ממה בנויים העצים?

השאלה מה הוא מקור החומר שממנו העצים בונים את עצמם ("מה עצים אוכלים?") ריתקה מדענים והוגי דעות במשך אלפי שנים. התפיסה המקובלת מימי חכמי יוון העתיקה, הייתה שהעצים נוצרים מהאדמה. במאה ה-17 עשה מדען פלמי ניסוי חשוב בהיסטוריה של המדע, בניסיון לענות על השאלה, צפו בסרטון:

כאשר קראתי לראשונה על ניסוי ואן הלמונט ועץ הערבה, ובעיקר כאשר קראתי את המסקנה שהוא הגיע אליה, נזכרתי בבדיחה ישנה שמספרת על המדען שחקר זבוב: הוא צעק 'זבוב עוף' – והזבוב עף. לאחר מכן הסיר המדען את אחת מכנפי הזבוב, צעק 'זבוב עוף' – והזבוב קטוע הכנף הצליח בכל זאת להתרומם מעט. הוא הסיר גם את הכנף השנייה וחזר על הניסוי, אך למרות כל צעקותיו הזבוב לא עף. סיכם המדען את הניסוי ביומנו: זבוב ללא כנפיים – חירש.

אבל הסתכלות כזו על ניסויו של ואן הלמונט, מתוך נקודת מבט ומצבור ידע מודרני – עושה לו עוול. יאן בפטיסט ואן הלמונט היה אחד ממייסדיו של המדע המודרני. הוא חי בפלנדריה (היום חבל ארץ בבלגיה) בין השנים 1580-1644, בעיצומה של תקופת הרנסנס שמסמלת את יציאתה של אירופה מתקופת ימי הביניים, ובעצם את תחילתו של המדע המודרני. גלילאו גליליי שחי באותה תקופה ממש נחשב במידה רבה לאבי המדע המודרני – מדע שמבוסס על תצפיות וניסויים, ולא רק על סברות והשערות.

הקדים את זמנו

ואכן, ואן הלמונט, כמו גליליי – חקר בשיטות של מדע מודרני, תוך תכנון ניסויים מבוקרים ומדידות מדויקות. בניסוי עץ הערבה הוא הביא בחשבון את כל המשתנים הידועים לו שיכולים להשפיע על משקל העץ. כפי שתואר בקיצור בסרטון, הוא שתל עץ ערבה במשקל 2.2 ק"ג בעציץ המכיל 90 קילוגרמים של אדמה יבשה. ואן הלמונט ייבש את האדמה כדי שבסוף הניסוי יוכל לשקול אותה שוב, באותם התנאים. הוא חשש שאם היה משאיר את האדמה רטובה, לא יוכל לדעת את מידת הרטיבות המדויקת שלה ולא יוכל לחשב את ירידת משקלה בסוף הניסוי.

את עץ הערבה הוא הקפיד להשקות רק במי גשם או במים מזוקקים, כלומר במים שעברו תהליך של אידוי, ועיבוי חזרה, מה שמשאיר אותם נטולי מלחים ומינרלים. גם נקודה זו דורשת הסבר: מדעני העת העתיקה שמו לב שכאשר שופכים חומצה על מתכת – המתכת מתמוססת 'ונעלמת'. למעשה זה היה ההסבר שלהם לתופעה: שהחומצה הורסת את המתכת. ואן הלמונט הצליח להוכיח בסדרה של ניסויים כי המתכת לא נעלמת, אלא הופכת למלח שנשאר מומס במים ומעלה את משקלם. הוא גם הראה שבתהליך כימי, שהיום המדעים מבינים כי הוא חימצון וחיזור, אפשר להחזיר את המתכת שהומסה למצבה המקורי. לכן הוא הבין שעליו להשתמש במים נטולי מינרלים, כדי שהתאדותם במהלך השנים לא תשאיר באדמה מינרלים בעלי מסה שעלולים להשפיע על חישובי המשקל שתכנן.

לאחר חמש שנות ניסוי, שבהן הקפיד שלא ייפול גרגר אדמה מתוך העציץ או אל העציץ – הוא הוציא את העץ, ניקה אותו בקפדנות ושקל אותו שוב. משקלו בסיום הניסוי היה 77 ק"ג, כלומר נוספו לו 74.8 ק"ג ממשקלו ההתחלתי, בלי להתחשב בעלים שנוצרו ובוודאי נשרו מהעץ במהלך שנות הניסוי.

לעומת זאת, משקל האדמה בעציץ, לאחר שיובשה שוב – ירד ב 57 גרמים בלבד. מכאן הסיק ואן הלמונט כי כל משקל העץ הנוסף נוצר מהמים, החומר היחיד שהוא הוסיף לעