשיכו להטיל את המטבע פעמיים ברציפות, הכול יכול לקרות. כלומר, ייתכן שבשתי הטלות יהיו שני ציורים, או שני מספרים, או ציור ומספר.
ומה יקרה אם נטיל את המטבע 10 פעמים? ייתכן (יש סיכוי) שהמטבע ייפול 10 פעמים רצופות על מספר, אך הסיכוי לכך קטן מאוד. ייתכן גם שייפול 10 פעמים על ציור, גם הסיכוי לכך קטן מאוד.
ג. הטילו את המטבע 10 פעמים ברציפות ותעדו את התוצאות.
ד. השוו את התוצאות לאלה של חבריכם לכיתה. האם כל התוצאות דומות?
ה. סכמו את תוצאות ההטלות של כל תלמידי הכיתה.
מכיוון שבכל הטלה יש לכל אפשרות סיכוי זהה, אנו מצפים שבהרבה מאוד הטלות, המטבע ייפול על מספר בערך חצי מהפעמים, ועל ציור בערך חצי מהפעמים. ב-100 הטלות, למשל, יש סיכוי אפסי שכל ה-100 יהיו ציור: יש גם סיכוי אפסי שבדיוק 50 יהיו ציור ו-50 - מספר. אבל יש סיכוי די גדול שהמטבע ינחת כשהציור כלפי מעלה בין 30 ל-70 פעמים (כלומר, בערך 50 פעמים).
אם כך, בהטלת מטבע בודדת אי אפשר לדעת בוודאות מה תהיה התוצאה, אבל אפשר לדעת מה הסיכוי לקבל תוצאה כלשהי.
בדרך דומה אפשר לחשב את הסיכויים לקבל בהכלאה כלשהי גנוטיפים ופנוטיפים מסוימים אצל הצאצאים.
העובדה שצאצא אחד ירש מהוריו תכונה כלשהי, אינה משנה (מגדילה או מקטינה) את הסיכוי שגם צאצא אחר לאותם הורים יירש את התכונה הזו.
*233*
משפחה מסוימת מחכה להולדת תינוק. שני ההורים יכולים לגלגל את לשונם. ידוע שהגנוטיפ של כל אחד מהם הוא G) Gg - האלל האחראי ליכולת גלגול לשון; g - האלל האחראי להיעדר יכולת גלגול לשון).
האם הילד העומד להיוולד להורים אלה יוכל לגלגל את לשונו?
כאמור, לא נוכל לענות על שאלה זו בוודאות, אך נוכל לחשב את הסיכויים לכך, כפי שרואים בתרשים שלפניכם.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
פנוטיפים אפשריים של הצאצאים
בתרשים מתוארים האללים האפשריים בתאי הרבייה. בנוסף מתוארים 4 גנוטיפים אפשריים של הצאצאים (בעקבות הצירופים השונים האפשריים של תאי הרבייה). לכל גנוטיפ אותו סיכוי - רבע (25 אחוז). מתוך 4 הגנוטיפים האפשריים, ב-3 הפנוטיפ הוא גלגול לשון (GG, gG, Gg). לכן הסיכוי שהצאצא יגלגל לשון הוא שלושה רבעים, והסיכוי שלא יגלגל את לשונו gg)) הוא רבע.
במשפחה שבה הורים כמתואר בתרשים (Ggו- Gg), יש ילד אחד שאינו מגלגל לשון (gg).
מה הסיכוי שגם הילד הבא לא יגלגל את לשונו?
(בספר שתי תמונות)
- ילד מגלגל לשון
- ילדה מגלגלת לשון
*234*
כפי שהתוצאה של כל הטלת מטבע היא אקראית, ואינה מושפעת מתוצאות הטלות המטבע הקודמות, כך גם כל היריון הוא כמו "משחק" חדש - והסיכוי שהצאצא הבא לא יגלגל את לשונו הוא שוב רבע.
ואם יהיו במשפחה זו 4 ילדים? האם הגנוטיפים שלהם יהיו כמתואר בתרשים זה? לא בהכרח. כאמור, כל היריון הוא "משחק" חדש - כמו בהטלת מטבע, כך גם בהורשת תכונות במשפחה: ודאי נמצא משפחות שבהן כל הצאצאים מגלגלים את לשונם וגם משפחות שבהן 2 צאצאים או יותר אינם מגלגלים את לשונם. אולם, אם נסתכל על משפחות רבות שבהן להורים Gg ו-Gg יש צאצאים - בערך רבע מכלל הצאצאים לא יגלגלו לשון, ובערך שלושה רבעים יגלגלו לשון.
1. מה יקרה כשהאם היא הטרוזיגוטית לתכונת גלגול לשון (Gg), והאב הוא הומוזיגוט רצסיבי לתכונה זאת (gg), ומה הסיכוי שהצאצאים יוכלו לגלגל לשון?
א. היעזרו בתרשים שבעמוד הקודם וסרטטו במחברתכם תרשים דומה, המתאר את הגנוטיפים ואת הפנוטיפים של ההורים ואת הסיכויים לכל פנוטיפ ולכל גנוטיפ בדור הצאצאים.
ב. הציגו את הגנוטיפים ואת האללים של ההורים ושל הצאצאים האפשריים בטבלת הכלאה. היעזרו בטבלת ההכלאה שבעמוד 222 למטה.
3. מה הסיכויים להולדת צאצא שאינו יכול לגלגל לשון במשפחה שבה שני ההורים הם ?GG
4. הסבירו במילים שלכם למה מתכוונים במילה "סיכויים" בשאלה מספר 1.
עקרונות התורשה והחוקיות בהורשת תכונות שגילה מנדל, מאפשרים להסביר הורשת תכונות בבני אדם לא רק מהורים לצאצאים אלא גם במשך דורות רבים. אצל בעלי-חיים וצמחים אפשר לעקוב אחר הורשת תכונה מסוימת באמצעות הכלאות מכוונות ובדיקת תוצאותיהן. כמובן ששיטות כאלה לא ייתכנו אצל בני אדם, ולכן רופאים ומדענים העוסקים בתורשה מייחסים חשיבות להכרת תולדות המשפחה בהקשר לתכונות מסוימות.
המעקב אחר תכונה כלשהי בשושלת של משפחה, ובדיקת ההופעה של פנוטיפים במהלך כמה דורות, מסייעים לקבוע האם התכונה הזאת תורשתית, האם בין האללים של הגן קיימים יחסי דומיננטיות-רצסיביות, וכמובן מאפשרים לבחון מה הסיכוי שפנוטיפ כלשהו יבוא לידי ביטוי בדורות הבאים.
את התכונה לגלגל לשון כבר הכרתם. ידוע שהאלל האחראי ליכולת גלגול הלשון הוא דומיננטי (G), ואילו האלל האחראי להיעדר יכולת גלגול הלשון הוא רצסיבי (g).
*235*
בתרשים הבא רואים כיצד הופיעה התכונה גלגול הלשון במהלך 3 דורות של משפחה אחת.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
1. העתיקו אל המחברת את התרשים שלמעלה והשלימו אותו לפי הסדר הבא:
א. השלימו את הפנוטיפים של הסבא ושל הסבתא (דור ראשון), לפי הגנוטיפים שלהם.
ב. השלימו את הגנוטיפ של הנכד (דור שלישי), לפי הפנוטיפ שלו.
ג. השלימו את הגנוטיפים של בני הדור השני. לשם כך היעזרו בגנוטיפ של הסבא, בגנוטיפ של הסבתא ובגנוטיפ של הנכד.
ד. אם ייוולד נכד או נכדה נוספים, מה הסיכוי שיהיו מגלגלי לשון?
2. לפניכם תרשים של משפחה אחרת, שבה רק כמה מבני המשפחה יכולים לגלגל את לשונם. העתיקו אל המחברת את התרשים והשלימו אותו.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*236*
תופעת העיניים המלוכסנות מאפיינת את הסינים, את היפנים ועמים נוספים, בעיקר במזרח אסיה. המראה הזה של העין נגרם על ידי קפל עור המתפשט מן העפעף העליון כלפי מטה, אל הזווית הפנימית של העין. לתכונה צורת העפעף יש שני פנוטיפים אפשריים - עיניים מלוכסנות ועיניים לא מלוכסנות.
האם האלל לעיניים מלוכסנות דומיננטי או רצסיבי?
חקר שושלת משפחה, שבמהלך הדורות היו בה נישואים בין בעלי עיניים מלוכסנות לבין בעלי עיניים לא מלוכסנות, מאפשר למצוא את התשובה לשאלה הזאת.
התרשים שלפניכם מתאר 3 דורות בשושלת של משפחה כזו (שימו לב: כל שורה בתרשים מציינת דור; בני המשפחה בשושלת סומנו במספרים סידוריים).
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
1. שערו על פי התרשים: לאיזה פנוטיפ אחראי האלל הדומיננטי ולאיזה פנוטיפ אחראי האלל הרצסיבי? נמקו את תשובתכם.
2. כדי לבחון אם אלל מסוים הוא דומיננטי או רצסיבי, מקובל לעקוב אחר הורשת הפנוטיפ שהוא אחראי לו בכמה משפחות שאינן קשורות זו לזו ולחפש מאפיינים משותפים לכולן.
לפניכם שני משפטי הכללה שנוסחו על סמך כמה שושלות משפחה. הביאו מהשושלת שבתרשים דוגמה לכל אחד מהמשפטים (בתשובתכם ציינו את המספרים המייצגים את בני המשפחה).
א. לכל פרט בעל פנוטיפ שאחראי לו אלל דומיננטי, יש לפחות הורה אחד בעל אותו הפנוטיפ.
ב. אם לשני ההורים אין פנוטיפ שאחראי לו אלל דומיננטי, הפנוטיפ הזה לא יופיע באף אחד מצאצאיהם (חוץ ממקרה של שינוי בחומר התורשתי - מוטציה).
*237*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד לבקנות.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. השלימו את שושלת המשפחה בהתאם לחוקיות ההורשה של תכונות.
ב. ענו על השאלות:
1. מה הסיכויים שייוולדו צאצאים לבקנים לאב לבקן ולאם שאינה לבקנית ואינה נושאת את האלל ללבקנות?
2. מה הסיכויים של הצאצאים בדור הרביעי בשושלת הזו להיות לבקנים? האם בטוח שלפחות חלק מהצאצאים בדור הרביעי יהיו לבקנים? נמקו.
*238*
במשפחות רבות נשמעים משפטים כגון "הלוואי שייוולד לנו לפחות בן זכר אחד" או "אחרי שני בנים, הלוואי שתיוולד לנו בת..."
כיצד נקבע מין התינוק העתיד להיוולד? ומי אחראי על כך - האב או האם?
מהתבוננות בתמונות הכרומוזומים של בני אדם שונים, אפשר לראות שיש הבדל בין תמונת הכרומוזומים של הנקבה לבין תמונת הכרומוזומים של הזכר. ההבדל הוא רק בזוג אחד של כרומוזומים הומולוגים (שמספרו 23). כרומוזומים אלה מכונים: כרומוזומי הזוויג, או כרומוזומי המין, כי הם אלה הקובעים את מין התינוק.
יש שני סוגים של כרומוזומי זוויג, השונים זה מזה בצורתם: אחד גדול ואחד קטן. הכרומוזום הגדול מכונה כרומוזום X, והכרומוזום הקטן מכונה כרומוזום Y.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תמונות כרומוזומים מתאי גוף של אדם - זכר מימין ונקבה משמאל (צולמו במיקרוסקופ בהגדלה פי 1,000)
הרכב כרומוזומי הזוויג בתאי הגוף של הנקבה הוא: XX. זוג כרומוזומי הזוויג אצל הנקבה דומים זה לזה בצורתם ומכילים גנים לאותן התכונות (אך צירופים שונים של אללים).
הרכב כרומוזומי הזוויג בתאי הגוף של הזכר הוא: XY. זוג כרומוזומי הזוויג אצל הזכר שונים זה מזה בצורה ובגנים שהם מכילים.
הבדלים כאלה בין כרומוזומי הזוויג של הזכר ושל הנקבה קיימים בתאי גופם של כל היונקים, וכן בתאים של בעלי-חיים רבים אחרים.
מין התינוק נקבע לפי כרומוזומי הזוויג הנמצאים בתאי הרבייה - תא הזרע ותא הביצה. תאי הרבייה נוצרים בחלוקת מיוזה, שבסופה יש בכל תא רבייה רק כרומוזום אחד מכל זוג כרומוזומים הומולוגים שהיו בתא המקורי שהתחלק. לכן בכל תא רבייה של האדם יש 23 כרומוזומים: 22 כרומוזומים פלוס כרומוזום זוויג אחד.
בתאי הגוף של נקבה יש שני כרומוזומי X, ולכן כל אחד מתאי הביצה של הנקבה יכיל אחד משני כרומוזומי שבתאי גופה. כלומר, בגופה של האם נוצרים במהלך החיים כ-400-300 תאי ביצה הכשירים להפריה, כולם מכילים כרומוזום X.
*239*
לעומת זאת, בתאי הגוף של הזכר יש כרומוזום X וכרומוזום Y, ולכן מחצית מתאי הזרע של הזכר יכילו כרומוזום Y, ומחציתם יכילו כרומוזום X. כלומר, בגופו של האב נוצרים מדי יום מיליוני תאי זרע, מחציתם מכילים כרומוזום X, ומחציתם - כרומוזום Y.
כאמור, בתהליך ההפריה מתלכדים תא ביצה אחד ותא זרע אחד, ונוצר תא הביצה המופרה שממנו יתפתח הצאצא. מכיוון שתא הביצה מכיל תמיד כרומוזום X, מינו של הצאצא (זכר או נקבה) נקבע לפי כרומוזום הזוויג שבתא הזרע - X או Y. תא הזרע שמפרה את תא הביצה הוא זה שבאופן אקראי הגיע ראשון אל תא הביצה והצליח לחדור אליה. מיד לאחר שתא הזרע חודר אל תא הביצה, הקרום של תא הביצה משתנה והופך בלתי חדיר לתאי זרע נוספים. לכן הסיכוי שבהפריה כלשהי ייווצר עובר נקבה, זהה לסיכוי שייווצר עובר זכר.
תוכלו לראות זאת בתרשים שלפניכם.
(בספר תרשים – היעזר במנחה)
*240*
ערכו סקר שבו תבדקו את מספר הבנות ואת מספר הבנים במשפחות של תלמידי הכיתה.
א. סכמו את המספר הכולל של הבנים ושל הבנות בכל המשפחות שבדקתם.
ב. חשבו את ממוצע מספר הצאצאים, את ממוצע הבנים ואת ממוצע הבנות למשפחה.
אם תבחרו להכין גרף, החליטו איזה סוג גרף מתאים (עמודות, עוגה, גרף רציף וכדומה). היעזרו בתוכנת אקסל.
ד. נסחו במילים שלכם את הממצאים העיקריים שקיבלתם בסקר.
1. האם ממוצע הבנות למשפחה שווה, דומה או שונה מאוד מממוצע הבנים למשפחה?
2. באיזה סקר יש סיכוי גדול יותר לקבל ממוצע זהה של בנים ושל בנות למשפחה? (בחרו בכל הסעיפים הנכונים.)
א. אם יבדקו מספר קטן של משפחות ביישוב כלשהו.
ב. אם יבדקו משפחות שבכל אחת מהן יש מעט צאצאים.
ג. אם יבדקו משפחות שבכל אחת מהן יש הרבה צאצאים.
ד. אם יבדקו מספר גדול של משפחות בישראל.
ה. אם יבדקו מספר קטן של משפחות במדינה אחרת.
נמקו את תשובתכם.
3. לפי התרשים בעמוד הקודם, מספר תאי הזרע הנושאים את כרומוזום X שווה למספר תאי הזרע הנושאים את כרומוזום Y, ולכן צפוי שבין הצאצאים יהיה מספר הבנים שווה למספר הבנות. אם כן, מדוע בכל זאת יש משפחות שיש להן רק בנות, וכאלה שיש להן רק בנים?
(רמז: היזכרו במה שלמדתם על תורת הסיכויים והתורשה.)
*241*
יש תכונות תורשתיות שאחד מהפנוטיפים שלהן מופיע בעיקר אצל זכרים וכמעט שאינו מופיע אצל נקבות. לדוגמה: עיוורון הצבעים בבני האדם נפוץ בעיקר אצל גברים. דוגמאות נוספות לתכונות כאלה הן: המחלה המופיליה (בעברית: דממת), הרגישות לפול ועוד.
שערו: מדוע אחד הפנוטיפים של תכונה מסוימת מתבטא אצל זכרים יותר מאשר אצל נקבות?
כרומוזום Y קטן מכרומוזום X ונמצאים בו רק גנים אחדים. לעומת זאת, כרומוזום X גדול יותר ונמצאים בו גנים רבים. לכן, לגן שנמצא בכרומוזום X ואינו נמצא בכרומוזום Y יהיו שני עותקים (שני אללים) בתאי גופה של נקבה (שהיא XX), אך רק עותק יחיד (אלל אחד) בתאי גופו של זכר (שהוא XY).
כאמור, אללים רצסיביים באים לידי ביטוי רק כאשר היצור הומוזיגוטי להם, כלומר מכיל שני אללים כאלה. אולם, במקרה של אלל רצסיבי הנמצא בכרומוזום X, שאין לו אלל מקביל בכרומוזום Y, לזכר יש אלל רצסיבי אחד בלבד. לכן כל הזכרים שיש להם אלל רצסיבי אחד כזה, יהיו בעלי הפנוטיפ שהאלל הרצסיבי אחראי לו.
לעומת זאת, אלל רצסיבי יבוא לידי ביטוי בפנוטיפ של נקבה רק אם היא הומוזיגוטית רצסיבית (כלומר, האלל הרצסיבי נמצא בשני כרומוזומי ה-X שלה) והסיכוי לכך הרבה יותר נמוך.
זאת הסיבה לכך שכאשר אלל רצסיבי לליקוי תורשתי כלשהו נמצא בכרומוזום X ולא בכרומוזום Y, נראה בשושלת המשפחה הרבה יותר זכרים בעלי ליקוי כזה מאשר נקבות.
כמו כן, אם הנקבה היא הטרוזיגוטית, כלומר יש בתאי גופה כרומוזום X אחד הנושא את האלל הדומיננטי וכרומוזום X אחד הנושא את האלל הרצסיבי (האחראי למחלה תורשתית), היא אינה חולה אלא נשאית של אותו אלל, ותוכל להעביר אותו לצאצאיה. (נשא - פרט הנושא בתאי גופו אלל האחראי למחלה מסוימת, אך אינו חולה בה.)
לדוגמה, המחלה המופיליה (דממת). לחולים בהמופיליה חסר אחד החומרים הדרושים לקרישת דם, ולכן דמם אינו נקרש בעת פציעה כמו אצל אדם בריא. אצל החולים בהמופיליה כל פציעה עלולה לגרום לאובדן דם רב, וכתוצאה מכך אפילו למוות.
האלל להמופיליה הוא רצסיבי ונמצא בכרומוזום X אך אינו נמצא בכרומוזום Y, ולכן המחלה יכולה להתבטא רק אצל זכר הנושא את האלל הלקוי ורק אצל נקבות הנושאות את שני האללים הלקויים.
בפעילות שבעמוד הבא תוכלו לבדוק את התבטאות המחלה בשושלת של משפחה מסוימת.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*242*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד המופיליה (דממת).
א. השלימו את שושלת המשפחה בהתאם לחוקיות ההורשה של תכונות, וענו על השאלות המופיעות ביחידה.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
ב. בעמוד הבא יש תרשים חלקי של שושלת משפחת המלוכה האנגלית, המתאר את הורשת מחלת ההמופיליה במשפחה זו.
קבעו לגבי כל טענה אם היא נכונה או לא נכונה. נמקו את קביעתכם.
1. הצאצאים של המלכה ויקטוריה שחלו במחלה היו רק זכרים. לכן במהלך 3 דורות ה"אחראים" להופעת המחלה הם האבות ולא האמהות.
2. אפשר לקבוע בוודאות שזכרים שאינם חולים במחלת ההמופיליה אינם נושאים את האלל האחראי לה.
3. בשושלת משפחת המלוכה האנגלית אין שום בת החולה במחלת ההמופיליה מפני שנקבה אינה יכולה לחלות במחלה זו.
4. אב חולה המופיליה אינו יכול להעביר את מחלת ההמופיליה לאחד מבניו.
*243*
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
המופיליה בשושלת משפחת המלוכה האנגלית
- הכרת חוקיות ההורשה של תכונות מאפשרת לחשב את הסיכוי לקבל בהכלאה כלשהי צאצאים בעלי גנוטיפים ופנוטיפים מסוימים, כאשר הגנוטיפים של הורים ידועים.
- הרכב כרומוזומי הזוויג בתא הביצה המופרה ובכל תאי גופו של הצאצא המתפתחים ממנו, הוא שקובע את הזוויג באדם (בשאר היונקים ובבעלי-חיים נוספים):
אצל נקבה זוג כרומוזומי זוויג הדומים זה לזה בצורתם ומכילים גנים לאותן התכונות: XX.
אצל זכר זוג כרומוזומי זוויג השונים זה מזה בצורה ובגנים שהם מכילים: XY.
*244*
1. העתיקו אל המחברת את התרשים שלפניכם, וכתבו בו את ההסבר לקשר בין מושג למושג.
כרומוזום
DNA
גן
אלל
2. כיצד אפשר להסביר שפנוטיפ של תכונה מסוימת אצל אחד ההורים נעלם בדור הצאצאים הראשון, ומופיע מחדש בדור הצאצאים השני? הסבירו בעזרת טבלת הכלאה.
3. איך ייתכן שלאותה תכונה יש יותר מצורת ביטוי אחת?
4. באחד האיים התגלה יצור ממין חדש, שתכונת צבע העור שלו נקבעת על ידי 5 אללים. כמה אללים לאותה תכונה נמצאים בכל אחד מתאי הגוף שלו?
א. בין 1 ל-5
ב. בין2 ל-5
ג. 5 בלבד
ד. 2 בלבד
נמקו את תשובתכם.
5. במשפחה מסוימת אין לאב גומה בסנטר ולאם יש גומה כזו, אך לכל הילדים אין גומה בסנטר. כיצד הדבר ייתכן?
6. התרשים שלפניכם מציג הכלאה בין שני כלבים מאותו הגזע, כאשר לחלקם אוזניים זקופות ולחלקם אוזניים רפויות. האלל לאוזניים זקופות מסומן באות E והאלל לאוזניים רפויות מסומן באות e.
א. העתיקו את התרשים למחברתכם והשלימו אותו.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
גנוטיפ ההורים - Ee, ee
פנוטיפ ההורים אוזניים -- אוזניים --
תאי רבייה אפשריים -- -- -- --
גנוטיפים אפשריים של הצאצאים -- -- -- --
פנוטיפים אפשריים של הצאצאים -- -- -- --
ב. מה הסיכוי שלהורים האלה יהיה צאצא בעל אוזניים רפויות? נמקו.
*245*
ג. אילו הנקבה הייתה הומוזיגוטית דומיננטית (ולא הומוזיגוטית רצסיבית), האם במקרה כזה ייתכן שחלק מהצאצאים יהיו בעלי אוזניים רפויות? נמקו את תשובתכם והשתמשו במילים: הומוזיגוטים והטרוזיגוטים.
ד. לזוג ההורים הזה נולד צאצא אחד בכל שנה. עד כה נולדו 3 צאצאים בעלי אוזניים רפויות (ee). האם ייתכן שהצאצא שייוולד בשנה הבאה יהיה גם הוא בעל אוזניים רפויות? נמקו.
7. אב ואם הם חסרי גומת חן בסנטר. לשניהם גנוטיפ Mm.
א. מה הסיכוי להולדת צאצא בעל גומת חן בסנטר?
ב. מה הסיכוי להולדת צאצא חסר גומת חן בסנטר?
שאלות 10-8 מתייחסות לשושלת בת שני דורות של משפחה שבה קיימת מחלה תורשתית כלשהי.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
8. אם המחלה דומיננטית, מה יכול להיות הגנוטיפ של אם המשפחה?
א. AA בלבד
ב. Aa בלבד
ג.aa בלבד
ד. AA או aa
נמקו את תשובתכם.
9. אם המחלה רצסיבית, מה יכול להיות הגנוטיפ של אב המשפחה?
א. AA בלבד
ב. Aa בלבד
ג. aa בלבד
ד. AA או
a נמקו את תשובתכם.
10. אם המחלה רצסיבית, האם ייתכן שלהורים אלה ייוולד בעתיד צאצא נוסף שיהיה חולה? נמקו.
בתשובתכם התייחסו לכל הגנוטיפים האפשריים.
*246*
התגליות החשובות וההתקדמות העצומה במחקר הגנטי במהלך העשורים האחרונים תרמו רבות להבנת תהליכים ביולוגיים המתרחשים בתאי הגוף וביצור החי השלם. לידע הרב שהצטבר יש השלכות מעשיות ומרחיקות לכת בתחומים רבים: בריאות, חקלאות, תעשייה, איכות הסביבה ועוד. השילוב של ידע טכנולוגי וביולוגי, ובעיקר שיטת ההנדסה הגנטית (המוסברת בהמשך פרק זה), פתחו בפני החוקרים אפשרויות להעברה, לשינוי ולהחלפה של גנים ביצורים חיים בהתאם לצורכי האדם. כיום יודעים ליישם את הידע הזה לצורך אבחון מחלות גנטיות, טיפול במחלות גנטיות, פיתוח תרופות, התאמת טיפול תרופתי לאפיון הגנטי של האדם, וייצור זנים משובחים של צמחים ושל יצורים חיים אחרים. הידע הזה גם מאפשר לנקוט אמצעים חדשים המסייעים לשמור על איכות הסביבה.
ואכן, אנו מפיקים תועלת רבה מיישומי תורת התורשה. אך בצד הברכה שבדבר, חשוב גם להבין שההישגים המדעיים מחייבים אותנו לגלות אחריות מוסרית-חברתית אם אנו רוצים בטובת החברה האנושית ושאר היצורים החיים על פני כדור-הארץ. הידע שצברנו בתחום הגנטיקה מעורר סוגיות ביו-אתיות חשובות ומורכבות. לסוגיות הללו יש היבטים שונים הנוגעים לערכי חברה, דת, מוסר, מצפון וחוק, בהתאם לנורמות החברתיות של מושגי "טוב" ו"רע".
(סוגיה ביו-אתית - נושא העוסק במפגש המחבר בין ביולוגיה ואתיקה (מוסר). סוגיות ביו-אתיות עוסקות בהיבטים שונים של הערך המוסרי בהתנהגות האדם.)
בחלק הזה של הפרק תכירו יישומים חדשניים של תורת הגנטיקה, תבינו את השפעותיהם על האדם ותדונו בהשלכותיהם על החברה האנושית במאה ה- 21.
הפענוח של חוקי התורשה סלל את הדרך לנצל את הידע הזה לצורכי האדם כדי להשביח צמחים ובעלי-חיים. האדם משביח צמחים ובעלי-חיים כדי שהם יהיו בעלי תכונות הרצויות לו. השבחה היא הבסיס לקיומה של חקלאות מודרנית.
(השבחה - פעולה מכוונת שעושה האדם כדי להקנות לבעלי-חיים ולצמחים פנוטיפים הרצויים לו. הפעולה הזאת נעשית על ידי שינוי הגנוטיפ באמצעות הכלאה וברירה של הפרטים הרצויים בלבד מבין כל הצאצאים, או באמצעות הנדסה גנטית.)
אחת הדרכים להשבחה היא באמצעות הכלאה מכוונת. השבחה כזאת נעשית על ידי ברירה בין פרטים שונים, תוך בחירת הפרטים הרצויים למשביחים. דרך זו אפשרית רק ביצורים המתרבים ברבייה זוויגית. בוחרים צמח או בעל-חיים בעל הפנוטיפ הרצוי של תכונה כלשהי, ומכליאים אותו עם צמח או בעל-חיים בעל תכונה רצויה. לרוב דרושות עוד הכלאות מכוונות, כאשר בכל דור בוררים בין הצאצאים ובוחרים מי יהיו ההורים המשתתפים בהכלאה הבאה. בסופה של סדרת הכלאות מכוונות כאלה אפשר לקבל פרטים שמכלול תכונותיהם (גם הגנוטיפ וגם הפנוטיפ לכל תכונה) הוא הרצוי לנו.
בשיטה זו, השבחה באמצעות הכלאות, טופחו זנים של צמחים שפירותיהם גדולים יותר, שלפירותיהם טעם משופר או צבעים המושכים את העין, שלפרחים שלהם יש צבע או גודל רצויים ועוד. כך טופחו גם גזעים של בעלי-חיים שונים, כגון תרנגולות המטילות ביצים רבות, וכבשים שהצמר שלהן רך למגע.
לפניכם שתי דוגמאות של השבחת בעלי-חיים וצמחים שבוצעו בישראל בתהליך של הכלאות מכוונות:
*247*
בישראל טופח גזע פרות מיוחד המצטיין בתנובת חלב גבוהה. תהליך ההשבחה נמשך ב-60 שנה (משנות העשרים עד שנות השמונים של המאה העשרים), באמצעות שורה של הכלאות מכוונות בין פרות מקומיות לבין פרים מארצות שונות שהיו מגזעים המצטיינים בתנובת חלב גבוהה, אך לא התאימו לאקלים בארץ. הודות להשבחה, לתזונה מתאימה ולשיפור תנאי החיים של הפרות, ישראל נמצאת במקום הראשון בעולם בתנובת החלב השנתית הממוצעת לפרה - קרוב ל-10,000 ליטר בשנה בממוצע לפרה.
(בספר תמונה)
הפרה הישראלית מצטיינת בתנובת החלב שלה
סדרת הכלאות מכוונות של צמחי ציפורן, הניבה בתוך כמה שנים מבחר זנים בעלי פרחים יפים. בתמונות שלפניכם רואים את תכונות צמחי המוצא וחלק מהזנים שהתקבלו בסוף התהליך.
(בספר תמונות - היעזר במנחה)
*248*
1. שתי הדוגמאות בעמוד הקודם מציגות תוצרי השבחה שפותחו בדרך של הכלאה. מהו השיפור שהושג בכל אחת מהן?
2. מדוע אפשר לבצע השבחה באמצעות הכלאה רק בין צמחים או בעלי-חיים מאותו המין (species)?
3. בתרשים שלפניכם מוצגות שתי אפשרויות להכלאות מכוונות בתהליך השבחה. האלל הדומיננטי A אחראי לפנוטיפ הרצוי של תכונה מסוימת.
גנוטיפ ההורים, זוג א AA כפול AA, זוג ב Aa כפול Aa |
טיפוסים אפשריים של תאי רבייה, --, -- |
גנוטיפים אפשריים של הצאצאים, --, -- |
באיזה מההכלאות יתקבל הפנוטיפ הרצוי בכל הצאצאים גם בדורות הבאים? הסבירו מדוע.
4. היכנסו אל הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה ובחרו בתחום מדעי החיים.
היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד גנטיקה - הורשה של תכונה אחת.
בצעו את משימות 1 ו-4, וענו לגבי כל אחת מהן:
א. אילו צמחים צריך לבחור בדור הראשון כדי להצליח במשימה?
ב. כמה הכלאות ביצעתם בהדמיה זו עד שהגעתם לתוצאה המבוקשת?
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*249*
האם אפשר לייצר תותים בריח של לימון או דגים שזוהרים בחושך? כיצד אפשר לפתח צמחי מאכל שעמידים למזיקים או לתקן גן פגום הגורם למחלה תורשתית? הרעיונות האלה כבר לא נראים דמיוניים בעקבות התפתחותה של טכנולוגיה חדשה - ההנדסה הגנטית.
הנדסה גנטית היא תהליך ביו-טכנולוגי שהאדם פיתח לתועלתו. בהנדסה גנטית משנים את ה-DNA של יצור חי, וכך מקנים לו תכונות חדשות שאינן יכולות להיות לו באופן טבעי. (ביו - טכנולוגיה - (ביו פלוס טכנולוגיה) תחום המשלב ידע ממדע הביולוגיה עם ידע בטכנולוגיה. השילוב הזה מאפשר לנצל תופעות ותהליכים ביולוגיים כדי לענות על צרכים שונים של האדם.)
זכרו שה-DNA שבכרומוזומים כולל גנים רבים, וכל גן מכיל מידע ליצירת חלבון. שינוי שמבצעים בגן מסוים גורם לשינוי בסוג החלבון או בכמות החלבון הנוצר בתאים, והדבר מתבטא בשינוי בתכונה של היצור.
השינוי בחומר התורשתי באמצעות הנדסה גנטית יכול להתבצע בשלוש דרכים:
א. הוספת גן חדש (ממקור זר)
ב. סילוק גן קיים
ג. שינוי גן קיים
בעזרת הטכנולוגיה של ההנדסה הגנטית אפשר לשנות את התבטאותן של תכונות קיימות ביצורים חיים. למשל, לשנות את הטעם או את תכולת הוויטמינים בירק כלשהו. ההנדסה הגנטית מאפשרת גם להקנות ליצורים תכונות חדשות שאינן מופיעות אצלם באופן טבעי. למשל, על ידי העברת גנים מיצור אחד לאחר (מבעל-חיים ממין אחד לבעל-חיים ממין אחר, מצמחים לבעלי-חיים, מחיידקים לפטריות וכדומה).
אנו יודעים כי לכל היצורים החיים בכדור-הארץ יש מאפיינים משותפים, שבזכותם אפשר לבצע הנדסה גנטית:
- המבנה הבסיסי של מולקולות ה-DNA (רצף של נוקלאוטידים מ-4 סוגים) הוא זהה.
- המידע המצוי ב-DNA "מתורגם" לחלבונים באופן דומה, מפני שהקוד הגנטי הוא אוניברסלי (אותו קודון מייצג אותה חומצה אמינית בכל היצורים).
- השלבים שבהם עובר המידע מה-DNA (מהגן) עד לחלבון דומים אצל כל היצורים.
לכן אפשר להעביר גנים מיצור אחד ליצור אחר, גם אם שני היצורים האלה אינם מאותו המין. אפשר אפילו להחדיר אל היצור החי גן מלאכותי (שאינו קיים בטבע אלא נוצר במעבדה).
נוסף על כך, החוקרים גילו בגוף אנזימים המאפשרים "לגזור" את מולקולת ה-DNA במקומות רצויים, ואנזימים המאפשרים "להדביק" קטעי DNA זה לזה. השימוש באנזימים כאלה מאפשר כמעט אין סוף אפשרויות לשינוי הרכב החומר התורשתי (והתכונות) של יצורים חיים.
*250*
השלבים העיקריים בתהליך:
א. בוחרים יצור הנושא את הגן לתכונה המבוקשת.
ב. מאתרים את המיקום המדויק של הגן הרצוי ב-DNA שבאחד הכרומוזומים של היצור (קטע ה-DNA שנושא את המידע ליצירת החלבון הרצוי ולקבלת התכונה הרצויה).
ג. מבודדים את הגן הרצוי באמצעות חיתוך של מולקולת ה-DNA משני הצדדים של הגן. את החיתוך מבצעים על ידי אנזימים מתאימים.
ד. מחדירים את הגן לתוך תאים של היצור המקבל, ובעזרת אנזימים מתאימים משלבים אותו ב-DNA שבתאים האלה.
ה. התאים המהונדסים מייצרים את החלבון לפי המידע בגן שהועבר אליהם. כך מקנים ליצור המקבל את התכונה החדשה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
העברת גן מיצור אחד ליצור אחר
אפשר לשפר גן באמצעות החלפת קטע כלשהו בגן בקטע "טוב יותר" של גן אחר.
למה הכוונה?
כל גן מורכב משני חלקים:
א. קטע DNA שקובע איזה חלבון נוצר - מקודד לרצף החומצות האמיניות המרכיבות את החלבון.
ב. קטע DNA שהוא אזור בקרה של הגן - משפיע על התבטאות הגן, כלומר קובע היכן ומתי החלבון נוצר בגוף ובאיזו כמות.
הודות למבנה הזה של הגן, המדענים יכולים לייצר גן "מעורב" ומשופר, המורכב מקטעים שנלקחו מגנים שונים. כיצד? הם "מדביקים" קטע שמקודד לחלבון מגן אחד אל קטע שהוא אזור בקרה מגן אחר. שני קטעי הגנים שמודבקים יחדיו עשויים להילקח מיצורים ממינים שונים שאין כל קרבה ביניהם! גם כאן מחדירים את הגן לתוך תאים של היצור המקבל, ובעזרת אנזימים מיוחדים משלבים אותו ב-DNA שבתאים אלה.
חשוב להבין: גם כשמעבירים ליצור מסוים גן שמקורו ביצור אחר וגם כשמשפרים גן קיים, נוהגים להחדיר את הגן הרצוי אל תא ביצה מופרה. כאשר התא הזה יתחיל להתחלק, יתקבל עובר שכל תאיו מכילים את הגן הרצוי, והוא עשוי להתפתח ליצור בוגר בעל התכונה החדשה. יצור כזה יוכל להעביר את התכונה גם לצאצאיו, בהתאם לכללי התורשה.
אילו תכונות כדאי לשנות ולשפר בהנדסה גנטית של צמחים ושל בעלי-חיים? הציעו כמה רעיונות שיוכלו לתרום לאדם ולכדור-הארץ, והסבירו מה התועלת שאפשר להפיק מהם.
*251*
השימוש בהנדסה הגנטית הולך ומתפשט, ונראה כי לתחום הזה יש יתרונות משמעותיים בתעשייה, בחקלאות, באיכות הסביבה וברפואה. הנדסה גנטית עשויה לתת מענה לבעיות שונות של החברה האנושית, לדוגמה: למנוע מחסור של מזון עבור אוכלוסיית כדור-הארץ המתרבה בקצב מואץ, להקטין את הצורך בשימוש בחומרי הדברה רעילים שמזהמים את הקרקע ואת מי התהום, לפתח דלקים ידידותיים לסביבה ולפתור בעיות נוספות.
לפניכם דוגמאות מ-3 תחומים שונים, שבהם נעשתה השבחת בעלי-חיים וצמחים לתועלת האדם באמצעות הנדסה גנטית: חקלאות, איכות הסביבה ורפואה.
אוכלוסיית בני האדם מתרבה בקצב מהיר, ועמה גדל הצורך לייצר כמויות גדולות יותר של מזון. במקרים רבים השבחת המזון באמצעות הכלאות מכוונות איננה יכולה לענות על קצב הצריכה המתגבר, אך השבחה באמצעות הנדסה גנטית מניבה פתרונות מהירים.
מדענים טיפחו אורז באמצעות החדרת גנים שמקורם בצמח נרקיס ובחיידק מסוים החי באדמה. הגנים האלה אחראים על ייצור החומר בטא-קרוטן הנותן לאורז הזהוב את צבעו. אך חשוב יותר מכך, בטא-קרוטן הופך בגוף האדם לוויטמין A, שהוא ויטמין חיוני לתהליכי הגדילה ולתפקוד התקין של מערכות הראייה, העור, העיכול ועוד. האורז המהונדס מספק בימינו ויטמין A למיליוני אנשים שחיים באזורים עניים וסובלים ממחסור חמור בוויטמין זה, ושהתזונה שלהם מבוססת בעיקר על אורז.
השימוש בטכנולוגיה של ההנדסה הגנטית בצמחים פרץ מזמן אל מחוץ לכותלי מעבדות המחקר. חברות ביו-טכנולוגיות מסחריות כבר מייצרות ומשווקות צמחים מהונדסים גנטית ומוצרים המכילים רכיבים שמקורם בצמחים כאלה. יש זנים של צמחים שטופחו בהנדסה גנטית עבור התעשייה (כותנה וטבק), וכן טופחו צמחי מאכל (תירס, סויה, לפתית ואורז). לצמחים כאלה יש חשיבות גדולה בעיקר בארצות עניות, שבהן התפריט אינו מאוזן מבחינת מרכיבי המזון שהוא מכיל.
מאז החל השימוש המסחרי בצמחים מהונדסים גנטית, גדל היקף השיווק של זרעי צמחים אלה ברחבי העולם בקצב מדהים. כיום מעל 81 אחוז מגידולי הסויה, מעל 35 אחוז מגידולי התירס, מעל 30 אחוז מגידולי הקנולה ומעל 80 אחוז מגידולי הכותנה בעולם מהונדסים גנטית. המחקר הנמשך בתחום ההנדסה הגנטית, ופיתוח שיטות יעילות יותר להשבחה גנטית, יגדילו עוד יותר את השימוש בצמחים כאלה בשנים הבאות.
(בספר תמונה)
אורז זהוב
*252*
הורמון גדילה הוא חלבון הנוצר בגופם של בעלי-חיים רבים (וגם של האדם), והוא האחראי לתהליך הגדילה של הגוף. דגי קרפיון מייצרים את ההורמון הזה בכמות קטנה. לעומתם, דגי סלמון מייצרים את ההורמון בכמות גדולה ולכן מתפתחים לגודל מרשים.
חוקרים ישראלים נעזרו בהנדסה גנטית כדי לזרז את קצב הגדילה של דגי קרפיון. הם החליטו לשפר את הגן האחראי לייצור הורמון הגדילה של הקרפיונים באמצעות הגן של דגי הסלמון. הם ביצעו את הפעולה כך:
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
השבחה של קרפיונים באמצעות הנדסה גנטית
שלב 1: החוקרים בודדו במעבדה את שני הגנים לייצור הורמון הגדילה: הגן של הקרפיון והגן של הסלמון.
שלב 2: בשלב הבא הם "חתכו" קטע DNA מתוך אזור הבקרה של הגן להורמון הגדילה של הסלמון - את הקטע האחראי לכך שההורמון נוצר בכמות גדולה.
שלב 3: במקביל הם "חתכו" מהגן של הקרפיון את קטע ה-DNA המכתיב את המבנה של ההורמון.
שלב 4: לאחר מכן הם "הדביקו" את שני הקטעים זה לזה, וקיבלו גן משופר - מהונדס - של הורמון הגדילה.
שלב 5: את הגן המשופר הם הזריקו לתוך תא ביצה מופרה של קרפיון. התוצאה: התקבל דג קרפיון מהונדס גנטית, שקצב הגידול שלו מהיר יותר מזה של קרפיון רגיל. הקרפיונים המהונדסים מגיעים מהר מאוד אל הגודל המבוקש בחנויות, ובריכות הדגים מתפנות מהר יותר למחזור חדש של דגים.
*253*
- הקניית עמידות לצמחים נגד מחלות ומזיקים - צמצום פגיעה ביבולים.
- הקניית עמידות לצמחים נגד עקות סביבתיות - אפשרות לגדל צמחים במדבר בטמפרטורות קיצוניות או בקרקעות מליחות.
- הארכת חיי מדף של פירות ושל ירקות - שיפור מוצרי מזון טריים הנוטים להתקלקל במהירות.
- שיפור הערך התזונתי והבריאותי של מזון על ידי שיפור הרכב החלבונים, השומנים והוויטמינים שבו.
- זירוז קצב הגידול כדי לקבל תוצרת חקלאית רבה יותר באותו הזמן.
- גיוון במוצרי מזון ושיפורם על ידי שינוי טעם, צבע ומרקם.
- שימוש בצמחים מהונדסים לטיהור קרקע ומים מזוהמים.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
מעבדה להנדסה גנטית
הצמח, מטרת הטיפוח, מקור הגנים, התוצאה |
עגבניות, עמידות לקרה, דגי קוטב, גדלות בהצלחה באזורים קרים מאוד |
תירס, עמידות לחרקים מזיקים, חיידקים, אין צורך לרסס בחומרי הדברה |
אורז, שיפור הערך התזונתי, אפונה, מכיל יותר חלבונים |
1. לפי דעתכם, אילו תכונות נוספות כדאי להעביר לצמחי מאכל באמצעות הנדסה גנטית? הביאו דוגמה.
2. השוו בין השבחת צמחים ובעלי-חיים בשיטה המסורתית של הכלאות לבין השבחה באמצעות הנדסה גנטית. ציינו לפחות 3 יתרונות של ההנדסה הגנטית לעומת ההכלאות.
*254*
אם החיטה היא צמח בר הגדל באזורנו, וממנה טופחה חיטת הלחם התרבותית באמצעות השבחה שנעשתה על ידי הכלאות. במשך אלפי השנים שבהן טופחה חיטת הלחם התרבותית, נבררו צמחים שתכונותיהם חשובות לאדם. למשל, השיבולת הבשלה של חיטת הבר מתפרקת בשדה לפני שמספיקים לקצור אותה ולהביאה אל הגורן. לעומת חיטת הבר, השיבולת של החיטה התרבותית נשארת שלמה גם אחרי הקציר, וכך אפשר להוביל את השיבולים אל הגורן בלי לאבד את גרגירי החיטה. עם זאת, מתברר שתכונות מסוימות לא שופרו במהלך הטיפוח, לדוגמה: הרכב החלבונים בגרגירים לא שופר.
במחקר משותף של חוקרים ישראלים ממכון ויצמן למדע ושל חוקרים מארצות הברית, שמטרתו הייתה לנסות לפתור את בעיית הרעב בארצות העניות, נמצאה דרך לשפר את חיטת הלחם בעזרת גנים של הצמח אם החיטה.
החוקרים הצליחו לבודד מצמח אם החיטה גן מסוים, שמקצר את תהליך הבשלת השיבולים וגם מגדיל את התכולה של חלבונים ושל מינרלים חשובים בגרגירי החיטה. באמצעות הנדסה גנטית העבירו החוקרים את הגן הזה מצמח אם החיטה אל צמח חיטת הלחם התרבותית. כך התקבלו צמחי חיטה שגרגיריהם מבשילים מהר יותר ושמניבים קמח עם הרכב תזונתי משופר. ההרכב התזונתי המשופר הוביל לכך שהמוצרים שמכינים מקמח זה מזינים יותר.
אך בזה המחקר לא הסתיים. החוקרים ממשיכים לחפש בחיטת הבר גנים נוספים, שהעברתם אל חיטת הלחם התרבותית תאפשר לחיטה המהונדסת לגדול גם באזורים שבהם הטמפרטורות גבוהות מדי או נמוכות מדי לגידול חיטה רגילה, וגם באזורים שבהם איכות מי ההשקיה ירודה.
כך יוכלו לגדל את החיטה המשופרת גם בארצות עניות, לשפר את האיכות התזונתית של הלחם ושל מוצרי החיטה האחרים, ולהעשיר את התפריט של האוכלוסייה הסובלת מתת-תזונה או מרעב.
1. חיטת הלחם התרבותית טופחה והושבחה במשך דורות רבים, ולמרות זאת החוקרים פונים שוב אל צמח הבר אם החיטה. הסבירו מדוע.
2. הציעו תכונות נוספות שכדאי להעבירן אל חיטת הלחם התרבותית (באמצעות הנדסה גנטית).
*255*
ההנדסה הגנטית מאפשרת לייעל את השמירה על איכות הסביבה על ידי טיפוח צמחים ובעלי-חיים המאפשרים לנו לצמצם את זיהום הסביבה, לשקם מערכות אקולוגיות פגועות ועוד. לפניכם שתי דוגמאות לכך.
לפני שנים אחדות החלו להשתמש בצמחים מהונדסים כדי לייצר ביו-דיזל. ביו-דיזל הוא חומר דלק ממקור ביולוגי - שמן צמחי שאפשר להפיק מזרעים של צמחים כגון חמניות, דקל, סויה וקנולה וגם מאצות. הביו-דיזל מסוגל להניע מנועים ממש כמו דלק רגיל המבוסס על נפט. למעשה, מנוע הדיזל הראשון שהומצא על ידי רודולף דיזל בשנת 1900 פעל באמצעות שמן בוטנים.
א. משאב מתחדש - בניגוד למוצרי הנפט שהם משאב מתכלה, הביו-דיזל הוא משאב מתחדש. מאגרי הנפט הולכים ומתרוקנים, אבל אפשר לשתול עוד ועוד צמחים ולהפיק מהם הרבה שמן.
ב. פחות זיהום אוויר - כמות המזהמים הנפלטת לאוויר בשריפת ביו-דיזל נמוכה באופן משמעותי מכמות המזהמים הנפלטים בשריפה של דלק רגיל.
ג. אין הגדלה של כמות ה-CO2 באטמוספרה - כמות ה-CO2 שנפלטת לאוויר בשריפת ביו-דיזל קטנה מכמות ה-CO2 שהצמחים קולטים במהלך חייהם, בתהליך הפוטוסינתזה שלהם. כלומר: בשלב הראשון הצמחים קולטים CO2 מן האוויר, גדלים ומייצרים את השמן. בשלב השני, כאשר שורפים את השמן שהופק מהם, ה-CO2 מוחזר אל האוויר.
בהנדסה גנטית אפשר לייצר צמחים מהונדסים, שמייצרים שמן לביו-דיזל בכמויות גדולות במיוחד, ביעילות, ובתנאי גידול חסכוניים. לדוגמה: הזרעים של הצמח יתרופית (Jatropha) מכילים שמן שממנו מכינים ביו-דיזל. באמצעות הנדסה גנטית, החוקרים מנסים להקנות ליתרופית יכולת לייצר כמות גדולה יותר של שמן.
(בספר תמונות - היעזר במנחה)
מימין: מטע של יתרופית; משמאל: זרעי יתרופית שמהם מפיקים שמן לביו-דיזל
*256*
גם אתנול (אלכוהול) יכול לשמש מקור אנרגיה חלופי לנפט ולמוצריו. אפשר להפיק אתנול באמצעות חיידקים או שמרים שמתסיסים סוכר של צמחים (כגון קנה סוכר). בברזיל, למשל, מטפחים באמצעות ההנדסה הגנטית גם צמתים שיהיו בעלי ריכוז גבוה יותר של סוכר, וגם חיידקים או שמרים שייצרו אתנול מן הסוכר בצורה יעילה יותר.
חשוב לציין שלהרחבת השטחים המשמשים לגידול צמחים להפקת ביו-דיזל, יש גם השלכות שליליות. יש מקומות שבהם כורתים יערות כדי לגדל צמחים כאלה. במקומות אחרים תופסים אדמה חקלאית שבעבר גידלו עליה צמחי מאכל, ושותלים בה חורשות של צמחי ביו-דיזל, ובכך גורמים לעלייה במחירי המזון.
חקלאים רבים נוהגים לרסס את השדות בחומרי הדברה כדי לחסל מזיקים ולמנוע נזק ליבולים. חומרי ההדברה האלה עלולים להגיע אל האוויר ואל הקרקע, לחלחל אל מי התהום ולזהם אותם, ולבסוף להגיע לגופנו ולגופם של בעלי-חיים אחרים.
לכן החוקרים בוחרים להקנות לצמחים המהונדסים (כגון אורז, תירס וסויה) תכונות של עמידות בפני מחלות או מזיקים שונים. צמחים כאלה מסייעים לשמירה על איכות הסביבה, מפני שאין צורך לרסס אותם בחומרי הדברה רעילים.
את העמידות של צמחים למזיקים משיגים לאחר שמחדירים אליהם גן הגורם להם לייצר, למשל, רעלנים בררניים - חומרים רעילים שאינם פוגעים בבני אדם, אלא פוגעים אך ורק במזיקי הצמחים. מקורות הגנים לעמידות בפני מזיקים הם חיידקים שמייצרים רעלנים, צמחי בר עמידים וכדומה.
לדוגמה, החוקרים החדירו לצמחים של שזיף גן שהקנה להם עמידות נגד נגיפים (נגיף ppv) הפוגעים בפרי. הגן הזה גורם לשזיף לייצר חלבון מיוחד שסותר את הפעולה של חלבוני הנגיפים ואינו מאפשר לנגיפים להתקיים בתאי הצמח.
(בספר תמונה)
שזיפים עמידים לאחד מנגיפי הצמחים
*257*
אחד היישומים של ההנדסה הגנטית הוא שימוש בצמחים מהונדסים, בשמרים מהונדסים או בחיידקים מהונדסים, לצורך הפקה של חומרים שונים בצורה נקייה ויעילה ובכמויות גדולות. כך מנצלים את ההנדסה הגנטית בתחום הרפואה, ויוצרים תאים מהונדסים המשמשים "בית חרושת לתרופות".
איך זה עובד? - לדוגמה, מחדירים לחיידק את הגן הנושא את המידע ליצירתו של החלבון הרצוי. תוך כדי גידולו החיידק מייצר את החלבון הזה, ומתקבלת התרופה שאנו מעוניינים בה.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
צמחים מהונדסים (במעבדה)
לפי דעתכם, מהו היתרון בשימוש בחיידקים בהנדסה גנטית לצורך ייצור חומרים שונים (למשל תרופות)?
כיום הרבה מהתרופות שאנו מכירים מיוצרות בשיטות של הנדסה גנטית. חלק מהתרופות הן חלבונים שנוצרים באופן טבעי בגוף האדם, וההנדסה הגנטית מאפשרת לייצרם בצורה יעילה ובכמות גדולה עבור החולים. דוגמאות לתרופות כאלה:
- אינסולין - הורמון שמווסת את כמות הסוכר בדם ובתאים. ניתן כתרופה לחולי סוכרת.
- אינטרפרון - חלבון הניתן כתרופה לטיפול בזיהום קשה בנגיפים, במחלות של מערכת החיסון (למשל טרשת נפוצה) ובסוגי סרטן מסוימים.
- הורמון גדילה - ניתן בעיקר לילדים בעלי עיכוב בגדילה.
- חלבונים שונים המעורבים בתהליך קרישת הדם - ניתנים לחולי המופיליה.
- חיסונים נגד מחלות שונות, כגון צהבת נגיפית מסוג B, שפעת וכלבת (חיסון לבעלי-חיים).
ועוד אלפי תרופות אחרות הנמצאות בשלבי פיתוח ובדיקות בתעשייה הרפואית בארץ ובעולם.
1. מה הקשר בין היכולת שלנו להנדס יצורים חיים לבין כל אחד מהתחומים הבאים: ייצור מזון, איכות הסביבה ורפואה.
2. בעיתונים ובאינטרנט תוכלו למצוא מאמרים רבים העוסקים בשימוש בהנדסה גנטית להשבחת צמחים ובעלי-חיים לצורכי חקלאות וייצור מזון, לשמירה על איכות הסביבה ולצורכי רפואה. בחרו מאמר מעניין אחד והציגו אותו לדיון בכיתה.
*258*
כיום כבר הוכח שלהנדסה הגנטית יש יתרונות משמעותיים. היא עשויה לסייע בסיפוק צרכים חשובים לאוכלוסייה ההולכת וגדלה על פני כדור-הארץ. למשל, בהגדלת כמות המזון שאפשר לייצר, ביצירת מקורות דלק חלופיים, בפיתוח תרופות, בשיטות חדשניות למרפא ועוד.
למרות זאת, חששות רבים מלווים את השימוש בצמחים ובבעלי-חיים מהונדסים גנטית.
לפניכם כמה דוגמאות:
- יש אקולוגים החוששים שהיצורים המהונדסים גנטית עלולים "לברוח" משטחי החקלאות ומן המעבדה אל הסביבה, להתרבות ולהחליף את צמחי הבר או את בעלי-החיים בטבע, וכך לפגוע במערכות אקולוגיות ולהפר את האיזון בטבע. אמנם עד היום לא התרחשו אסונות אקולוגיים כאלה, אך אין ספק שחייבים לשמור על ערנות בתחום זה.
- יש חשש שצמחים או בעלי-חיים מהונדסים גנטית ייצרו בגופם (כתוצרי לוואי) גם חומרים שעלולים להיות רעילים או לגרום לאלרגיה. במקרים כאלה עלולה להיפגע בריאותם של בני האדם או של בעלי-חיים הניזונים מהצמחים המהונדסים.
- יש הטוענים שמכיוון שהטכנולוגיה הזאת חדשה יחסית, היצורים המהונדסים גנטית עדיין לא נבדקו מספיק, ובטיחות השימוש בהם, לאדם ולסביבה, אינה ידועה.
- השימוש בצמחים ובבעלי-חיים מהונדסים גנטית בתחום החקלאות, גורם לאחידות גנטית רבה בין היצורים שהונדסו. החשש הוא שאם יחול שינוי לא צפוי בתנאי הסביבה (שינוי אקלימי, מחלה או מזיקים שיתרבו באופן לא צפוי וכדומה), כל התוצרת עלולה להיכחד.
נימוקים וטענות כאלה מדגישים את החשיבות הגדולה בפיקוח דקדקני על ההנדסה הגנטית ובחשיפת המידע החשוב לציבור (שקיפות). במדינות רבות, המחקר בתחום ההנדסה הגנטית, ובעיקר יישום טכנולוגיית ההנדסה הגנטית, מבוקרים בצורה מסודרת על ידי גופים מוסמכים. בישראל, לדוגמה, יש ועדה מיוחדת של משרד הבריאות שתפקידה לפקח על הניסויים בתחום ההנדסה הגנטית ולבחון כל שימוש מסחרי במזון הכולל רכיבים מהונדסים גנטית.
(בספר תמונה)
צמחי תירס אחידים, מהונדסים גנטית
1. אחד החששות הקשורים לטיפוח צמחים ובעלי-חיים בהנדסה גנטית הוא שאם היצורים המהונדסים יתפשטו בטבע, הם יתרבו בקצב מהיר יותר מבעלי-החיים ומצמחי הבר הטבעיים שבסביבה, ועלולים לתפוס את מקומם ולפגוע במרקם העדין של המערכות האקולוגיות.
איך אפשר להימנע מסכנה כזאת? הציעו כמה רעיונות.
2. מה הסכנה במצב של אחידות גנטית בחקלאות, כגון אחידות גנטית בשדה חיטה, במטע עצי תפוח או בלול תרנגולות, שטופחו על ידי האדם?
*259*
ומה דעתכם על מזון מהונדס גנטית?
בצעו את המשימה שלפניכם, גבשו עמדה והביעו את דעתכם.
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד מזון מהונדס גנטית.
א. האם אתם בעד או נגד טיפוח מזון בשיטת ההנדסה הגנטית? האם תסכימו לאכול מזון מהונדס גנטית?
ערכו בכיתה הצבעה על שתי השאלות האלה, ורשמו את תוצאות ההצבעה בכיתתכם בכל שאלה (באחוזים).
ב. התחלקו לקבוצות ובצעו את משימת החקרשת, שבה תכירו את ההיבטים השונים של סוגיית המזון המהונדס גנטית, ותוכלו לגבש את עמדת הקבוצה שלכם.
לסיכום המשימה ענו על השאלות שלפניכם. היעזרו במקורות המידע שבאתר ובמקורות מידע עדכניים נוספים.
1. מבחינת תועלת לאדם - מהם היתרונות של צמחים ובעלי-חיים מהונדסים על פני צמחים ובעלי-חיים "רגילים"?
2. מדוע יש אנשים החוששים שצמחים ובעלי-חיים מהונדסים שאנו אוכלים הם מסוכנים לבריאות?
3. אילו השפעות אקולוגיות צפויות מטיפוח יצורים חיים בהנדסה גנטית? מיינו את ההשפעות על פי סוג ההשפעה: עשויה להביא תועלת או עלולה להזיק.
4. לפי דעתכם, האם חשוב לסמן מזון שמכיל צמחים או בעלי-חיים מהונדסים? נמקו.
5. האם בישראל יש פיקוח על השימוש ביצורים מהונדסים בתעשיית המזון? מה קובע החוק בישראל בנוגע לסימון מזון מהונדס?
6. נסחו 5 המלצות לטיפוח צמחים ובעלי-חיים בהנדסה גנטית לצורכי מזון ועוד, תוך מניעה של סיכון בריאותי לאדם או של נזק לסביבה.
ג. ערכו הצבעה חוזרת על שתי השאלות (סעיף א). האם בסיום הפעילות יש שינוי בעמדות התלמידים בכיתה?
הסבירו מדוע.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*260*
שיבוט (cloning) מתאר תהליך שבו מתא אחד נוצר"עותק" נוסף - תא שני הזהה לתא המקורי מבחינה גנטית. שיבוט הוא גם יצירה של יצורים חיים בעלי מטען תורשתי זהה. התהליך נקרא שיבוט, מפני שבאמצעותו אפשר לקבל שבט של תאים או של יצורים הזהים במטענם הגנטי.
(שיבוט - (cloning) יצירת שבט של תאים או של יצורים זהים זה לזה מבחינה גנטית - "שבט" של יצורים זהים בתכונותיהם התורשתיות.)
דמיינו לעצמכם שיש אפשרות לקחת תא מאדם מסוים שנכווה כוויות קשות בגופו, ובתנאי מעבדה לתת לתא הזה להתרבות וליצור העתקים רבים של אותו תא עצמו - שבט של תאים זהים גנטית - שיהפכו לרקמת עור שיהיה אפשר להשתילה במקומות שנפגעו.
או דמיינו לעצמכם שאפשר לבחור מתוך מטע של עצי פרי עץ אחד חזק במיוחד, עמיד למזיקים ולמחלות שונות ובעל פירות מתוקים ועסיסיים ביותר, ולקחת מהעץ הזה מעט תאים, להרבות אותם ולגדל מכל תא כזה צמח חדש, הזהה בתכונותיו לצמח המקורי.
מדע בדיוני? - לא ולא! כיום חוקרים מחפשים דרכים שונות ליישם את טכנולוגיות השיבוט של תאים ושל יצורים חיים לתועלת האדם.
(בספר תמונה)
"שבט" של כבשים זהות מבחינה גנטית
לשיבוט של תאים או של יצורים שלמים יכולה להיות חשיבות רבה לאדם. הסבירו ותנו דוגמאות.
שיבוט צמחים הוא אחת השיטות הנהוגות כיום בהשבחת צמחים. בשיבוט, מוציאים חלקים של רקמת תאים מגוף הצמח שנבחר בזכות תכונות רצויות, ומגדלים את התאים במעבדה בתוך כלים מיוחדים עם חומרי מזון, בתנאים מתאימים של טמפרטורה, לחות, אוורור, תאורה וסטריליות (נקיים מגורמי מחלות). בתנאים האלה התאים מתרבים במהירות, ובתוך כמה שבועות מתפתחים מהם צמחים זעירים הזהים לצמח שממנו הם נלקחו.
מהם היתרונות של ריבוי צמחים באמצעות שיבוט?
בשיטה זו אפשר ליצור מצמח אחד, בתקופת זמן קצרה ביותר, אלפים עד עשרות אלפי צמחים שכולם זהים בתכונותיהם זה לזה וגם לצמח-ההורה (שנבחר בזכות תכונותיו הרצויות). בתמונה מימין צלחת מעבדה ובה תרביות רקמה שמהן אפשר לקבל צמחים שמספיקים לנטיעת דונמים רבים של שדות.
(בספר תמונה - היעזר במנחה)
צלחת עם תרבית רקמה של צמחים ששובטו (במעבדה)
*261*
אחת הדרכים לשיבוט בעלי-חיים היא באמצעות השתלת גרעין תא לתוך תא ביצה. כלומר, לוקחים תא ביצה שלא הופרה ומוציאים ממנו את הגרעין שמכיל את החומר התורשתי (DNA). לתוך תא הביצה הזה מכניסים גרעין שנלקח מתא גוף של יצור אחר, מאותו מין ביולוגי. אחר כך גורמים לתא הביצה להתחלק ולהמשיך להתפתח לעובר. העובר שנוצר זהה גנטית ליצור שממנו נלקח גרעין התא שהוחדר אל תא הביצה.
בדרך זו למשל שובטה דולי, הכבשה המפורסמת.
בשנת 1996, כאשר הגיחה הכבשה דולי אל אוויר העולם במכון רוסלין שבסקוטלנד, היא הסעירה מדענים רבים בעולם. הייתה זאת פריצת הדרך המדעית-טכנולוגית החשובה ביותר במאה ה-20: בפעם הראשונה הצליחו לשבט בעל-חיים ממחלקת היונקים באמצעות DNA שנלקח מתא גוף של פרט בוגר! למעשה, הכבשה דולי הייתה "תאומה זהה" לכבשה הבוגרת שהייתה המקור של ה-DNA - זו שתרמה את גרעין התא שהוחדר לתא הביצה.
כאשר נודע על דולי, הכבשה המשובטת, רגש העולם כולו לנוכח היישומים הטמונים ביכולת לשבט בעלי-חיים שיש להם תכונות רצויות. מאז התפרסמו הצלחות בשיבוט יונקים נוספים: פרות, עכברים, חזירים, ארנבות, וככל הנראה גם קופים.
משמאל תרשים המתאר כיצד שיבטו את הכבשה דולי.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
(בספר תמונה)
דולי ואחד הטלאים שהמליטה
*262*
שיבוט הכבשה דולי עורר מהומה חסרת תקדים לא רק בקרב חוקרים ומדענים, אלא גם בין אנשי דת, אנשי חברה ואנשי מוסר רבים, שהביעו (מאז ועד היום) חשש והתנגדות לשימוש בטכנולוגיה זו. הם מסכימים שלשיבוט, כמו לפיתוחי מדע חדשניים אחרים, עשויה להיות תועלת עצומה לאנושות, אך לדעתם יש פה גם פתח לשימוש לרעה בשיבוט ולפגיעה בחברה האנושית.
החשש הגדול ביותר הוא שיתבצע שיבוט בבני אדם. אמנם עד היום לא שובטו בני אדם אלא רק בעלי-חיים אחרים, אך האפשרות הזאת קיימת ומעוררת דילמות אתיות רבות הקשורות לערכי חברה, דת, מוסר, מצפון וחוק. מצד אחד, שיבוט בני אדם יכול לענות על צרכים שונים בחברה. למשל, לאפשר לאנשים עקרים או להורים מבוגרים ששכלו את ילדיהם להביא ילדים לעולם. מצד אחר, השיבוט עלול להוביל לסחר בעוברים או להעדפת צאצאים בעלי תכונות מסוימות.
מה דעתכם על סוגיית השיבוט בבני אדם? מדוע יש כאלו שחוששים כל כך משיבוט בני אדם?
כדי לענות על כך בצורה מושכלת ולבסס את דעתכם על מידע מוסמך, בצעו את הפעילות שלפניכם.
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד שיבוט בבני אדם.
א. האם אתם בעד או נגד שיבוט של תאים אנושיים? האם אתם בעד או נגד שיבוט של בני אדם?
ערכו בכיתה הצבעה על השאלות האלה ורשמו את תוצאות ההצבעה בכיתתכם בכל שאלה (באחוזים).
ב. התחלקו לקבוצות ובצעו את משימת החקרשת שבאתר, שבה תכירו את ההיבטים השונים של סוגיית השיבוט בבני אדם, ותוכלו לגבש את עמדת קבוצתכם בנושא.
לסיכום המשימה ענו על השאלות שלפניכם. היעזרו במקורות המידע שבאתר ובמקורות מידע עדכניים נוספים.
1. האם לשיבוט בני אדם יש תועלת רפואית, תועלת חברתית או תועלת אחרת?
2. אילו השלכות שליליות עלולות להיות לשיבוט בני אדם על החברה האנושית?
3. לפי דעתכם, האם מבחינה מוסרית נכון ליישם את טכנולוגיית השיבוט בבני אדם, או שכדאי לאסור את השימוש בה? נמקו.
4. האם חל שינוי בעמדתכם האישית ובעמדה של חבריכם לכיתה? אם כן, מה גרם לשינוי הזה? אילו דברים חדשים למדתם שלא חשבתם עליהם קודם?
*263*
תארו לעצמכם שיש בידינו מאגר של תאים שיכולים להתחלק, להתמיין לשבט של תאים ממין מוגדר (כגון תאי כבד, תאי עור, תאי עצב וכדומה), ולהתפתח לרקמות בריאות ואפילו לאיברים שלמים. תאים כאלה יכולים לשמש "חלקי חילוף" לשיקום רקמות של אנשים שנפגעו בתאונות, שנדבקו במחלות שונות או שסובלים ממחלות תורשתיות.
כיום ידוע שבגופם של בעלי-חיים ממינים רבים, וגם אצל האדם, יש תאים העשויים לבצע זאת - אלה הם תאי הגזע (stem cells).
תאי גזע נוצרים, למשל, בחלוקות התא הראשונות של ביצה לאחר ההפריה. התאים הראשונים האלה זהים זה לזה ויש להם יכולת מיוחדת: הם עדיין לא עברו תהליכי התמיינות (חלוקה למינים ולסוגים שונים). לכן הם יכולים להתפתח לכל אחד ממאות סוגי התאים השונים המרכיבים את הגוף. אם נפריד את תאי הגזע זה מזה ונספק להם תנאים מתאימים, כל אחד מהם עשוי להתפתח אפילו לעובר שלם. אם עוברים כאלה ימשיכו לגדול, נוכל לקבל שבט של יצורים זהים מבחינה גנטית.
כדי שתאי גזע יוכלו לשמש לריפוי מחלות, יש לכוון אותם להתמיין ו"להתמחות" לסוגי התאים והרקמות הרצויים לנו. לדוגמה, אם יצליחו לגרום לתאי גזע להפוך לתאי שריר הלב, ייתכן שאפשר יהיה להשתילם בבני אדם שהלב שלהם נפגע (למשל בעקבות "התקף לב" - מצב של אספקת דם לקויה לשריר הלב), והם ימלאו את מקומם של התאים הפגועים.
עד היום, חוקרים כבר הצליחו לגדל במעבדה תאי גזע שהתפתחו לתאי שריר הלב, לתאי לבלב, לתאי עצב ועוד. הניסויים האלה מדגימים את הפוטנציאל האדיר של תאי הגזע בריפוי בני אדם. ואכן, מדענים רבים מעריכים שבעתיד יהיה בידינו מאגר של תאים, של איברים ושל רקמות שלמות שיהיו מוכנים להשתלה בבני אדם במקרה הצורך, כפי שרואים באיור.
(בספר איור - היעזר במנחה)
תאי גזע יכולים להתמיין למגוון גדול של תאים
*264*
מיליוני בני אדם בעולם חולים בסוכות תלוית-אינסולין (סוכרת נעורים). המחלה היא תוצאה של תפקוד לקוי של מערכת החיסון: תאים של מערכת החיסון תוקפים את התאים מייצרי האינסולין המצויים בלבלב, פוגעים בהם והורסים אותם. האינסולין הוא הורמון הגורם לתאים לקלוט את הסוכר מן הדם, וכך הוא מווסת את רמת הסוכר בגוף. אצל החולים בסוכרת נעורים הלבלב הפגוע אינו מייצר אינסולין, ולכן רמת הסוכר בדם עולה.
הטיפול המקובל עד היום במחלה הזאת הוא בדיקות דם במשך כל היום והזרקת אינסולין בזמן הנדרש - מספר פעמים ביום. לאחרונה הצליחו חוקרים אמריקנים לשפר את מצבם של חולים מסוימים באמצעות השתלה של תאי גזע עצמיים. במילים אחרות: לכל חולה השתילו תאי גזע בריאים שנלקחו מגופו. טיפול כזה הוא מורכב וכרוך בסיכון.
1. החוקרים אספו מדמם של החולים תאי גזע בריאים שיכולים להתפתח לתאים של מערכת החיסון. את תאי הגזע הבריאים הם שמרו בתנאים מתאימים.
2. בשלב הבא הם השמידו אצל החולים את תאי מערכת החיסון שתוקפים את הלבלב וגורמים למחלה, ומיד החזירו לגופם של החולים את תאי הגזע הבריאים שנלקחו מהם קודם לכן.
3. תאי הגזע הבריאים התרבו בגופם של החולים והתמיינו לתאים בריאים של מערכת החיסון. כך גרמו להתחדשות המערכת החיסונית של החולים.
התוצאה: המערכת החיסונית התאוששה והפסיקה לתקוף את תאי הלבלב אצל רוב המטופלים. אם כן, החולים השתחררו, לפחות באופן זמני, מן הצורך להזריק לעצמם אינסולין. אמנם אצל חלק מהם המחלה נעצרה רק למשך חודשים אחדים, אבל אצל אחרים המחלה לא חזרה בכל תקופת המעקב - במשך 3 שנים.
(בספר תמונה)
בדיקה לגילוי רמת הסוכר בדם
1. מדוע היה צורך להשמיד תאים של מערכת החיסון בחולי סוכרת תלוית-אינסולין (סוכרת נעורים) שהשתתפו במחקר?
2. לתאי הגזע יש יכולת להתמחות ולהתמיין לכל אחד מסוגי התאים השונים המרכיבים את הגוף וליצור רקמות בריאות ואפילו איברים שלמים.
על סמך המשפט הזה, ועל סמך ההצלחה של הטיפול בסוכרת תלוית-אינסולין (סוכרת נעורים) באמצעות תאי גזע, הסבירו לאיזה סוג של מחלות יכולים תאי הגזע לסייע.
*265*
גנום האדם הוא כל המידע התורשתי של האדם, המצוי במולקולות ה-DNA שבכרומוזומים.
(גנום - כל המידע התורשתי הנמצא במולקולות ה-DNA בתאי הגוף של יצור כלשהו.)
ב-23 זוגות הכרומוזומים שבכל גרעין של תאי הגוף שלנו, נמצאים הגנים שמכילים את כל המידע התורשתי שלנו. המידע הזה מתורגם ליצירת חלבונים. החלבונים בונים את הגוף ומאפשרים את תפקודו, והם אלה שקובעים את תכונותינו. הם אחראים, למשל, על המראה שלנו, על סוג הדם שלנו, על יכולתנו להתמודד עם מחלות שונות וגם על חלק מההתנהגויות שלנו.
אם כך, הגנום של כל יצור מכיל את כל המידע על התכונות התורשתיות שלו.
כמה גנים יש לבני האדם? באיזה כרומוזום נמצא כל גן ואיפה הוא ממוקם בכרומוזום הזה? שאלות כאלו מעסיקות את חוקרי הגנטיקה זמן רב. כדי לענות עליהן הוחלט למפות או לרצף את גנום האדם.
צוותי חוקרים מארצות רבות שיתפו פעולה בחקר הנושא הזה, ומטרותיהם העיקריות היו:
1. להכיר את הרצף המדויק של כל הנוקלאוטידים המרכיבים את ה-DNA של האדם.
2. לזהות את כל הגנים של בני האדם.
3. למפות את כל הגנים, כלומר: לאתר את המיקום של כל גן ב-23 זוגות הכרומוזומים של האדם.
4. לאחסן את המידע בתוך בסיס נתונים ממוחשב, ברור ונגיש לכול.
5. לדון בהיבטים האתיים, החברתיים והחוקיים של גילוי גנום האדם.
בשנת 2006 הסתיים בהצלחה המיפוי המלא של גנום האדם, ובעקבותיו התגלו הדברים הבאים:
- ה-DNA של האדם מכיל יותר מ-3 מיליארדי זוגות נוקלאוטידים, ומספר הגנים שלנו הוא כ-25,000. התגלו גנים רבים שלא היו מוכרים לפני כן.
- רק 2 אחוז מן ה-DNA הם גנים המקודדים ליצירת חלבונים כלשהם.
- גם לשאר ה-DNA, שאינו מקודד ליצירת חלבון, יש חשיבות רבה - נראה שלפחות חלק מקטעי ה-DNA שאינם מכילים מידע המוביל ליצירת חלבונים, משפיעים בצורות שונות על התפקוד של הגנים הסמוכים להם.
- כבר מזמן היה ידוע שבני האדם שונים זה מזה, מפני שלכל אחד ואחד מאתנו יש סדרת גנים שקיבלנו בתורשה מהורינו, ובסדרה הזאת יש צירוף ייחודי של אללים לגנים השונים. אבל בפרויקט הגנום התגלה ש-99.9 אחוז מרצף הנוקלאוטידים ב-DNA זהים אצל כל בני האדם!
מאז מדענים בכל העולם ממשיכים לחקור את המידע שנאסף לגבי גנום האדם, מנסים להבין את התפקוד של כל הגנים ולאתר גנים פגומים הגורמים למחלות תורשתיות שונות.
(בספר תמונה)
תבנית ובה מבחנות רבות המאפשרת לבדוק ביעילות עשרות דגימות שונות של DNA
*266*
למעשה, הרצף המדויק של ה-DNA של כל אדם ייחודי לו ושונה מהרצף של אנשים אחרים (רק אצל תאומים זהים רצף ה-DNA זהה לחלוטין). לכן מה שקיים בידינו כיום הוא רצף "כללי" של גנום האדם שנעשה על סמך קטעי DNA שנלקחו ממתנדבים רבים, המשקפים את כל הגוונים של המין האנושי: גברים, נשים, קבוצות אתניות שונות וגזעים שונים.
מיפוי גנום האדם הראה שרוב ה-DNA זהה אצל רוב האנשים, ורק 0.1 אחוז הוא ייחודי לכל אדם ואדם. קטעי ה-DNA האלה (ה-0.1 אחוז) הם שגורמים להבדלים הרבים בינינו. בשנים האחרונות חוקרים רבים מתמקדים בבדיקת המקטעים הייחודיים האלה, מפני שהם הגורמים למגוון העצום של תכונות מסוימות באוכלוסיית בני האדם, ולעתים דווקא להבדלים הקטנים האלה יש השלכות על בריאותנו ועל איכות חיינו.
התבוננו באיור שלפניכם, בחרו שני יישומים עתידיים שעשויים להיות למיפוי גנום האדם והסבירו אותם.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
יישומים צפויים למיפוי המלא של גנום האדם
- ריפוי גני: תיקון/ החלפה של גנים פגומים
- פיתוח וייצור תרופות חדישות
- אבחון מחלות תורשתיות וסכנה להתפרצות מחלה תורשתית בבוגרים
- פענוח פשעים בעזרת זיהוי גנטי
- איתור גנים הקשורים לתכונות שונות (חיצוניות ופנימיות)
- אבחון מחלות תורשתיות בעוברים
- הבנת מוצא האדם והקשרים בין אוכלוסיות שונות
- טיפול רפואי מותאם אישית
*267*
לפי הגישה הרפואית המקובלת בעולם המערבי, אבחון של מחלה והטיפול בה מתבצעים בעיקר על סמך התסמינים המתגלים אצל החולה, ההיסטוריה הרפואית שלו ושל משפחתו, והתוצאות של הבדיקות שנערכו לו. הגילויים וההתפתחויות בחקר התורשה תורמים לאיכות הטיפול הרפואי, כי הם תורמים להבנה עמוקה של מחלות תורשתיות ושל הנטייה התורשתית לפתח בגיל מבוגר מחלות מסוימות, כגון סוכרת, מחלות לב, אלצהיימר וסוגים שונים של סרטן.
עם זאת, התברר שמטופלים שאובחנה אצלם אותה המחלה, עשויים להגיב באופן שונה לאותו טיפול. לאחד החולים הטיפול מועיל, ואילו חולה אחר עלול לחוות תופעות לוואי לא רצויות ללא תועלת טיפולית. שונות זו נעוצה בהבדלים בין בני האדם, ובהם השוני ברצף ה-DNA שלהם.
בזכות הטכנולוגיות המתקדמות והאפשרות למפות את רצף ה-DNA המדויק של כל חולה וחולה, מתפתח לאחרונה תחום חדשני המאפשר להתאים את הטיפול הרפואי של כל חולה לאפיון הגנטי האישי שלו. התחום הזה נקרא רפואה מותאמת אישית (Personalized medicine), והוא מתבסס על שימוש במידע הגנטי האישי במטרה לקבוע את סוג התרופה ואת המינון המדויק שלה כדי שהטיפול יהיה בטוח יותר ויעיל יותר. ייתכן שבעתיד יהיה אפשר אפילו לתת טיפול רפואי מונע לאנשים בעלי סיכון גבוה לפתח מחלה קשה בגילאים מתקדמים.
בשנת 2009 התקבל בכנסת חוק המאגר הביומטרי במטרה לשים קץ לתופעת הזיופים של תעודות זהות ודרכונים. אמנם הקמת המאגר הביומטרי נתקלת בהתנגדות בגלל החשש מפגיעה בפרטיות האזרחים ובגלל הסכנה של דליפת המידע לגורמים שינצלו אותו לרעה. אך למרות זאת כבר החלו להכין תעודות זהות ביומטריות לאזרחים שמעוניינים בכך. תעודות הזהות הביומטריות מכילות פרטים ומאפיינים אישיים שקשה לזייפם, כגון טביעת אצבעות, סריקה של מבנה הפנים, הקלטת הקול, תצלום תקריב של העין ושבב אלקטרוני מיוחד שבו פרטים אישיים נוספים.
(בספר תמונה)
מדגימות דם של בני אדם שונים אפשר להפיק את ה-DNA הדרוש לצורך בנק-הגנים
*268*
האם יש דרך אחרת למנוע התחזות וגניבת זהויות? - כנראה שכן.
אפשר להקים בנק-גנים לאומי - מאגר מידע ממוחשב שיכיל את רצפי ה-DNA של כל אחד מאזרחי המדינה, ולהכין לכל אזרח תעודת זהות גנטית. בתעודת הזהות הגנטית יהיה כל המידע הגנטי של בעליה. תעודה כזו תהיה ייחודית לו בלבד, ותכלול תיעוד של רצף כל הנוקלאוטידים ב-DNA שלו ושל כל מאפייניו הגנטיים.
הכנה של בנק-גנים לאומי ושל תעודות זהות גנטיות היא פעולה מורכבת ויקרה, אבל לבנק-גנים ולתעודות זהות גנטיות יכולים להיות יתרונות רבים שאין לתעודות זיהוי ביומטריות ולתעודות זיהוי "רגילות". לדוגמה:
- זיהוי נעדרים וקורבנות של תאונות קשות
- זיהוי קרבה משפחתית בין אנשים שונים
- איתור תורמים מתאימים לחולים שזקוקים להשתלת איברים
- זיהוי פושעים על סמך דגימות שיימצאו בזירות פשע
- הענקת טיפול רפואי מותאם לחולה
כיום יש טכנולוגיות המאפשרות להפיק ולזהות DNA אפילו מתוך דגימות זעירות של דם, של רוק או מזקיק של שיערה אחת. לדוגמה, בידי משטרת ישראל יש דגימות DNA של פושעים שהורשעו במקרי אונס ורצח, אך אסור למשטרה לשמור דגימות שנלקחו מחשודים שבסופו של דבר לא הורשעו.
לבנק-גנים לאומי יש אמנם יתרונות, אך עלולות להיות לו גם השלכות שליליות לא מעטות. ההחלטה על הקמת בנק-גנים כזה היא סוגיה ביו-אתית, מפני שקשה לשמור על סודיות המידע על הפרופיל הגנטי האישי של האנשים. חשיפת המידע עלולה להביא לפגיעה בזכויות הפרט ולאפליה במקרים כגון אלה:
- מערכת הבריאות עלולה להפלות לרעה אנשים בעלי סיכון לחלות במחלות תורשתיות שונות.
- חברות הביטוח עלולות לנצל לרעה את המידע על הפרופיל הגנטי, ולסרב לבטח אנשים מ"קבוצת סיכון גנטית" מסוימת.
- משפחות עלולות לסרב לחתן את ילדיהן עם בני משפחה אחרת, שנושאת גנים לתכונות שנחשבות בעיניהן כ"פחות מוצלחות".
- מעסיקים עלולים להימנע מהעסקת עובדים שיש להם נטייה תורשתית למחלות מסוימות, מחשש שיעילות עבודתם תיפגע.
ואתם, מה אתם חושבים על סוגיה זו? - בצעו את המשימה שלפניכם, גבשו עמדה והביעו את דעתכם.
*269*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד בנק-גנים לאומי.
א. האם אתם בעד או נגד הקמה של בנק-גנים לאומי?
ערכו בכיתה הצבעה על שאלה זו ורשמו את תוצאות ההצבעה בכיתתכם.
ב. התחלקו לקבוצות ובצעו את משימת החקרשת. במשימה זו תכירו את ההיבטים השונים של סוגיית הקמת בנק-גנים לאומי ואת השימוש במידע על הפרופיל הגנטי של אדם, ותוכלו לגבש את עמדת קבוצתכם בנושא.
לסיכום המשימה ענו על השאלות שלפניכם. היעזרו במקורות המידע המצויים באתר
ובמקורות מידע עדכניים נוספים.
1. הסבירו: כיצד בנק-גנים לאומי עלול לגרום לקיפוח, לאפליה או להדבקת תווית שלילית (סטיגמה) על קהילות מוגדרות או על קבוצות אתניות (למשל, על דרוזים, על יהודים ממוצא אשכנזי וכדומה)?
2. מיהו בעל הזכויות על המידע שבבנק-גנים לאומי? האם מותר לבעל הזכויות למכור לאחרים את הזכות להשתמש במידע הזה לצרכים שונים?
3. כיצד החוק מתייחס לסכנת הניצול לרעה של מידע גנטי? למי החוק מתיר למסור מידע גנטי ומדוע? על מי החוק אוסר להשתמש במידע גנטי ומדוע?
4. האם במדינה דמוקרטית כמו ישראל יש סתירה בין זכותו של האדם לפרטיות לבין איסוף מידע גנטי מפורט על כל אזרח במדינה? הסבירו.
5. האם לדעתכם רצוי להקים בנק-גנים לאומי? נמקו.
6. כיצד לדעתכם יש לנהוג במידע שייאסף בבנק-הגנים? נסחו 3 המלצות.
7. האם חל שינוי בעמדתכם האישית ובעמדה של חבריכם לכיתה? אם כן, מה גרם לשינוי הזה?
*270*
הגנים, בשיתוף ההשפעות הסביבתיות, קובעים את תכונותינו - לטוב ולרע. לעובדה שהגן (האלל) האחראי על גומה בסנטר הוא רצסיבי אין שום חשיבות בריאותית. לעומת זאת, לגן שאחראי על ייצור הורמון הגדילה יש חשיבות גדולה! גן תקין יגרום לייצור הורמון גדילה בכמות ובעיתוי הדרושים, ואילו גן פגום עלול לגרום לעיכוב בגדילה אצל ילדים, לירידה במסת השריר ובצפיפות העצם, לפגיעה ביכולת לבצע מאמץ גופני ועוד.
למזלנו, בזכות ההתפתחות המדעית והטכנולוגית, ובזכות הידע הרב שהצטבר עד היום, מדענים יכולים לזהות בגנום אלפי אללים הגורמים למחלות ולפגמים תורשתיים. יש פגמים שנפוצים יותר, ויש אחרים שהם נדירים מאוד ומופיעים רק במשפחות אחדות בעולם כולו. בשנים הבאות ודאי יתגלה עוד ועוד מידע על מוטציות ועל מיקומם של גנים נוספים האחראים למחלות תורשתיות אחרות. גילויים כאלה מאפשרים:
- לטפל במחלות ובפגמים תורשתיים.
- לשקול הפסקת היריון.
אפשר לאבחן מחלות ופגמים תורשתיים באמצעות בדיקות גנטיות או באמצעות זיהוי של עודף או של היעדר חומרים הנוצרים בהשפעתו של אלל פגום כלשהו. לדוגמה: גילוי של מחסור בהורמון הגדילה עלול להצביע על נוכחות אלל פגום של הגן המקודד ליצירת ההורמון הזה.
כאשר חושדים שלאדם יש ליקוי תורשתי כלשהו, או שהורים לעתיד הם נשאים של אללים פגומים, עורכים בדיקות גנטיות שונות. כיום נוהגים לבצע כבר בתקופת ההיריון בדיקת מי שפיר, שבה אפשר לאתר ליקויים תורשתיים אצל עוברים. בבדיקה הזאת שואבים מעט ממי השפיר העוטפים את העובר ברחם אמו, מבודדים תאים שנשרו מהעובר אל מי השפיר ובודקים את ה-DNA שלהם.
יש ליקויים גנטיים שמזהים בקלות באמצעות הסתכלות בכרומוזומים שבגרעיני התאים. למשל, במקרה שחסר קטע באחד הכרומוזומים או שיש כרומוזום עודף. לדוגמה, אצל הלוקים בתסמונת דאון יש 3 עותקים של כרומוזום 21 (במקום רק 2 כרומוזומים הומולוגים כאלה). בבדיקות אחרות מסמנים בצבע זוהר מיוחד כרומוזומים או אפילו אללים מסוימים שמעוניינים לבדוק את נוכחותם בתא. כך אפשר, לדוגמה, לזהות אלל מסוים שגורם לליקוי תורשתי. כמובן שאפשר גם למפות במדויק רצף של גן כלשהו ב-DNA, ולבדוק אם יש בו שינויים - מוטציות כלשהן.
ככל שחקר הגנטיקה מתקדם, וככל שהטכנולוגיות המעורבות בו הולכות ומשתכללות, ביכולתנו לבדוק ולזהות עוד ועוד ליקויים תורשתיים.
(בספר איור – היעזר במנחה)
תמונת כרומוזומים של אישה הלוקה בתסמונת דאון (בתאי גופה נמצאים 3 עותקים של כרומוזום 21)
*271*
רוב המחלות והפגמים התורשתיים נגרמים על ידי אללים רצסיביים. במקרים רבים האדם הנושא ב-DNA שבתאי גופו אלל רצסיבי פגום כזה, כלל אינו מודע לכך שהוא נשא של המחלה, מפני שהוא הטרוזיגוט והמחלה אינה באה לידי ביטוי בזכות האלל התקין שבתאיו. אולם, כאשר שני בני זוג הם נשאים של אותו ליקוי תורשתי (שניהם הטרוזיגוטים), יש סיכוי שהמחלה תתבטא בצאצאיהם. במקרה כזה הם יכולים לפנות לייעוץ גנטי. בתהליך של ייעוץ גנטי נערכות לבני הזוג בדיקות גנטיות לאיתור האלל למחלה התורשתית. אם מתגלים אללים כאלה, בני הזוג מקבלים הסבר על המחלה, על אופן ההורשה שלה ועל הסיכוי שלהם ללדת תינוק חולה, וכן מידע על דרכי הפעולה האפשריות בהמשך.
(ייעוץ גנטי - ביצוע בדיקות גנטיות במטרה לברר את קיומם של גנים למחלות תורשתיות שונות, וקבלת הסבר על המשמעות הרפואית-גנטית של הממצאים המתגלים בבדיקה.)
לעתים קרובות פונים לייעוץ גנטי זוגות שכבר נולד להם צאצא הלוקה בפגם תורשתי כלשהו, או כאלה שידוע להם על מקרים כאלה במשפחתם. כיום יש בישראל זוגות רבים שבוחרים לעבור בדיקות גנטיות למחלות תורשתיות, בייחוד למחלות שנפוצות באוכלוסייה. מתברר כי ל-5 מתוך 100 תינוקות הנולדים בארץ יש פגמים תורשתיים כלשהם. יש פגמים קלים שהטיפול בהם פשוט, אבל יש גם מחלות תורשתיות קשות שמחייבות טיפול מיוחד בחולים בעודם תינוקות וגם בהמשך חייהם. לכן המידע שמתקבל בייעוץ גנטי הוא מידע חשוב, שיכול לסייע להורים לתכנן את המשפחה שהם מתכוונים להקים.
ההתקדמות במחקר, והזיהוי של יותר ויותר אללים פגומים, מעוררים שאלות מוסריות נוקבות. אכן, הייעוץ הגנטי הוא סוגיה ביו-אתית מורכבת.
- האם תמיד נרצה לדעת אילו אללים פגומים אנו נושאים בגופנו?
- עד כמה ההורים רשאים להחליט על גורל העובר שלהם במקרה שמתגלה שהוא נושא אלל פגום?
- כאשר מדובר בגנים שאינם משפיעים ישירות על הבריאות אלא על תכונות אופי מסוימות או על מבנה הגוף - האם מותר להורים להתערב ולבחור את העובר ה"רצוי"?
(בספר תמונה)
ייעוץ גנטי
*272*
טמהדיגיטנלי
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט''ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום מדעי החיים. היכנסו אל הנושא תורשה, ובחרו ביחידת הלימוד ייעוץ גנטי.
א. מהם הגבולות הרצויים לאבחון ולייעוץ גנטי בבני אדם?
התחלקו ל-5 קבוצות עבודה - כל קבוצה תתמחה בתחום אחר, תאסוף מידע ותייצג את התחום שלה:
- רופאים
- גנטיקאים
- אנשי דת
- פילוסופים של מוסר ושל אתיקה
- אנשי חוק ומשפט
ב. במהלך המשימה התייחסו לשאלות שלפניכם:
1. חוק המידע הגנטי הוא חוק המסדיר את נוהלי הבדיקות הגנטיות, את מתן הייעוץ הגנטי ואת השמירה על זכויות הנבדקים. מהם עיקרי החוק הזה?
2. אילו יתרונות יש לייעוץ הגנטי, ובאילו מקרים יש לו חשיבות מיוחדת? הסבירו בעזרת דוגמאות מתאימות.
3. הייעוץ הגנטי עשוי לאפשר לבני אדם להביא לעולם "תינוקות בהזמנה" - אילו חששות מלווים רעיון זה?
4. לפי דעתכם, האם יש להתיר ייעוץ גנטי רק כאשר ההורים נשאים של מחלה גנטית חמורה, או גם כדי לאתר פגמים תורשתיים קלים? נמקו.
ג. הציגו בפני מליאת הכיתה את הדעות שהתגבשו בקבוצתכם.
*273*
- הידע המצטבר בחקר תחום התורשה מאפשר למדענים ולרופאים להתערב בתהליכי התורשה של האדם ושל יצורים חיים אחרים.
- באמצעות ההנדסה הגנטית אפשר להעביר גנים רצויים מיצור ממין אחד אל יצור ממין אחר או לשפר גנים קיימים, וכך להשביח תכונות של יצורים חיים.
- ההנדסה הגנטית עשויה להקטין את בעיית הרעב בעולם (למשל על ידי טיפוח זנים של צמחים שיצרכו פחות מים או דשן), לסייע לשמור על איכות הסביבה (למשל על ידי הקניית עמידות למזיקים והפחתת השימוש בחומרי הדברה רעילים) ולקדם את הרפואה.
- תגליות חדשות וטכנולוגיות מתקדמות בתחום התורשה, ובהן הנדסה גנטית, חקר תאי גזע, מיפוי הפרופיל הגנטי האישי של אדם מסוים ובדיקות גנטיות, מאפשרות כבר היום לאבחן מחלות תורשתיות, להפיק תרופות חדשות, לתת טיפול רפואי מותאם אישית ולשקם רקמות גוף פגועות. בעתיד ייתכן שאף יהיה אפשר לרפא מחלות תורשתיות.
- על אף התועלת שאנו מפיקים מהחידושים בתחום הגנטיקה, חידושים אלה מעוררים ויכוחים בקרב המדענים ובציבור הרחב בנוגע להיבטים אתיים, מוסריים, חברתיים וחוקיים המעורבים בהם. הסוגיות הביו-אתיות הכרוכות בחידושים האלה, מחייבות אותנו לגלות אחריות מוסרית-חברתית כדי לשמור על טובת האנושות, בדורנו ובדורות הבאים.
1. ההנדסה הגנטית היא טכנולוגיה המאפשרת להעביר גנים:
א. כמעט מכל יצור אל כל יצור אחר.
ב. בעיקר מהאדם אל כל יצור אחר.
ג. רק מנגיפים או מחיידקים אל בעלי-חיים.
ד. רק מבעלי-חיים אל צמחים.
2. בהנדסה גנטית, כאשר מעבירים גן רצוי מיצור אחד (התורם) אל יצור אחר (המקבל):
א. יש צורך בהתאמה מלאה בין הגנום של התורם לגנום של המקבל.
ב. יש צורך לבצע הכלאות מכוונות ולברור צאצאים רצויים במשך כמה דורות.
ג. אפשר להעביר גן בודד, ואין צורך להעביר את כל הגנום.
ד. חייבים להעביר אל היצור המקבל את כל האללים של גן מסוים.
*274*
3. כאשר מחדירים לחיידקים את הגן המקודד לאינסולין באדם, אפשר לייצר כמויות גדולות של החלבון אינסולין. ייצור אינסולין בדרך זו מתאפשר מכיוון ש:
(בחרו את כל המשפטים הנכונים)
א. כל מיני היצורים החיים מייצרים אינסולין.
ב. בכל מיני היצורים החיים המידע לייצור חלבונים מקודד ברצף הנוקלאוטידים ב-DNA.
ג. בכל מיני היצורים החיים הגנים הם קטעי DNA שמקודדים בעיקר לאנזימים.
ד. בכל מיני היצורים החיים תהליכי התעתוק והתרגום מתרחשים מחוץ לגרעין התא.
ה. בכל מיני היצורים החיים אותו קודון (שלישיית נוקלאוטידים) מקודד לאותה חומצה אמינית.
4. מרב טוענת שכתוצאה ממיפוי גנום האדם התגלו כל הגנים בגנום האדם.
אבירם טוען שכתוצאה ממיפוי גנום האדם התגלה הרצף של הנוקלאוטידים ב-DNA של האדם.
מי מהם צודק? קבעו עבור כל טענה אם היא נכונה או אינה נכונה, ונמקו את קביעתכם.
5. בחרו שניים מיישומי האדם במדע התורשה. הציגו את היתרונות ביישומים האלה ואת הדילמות האתיות שהם מעוררים.
6. לפניכם כמה דוגמאות ליישומים הקיימים כיום בתחום התורשה. ציינו מהי התרומה של כל אחד מהיישומים לאדם או לכדור-הארץ.
א. תאי גזע
ב. הגדלת היבולים של צמחי מאכל
ג. פיתוח צמחים עמידים לתנאי יובש קיצוניים
ד. רפואה מותאמת אישית
ה. השבחת צמחים כמקור לביו-דיזל
*275*
*275*
- המגוון הביולוגי מתייחס לרבגוניות בטבע. הוא כולל את המגוון הגנטי בכל מין, את מגוון המינים ואת מגוון המערכות האקולוגיות שהיצורים חיים בהן.
- המערכות האקולוגיות מספקות לאדם ולשאר היצורים החיים שירותים חיוניים, כגון אספקה של חמצן לנשימה, אספקה של מזון, טיהור מים, ומקומות מחיה.
- פעילות האדם משפיעה על המגוון הביולוגי, ולכן יש לאדם תפקיד מכריע בשמירה על המגוון הזה.
- חומרים ואנרגיה עוברים בין מרכיבי המערכת האקולוגית (החיים והדוממים). אפשר לתאר מעברים כאלה בתרשימים כגון מארג מזון, פירמידה אקולוגית ומחזור הפחמן.
- גודלה של אוכלוסייה נקבע על פי הילודה, התמותה וההגירה של פרטים אל האוכלוסייה או ממנה החוצה.
מושגים שנכיר:
מגוון ביולוגי
מגוון מינים
מגוון גנטי
קיימות, פיתוח בר-קיימה
טביעת רגל אקולוגית
אטמוספרה, הידרוספרה
גאוספרה, ביוספרה
מחזור הפחמן
*276*
כמעט מדי יום ביומו מתפרסמות באמצעי התקשורת ידיעות על נושאים סביבתיים כגון התחממות כדור-הארץ, כריתת יערות הגשם, פעולות להגנה על הסביבה ועל מינים שנמצאים בסכנת הכחדה, שיקום מערכות אקולוגיות שנפגעו ועוד.
מדוע הדיון בנושאים האלה אינו פוסק אלא עולה לכותרות שוב ושוב?
התשובה לכך קשורה לשינויים הסביבתיים המהירים המתרחשים בתקופתנו בכדור-הארץ. אם נבחן את מצבו של כדור-הארץ, נגלה כי לאחרונה התרבו אירועים של תנאי מזג אוויר קיצוניים (בצורת, שיטפונות, סופות הוריקן וכדומה). במקביל, אוכלוסיית האדם גדלה בקצב מהיר וקצב הצריכה של מוצרים ושל משאבי טבע מתגבר. האם יש קשר בין שתי העובדות האלה? האם השינויים הסביבתיים נגרמים בהשפעת האדם או שהם תוצאה של תהליכים טבעיים?
התשובות לשאלות האלה אינן פשוטות. אמנם זיהום נחלים ומקורות מים, ניצול מוגבר של מקורות דלק וציד של בעלי-חיים הם דוגמאות לנזק שהאדם גורם לסביבה. אך במקביל לפעולות האלה, גופים סביבתיים משקיעים מאמצים גדולים בשמירה על כדור-הארץ ועל היצורים החיים בו, במזעור נזקים שנעשו בעבר ובשיקום מערכות פגועות.
כדי שמאמצי השימור והשיקום יניבו תוצאות ממשיות, יש צורך במידע מקיף ורחב בתחומים רבים הנוגעים לנושאי הסביבה. לכן, הרבה מדענים נרתמים לפעילות בנושאים האלה, ומבצעים מחקרים אקולוגיים רבים. המדענים מחפשים תשובות לשאלות רבות, ובהן לשאלות האלה:
- אילו אזורים בעולם מאופיינים במגוון מינים גדול במיוחד ולכן ראויים למאמצי שימור מוגברים?
- עד כמה קצב הפשרת הקרחונים בעולם מתגבר בימינו, ואיזו השפעה עלולה להיות לתהליך הזה?
- כיצד תשפיע בנייתו של כביש רחב המחבר בין שתי ערים גדולות על היצורים החיים בסביבתו?
- כיצד משפיעים שינויי האקלים על צמחי הבמבוק, שהם מקור המזון הבלעדי של דובי הפנדה?
- כיצד נשמר האיזון במערכת האקולוגית וכיצד אפשר להימנע מלהפר אותו?
בפרק הזה נעסוק בשאלות מהסוג הזה, נלמד על תהליכים השומרים על האיזון במערכות אקולוגיות ועל גורמים המפרים אותו. נכיר גם השלכות שונות, מזיקות ומיטיבות, של תהליכים הקשורים בנו, בני האדם, המשפיעים על הטבע.
(בספר שש תמונות - היעזר במנחה))
- גידול באוכלוסיית האדם
- כריתת יערות
- סופת טורנדו
- דובי פנדה בסכנת הכחדה
- הפשרת קרחונים
*277*
האם שמתם לב עד כמה העולם הסובב אותנו מגוון? לכל מקום שנפנה את מבטנו ברחבי הביוספרה, ליערות הגשם, למדבריות, למעמקי האוקיינוס או לקטבים, נגלה חברות עשירות ביצורים חיים ממינים שונים.
(ביוספרה - (ביו שווה חיים; ספרה שווה כדור) תחום בכדור-הארץ - ביבשה, בים ובאוויר - שיצורים חיים מתקיימים בו. את הביוספרה אנו מחלקים למערכות האקולוגיות המתקיימות בכדור-הארץ.)
(חברה - אוכלוסיות של יצורים ממינים שונים החיים בצוותא באותה מערכת אקולוגית.)
המגוון הגדול הקיים בעולם הטבע מכונה המגוון הביולוגי. זהו מושג רחב המתייחס לרבגוניות של החיים בכל רמות הארגון הביולוגיות.
(מגוון ביולוגי - (Biodiversity) מונח המתאר את מגוון צורות החיים על פני כדור-הארץ. :הוא כולל את מגוון המערכות :האקולוגיות, את מגוון המינים ואת המגוון הגנטי של יצורים מאותו המין.)
למגוון הביולוגי תורמים 3 מרכיבים עיקריים:
א. המגוון הגנטי (מגוון גנטי - מגוון התכונות התורשתיות המאפיינות פרטים שונים השייכים לאותו מין (species).)
הרבגוניות בתכונות התורשתיות של פרטים שונים המשתייכים לאותו מין (species) ואפילו לאותה האוכלוסייה במקום כלשהו.
(בספר תמונה)
מגוון גנטי של כלניות
ב. מגוון המינים (מגוון מינים - כל מיני היצורים החיים בשטח מסוים: הצמחים, בעלי-החיים, הפטריות וכל החד-תאיים השונים.)
כלל מיני היצורים החיים באותה מערכת אקולוגית.
(בספר תמונה)
מגוון המינים בשונית אלמוגים
ג. מגוון המערכות האקולוגיות (מערכת אקולוגית - מערכת הכוללת את כל מרכיבי הסביבה - היצורים החיים וגורמי הסביבה הדוממים - ואת כל יחסי הגומלין המתקיימים ביניהם, כלומר ההשפעות שלהם זה על זה.)
שלל המערכות האקולוגיות הנמצאות על פני כדור-הארץ ושונות זו מזו.
(בספר תמונה)
מגוון מערכות אקולוגיות
בפרק התורשה למדתם על הדרך שבה תכונות עוברות בתורשה מהורים לצאצאים ועל כך שהצאצאים של אותו זוג הורים אינם זהים, אלא נבדלים זה מזה לפחות בחלק מתכונותיהם. ואכן, לכל אחד מאתנו יש תכונות אופייניות המבדילות אותנו מאחרים: גובה, משקל, צבע עיניים, היכולת לעכל חומרים מסוימים, רגישות למחלות ועוד אינספור תכונות אחרות.
גם יצורים ממינים אחרים נבדלים זה מזה בתכונותיהם. לדוגמה, חתולים עשויים להיות שונים זה מזה בצבע הפרווה, בצבע העיניים, בקול שהם משמיעים ועוד. הבדלים בין פרטים קיימים אפילו באותה האוכלוסייה. לדוגמה, כל אחד מצמחי הסביון בגינה שליד הבית עשוי לגדול לגובה שונה, עמידותו למזיקים תהיה שונה מהסביונים האחרים, עוצמת החיבור של הזרע לציצת השערות (ל"מצנח") שלו יכולה להיות שונה, ועוד ועוד.
*278*
הבסיס למגוון הזה הוא השוני במטען התורשתי שנושא כל אחד מן הפרטים המשתייכים לאותו המין. אחד המנגנונים החשובים הגורם לשוני בחומר התורשתי (DNA) בין פרטים הוא היווצרות מוטציות ב-DNA, שרק חלקן הולכות ומתפשטות באוכלוסייה. היעדר האחידות בחומר התורשתי, ה-DNA, בין פרטים השייכים לאותו מין ביולוגי, יוצר את ההבדלים בין פרטים מאותו המין - את המגוון הגנטי. המגוון הגנטי מתבטא בכך שפרטים בני אותו מין אינם זהים זה לזה אפילו אם הם משתייכים לאותה אוכלוסייה. לשונות הזאת תורמות גם השפעות סביבתיות.
(בספר שתי תמונות - היעזר במנחה)
המגוון הגנטי בבני אדם הוא גדול במיוחד
מגוון גנטי בכלניות
המשמעות של מגוון גנטי גדול היא שיש שונות גנטית רבה בין פרטים בכל אוכלוסייה. כל פרט עשוי להיות שונה (מעט או הרבה) בתכונותיו מפרט אחר: יש גבוהים ויש נמוכים, יש שמותאמים לחיות באקלים חם יותר ויש שמותאמים לאקלים חם פחות, יש שעמידים למחלה מסוימת ויש כאלה שרגישים לה, ועוד.
החשיבות של ההבדלים בתכונות באה לידי ביטוי כאשר תנאי הסביבה משתנים, בעקבות שינויי אקלים, הופעת מזיקים או התפרצות מגפה.
מדוע ההבדלים חשובים דווקא כשהסביבה משתנה?
כל היצורים החיים מותאמים לתנאים בסביבת חייהם. ההתאמות מתפתחות באוכלוסיות היצורים במשך הדורות, כי פרט שאינו מותאם (אין לו תכונות המאפשרות לו לשרוד בתנאי הסביבה) לא יוכל לעמוד בתחרות מול הפרטים האחרים, המותאמים יותר. הוא יתקשה להשיג מזון, יתקשה להשיג בת/ בן זוג ולגדל צאצאים, ולכן התכונות שלו לא יעברו לדור הבא ולא יישמרו באוכלוסייה. רק התכונות של הפרטים המותאמים יותר לתנאי הסביבה נשמרות, כי הפרטים האלה הם שמצליחים להעמיד צאצאים שיורשים את תכונותיהם.
עם זאת, הפרטים באוכלוסייה אינם זהים, אלא שונים זה מזה בחלק מתכונותיהם. לכן כאשר חל שינוי בתנאי הסביבה, ייתכן שלמקצתם יש תכונות המקנות להם יתרון בתנאים החדשים. הפרטים המותאמים טוב יותר לתנאים החדשים יצליחו לשרוד ולהתרבות בסביבה שעברה שינוי, ולהעביר בתורשה לצאצאיהם את התכונות שהקנו להם יתרון. כלומר, השילוב של שינויים גנטיים אקראיים עם השפעה סביבתית גורם לתהליכים אבולוציוניים של בררה טבעית, ומסביר את המגוון הגנטי ואת מגוון המינים העצום על כדור-הארץ.
כאשר המגוון הגנטי באוכלוסייה קטן, יש חשש ששינוי בתנאי הסביבה יוביל להיכחדותה של האוכלוסייה.
לדוגמה, אוכלוסיית הפראים - חמורי בר הנמצאים בסכנת הכחדה עולמית בשל ציד מוגבר. בעבר הייתה אוכלוסיית פראים בארץ, אך הם נכחדו ונעלמו מנופי הארץ בשנות ה-20 של המאה הקודמת.
(בספר תמונה)
פראים בנגב
*279*
בשנת 1968 ערכה רשות הטבע והגנים מבצע להשבת הפראים לטבע. 11 פרטים הובאו ארצה מגני חיות בעולם, ויצרו גרעין רבייה בחי-בר שבערבה. לאחר שהתאקלמו בתנאי הארץ והתרבו, שוחררו הפראים בכמה אתרים בנגב ובערבה, וכיום יש כ-400 פרטים החיים בטבע.
מבצע הרבייה וההשבה לטבע נחשב להצלחה. אך למרות זאת, חוקרים ואנשי טבע רבים מודאגים מן המגוון הגנטי הקטן שמאפיין את אוכלוסיות הפראים בארץ. כל הפראים בנגב הם צאצאים של 11 פרטים שהובאו ארצה לפני יותר מ-40 שנה. ברור שהשונות הגנטית שלהם אינה גבוהה, לכן לא ידוע אם הם יוכלו לעמוד בשינוי בתנאי הסביבה, או מה תהיה עמידותם למחלות שונות שעלולות להתפרץ. מעקב מסודר ומחקרים מדעיים שנערכים בארץ מנסים לענות על השאלות האלה.
הברדלס (צ'יטה) הוא היונק היבשתי המהיר ביותר בטבע: במרדף אחר טרף הוא עשוי להגיע למהירות של 112 קמ"ש!
בעבר היה הברדלס נפוץ באזורים נרחבים במזרח התיכון (גם בישראל), באסיה ובאפריקה. אולם שינויים בתנאי הסביבה, ציד, צמצום שטחי מחיה והתמעטות הטרף הביאו לירידה במספר הברדלסים, והמין כולו נמצא בסכנת הכחדה. כיום נותרו אוכלוסיות ברדלסים באזורים אחדים באפריקה, מעט אוכלוסיות קטנות ומבודדות באיראן, ומספר קטן של ברדלסים בגני חיות בעולם.
בדיקה של המגוון הגנטי של אוכלוסיות הברדלסים בעולם, העלתה שהשוני בין הברדלסים קטן מאוד, כלומר כל הברדלסים דומים מאוד זה לזה בתכונותיהם התורשתיות. המגוון הגנטי של הברדלסים קטן בצורה משמעותית מהמגוון הגנטי הקיים במינים אחרים של יונקים. הגילוי הזה הדאיג מאוד חוקרים ואנשי טבע רבים, ובשנות ה-90 של המאה ה-20 הוקמה קרן עולמית להצלת הברדלס. הקרן הזאת פועלת לשימור המין ברחבי העולם ומממנת מחקרים גנטיים, התנהגותיים וסביבתיים על ברדלסים. אנשי הקרן פועלים באמצעות הסברה להפסקת ציד ברדלסים, ומשתפים פעולה עם החוואים החיים באזורי המחיה של הברדלסים באפריקה במטרה לשמר את אזורי המחיה של הברדלסים ולהביא לעלייה בכמות הברדלסים בטבע.
1. מדוע מספר הברדלסים בעולם התמעט?
2. מה קרה למגוון הגנטי של הברדלסים בעקבות הירידה במספרם? הסבירו מדוע.
3. "הגילוי הזה הדאיג מאוד חוקרים ואנשי טבע רבים". הסבירו מדוע. תנו דוגמה לתרחיש שבו הדמיון הרב בין הברדלסים עלול לסכן את אוכלוסיית הברדלסים כולה.
4. הסבירו כיצד, לדעתכם, תורמות פעולותיה של הקרן העולמית להצלת הברדלס להתמודדות עם בעיית המגוון הגנטי של הברדלסים.
(בספר תמונה)
ברדלס
*280*
מגוון המינים הוא כלל מיני היצורים החיים באזור מסוים. יש אזורים שבהם קל לספור את כמות המינים, ואילו באזורים אחרים אפשר רק להעריך את מגוון המינים.
האם אפשר לדעת מה מגוון המינים בכדור-הארץ כולו?
1. העריכו כמה מיני יצורים חיים מוכרים לכם: 10 מינים? 100 מינים? אולי 1,000 מינים או אפילו יותר? אל תשכחו לכלול את כל בעלי-החיים, הצמחים, הפטריות והחיידקים שאתם מכירים.
2. שערו כמה מיני יצורים חיים קיימים על פני כדור-הארץ.
3. חפשו מידע באינטרנט:
א. חפשו ברשת תשובות לשאלה כמה מינים קיימים על פני כדור-הארץ, וכתבו מה מצאתם.
ציינו בתשובתכם באילו אתרים מצאתם את המידע.
ב. האם ההערכות של מגוון המינים באתרים השונים זהות? הסבירו מדוע.
ג. האם המספרים שמצאתם נשארים קבועים במהלך הזמן? נמקו.
כפי שאולי כבר הבנתם, אי אפשר לדעת בדיוק כמה מינים של יצורים חיים קיימים על פני כדור-הארץ. אפילו מדענים החוקרים את מגוון המינים לא מכירים את כל המינים הקיימים, וביכולתם רק להעריך את מספר המינים הכללי בכדור-הארץ. כיום, זוהו ותועדו כ-1.8 מיליון מינים של יצורים חיים, אך כנראה שרוב היצורים החיים עדיין לא תועדו. חוקרים שונים מעריכים כי בעולם קיימים בין 7 מיליון ל-100 מיליון מינים שונים של יצורים חיים!
מגוון המערכות האקולוגיות על פני כדור-הארץ הוא אחד המרכיבים של המגוון הביולוגי כולו בכדור-הארץ.
כל מערכת אקולוגית כוללת מרכיבים א-ביוטיים*, הקובעים את תנאי הסביבה הפיזיים, מרכיבים ביוטיים* כלומר חברות היצורים החיים המאכלסות אותה, ואת הקשרים ויחסי הגומלין בין כל המרכיבים האלה. (מרכיבים א-ביוטיים - (ביוונית: a שווה לא; bios שווה חיים) כל החלקים הדוממים של הסביבה, ובכללם חומרים (סלעים, קרקעות, מים ואוויר), אנרגיה (חום ואור), והכוחות הפועלים בסביבה (רוח, גלי הים, זרימת מים בנחל וכדומה).
מרכיבים ביוטיים - (ביוונית: bios שווה חיים) כל היצורים החיים בסביבה: בעלי--החיים, הצמחים, הפטריות החיידקים ושאר היצורים החיים.). המגוון הגדול של המערכות האקולוגיות נובע משילובים שונים של מרכיבים א-ביוטיים ומרכיבים ביוטיים במערכת. בכל מערכת אקולוגית שוררים תנאי סביבה ייחודיים, ויש בה בעיות שהיצורים החיים צריכים להתמודד עמן כדי לשרוד. בהתאמה לכך, גם מיני הצמחים ובעלי-החיים האופייניים משתנים בכל מערכת, מפני שבכל מערכת אקולוגית שורדים ומתרבים מינים אחרים המותאמים לתנאים השוררים בה.
*281*
מגוון המערכות האקולוגיות בכדור-הארץ הוא עצום, ואפילו בישראל, ששטחה קטן ביחס למדינות רבות אחרות, קיים מגוון מרשים של מערכות אקולוגיות, ובהן שונית האלמוגים באילת, אגמון החולה ואפילו החורשה שמול הבית. מערכות אקולוגיות בארץ כמו המדבר, החורש, חוף הים, הנחל ועוד נחקרו לעומק על ידי אקולוגים. עם זאת, אולי תופתעו לגלות כי אפילו בארצנו הקטנה מתגלות מדי פעם מערכות אקולוגיות נוספות שלא היו מוכרות.
לפניכם מתוארת מערכת אקולוגית מעניינת שהתגלתה במקרה בישראל.
(בספר ארבע תמונות - היעזר במנחה)
- חוף הים
- חורש
- קרחונים בקוטב
- מדבר
בשנת 2006, באזור העיר רמלה, עסק דחפור בכרייה במחצבה לצורך הקמת מפעל לייצור מלט. במהלך העבודה נפער לפתע פתח בסלע, ומעברו האחר של הפתח נתגלתה מערה שהייתה נסתרת מהעולם במשך עידנים רבים.
חוקרים שהגיעו למקום החלו לחקור את המערה: את המבנה שלה, את התנאים השוררים בה ואת היצורים החיים המתקיימים בה.
החוקרים מצאו כי זוהי רשת מחילות באורך 2.7 ק"מ (המערה השלישית באורכה בארץ), הנמצאת בעומק של 100 מטרים מתחת לפני הקרקע. קרוב לפתח המערה יש אולם גדול ובו בריכה של מי-תהום מליחים (מים שבהם מומסים יותר מלחים ממים מתוקים, אך פחות מלחים ממי ים), הטמפרטורה שלהם 29 מעלות צלסיוס, והם מכילים גפרית.
התנאים המיוחדים ששררו במערה אפשרו התפתחות של מערכת אקולוגית עצמאית שאינה מבוססת על תהליך הפוטוסינתזה (רוב המערכות האקולוגיות על פני כדור-הארץ כן מבוססות על פוטוסינתזה). מכיוון שאור השמש לא חדר למערה הזאת במשך שנים רבות, היצורים החיים בה מתבססים על חיידקים מיוחדים החיים במי הבריכה ומותאמים לחיים בסביבה חשוכה. החיידקים האלה מנצלים תרכובות גפרית כמקור אנרגיה לבניית חומרים אורגניים (בתהליך הנקרא כימוסינתזה), והם דומים לחיידקים המתקיימים בסביבות חיים חשוכות אחרות על פני כדור-הארץ, כגון אזורים מיוחדים בקרקעית האוקיינוס. מן החיידקים ניזונים יצורים נוספים, וגם הם בתורם נאכלים על ידי טורפים במערה.
בשל תנאי הבידוד התפתחו במערה הזאת בעלי-חיים ייחודיים שאינם קיימים במקומות אחרים בעולם, ובהם מינים שלא היו מוכרים לפני כן, כגון סרטן מיוחד, חסר עיניים, מסוג סימית (סומא שווה עיוור). זהו סרטן לבן (חסר צבענים) שאורכו כ-5 ס"מ והוא ניזון מסרטנים קטנים יותר שחיים במערה. יש לו צבתות גדולות ו-3 זוגות מחושים המסייעים לו לתפקד בחושך מוחלט.
(בספר שתי תמונות)
- בריכת מי-התהום במערת איילון
- הסרטן העיוור סומית
*282*
1. מהם התנאים הא-ביוטיים הייחודיים המאפיינים את מערת איילון?
2. אילו תכונות ייחודיות של היצורים החיים במערת איילון מאפשרות להם לחיות בתנאי הסביבה המיוחדים השוררים במערה?
3. הציעו שאלת חקר המתאימה להמשך המחקר המתבצע במערת איילון.
4. בקטע המידע מוזכרת עוד מערכת אקולוגית אחת: קרקעית האוקיינוס. חפשו מידע על המערכת האקולוגית הזאת, וערכו השוואה של הדומה והשונה בין התנאים הא-ביוטיים במערת איילון לבין התנאים השוררים בקרקעית האוקיינוס.
5. מה תורם הגילוי של מערת איילון לחקר המגוון הביולוגי?
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום אקולוגיה. היכנסו אל הנושא מעוכות אקולוגיות, ובחרו ביחידת הלימוד מסע אל המדרג הביולוגי.
התבוננו ב-3 המערכות האקולוגיות וברמות הארגון שבכל מערכת, מרמת הביוספרה ועד רמת היצור החי (אורגניזם), וענו על השאלות שלפניכם.
1. מהי רמת הארגון הגבוהה ביותר שבה אפשר למצוא מגוון על פני כדור-הארץ?
2. בחרו באחת מחברות היצורים המופיעות ביחידת הלימוד וציינו דוגמאות למינים השונים המרכיבים אותה. הוסיפו עוד דוגמה אחת של מין אחר השייך לחברה הזאת ואינו מופיע ביחידת הלימוד.
3. האם אפשר למצוא מגוון בתוך רמת האוכלוסייה? נמקו ותנו דוגמאות.
4. מה תורם הפרט החי באוכלוסייה כלשהי למגוון הביולוגי?
*283*
המערכות האקולוגיות והתהליכים המתקיימים בהן משפיעים על האדם, ובלעדיהם לא היינו יכולים לחיות על כדור-הארץ. אנו מפיקים תועלות רבות מן הטבע ומכל מה שמצוי בו. התועלות האלה נקראות שירותי המערכת האקולוגית, ואפשר למיין אותן ל-4 קבוצות:
1. שירותי אספקה - משאבים שנמצאים בטבע, כגון מזון, מים, מינרלים, אנרגיה (כמו כוח הידרואלקטרי ונפט), וחומרי גלם לשימוש בחקלאות, ברפואה ובתעשייה.
2. שירותי ויסות - תועלות הנובעות מוויסות תהליכים טבעיים, כגון פירוק פסולת וטיהור מים ואוויר, שירותי האבקה של צמחים, ויסות אקלים, הדברה ביולוגית של מזיקים, הגנה מפני סחף קרקע ומניעת הצפות, וספיגה של מים ואגירתם.
3. שירותי בית גידול - תהליכים היוצרים מערכות אקולוגיות ותומכים במערכות הקיימות, כגון יצירת קרקעות, מחזורי חומרים, קיבוע פחמן (יצירת תרכובות פחמן אורגניות מתרכובות פחמן אי-אורגניות), שיפור פוריות הקרקע, העשרת האוויר בחמצן לנשימה, פיזור זרעים, יצירת מינים ושימור מגוון המינים.
4. שירותי תרבות - תועלות הקשורות בהשראה ובהנאה שאנו מפיקים מן הטבע, כגון בילוי בחיק הטבע, ספורט, אמנות, תרבות, ותגליות ופיתוחים טכנולוגיים המבוססים על הקיים בטבע או מחקים אותו.
(בספר ארבע תמונות – היעזר במנחה)
. שירותי אספקה - מזון מן הטבע
2. שירותי ויסות - פירוק ומחזור על ידי פטריות
3. שירותי בית גידול - העשרת האוויר בחמצן
4. שירותי תרבות - בילוי בטבע
האדם הוא היצור החי בעל ההשפעה הגדולה ביותר על כדור-הארץ. הוא בונה בניינים, סולל כבישים, מגדל צמחים ובעלי-חיים, כורת יערות, מקים סכרים ומשנה לבלי היכר את הסביבה שבה הוא חי. בפעולות אלה ואחרות, האדם מזהם את הסביבה וגם גורם לשינויים מרחיקי לכת במגוון הגנטי, במגוון המינים ובמגוון המערכות האקולוגיות הקיימות. חלק נכבד מן השינויים האלה פוגע במגוון הביולוגי ברמות השונות ומסכן אותו.
למגוון הביולוגי יש חשיבות גדולה לחיינו ולעתיד כדור-הארץ. אנו תלויים בעולם הטבע לצורכי קיום כגון אספקת חמצן ומזון, אנו נסמכים עליו למחקר ולפיתוח בתחום הרפואה, אנו זקוקים לשירותי האבקת צמחים שהחרקים מספקים, אנו מייצרים מוצרים רבים מחומרים טבעיים, אנו נהנים לצאת ולבלות בחיק הטבע, ועוד ועוד.
אך למרות ההכרה בחשיבותו הרבה של המגוון הביולוגי ושל השירותים הרבים שהמערכות האקולוגיות מספקות לאדם, פעילויות רבות של האדם הן גורם מרכזי בירידה החדה שחלה במגוון הביולוגי בתקופתנו. חוקרים מעריכים כי אם לא יינקטו צעדים משמעותיים, קצב ההכחדה יגבר, ועד סוף המאה הנוכחית צפויים להיכחד כמחצית ממיני היצורים על פני כדור-הארץ! חשוב להבין שהכחדת מינים היא תופעה בלתי הפיכה. מין שלא נשארו נציגים חיים שלו לא יוכל להיווצר בטבע מחדש, וההשלכות של הכחדת מינים עלולות להיות הרות אסון.
אם כן, שמירה על המגוון הביולוגי היא אחד האתגרים הגדולים העומדים בפני האדם במאה הנוכחית.
"בשעה שברא הקב"ה את האדם הראשון נטלו והחזירו על כל אילני גן העדן ואמר לו: ראה מעשיי, כמה נאים ומשובחים הם, וכל מה שבראתי - בשבילך בראתי. תן דעתך שלא תקלקל ותחריב עולמי, :שאם תקלקל - אין מי שיתקן אחריך."
(קהלת רבה ז, כח)
*284*
לפניכם קטעי מידע שיש להם קשר למגוון הביולוגי ולחשיבותו. קראו את קטעי המידע וענו על השאלות שאחריהם.
כאשר אחד מכלי הדם של הלב נסתם, זרימת הדם לאזור שריר הלב נחסמת. כתוצאה מכך אספקת החמצן לתאי שריר הלב באזור הזה נפגעת, והתאים אינם יכולים להתכווץ ולהשתתף בפעימות הלב. מצב כזה מכונה התקף לב. האזור שנפגע הופך לצלקת, שהיא דקה וחלשה יותר מרקמת הלב שלא נפגעה. בתגובה לכך, שאר תאי שריר הלב עובדים קשה יותר בהתכווצות ובהזרמת דם לגוף, והדבר עלול לגרום להפרעות בקצב הלב ואפילו להתקפי לב נוספים.
חברה ישראלית מצאה שחומר המופק ממין מסוים של אצות מסייע לריפוי האזור שנפגע בשריר הלב. ניסויים ראשוניים הראו שהזרקת החומר ללב פגוע של בעלי-חיים גרמה לתאי לב מאזורים סמוכים להתמקם באזור הפגוע ולהתרבות בו. בחברה מקווים שלאחר כל הבדיקות הנדרשות, החומר הזה יוכל להציל אנשים שנמצאים בסכנה לאחר שעברו התקף לב. ייתכן שעוד חומרים חשובים נמצאים גם במינים אחרים של אצות.
בעבר היה נהוג שכמעט כל משפחה גידלה לצריכה עצמית בחצר ביתה מעט ירקות, כמה עצי פרי וכמה בעלי-חיים. כיום, בעידן החקלאות המודרנית, אפשר להבחין בשדות נרחבים של חיטה או של תירס, במטעי פרי ובכרמי ענבים שמכסים שטחים גדולים. חקלאות מהסוג הזה נקראת מונוקולטורה ויש לה כמה יתרונות בולטים בעולם המודרני: אפשר לגדל כמות גדולה של מזון בעלות נמוכה יחסית, אפשר להשתמש בטרקטורים ובמכונות חקלאיות אחרות המתאימות לעיבוד שטחים נרחבים, ואפשר לדשן, להשקות ולקטוף יבול בשטח גדול בצורה יעילה.
עם זאת, לשיטת המונוקולטורה יש גם כמה חסרונות בולטים: (א) הכשרת השטחים הגדולים לחקלאות גורמת לעתים קרובות להרס של אזורי טבע: לשריפתם, לכריתתם ולחרישתם; (ב) גידולים אחידים לאורך זמן מחייבים שימוש בכמויות גדולות של חומרי דשן ושל חומרי הדברה נגד התפתחות מזיקים, והחומרים האלה מזהמים את הסביבה; (ג) הגידולים הם בעלי מגוון גנטי קטן ולכן רגישים במיוחד לגורמי נזק, כמו תנאי מזג האוויר, מחלות וכדומה.
(בספר תמונה)
שדה חיטה
לפניכם תיאור של שני מקרים המדגימים את הבעייתיות בשיטה הזאת.
*285*
תפוחי האדמה באירלנד: במאה ה-17 החלו לגדל תפוחי אדמה באירלנד. תפוחי אדמה הם משביעים ומזינים, וגם כמות מעטה יכולה לספק צרכים תזונתיים של משפחה שלמה. הקרקע באירלנד התאימה לגידול הזה, ובהשקעה מועטה נהנו האירים מתפוחי אדמה שנה אחר שנה. בתוך שנים מעטות הפך תפוח האדמה למקור המזון העיקרי באירלנד.
בשנת 1845 התפשטה בשדות אירלנד מחלת כימשון שהשמידה את רוב יבולי תפוחי האדמה, והתוצאה: כחצי מיליון אנשים מתו ברעב, רבים נותרו חסרי כול, ויותר ממיליון אנשים היגרו מאירלנד לארצות אחרות.
כרמי גפנים באירופה: היין הוא משקה בעל חשיבות תרבותית וכלכלית גדולה. שטחים נרחבים באירופה מכוסים בכרמים גדולים שבהם גדלים ענבים לייצור יין. בסוף המאה ה-19 נפגעו הגפנים באירופה, ובעיקר בצרפת, מחרק קטנטן שנקרא פילוקסרה. החרק פגע בשורשי הגפנים ובעלים שלהם, הפריש רעלים, והרס את הגפנים כליל. בתוך זמן קצר הושמדו כמעט כל הכרמים באירופה, והחקלאים היו אובדי עצות. רק לאחר שנמצא בארצות הברית זן גפנים עמיד לחרק הזה, הוא הובא לאירופה והחליף את הגפנים שחוסלו במגפה. בהמשך הכליאו מגדלי הגפנים את הזן העמיד עם גפנים אירופאים, והתקבלו זנים בעלי מגוון תכונות.
(בספר תמונה)
כרם גפנים
1. על פי קטעי המידע, הסבירו מדוע חשוב לשמור על המגוון הביולוגי.
2. ערכו השוואה בין המקרה של תפוחי האדמה באירלנד לבין המקרה של הגפנים באירופה. התייחסו למאפיינים רבים ככל האפשר: התקופה המדוברת, הגידול, הגורם המזיק, התוצאות ועוד. תוכלו להיעזר בטבלת השוואה.
3. האם נמצא פתרון למגפה שתקפה את תפוחי האדמה? הסבירו מדוע.
4. א. מהו הפתרון שנמצא לגפנים שנפגעו במגפה?
ב. מה דעתכם על הפתרון הזה? האם הוא מונע את הסיכון שהכרמים יושמדו בעתיד? הסבירו.
5. לפי דעתכם, מה כדאי למשרד החקלאות לעשות כדי להבטיח שהיבולים בישראל לא ייהרסו ממגפה או מחרק חדש?
*286*
יש עדויות על כך שבמשך כל ההיסטוריה של החיים על פני כדור-הארץ נוצרו מינים חדשים של יצורים, ובו בזמן מינים אחרים נכחדו. התהליכים האלה מתרחשים כל הזמן בקצב אטי, ומושפעים בעיקר משינויים בתנאי הסביבה. נוסף על כך, יש עדויות לאירועי הכחדה המוניים שאירעו בעבר הרחוק, כנראה בעקבות שינויים קיצוניים שהתרחשו בכדור-הארץ. באירועים האלה מספר המינים על פני כדור-הארץ צנח באופן דרמטי. אירוע ההכחדה ההמוני האחרון התרחש לפני עידנים רבים ונכחדו בו כ-50 אחוז ממיני היצורים על פני כדור-הארץ, ובהם גם הדינוזאורים.
בימינו מתרחשת הכחדה המונית נוספת והגורמים לה הם בני האדם. בעקבות הגידול החד באוכלוסיית האדם והעלייה בצריכה וברמת החיים שלו, הולכות ומצטברות השפעות של האדם על הסביבה בכלל, על האקלים בפרט, ועל המגוון הביולוגי בכדור-הארץ. הזרמת שפכים למקווי מים, לדוגמה, פוגעת באיכות המים ובכל היצורים החיים התלויים במקווי המים האלה למחייתם. כריתת יערות משמידה לא רק את עצי היער, אלא גם מצמצמת את שטח המחיה של יצורים רבים שהיער הוא סביבת חייהם הטבעית.
קצב הכחדת המינים כיום הוא המהיר ביותר מאז תום עידן הדינוזאורים, והוא מהיר פי 1,000 ויותר מקצב הכחדת המינים הרגילה והטבעית. המצב החמור הזה, שבו המגוון הביולוגי על מרכיביו השונים הולך ומצטמצם, מכונה משבר המגוון הביולוגי.
(בספר שלוש תמונות)
- הטיגריס בסכנת הכחדה
- דב הקוטב בסכנת הכחדה
- שחזור של הנוף בתקופת הדינוזאורים
*287*
כיצד אפשר לצמצם את הפגיעה במגוון הביולוגי?
בישראל וגם ובארצות אחרות קמים גופים רבים המנסים לצמצם את הפגיעה וההרס שזורע האדם בסביבה. הפעולות מתבצעות ברמות שונות - הפרט, החברה, המדינה, וכן ברמה בינלאומית. כל הפעולות הללו מיועדות למען מטרה אחת משותפת: שמירה על המגוון הביולוגי תוך כדי פיתוח בר-קיימה. (פיתוח בר-קיימה - (בר-קיימא) פיתוח וניצול של משאבים בקצב המאפשר לתהליכים טבעיים לחדש את מה שנוצל, ושומר על המערכת האקולוגית.)
חפשו באינטרנט מידע על אחת המערכות האקולוגיות או על אחד מבתי הגידול בארץ הנמצאים בסכנת הכחדה.
1. כתבו היכן מצאתם את המידע: באיזה אתר?
2. תארו את המערכת האקולוגית שבחרתם:
א. מהם התנאים הא-ביוטיים השוררים בה?
ב. אילו יצורים חיים בה?
ג. מדוע המערכת האקולוגית הזאת נמצאת בסכנה?
3. אילו שירותי מערכת עלולים להיפגע בגלל הפגיעה במערכת האקולוגית שבחרתם?
4. הציעו דרכים לצמצום הפגיעה במערכת האקולוגית שבחרתם, והסבירו כיצד כל אחת מהדרכים הללו מסייעת לשמור עליו.
המידע שאספתם קשור לשתי תובנות חשובות המתעצמות בעשרות השנים האחרונות:
1. ההכרה ההולכת וגוברת בחשיבות השמירה על המגוון הביולוגי.
2. ההבנה כי החברה האנושית ממשיכה לגדול, להתפתח ולצרוך משאבי טבע כל העת.
הצורך לפתור את הניגוד הקיים בין שתי התובנות הללו, הוביל למציאת דרך חיים המבוססת על עקרונות קיימות, באופן המאפשר להתקיים לאורך זמן תוך כדי שמירה על הקיים עבור הדורות הבאים. עקרונות הקיימות הם אוסף פתרונות ליישוב הסתירה שבין שמירה על הטבע ועל משאביו לבין המשך הפיתוח.
(קיימות - היכולת לספק את צורכי אוכלוסיית האדם בעולם בהווה, בלי לפגוע ביכולתם של הדורות הבאים לספק את צורכיהם.)
*288*
לפניכם כמה עקרונות של חיים בדרך הקיימות:
- בנייה ירוקה - תכנון ובנייה של מבנים חסכוניים בניצול אנרגיה, מים וחומרי גלם. בבתים האלה יש מנגנונים לניצול רב של אנרגיית השמש ולשימוש חוזר במים. בנייתם נעשית מחומרים טבעיים שאינם משאבים מתכלים או מזהמים. (משאבים מתכלים - משאבים שקצב התחדשותם אטי (לרוב מיליוני שנים) מקצב צריכתם. בבנייה ירוקה השימוש במשאבים האלה מצטמצם.)
(חומרים מתכלים - חומרים שמתפרקים בתהליכים טבעיים. בבנייה ירוקה ובפיתוח בר-קיימה משתדלים להגדיל את השימוש בחומרים האלה, וכך לצמצם את כמות הפסולת.)
- חקלאות בת-קיימה - חקלאות השומרת על פוריות הקרקע, נמנעת משימוש בחומרי הדברה ובדשנים כימיים המזהמים את הקרקע ואת מקורות המים, ושומרת על מגוון המינים.
- תחבורה בת-קיימה - מערך תחבורה המצמצם את השימוש בדלק ובכך מצמצם גם את זיהום האוויר. המערך הזה מתבסס על תחבורה ציבורית יעילה וזמינה, ומעודד שימוש בכלי רכב שאינם מזהמים, כגון אופניים.
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
- בנייה ירוקה
חקלאות בת-קיימה, ללא חומרי הדברה
- תחבורה בת-קיימה, כגון אופניים
מטרת הפעילות: להציע תכניות פעולה להקטנת הפגיעה במשאבי כדור-הארץ.
מהלך הפעילות:
א. חפשו באינטרנט מידע בנושאי קיימות בתחומים כגון בנייה, חקלאות, תחבורה, איכות הסביבה וכדומה.
ב. הכינו רשימה של פעולות שיכולות להקטין את הפגיעה בכדור-הארץ. כללו ברשימה פעולות שהן:
- פעולות אישיות או משפחתיות
- פעולות בבית הספר שלכם
- פעולות בשכונה או ביישוב שלכם
ג. הכינו תוצר מסכם על הנושא (כרזה, מצגת, סרטון וכדומה) והציגו אותו במקום מתאים בבית הספר.
*289*
כיום ברור לכולם כי אם אנחנו וצאצאינו רוצים להמשיך ליהנות מהשירותים החשובים שהטבע מספק לנו, אנחנו חייבים לשמור על עקרונות הקימות בפיתוח משאבי הטבע ובצריכתם.
האם באמת חשוב לשמר את כל הטבע?
לכמה טבע אנחנו זקוקים?
כדי לענות על השאלות האלה, נקבע מדד שנקרא טביעת רגל אקולוגית. המדד הזה מאפשר להעריך את גודל השטח הנדרש לקיומם של בני האדם. (טביעת רגל אקולוגית - מונח המתאר את מידת הניצול של משאבי כדור-הארץ על ידי האדם, באמצעות חישוב השטח הנחוץ לסיפוק כל הצרכים של בני האדם.)
מדד זה מאפשר לאמוד את טביעת הרגל האקולוגית של אדם אחד, של קהילה שלמה, של מדינה ואפילו של האנושות כולה. טביעת הרגל האקולוגית כוללת את שטחי האדמה הנחוצים לנו, בני האדם, לסיפוק כל צורכי הקיום ולקליטת תוצרי הלוואי של פעילותנו, והיא מבוטאת בשטח הנדרש לחידוש המשאבים הדרושים לנו ולסילוק הפסולת והזיהום שאנו מייצרים. בחישוב השטח הזה נכללים:
- השטח הבנוי שאנחנו משתמשים בו לדיור, לתחבורה, לתעשייה וכדומה.
- שטחי היער הנדרשים כדי לקלוט מחדש את הפחמן הנפלט בעקבות פעילות האדם (שריפת דלק, גידול בעלי חיים וכדומה).
- שטחי היער, שטחי המדגה, שטחי המרעה ושטחי החקלאות הנדרשים כדי לגדל את האוכל ואת שאר המוצרים שאנחנו אוכלים וצורכים.
- השטח הנחוץ לסילוק הפסולת שאנחנו מייצרים ולטיהורה.
(בספר ארבע תמונות - היעזר במנחה)
- שטח בנוי המשמש לדיור
- שטח יער המשמש כריאה ירוקה
- שטחי חקלאות לייצור מזון
- פסולת שצריך לטהר
*290*
מטרת הפעילות: למצוא מידע על טביעות הרגל האקולוגיות של מדינות שונות בעולם.
שערו: לאילו גורמים יש השפעה רבה על היקף טביעת הרגל האקולוגית של המדינה (גודל האוכלוסייה, שטח המדינה, מספר כלי הרכב בה וכדומה)?
מהלך הפעילות:
א. חפשו באינטרנט מידע על היקף טביעת הרגל האקולוגית של 5 מדינות שונות, כל אחת מהן ביבשת אחרת (אפריקה, אירופה, אסיה, אוסטרליה ואמריקה). חפשו את המידע הזה גם על ישראל ועל אחת משכנותיה, וכן את טביעת הרגל האקולוגית הממוצעת של כל הארצות בכדור-הארץ יחד.
ב. מהו שטחה של כל אחת מהארצות שבדקתם? מה גודל האוכלוסייה בה?
(בספר מפה - היעזר במנחה)
טביעת הרגל האקולוגית של מדינות שונות בעולם.
ככל שהצבע כהה יותר, טביעת הרגל האקולוגית גדולה יותר
א. האם יש קשר בין טביעות הרגל האקולוגיות של המדינות שבדקתם לבין השטח שלהן? הסבירו מדוע.
ב. האם יש קשר בין טביעות הרגל האקולוגיות של המדינות שבדקתם לבין גודל האוכלוסייה בהן? הסבירו מדוע.
ג. האם יש קשר בין טביעות הרגל האקולוגיות של המדינות שבדקתם לבין רמת החיים בהן (מצב כלכלי, רמת שירותי הבריאות, מידת פיתוח התעשייה וכדומה)? הסבירו מדוע.
ד. נסחו מסקנה הנוגעת לגורם (אחד או יותר) המשפיע על גודלן של טביעות הרגל האקולוגיות של המדינות השונות.
חוקרים חישבו ומצאו שכיום טביעת הרגל האקולוגית של כלל תושבי כדור-הארץ גדולה פי 3 משטחו של כדור-הארץ.
מה המשמעות של הנתון הזה מבחינת היכולת להשיג את כל צרכיה של האוכלוסייה האנושית בכדור-הארץ? הסבירו.
*291*
- על פני כדור-הארץ קיים מגוון ביולוגי עשיר המתבטא בכל הרמות: במערכות האקולוגיות, במגוון המינים ובמגוון הגנטי.
- למגוון גנטי גדול יש חשיבות רבה להמשך קיום המינים, במיוחד כאשר מין מסוים נמצא בסכנת הכחדה בשל שינוי בתנאי הסביבה או בגלל מזיק או מחלה שתוקפים אותו.
- בימינו, פעולות האדם גורמות להכחדה המונית של יצורים חיים, והמגוון הביולוגי, על מרכיביו השונים, הולך ומצטמצם. התופעה הזאת מכונה משבר המגוון הביולוגי, והיא מסכנת את יכולתנו להתקיים על פני כדור-הארץ. למרות ההכרה בחשיבותו של המגוון הביולוגי המספק לאדם שירותי מערכת רבים, אנחנו עדיין ממשיכים לפגוע בסביבה.
- בתקופתנו, השמירה על המגוון הביולוגי היא אחד מהאתגרים הגדולים העומדים בפני האדם. הדבר יכול להיעשות באמצעות הקניה של דרך חיים המבוססת על עקרונות הקיימות. דרך חיים כזאת תאפשר להמשיך את פיתוח הסביבה לאורך זמן, תוך כדי שמירה על הטבע ועל משאביו עבור הדורות הבאים.
המערכות האקולוגיות השונות בכדור-הארץ הן חלק מן המגוון הביולוגי. כל מערכת אקולוגית מתאפיינת לפי תנאי הסביבה השוררים בה, היצורים החיים בה, וכן לפי יחסי הגומלין והתהליכים המתרחשים בה: הקוטב שונה מיער הגשם, וחוף הים נבדל מן המדבר.
בכל מערכת אקולוגית חיים מינים רבים שמהווים זה את מזונו של זה ויוצרים מארג מזון מורכב. ראו לדוגמה את מארג המזון המופיע בעמוד 294.
(מארג מזון - ייצוג של כל שרשרות המזון המשתלבות זו בזו במערכת אקולוגית: מכלול קשרי ההזנה ומעברי האנרגיה במערכת.)
כל יצור חי משתייך לאחת מרמות ההזנה השונות: היצרנים מייצרים חומר אורגני מחומרים אי-אורגניים, והם החוליה הראשונה בכל השרשרות ומארגי המזון בטבע. בשאר החוליות יש צרכנים הצורכים חומרים אורגניים, לרוב באמצעות אכילת יצורים חיים אחרים, והם נחלקים לצרכנים ראשוניים (צמחוניים), ולצרכנים משניים (טורפים וטורפי על).
(רמת הזנה - מייצגת את מיקומו של יצור חי בשרשרת המזון, וכוללת את כל היצורים במארג המזון הניזונים באותה דרך (היצרנים מרכיבים את רמת ההזנה הראשונה, ואחריה נמצאות רמות הצמחוניים, הטורפים וטורפי העל).)
מרכיב חשוב נוסף במערכות אקולוגיות הם המפרקים - בעיקר חיידקים ופטריות - הניזונים מפירוק שרידים או מפירוק הפרשות של יצורים חיים אחרים. התוצרים של תהליכי הפירוק של החומרים האורגניים האלה הם חומרים אי-אורגניים, שמוחזרים אל הסביבה (לאדמה, לאוויר או למים) וזמינים לשימוש חוזר של היצרנים במערכת.
(מפרקים - יצורים שמפיקים חומרים ואנרגיה מפירוק שרידים של יצורים מתים או מהפרשות של אחרים. למשל: מינים רבים של פטריות ושל חיידקים.)
בתהליכים שבהם מתפרקים בתאים חומרים אורגניים (מהמזון) ונוצרות תרכובות אחרות, נפלטת אנרגיה כימית. לכן, כאשר יצור אחד אוכל יצור אחר, עוברים אל גופו לא רק חומרים אלא גם אנרגיה. אם כן, יש קשר הדוק בין מעברי החומרים לבין מעברי האנרגיה במערכות אקולוגיות. כיוון החצים במארגי המזון מסמל את כיוון מעבר החומרים והאנרגיה במערכת. כלומר, כל חץ מורה על מעבר של חומרים ואנרגיה מהנאכל (מקור המזון והאנרגיה) לכיוון מי שאוכל את המזון.
*292*
דרך אחרת לתיאור הקשרים בין החוליות השונות במארג המזון, המבטאת גם את כמות היצורים (את הביומסה) ואת כמות האנרגיה שבמערכת, היא פירמידה אקולוגית.
(ביומסה - המסה הכוללת של החומר האורגני ביצורים החיים בשטח מוגדר. אפשר למדוד ביומסה ביחידות של גרם חומר למטר מרובע.)
(פירמידה אקולוגית - ייצוג גרפי המתאר את היחסים הכמותיים (המסה) של היצורים ברמות ההזנה השונות במארג המזון.)
כל קומה בפירמידה מייצגת רמת הזנה: בבסיס הפירמידה נמצאים היצרנים, מעליהם הצמחוניים, ומעליהם הטורפים וטורפי העל.
הפירמידה האקולוגית מתארת מצב שבו כמות גדולה מאוד של צמחים מספקים מזון לכמות קטנה יותר של אוכלי עשב, והם מספקים מזון לכמות קטנה עוד יותר של טורפים.
הפירמידה בנויה מכמה רמות, וכל רמה כוללת את כל היצורים הנכללים באותה רמת הזנה. הגודל (השטח) של רמה מסוימת מייצג את הביומסה שבה, כלומר את הכמות הכוללת של החומר החי (גרם למ"ר או טון לקמ"ר). לכן פירמידה אקולוגית כזאת נקראת גם בשם פירמידת ביומסה.
(בספר פירמידה - היעזר במנחה)
פירמידה אקולוגית ובה 4 רמות הזנה
*293*
מדוע מתקבלת צורת פירמידה שבסיסה רחב וקדקודה צר?
בעלי-חיים צמחוניים מעכלים רק חלק מהמזון שהם אוכלים והוא זה שבונה את גופם ומעלה את משקלם. יש חומרים שאינם מתעכלים ולכן מופרשים מגופם, ויש חומרים שמתפרקים בתהליכי הנשימה התאית תוך כדי פליטת אנרגיה. האנרגיה הזאת משמשת לפעילות הגוף ולתנועה, וחלק ממנה נפלט לסביבה כחום. בסופו של דבר, רק החומר שנשאר בגופם של בעלי-החיים הצמחוניים וששימש לבניית הגוף עובר כמזון לרמה הבאה. תהליך כזה מתרחש במעבר מכל רמה אל הרמה הבאה אחריה, וכך נוצר מצב שכמות החומר החי קטנה מרמה לרמה. נוסף על כך, לא כל מקורות המזון מנוצלים במלואם. חלק ניכר מהצמחים ומהיצורים האחרים שבכל רמה מתים ומפורקים, ואינם נאכלים על ידי היצורים ברמה שמעליהם.
אם כן, בכל רמה מתרחש איבוד של החומר החי שאינו עובר במעלה הפירמידה. רק חלק מן החומרים ומן האנרגיה - אלה שלא נפלטו בצורת חום, שלא הופרשו או שלא התפרקו - עוברים לרמה גבוהה יותר בפירמידה, והם הולכים ומתמעטים מרמה לרמה. החומרים שאינם עוברים מרמה לרמה בפירמידה משמשים מזון למפרקים שבסביבה.
היכנסו אל אתר הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום אקולוגיה. היכנסו אל הנושא מערכות אקולוגיות, ובחרו ביחידת הלימוד פירמידות מזון אקולוגיות.
א. הפעילו את ההדמיה ועקבו אחר שלבי בניית הפירמידה. שימו לב לחצים השונים ולכיוונם.
ב. מה מסמלים החצים השונים בפירמידה האקולוגית? האם הם מתארים חלק מתהליכי מחזור במערכת האקולוגית? הסבירו.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
*294*
לפניכם דוגמה למארג מזון המתקיים במערכת האקולוגית בריכת חורף.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
1. התבוננו במארג המזון ומיינו את היצורים הנכללים בו לרמות ההזנה השונות: יצרנים, צרכנים ראשוניים, צרכנים משניים וטורפי על.
2. לפניכם נתונים על הביומסה הכוללת של היצורים בכל אחת מרמות ההזנה השונות בבריכת החורף. לאיזו רמת הזנה שייכים היצורים שהם רוב הביומסה בבריכת החורף הזאת?
רמת הזנה, ביומסה (גרם למ"ר) |
יצרנים, 1,680 |
צמחוניים, 240 |
טורפים, 26 |
טורפי על, 3 |
א. כתבו בתוך כל מלבן (המייצג קומה בפירמידה) את שמות היצורים הנכללים בו ואת הביומסה שלהם.
ב. הקפידו שהשטח בכל קומה בפירמידה ייצג את כמות הביומסה ברמה הזאת ביחס לרמות האחרות.
ג. כתבו ליד כל מלבן את שם רמת ההזנה שהוא מייצג.
4. מה כיוון מעבר החומרים (והאנרגיה) בפירמידה האקולוגית? הסבירו.
5. מה אפשר להסיק מצורת הפירמידה על כמויות החומרים והאנרגיה העוברים מרמה לרמה בפירמידה האקולוגית? הסבירו.
6. אילו יצורים חסרים בתיאור קשרי ההזנה בבריכת החורף? היכן תמקמו אותם בפירמידה האקולוגית שהכנתם?
*295*
במעבר מרמת הזנה אחת לרמת הזנה גבוהה יותר במערכת האקולוגית, החומרים הולכים ומתמעטים כי רק חלק מהחומרים שבכל רמה עוברים לרמה הבאה. החומרים שאינם עוברים לרמה הבאה (הפרשות, שרידים של יצורים שמתו ועוד) אינם נעלמים אלא מפורקים על ידי המפרקים. תוצרי הפירוק הם חומרים אי-אורגניים שמוחזרים אל הסביבה (האדמה, האוויר או המים) וזמינים לשימוש חוזר על ידי היצורים החיים.
כלומר במערכות אקולוגיות קיים מחזור של חומרים.
העובדה שכל היצורים החיים זקוקים לאותם חומרים לצורך קיומם, מאפשרת ניצול של חומרים בסיסיים דומים בכל המערכות האקולוגיות.
החומרים שהיצורים החיים זקוקים להם מרוכזים בטבע ב-4 מאגרים גדולים:
א. אטמוספרה - בתערובת הגזים המקיפים את כדור-הארץ. (אטמוספרה - (אטמו שווה אד; ספרה שווה כדור) שכבת הגזים העוטפת את כדור-הארץ.)
ב. הידרוספרה - מומסים במים על פני כדור – הארץ: באוקיינסים, בימים, באגמים, בנהרות, בנחלים ובמעיינות. (הידרוספרה - (הידרו שווה מים: ספרה שווה כדור) תחום בכדור-הארץ שמורכב מכלל גופי המים, אוקיינוסים, ימים, אגמים, נהרות, נחלים ומעיינות.)
ג. גאוספרה - בקרקעות ובסלעים המרכיבים את פני כדור-הארץ. (גאוספרה - (גאו שווה קרקע, אדמה; ספרה שווה כדור) תחום בכדור-הארץ שמורכב מכלל הקרקעות והסלעים המרכיבים את כדור-הארץ.)
ד. ביוספרה - בגופם של היצורים החיים המאכלסים את כדור-הארץ, ביבשה בים ובאוויר. (ביוספרה - (ביו שווה חיים; ספרה שווה כדור) תחום בכדור-הארץ - ביבשה, בים ובאוויר - שיצורים חיים מתקיימים בו. את הביוספרה אנו מחלקים למערכות האקולוגיות המתקיימות בכדור-הארץ.)
כפי שמנוסח בחוק שימור המסה, חומר אינו יכול להיווצר יש מאין או להיעלם. אם כך, מה קורה למשל לחמצן שהצמח פולט בתהליך הפוטוסינתזה? ומה קורה לפחמן הדו-חמצני הנפלט מנשימתו של דג במים?
החומרים האלה, כמו שאר החומרים בטבע, עוברים בתהליכים שונים ממאגר למאגר או ממקום למקום בתוך מאגר אחד. כל חומר מעורב בתהליכים מסוימים, והם שיוצרים את המסלול שהוא עשוי לעבור בו. אם עוקבים אחר תנועה של חומר כלשהו בטבע, אפשר לזהות את התהליכים ואת המסלולים שהוא עובר ממאגר למאגר.
למעברי החומרים האלה אנו קוראים מחזורי החומרים בטבע.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
*296*
הפחמן (C) הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע. תרכובות של פחמן נמצאות באוויר ובקרקע, מומסות במים, והן המרכיב העיקרי בגופם של כל היצורים החיים.
אפשר לחלק את תרכובות הפחמן בטבע לשתי קבוצות:
א. תרכובות פחמן אורגניות - חומרים המרכיבים את היצורים החיים, וכן נפט, פחם וגז טבעי שנוצרו משאריות של יצורים שחיו בעידנים קודמים.
ב. תרכובות פחמן אי-אורגניות - כגון פחמן דו-חמצני, שרובו מומס במי האוקיינוס ומיעוטו נמצא באוויר, וכן תרכובות פחמן שבונות חלק מסלעי הקרקע (מינרלים).
כלומר, תרכובות הפחמן נמצאות גם בתוך גופם של היצורים וגם מחוץ לגופם, בסביבה הדוממת.
מחזור הפחמן בטבע הוא אחד ממחזורי החומרים בטבע, והוא דוגמה למעברים של חומרים (אי-אורגניים ואורגניים) בין המאגרים השונים שבכדור-הארץ. (מחזור הפחמן בטבע - כלל השינויים בתרכובות הפחמן, מפחמן אי-אורגני לפחמן אורגני וחזרה, והמעברים של תרכובות הפחמן ממקום למקום בטבע.)
לפניכם תיאור של מחזור הפחמן בטבע. שימו לב לכמויות הפחמן שבמאגרים השונים, וזהו את התהליכים העיקריים המעורבים במחזור הזה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
מחזור הפחמן בטבע
*297*
1. ציינו שמות של 10 חומרים הבנויים מאטומים של פחמן.
2. מיינו את החומרים האלה על פי המאגרים שבהם אפשר למצוא אותם בטבע.
אילו יכולתם לעקוב אחר אטום פחמן כלשהו, הייתם מגלים שלעתים הוא נשאר זמן ממושך באותו מאגר (באטמוספרה, בהידרוספרה, בגאוספרה או בביוספרה), ולעתים הוא עובר ומתגלגל בין המאגרים כחלק מן החומרים המשתתפים בתהליכים השונים שבמחזור הפחמן.
חוקרים מעריכים כי אטום פחמן שנפלט לאטמוספרה יישאר בה כ-5 שנים בממוצע לפני שיעבור למאגר אחר. אטום פחמן שנמצא בצמח יבשה כלשהו צפוי להישאר בו כ-10 שנים בממוצע, ואטום פחמן שנמצא במים עמוקים יישאר בהם כ-400 שנים בממוצע.
ומה, לדעתכם, יקרה לאטום פחמן שנמצא בסלע במעמקי האדמה? - הוא עשוי להישאר שם אפילו מיליוני שנים.
נשימה - תהליך הנשימה של כל היצורים החיים מתרחש ללא הפסק. בתחילת הספר למדתם שבתהליך הנשימה התאית, המתרחש בתאיהם של היצורים החיים, מתפרקות תרכובות פחמן אורגניות, ונפלט פחמן דו-חמצני אל הסביבה (אל האוויר אי אל המים).
הזנה - למדתם שהגלוקוז הנוצר בתהליך הפוטוסינתזה ושאר החומרים האורגניים הנוצרים בצמח הם מקור המזון לכל היצורים החיים בטבע. כך חלק מן החומרים האורגניים, הבונים את גופם של היצורים החיים, עוברים במארגי המזון מן הנאכלים אל האוכלים.
פוטוסינתזה - התהליך שבו הצמחים מייצרים סוכר (גלוקוז) מפחמן דו-חמצני שהם קולטים מן הסביבה וממים, בעזרת אנרגיית האור.
פירוק - שרידים והפרשות אורגניות של יצורים חיים מהווים מזון לאוכלוסיות המפרקים (בעיקר חיידקים ופטריות) המצויים בקרקע ובים. בתהליכי הפירוק של החומרים האורגניים נפלט פחמן דו-חמצני אל האטמוספרה.
שקיעה והצטברות - שרידים של בעלי-חיים ושל צמחים שלא התפרקו שוקעים ומצטברים באדמה ובקרקעית הים. בתנאים מסוימים החומרים האורגניים האלה יכולים להפוך לנפט, לפחם ולגז טבעי. שאריות של יצורים ששקעו והצטברו בקרקעית הים הם חלק מסלעי המשקע הבונים את האטמוספרה. הגאוספרה.
שריפת דלק (בעירה) - האדם מפיק נפט, פחם וגז טבעי מתוך האדמה (ביבשה או בקרקעית הים), ומשתמש בהם כחומרי דלק. בתהליך השריפה של חומרי הדלק במנועים של מכוניות, במפעלים ובבית, נפלט פחמן דו-חמצני אל האטמוספרה.
*298*
מערכות אקולוגיות קולטות אנרגיית אור מן השמש באופן מתמיד. האנרגיה הזאת מומרת (משתנה) על ידי היצרנים לאנרגיה כימית. החומרים האורגניים שהיצרנים מייצרים הם מקור לאנרגיה כימית בתאים, ולכן כשחומרים עוברים מרמת הזנה אחת לרמת הזנה גבוהה יותר, עוברת אתם גם האנרגיה הכימית.
בנשימה תאית ובתהליכים אחרים בגופם של יצורים חיים, חלק מהאנרגיה הכימית מומר בגופם של היצורים החיים לאנרגיה בצורות שונות, כגון אנרגיית תנועה, וחלק מן האנרגיה מומר לחום ונפלט אל הסביבה. כמו שחומרים הנפלטים אל הסביבה אינם נעלמים אלא מפורקים וממוחזרים בטבע, גם החום שנפלט לסביבה אינו נעלם. אך בשונה ממחזור החומרים, החום אינו ניתן לניצול על ידי יצורים חיים אלא מתפזר בסביבה.
זאת הסיבה לכך שמערכת אקולוגית זקוקה לאספקה מתמדת של אנרגיה, והמקור לכך הוא השמש.
1. תלמידים טענו שבעולם ללא צמחים, מחזור הפחמן לא יוכל להתקיים. האם הם צודקים? כתבו את דעתכם ונמקו אותה.
2. הפחמן עשוי לעבור ממאגר למאגר במסלולים שונים.
לפניכם התחלה של מסלול אפשרי: "הנה אטום פחמן המהווה חלק ממולקולת פחמן דו-חמצני שמומסת במי האוקיינוס (בהידרוספרה). מולקולה זו של פחמן דו-חמצני מפעפעת מן הים אל האוויר (לאטמוספרה). מן האוויר..."
א. המשיכו בתיאור אפשרי של המסלול שיעבור אטום הפחמן. התייחסו לחומרים שהפחמן מרכיב, למאגרים שאליהם הוא עובר ולתהליכים המעורבים במעברים אלה.
הקפידו לשלב את כל 4 מאגרי החומרים במסלול שתתארו.
ב. העתיקו למחברת את תרשים הזרימה שלפניכם, השלימו והמשיכו אותו בהתאם למסלול אטום הפחמן שתיארתם.
שימו לב: במלבנים יש לרשום את החומרים ואת המאגרים שהפחמן נמצא בהם, ובחצים את התהליכים שבהם הפחמן עובר ממאגר למאגר.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
פחמן דו-חמצני באוקיינוס (הידרוספרה) - פעפוע - פחמן דו-חמצני באוויר (אטמוספרה - --
*299*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום אקולוגיה.
היכנסו אל הנושא מערכות אקולוגיות, ובחרו ביחידת הלימוד מחזור הפחמן בטבע.
הפעילו את ההדמיה וראו בנפרד כל אחד מן התהליכים המעורבים במחזור הפחמן.
מיינו את התהליכים המעורבים במחזור הפחמן על פי החלוקה שלפניכם.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. תהליך שבו פחמן בתרכובת אי-אורגנית מתגלגל לפחמן בתרכובת אורגנית.
ב. תהליכים שבהם פחמן בתרכובת אורגנית מתגלגל לפחמן בתרכובת אי-אורגנית.
ג. תהליך שבו פחמן בתרכובת אי-אורגנית מתגלגל לפחמן בתרכובת אי-אורגנית.
ד. תהליכים שבהם פחמן בתרכובת אורגנית מתגלגל לפחמן בתרכובת אורגנית.
התבוננו שוב באיור של מחזור הפחמן וקראו את המידע על התהליכים הקשורים בו.
זהו תהליכים שניכרת בהם מעורבותו של האדם.
גם אנחנו, בני האדם, משתתפים במחזור הפחמן, כלומר צורכים חומרים אורגניים, נושמים ופולטים פחמן דו-חמצני לאטמוספרה. אך בכך לא מסתיימת מעורבותנו. בעשרות השנים האחרונות אנו מבצעים פעולות המפרות את האיזון במחזור הפחמן בטבע.
אנו מצמצמים את השטחים הירוקים המכוסים בצמחים, ובכך מקטינים את קליטת הפחמן הדו-חמצני על ידי צמחים. אנו גם שורפים חומרי דלק ובכך מגדילים את פליטת הפחמן הדו-חמצני בצורה ניכרת. ההשפעה הכפולה הזאת מובילה לעלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באוויר. גז זה הוא גז חממה. (גז חממה - גז שאינו מאפשר לחום הנפלט מהאדמה המתחממת להיפלט בחזרה לחלל. פחמן דו-חמצני, אדי מים ומתאן הם דוגמאות לגזי חממה. גזי החממה שבאטמוספרה יוצרים את אפקט החממה.) פעולות אחרות של האדם גורמות לעוד גזי חממה, כגון מתאן, להשתחרר גם הם אל האוויר. עלייה בריכוז גזי החממה באטמוספרה גורמת להתגברות אפקט החממה ולהתחממות של כדור-הארץ. (אפקט החממה - תהליך שבו קרינת השמש חודרת מבעד לאטמוספרה, פוגעת בקרקע ובים, וחוזרת אל האוויר כחום. החום נלכד באטמוספרה בגלל הפחמן הדו-חמצני ובגלל גזים אחרים המצויים באטמוספרה של כדור-הארץ. אפקט החממה מאפשר טמפרטורה נוחה לקיום חיים בכדור-הארץ.)
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
- כריתת יערות
- מנועי מכוניות פולטים פחמן דו-חמצני
- פליטת פחמן דו-חמצני בשרפת דלק
*300*
1. כיצד כריתת יערות ושימוש מוגבר בדלק משפיעים על מחזור הפחמן?
בתשובתכם התייחסו למאגרים שהפחמן נגרע מהם ולמאגרים שהפחמן מתווסף אליהם בעקבות כל פעולה, והסבירו שינויים אלה.
2. שריפות ענק בשטחים פתוחים מתרחשות באזורים רבים בעולם.
במה דומה ההשפעה של שריפות על מאגרי הפחמן להשפעה של כריתת יערות ושימוש מוגבר בדלק?
- בכל מערכת אקולוגית מתרחשים מעברים של חומרים ושל אנרגיה. חלק מהמעברים האלה באים לידי ביטוי במארגי מזון ובפירמידות אקולוגיות, שבהם מוצגים יצורים מרמת הזנה אחת הנאכלים על ידי יצורים מרמת הזנה אחרת. היצרנים (בעיקר צמחי היבשה ואצות במים) קולטים את אנרגיית האור שמקורה בשמש, וממירים אותה לאנרגיה כימית המנוצלת בתהליכים המתרחשים בגופם של הצמחים ושל היצורים האחרים במארג המזון.
- חומרים אורגניים ממוחזרים בטבע על ידי המפרקים שבמערכת האקולוגית. גם חומרים אי-אורגניים ממוחזרים בטבע, ואילו חום הנפלט מגופם של יצורים אינו ממוחזר אלא מתפזר בסביבה.
- מחזור הפחמן הוא דוגמה למעברי חומרים, אורגניים ואי-אורגניים, בין המאגרים השונים בטבע: האטמוספרה, ההידרוספרה, הגאוספרה והביוספרה.
לפניכם תרשים המסכם את מעברי החומרים והאנרגיה במערכת אקולוגית.
התבוננו בו וענו על השאלות שאחריו.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
מחזור חומרים
א. קליטת אנרגיית אור מהשמש - מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים
ב. קליטת חומרים אורגניים - מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים
ג. קליטת חומרים אי-אורגניים - מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים
ד. מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים - פליטת חום
ה. מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים - פליטת חומרים אורגניים
ו. מערכת אקולוגית מרכיבים ותהליכים - פליטת חומרים אי-אורגניים
1. ציינו בעבור כל אחד מהמלבנים א-ו את שמות התהליכים הקשורים בו. בחרו את התהליכים המתאימים מבין הבאים: פוטוסינתזה, הזנה, נשימה תאית, והפרשה (שתן, צואה).
2. מהו מקור האנרגיה הראשוני במערכת אקולוגית?
3. היכן נוצרים חומרים אורגניים במערכת אקולוגית?
4. מה קורה לחומרים אורגניים הנפלטים מיצורים חיים במערכת אקולוגית? האם אפשר להשתמש בהם פעם נוספת? הסבירו.
*301*
5. מה קורה לאנרגיה הנפלטת מיצורים חיים במערכת אקולוגית? באיזו צורה היא נפלטת והאם יצורים חיים יכולים לנצל אותה פעם נוספת? הסבירו.
6. מהן הסיבות לעלייה בריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה של כדור-הארץ? ציינו לפחות 2 סיבות.
7. אילו השפעות עלולות להיות לעלייה של ריכוז הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה? ציינו לפחות 3 השפעות.
8. בכל שנייה כורתים בכדור-הארץ יערות בשטח של מגרש כדורגל! בגלל כריתת העצים הצטמצם בשנים האחרונות שטחם הכולל של היערות בכדור-הארץ, והוא ממשיך להצטמצם בקצב מואץ.
אילו השפעות יכולות להיות לכך על האטמוספרה של כדור-הארץ?
אחד המאפיינים של המערכות האקולוגיות הוא הפעילות המתמדת המתרחשת בהן: יצורים נולדים ויצורים מתים; יש טורפים ויש נטרפים; חומרים נבנים וחומרים מתפרקים; אנרגיה נקלטת, מומרת ונפלטת מהמערכות האקולוגיות. אם כן, מערכות אקולוגיות הן מערכות דינמיות, ואפילו במערכות אקולוגיות שנחשבות יציבות מתרחשים שינויים (לא גדולים) בכל רגע ורגע.
אילו גורמים משפיעים על יציבותן של מערכות אקולוגיות ועל גודל האוכלוסיות של היצורים השונים המרכיבים את המערכות האלה?
נבחן לדוגמה ציפורי צופית באזור כלשהו. צופיות עשויות לחיות באותו אזור במשך שנים אחדות, לבנות קנים ולהעמיד עוד ועוד צאצאים. האם אוכלוסיית הצופיות באזור הזה תלך ותגדל או שתישאר קבועה?
כדי לענות על השאלה הזאת, יש להבין שגודל האוכלוסייה נקבע לפי מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה ומספר הפרטים הנגרעים (פוחתים) ממנה בפרק זמן מסוים. הפרטים הנוספים לאוכלוסייה הם אלה הנולדים בה ואלה המהגרים אליה (מצטרפים אליה). הפרטים הנגרעים מאוכלוסייה הם אלה המתים בה ואלה המהגרים ממנה (עוברים לאזור אחר).
כאשר מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה שווה למספר הפרטים הנגרעים ממנה - האוכלוסייה יציבה.
לעומת זאת, כאשר מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה גדול ממספר הפרטים הנגרעים ממנה - האוכלוסייה גדלה. כאשר מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה קטן ממספר הפרטים הנגרעים ממנה - האוכלוסייה קטנה.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
גורמים הקובעים את גודל האוכלוסייה בזמן נתון
גודל האוכלוסייה בזמן מסוים (התחלתי)
ועוד מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה: ילודה, הגירה אליה
פחות מספר הפרטים הנגרעים מן האוכלוסייה: תמותה, הגירה ממנה
שווה ל: גודל האוכלוסייה הנוכחי (מעודכן)
*302*
1. במחקר שדה על צופיות נאספו באזור מסוים הנתונים הבאים:
מספר הגוזלים שבקעו מהביצים במהלך שנה מסוימת היה 46 גוזלים, אך מתוכם רק 38 שרדו. מספר הפרטים הבוגרים שנטרפו על ידי חתולים בסביבה היה 15, ומספר הצופיות שמתו מסיבות אחרות היה 27. בנוסף, זוג צופיות שלא חי קודם לכן באזור הזה הצטרף ובנה קן על אחד העצים בשטח המחקר.
על סמך נתונים אלה, מה אפשר לומר על גודל אוכלוסיית הצופיות בשנה זו?
2. שערו:
א. אילו גורמים היו יכולים לגרום למותם של חלק מן הגוזלים?
ב. מה יכולות להיות הסיבות למותן של צופיות בוגרות?
ג. אילו גורמים עשויים לעודד צופיות להצטרף לאוכלוסיית צופיות קיימת?
גורמים רבים עשויים להשפיע על גודלה של אוכלוסייה כלשהי. יש גורמים המשפיעים על מספר הפרטים הנוספים לאוכלוסייה, וגורמים אחרים משפיעים על מספר הנגרעים ממנה.
חלק מן הגורמים קשורים לאוכלוסייה עצמה, וחלקם קשורים למרכיבים אחרים במערכת האקולוגית, כגון יצורים ממינים אחרים ותנאי הסביבה.
- גורמים המאפיינים את האוכלוסייה עצמה: שיעור הילודה, שיעור התמותה ושיעור ההגירה (אל האוכלוסייה וממנה). הגורמים האלה מושפעים ממשך החיים של פרטים באוכלוסייה, מהגיל שבו הפרטים יכולים להתחיל להעמיד צאצאים, ממספר הצאצאים שהם יכולים להעמיד בכל שנה, מתחרות תוך-מינית (בין פרטים מאותו מין) על משאבים כגון מזון, בני זוג, מקום לגידול הצאצאים ועוד.
- גורמים הקשורים ליצורים ממינים אחרים: טריפה, תחרות בין-מינית על משאבים כגון מזון ומקום לגידול צאצאים, טפילים וגורמי מחלות, מעורבות האדם (כגון ציד, דיג, כריתת יערות) ועוד.
- גורמים הקשורים לתנאי הסביבה: זמינות מקומות מסתור וגידול צאצאים, מים זמינים, טמפרטורה, לחות, אור, ריכוז חמצן (במיוחד במים) ומרכיבים א-ביוטיים נוספים. גם אירועים סביבתיים מסוימים, כגון זיהום מקורות המים, האוויר או הקרקע, שיטפון, שריפה, התפרצות הר געש ועוד, עלולים ליצור שינוי משמעותי בתנאי המקום ולהשפיע על גודל האוכלוסייה.
ודאי הבנתם שכל אוכלוסייה נתונה להשפעות של גורמים רבים, שלחלקם השפעה מנוגדת. רק השילוב בין כל הגורמים המשפיעים הוא שיקבע אם אוכלוסייה כלשהי תגדל או תקטן.
יש מערכות אקולוגיות שגודל האוכלוסיות ומגוון המינים בהן יציב.
במקרה כזה נראה שיש תנודות זמניות וקטנות בגודל האוכלוסייה. יש מערכות אקולוגיות שבהן גודל האוכלוסיות ומגוון המינים משתנים בתנודות גדולות מאוד.
(בספר שני תרשימים - היעזר במנחה)
שינויים בגודלן של שתי אוכלוסיות
א. גם בגודלה של אוכלוסייה יציבה בטבע חלים שינויים קטנים. מצב כזה נקרא שיווי משקל דינמי.
ב. בעקבות התמעטות המזון בשטח, אוכלוסייה שהייתה יציבה פחתה, והתייצבה סביב ערך קטן יותר.
*303*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום אקולוגיה. היכנסו אל הנושא גודל אוכלוסייה, ובחרו ביחידת הלימוד המורחבת אקו-חי - על גודלה של אוכלוסייה.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
ההדמיה אקו-חי מדמה שינויים בגודל אוכלוסיית יצורים חיים במערכת אקולוגית, בעקבות גורמים שונים המשפיעים על האוכלוסייה, ובהם:
מאפייני האוכלוסייה (גודל אוכלוסייה התחלתי, משך החיים, הגיל שבו מתחילים להתרבות, מספר הצאצאים ועמידות למחסור במזון ולצפיפות).
מאפייני הסביבה (כמות המזון ההתחלתית בסביבה וכמות המזון המתווספת במשך הזמן).
בהדמיה זו תוכלו לבדוק את הקשר בין כמה גורמים משפיעים על גורם מושפע אחד (גודל האוכלוסייה). עם זאת, זכרו: אף שהדמיה זו מורכבת, המציאות בטבע מורכבת הרבה יותר. לכן יש להתייחס אל התוצאות המתקבלות בהדמיה בצורה ביקורתית.
א. הפעילו את ההדמיה עם ערכי הנתונים ההתחלתיים וצפו בשינויים בגודל האוכלוסייה. תוכלו לשנות ערכים ולהריץ את ההדמיה שוב ושוב, ולראות מה היה קורה אילו...
ב. תארו את התוצאות המתקבלות: האם במקרים שבדקתם האוכלוסייה גדלה, קטנה או נכחדה? האם היא הגיעה למצב יציב (עליות וירידות מתונות)? מה גודלה הממוצע?
ג. התבוננו בטבלת הנתונים שבהדמיה והסיקו מסקנה: מה הגורם העיקרי לתמותה - זקנה, רעב או צפיפות?
ד. נסחו 3 שאלות חקר שאפשר לבדוק באמצעות ההדמיה, וענו עליהן באמצעותה.
*304*
1. היכנסו למשימת החקר אקו-חי - הצבי בסביבות חיים שונות.
השוו בהדמיה בין אוכלוסיית צבאים שמתקיימת בסביבת חיים פורייה (שבה כמות המזון ההתחלתית והמתווספת היא גדולה) לבין אוכלוסיית צבאים בסביבת חיים ענייה (שבה כמות המזון ההתחלתית והמתווספת היא קטנה).
שערו: אילו מאפיינים מאפשרים לצבאים לחיות בסביבה ענייה במזון?
בדקו את השערתכם בהדמיה, ונסחו את מסקנותיכם: אילו התאמות יכולות לאפשר לבעלי-חיים לשרוד בסביבות חיים שבהן יש מחסור במזון?
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
2. היכנסו למשימת החקר אקו-חי - גידול דגים.
בהדמיה זו מוצגת בריכת דגים ובה אוכלוסייה מעורבת של דגים צעירים ובוגרים.
בדקו בהדמיה: מה כדאי לעובדי המדגה לעשות כדי לקבל יבול גדול של דגים לקראת החג בפרק הזמן הקצר ביותר: האם לגדל מין של דג שמעמיד צאצאים רבים (בדקו את השפעת מספר הצאצאים על גודל אוכלוסיית הדגים בבריכה) או לגדל מין של דג שמתחיל להתרבות בגיל מוקדם (בדקו את השפעת גיל התחלת הרבייה על גודל אוכלוסיית הדגים בבריכה)? בדקו גם את ההשפעה המשולבת של הגדלת מספר הצאצאים והקטנת גיל תחילת הרבייה. נסחו את מסקנתכם על פי התוצאות בהדמיה והמליצו למגדלי הדגים מה לעשות.
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
3. היכנסו למשימת החקר אקו-חי - הצב בסכנת הכחדה.
צב יבשה מדברי הוא מין שנמצא בסכנת הכחדה. בעזרת ההדמיה תוכלו להעריך מהו מספר הצבים הקטן ביותר המאפשר להם לשרוד ולהתרבות בטבע.
בדקו בהדמיה: מה הקשר בין הגודל ההתחלתי של אוכלוסיית הצבים לבין גודל האוכלוסייה הסופי (היציב) שלהם?
נסחו את מסקנתכם על פי ההדמיה והמליצו: כמה צבים מומלץ לגדל בשבי ולשחרר בטבע כדי שאוכלוסיית צבי היבשה המדבריים לא תיכחד?
(בספר צילום מסך – היעזר במנחה)
*305*
1. העתיקו את התרשים שמשמאל אל המחברת, וציינו בו את הגורמים המשפיעים על גודלה של אוכלוסייה.
הוסיפו בתרשים מלבנים וקווים לפי הצורך.
(בספר תרשים - היעזר במנחה)
2. לבני האדם יש השפעה ניכרת על גודלן של אוכלוסיות רבות של יצורים חיים. ציינו דוגמאות לפעולות של האדם התורמות להגדלה של אוכלוסיות יצורים מסוימות, ודוגמאות לפעולות הגורמות להקטנה של אוכלוסיות אחרות.
3. גודל אוכלוסיית האדם נתון להשפעותיהם של גורמים רבים.
מהם הגורמים העיקריים המשפיעים על גודלה של אוכלוסיית האדם בעולם?
מיליארדים של בני אדם מאכלסים כיום שטחים נרחבים על פני כדור-הארץ. כיצד אוכלוסיית האדם צמחה לממדיה הנוכחיים?
ממצאים ארכיאולוגיים מעידים שראשיתה של האנושות היא בקבוצות נוודים שניזונו מציד בעלי-חיים ומליקוט מזון מן הצומח. הנוודים הללו מכונים ציידים-לקטים. ככל הידוע, עד סוף התקופה הזאת אוכלוסיית האדם הייתה יציבה פחות או יותר, ומנתה כמיליון אנשים.
תקופה זו הגיעה לקצה כאשר בני אדם החלו לגור ביישובי קבע, ולגדל צמחים ובעלי-חיים, לפי הצורך, בקרבת מגוריהם. השינוי הזה מכונה המהפכה החקלאית, והוא זירז מאוד את הגידול של אוכלוסיית האדם. אמנם מדי פעם פרצו מגפות קטלניות שצמצמו באופן זמני את גודל האוכלוסייה, אך לאורך זמן האוכלוסייה הלכה וגדלה. לפני כ-500 שנים הגיעה אוכלוסיית האנשים בעולם לכ-300 מיליון בני אדם.
שלב משמעותי נוסף בגידול אוכלוסיית בני האדם התרחש באמצע המאה ה-18, בתקופה שאחרי המהפכה התעשייתית. חידושים והמצאות טכנולוגיות הובילו לעלייה ברמת החיים ובתוחלת החיים, ובתוך 50 שנה צמחה אוכלוסיית האדם ליותר ממיליארד איש!
והגידול לא פסק. מאמצע המאה ה-20 חל שיפור משמעותי בשירותי ההיגיינה (התברואה), הרפואה והחקלאות, והשיפור הזה תרם עוד יותר לגידול באוכלוסיית העולם. בעשורים האחרונים אוכלוסיית האדם ממשיכה לגדול בקצב מהיר, ובשנת 2012 יצא לאוויר העולם התינוק ה-7 מיליארד על פני כדור-הארץ!
ומה הלאה?
חוקרים ומדענים רבים מודאגים מאוד מהגידול הבלתי פוסק באוכלוסיית האדם. התחזיות צופות שעד שנת 2050 תמנה אוכלוסיית האדם בעולם מעל 9 מיליארד אנשים. בשל כך צפויה צפיפות האוכלוסין להתגבר, והדרישה למזון ולמשאבים אחרים תתעצם עוד יותר ותעלה על המשאבים המצויים בכדור-הארץ. כיום, עם תחילת האלף השלישי אנו עומדים על סף התפוצצות אוכלוסין.
*306*
א. לפניכם גרף המתאר את גודל אוכלוסיית האדם במשך השנים. תארו את הגרף (עד שנת 2012) במילים שלכם.
ב. התבוננו ב-3 ההערכות לגודל האוכלוסייה הצפוי עד שנת 2050. איזו הערכה לדעתכם היא הסבירה ביותר? נמקו.
(בספר גרף - היעזר במנחה)
הגודל של אוכלוסיית האדם בכדור-הארץ, והערכות עתידיות
2. חפשו באינטרנט מידע על אחד הגורמים שהובילו לגידול משמעותי באוכלוסיית בני האדם: המהפכה החקלאית, המהפכה התעשייתית, גילוי החיידקים, גילוי הפניצילין והאנטיביוטיקה וכדומה.
תארו בקיצור כיצד הגורם שבחרתם תרם לגידול באוכלוסיית האדם.
בתשובתכם התייחסו לאזורים העיקריים בעולם שהגורם הזה השפיע עליהם.
המדינה, יבשת, אפיון המדינה, גודל האוכלוסייה, גידול האוכלוסין, שיעור תמותה, שיעור ילודה |
ארצות הברית, צפון אמריקה, מפותחת, 313,847,465, 0.9 אחוז, 8.4, 13.7 |
בוליביה, דרום אמריקה, מפותחת, 10,290,003, 1.7 אחוז, 6.8, 1.7 |
גרמניה, אירופה, מפותחת, 81,305,856, מינוס 0.2 אחוז, 11.0, 8.3 |
הודו, אסיה, מתפתחת, 1,205,073,612, 1.3 אחוז, 7.4, 20.6 |
יפן, אסיה, מפותחת, 127,368,088, מינוס 0.1 אחוז, 9.1, 8.4 |
ישראל, אסיה, מפותחת, 7,590,758, 1.5 אחוז, 5.5, 19.0 |
מאלי, אפריקה, מתפתחת, 15,494,466, 3.0 אחוז, 13.9, 46.6 |
צרפת, אירופה, מפותחת, 65,630,692, 0.5 אחוז, 8.9, 12.7 |
קניה, אפריקה, מתפתחת, 43,013,341, 2.5 אחוז, 7.3, 31.9 |
הנתונים לקוחים ממדור ספר העובדות העולמי באתר האינטרנט של ה CIA.
1. במדינות מפותחות, מדדים שונים:כמו כלכלה, איכות החיים ושירותי הבריאות הם ברמה גבוהה, ואילו במדינות המתפתחות מדדים אלה נמוכים.
2. גידול האוכלוסייה הממוצע (אחוז בשנה) כתוצאה מההפרש בין ילודה לבין תמותה (וקיזוז הגירה).
3. שיעור תמותה ממוצע שנתי (מספר המיתות בשנה לכל 1,000 אנשים).
4. שיעור ילודה ממוצע שנתי (מספר הלידות בשנה לכל 1,000 אנשים).
*307*
ב. הסבירו את המשמעות של הסימן מינוס שליד המספרים המציינים את גידול האוכלוסין בגרמניה וביפן.
ג. השוו את הנתונים של המדינות המפותחות לנתוני המדינות המתפתחות, ונסחו מסקנה כללית הנוגעת להבדלים ביניהן.
ד. במה ישראל שונה משאר המדינות המפותחות. הציעו הסבר אפשרי להבדל הזה.
כדי להעריך את מצבה של מערכת אקולוגית מסתמכים על כמה מדדים (תכונות כמותיות שניתנות למדידה), שהחשובים בהם: מגוון המינים וגודל האוכלוסיות שבמערכת האקולוגית. המדדים האלה מסייעים בהבנה של מידת יציבותה של המערכת האקולוגית, ושל התגובה הצפויה במערכת בעקבות שינויים בגורמי סביבה שונים.
יש מערכות אקולוגיות יציבות. אמנם חלים בהן שינויים מתמידים, אך מגוון המינים נשמר בהן, וגודלה של כל אוכלוסייה נשמר פחות או יותר קבוע.
השפעתם של גורמים שונים על המערכת האקולוגית עשויה להיות השפעה מתונה (שאינה גדולה או מוגזמת), ובמקרים אחרים היא עלולה להיות קיצונית. לדוגמה, שנה אחת שחונה (שנת בצורת) עלולה לגרור ירידה מתונה בגדלים של אוכלוסיות מסוימות במערכת האקולוגית, אך לא לפגוע במגוון המינים הקיים בה. אם השנה שאחריה תהיה גשומה, האוכלוסיות יצליחו להתאושש. לעומת זאת, בצורת ארוכת שנים עלולה להשפיע באופן דרמטי גם על גודלן של האוכלוסיות וגם על מגוון המינים שבמערכת האקולוגית: מינים מסוימים עלולים להגר לאזור אחר, מינים אחרים עלולים להיכחד, ומינים שמותאמים לחיים בסביבה יבשה עשויים דווקא להתרבות.
בפעילות שלפניכם תוכלו להתרשם מהשפעתם של שינויים מתונים ושל שינויים קיצוניים על אותה מערכת אקולוגית.
(בספר שתי תמונות)
סוואנה אפריקאית
עגורים בעמק החולה
*308*
היכנסו אל אתר האינטרנט הילקוט הדיגיטלי לחט"ב - מדע וטכנולוגיה, ובחרו בתחום אקולוגיה.
היכנסו אל הנושא מערכות אקולוגיות, ובחרו ביחידת הלימוד שרשות מזון באגם.
בהדמיה שביחידת הלימוד הזאת תוכלו לבחון את מידת יציבותה של המערכת האקולוגית בתגובה לשינויים קטנים ולשינויים גדולים.
המערכת האקולוגית שבהדמיה היא אגם, שבמימיו מתקיימות 4 אוכלוסיות של יצורים חיים: אצות (יצרנים), סרטנים (צמחוניים) ו-2 מיני דגים (טורפים וטורפי על).
(בספר צילום מסך - היעזר במנחה)
א. הפעילו את ההדמיה (בלי לשנות את הנתונים ההתחלתיים), ותארו מה קורה לאוכלוסיות שבאגם במשך הזמן. התייחסו לשני המדדים (מגוון המינים וגודל האוכלוסיות) המעידים על מצבה של המערכת האקולוגית.
ב. האם במקרה כזה המערכת האקולוגית שבהדמיה היא יציבה או אינה יציבה? נמקו.
ג. בדקו את ההשפעה של קוטלי עשבים שמזהמים את האגם (ופוגעים באצות שבמים). לשם כך הפעילו את ההדמיה במצב ברירת המחדל ולאחר זמן קצר (כ-3 יחידות זמן) לחצו על השהיה. הפחיתו את כמות האצות ל-50 והפעילו שוב את ההדמיה. על פי הגרף המתקבל, האם המערכת האקולוגית יציבה בעקבות השינוי הזה?
שערו: בעקבות הזיהום, האם המערכת האקולוגית תוכל להתייצב בעתיד?
ד. מה צריך לעשות בהדמיה כדי לבדוק את השערתכם? הפעילו את ההדמיה בהתאם לתשובתכם, ובדקו אם השערתכם התאמתה.
ה. מה אפשר להסיק על יציבותה של מערכת אקולוגית בעקבות שינויים גדולים ושינויים קטנים בתנאי הסביבה?
*309*
קטע המידע שלפניכם עוסק בשינויים שחלו במערכת האקולוגית בים התיכון.
קראו אותו וענו על השאלות שאחריו.
כל קיץ, דווקא בימי החופש הגדול שבהם נעים לבלות בים, מגיעים לחופי הארץ נחילים גדולים של מדוזות שצורבות את הרוחצים ומכאיבות להם.
אם תשאלו את הוריכם, תופתעו לגלות שהתופעה הזאת לא הייתה קיימת עד לפני כ-4 עשורים.
מה מקורן של המדוזות האלה ומה הסיבות להופעתן?
במשך עידנים רבים היה הים התיכון מנותק מים סוף, והתקיימה בו אוכלוסייה יציבה של דגים ושל יצורים ימיים אחרים. אך פעולות האדם גרמו לשינוי משמעותי במערכת האקולוגית בים התיכון.
בשנת 1869 נפתחה תעלת סואץ, שיצרה חיבור מלאכותי בין ים סוף לבין הים התיכון. את כריית התעלה יזם המהנדס הצרפתי פרדיננד דה-לספס (de-Lesseps), והיא נועדה לשמש נתיב שיט.
בתקופה הראשונה שלאחר פתיחת התעלה היא כמעט שלא השפיעה על מגוון המינים בים התיכון. פני המים בים התיכון נמוכים מפני המים שבים סוף, ולכן רוב המים זורמים בתעלה מים סוף אל הים התיכון ולא בכיוון ההפוך. אך למרות זאת, מכיוון שהתעלה עוברת דרך "האגמים המרים" בסיני, שרמת המליחות בהם גבוהה, יצורים חיים שהגיעו מים סוף לאגמים לא שרדו בהם ולא הגיעו אל הים התיכון.
*310*
בהדרגה, זרימת המים הביאה להשוואת רמת המליחות בים סוף ובאגמים שבדרך, והדבר אפשר ליצורים חיים להגר דרך תעלת סואץ, להתיישב בים התיכון ולהתרבות בו. ים סוף מלוח יותר מן הים התיכון, ועני יותר בחומרי מזון. לכן רוב היצורים הים תיכוניים אינם יכולים להתקיים בים סוף, אבל יצורים שמקורם בים סוף מתיישבים בהצלחה בים התיכון ומתחרים בהצלחה במינים ים תיכוניים.
הגירת היצורים דרך תעלת סואץ נקראת הגירה לספסית, על שמו של דה-לספס, היוזם ומהנדס התעלה.
ההגירה הלספסית גרמה לשינוי משמעותי במגוון המינים בים התיכון. עד היום פלשו אליו מים סוף מאות מינים של דגים, של רכיכות, של סרטנים ושל אצות. המין הפולש המוכר ביותר לציבור בישראל הוא המדוזה חוטית נודדת, שמגיעה לחופי הארץ מדי קיץ וצורבת את הרוחצים בים. אך גם מינים פולשים אחרים התרבו בים התיכון עד כדי "התפוצצות אוכלוסין", והם מתחרים במינים המקומיים על אתרי רבייה ועל מזון, ודוחקים את מיני הדגים המקומיים מבתי הגידול הטבעיים שלהם.
מחקר מקיף, שנערך בשנים 2008- 2011 הראה ירידה של כ-40 אחוז בדגה המקומית, ושלמעלה ממחצית מיני הדגים הנלכדים כיום בים התיכון הם מינים פולשים. פלישת המינים דרך תעלת סואץ נמשכת גם כיום, והחוקרים טוענים כי השפעתה בלתי הפיכה, כלומר הנזק שכבר נגרם לא יתוקן עוד לעולם.
(בספר שלוש תמונות - היעזר במנחה)
- הדג זהרון הדור
- המדוזה חוטית נודדת
- הצדפה צלחית בוהקת
1. תארו מה קרה למערכת האקולוגית שהתקיימה בים התיכון, בעקבות ההגירה הלספסית. בתשובתכם התייחסו למדדים שהכרתם: מגוון המינים וגודלן של אוכלוסיות.
2. שערו: מה עלול לקרות ליציבותה של המערכת האקולוגית בים התיכון, אם לא יינקטו פעולות להפסקת ההגירה הלספסית?
3. תלמידים הציעו פתרון: לדוג רק את המינים הפולשים ולהגביל את דיג המינים המקומיים (שמקורם בים התיכון), ובכך לאפשר להם להתרבות ולהתחרות עם המינים הפולשים.
מה דעתכם על הפתרון הזה? נמקו.
4. הציעו שיפור לפתרון המוצע בשאלה 3, או הציעו פתרון אחר לבעיה.
*311*
- עולם הטבע הסובב אותנו רוחש חיים, מגוון ודינמי מאוד. המגוון הרב מכונה המגוון הביולוגי ותורמים לו 3 מרכיבים: מגוון מערכות אקולוגיות, מגוון מינים ומגוון גנטי.
- הדינמיות של המערכות האקולוגיות באה לידי ביטוי בדרכים שונות: בתהליכים המתרחשים בהן, במעברי חומרים בין היצורים החיים ובינם לבין הסביבה, במחזורי חומרים בטבע, ובאנרגיה המומרת לצורות שונות.
- יציבותה של מערכת אקולוגית נמדדת הן באמצעות מגוון המינים החיים בה, והן באמצעות גודל האוכלוסיות המרכיבות אותה. הרבה גורמים משפיעים על גודלן של אוכלוסיות, החשובים שבהם: שיעור הילודה, שיעור התמותה ושיעור ההגירה של פרטים מן האוכלוסייה ואליה. יש מערכות אקולוגיות יציבות שיש בהן תנודות קלות במדדים האלה, ובמערכות אחרות מתרחשים שינויים קיצוניים הפוגעים במגוון המינים ובגודלן של האוכלוסיות.
- לאדם יש השפעה גדולה על מערכות אקולוגיות רבות על פני כדור-הארץ, והגידול החד באוכלוסיית האדם בעולם משפיע על הרכבן ועל יציבותן. חשוב לזכור שהאדם תלוי בשירותים רבים שהמערכות האקולוגיות מספקות לו. לכן יש לנו, בני האדם, אחריות רבה בשמירה על המגוון הביולוגי, בהפחתת הנזקים הסביבתיים שאנו גורמים, ובצמצום הניצול של משאבי הטבע המידלדלים.
1. איזה משפט מתאר נכון את מצב מגוון המינים בכדור-הארץ בתקופתנו?
א. מגוון המינים ממשיך לגדול, כי כל הזמן נוצרים מינים חדשים.
ב. מגוון המינים אינו משתנה, כי חלק מהמינים נכחדים ומינים חדשים נוצרים.
ג. מגוון המינים קטן. אמנם נוצרים מינים חדשים אך רבים יותר נכחדים.
ד. אי אפשר לדעת מה קורה, כי האדם גם מכחיד מינים וגם משיב מינים לטבע.
2. בדיון בכיתה טענה רמה כי פרטים רבים של מין ביולוגי שדומים זה לזה בתכונות גנטיות רבות, מגדילים את סיכוייו של המין לשרוד בכל סביבה.
האם אתם מסכימים עם טענתה? נמקו.
3. איזה משפט על המערכות האקולוגיות סביר שהוא נכון?
א. כל המערכות האקולוגיות בכדור-הארץ כבר התגלו, והן מוכרות לבני האדם.
ב. יש בכדור-הארץ מערכות אקולוגיות שלא התגלו עד היום, אך אולי יתגלו בעתיד.
ג. אפילו אם יגלו מערכת אקולוגית בלתי מוכרת, היא תהיה זהה למערכת שכבר גילו בעבר.
ד. אם יש בכדור-הארץ מערכות אקולוגיות שעדיין לא התגלו, ודאי שיגלו אותן בעתיד.
4. מהו משבר המגוון הביולוגי?
א. הפגיעה באיכות הסביבה כתוצאה משינויי האקלים בכדור-הארץ.
ב. התמעטות המדענים החוקרים את המגוון הביולוגי בכדור-הארץ.
ג. כל מקרה של הכחדת מינים המונית שהתרחשה בעבר, מתרחשת בהווה או תתרחש בעתיד.
ד. צמצום המגוון הביולוגי המתרחש בתקופתנו בקצב מואץ לעומת הקצב בעבר.
*312*
5. תלמידים הציעו לנצל את טכנולוגיית ההנדסה הגנטית כדי לקבל מינים חדשים, וכך למנוע את הירידה במגוון המינים בטבע. ציינו יתרונות אחדים וחסרונות אחדים להצעה זו.
6. בני האדם מבצעים פעולות הפוגעות במגוון הביולוגי ומקטינות אותו. הביאו דוגמאות לפעולות שמשפיעות על מרכיבים שונים של המגוון הביולוגי: על מגוון המינים, על המגוון הגנטי ועל מגוון המערכות האקולוגיות.
7. לאיזה מהגורמים הבאים השפעה משמעותית יותר על טביעת הרגל האקולוגית של מדינה כלשהי?
א. גודל האוכלוסייה
ב. תוחלת החיים
ג. רמת החיים
ד. השטח
8. מה כולל מחזור הפחמן בטבע (בחרו בכל המשפטים הנכונים)?
א. שינוי של תרכובות פחמן אורגניות לתרכובות פחמן אורגניות אחרות.
ב. שינוי של תרכובות פחמן אורגניות לתרכובות פחמן אי-אורגניות.
ג. שינוי של תרכובות פחמן אי-אורגניות לתרכובות פחמן אורגניות.
ד. שינוי של תרכובות פחמן אי-אורגניות לתרכובות פחמן אי-אורגניות.
9. באיזה מאגר חומרים בטבע נמצאות רוב תרכובות הפחמן (אורגניות ואי-אורגניות)?
א. באטמוספרה
ב. בגאוספרה
ג. בהידרוספרה
ד. בביוספרה
10. ירון טוען שבגופם של יצורים חיים מתרחש מחזור חומרים, אך אין מחזור אנרגיה. ענת טוענת שבגופם של יצורים חיים מתרחש מחזור אנרגיה, אך אין מחזור חומרים.
חן טוען שבגופם של יצורים חיים מתרחש גם מחזור אנרגיה וגם מחזור חומרים.
מי מהם צודק? נמקו.
סוף הספר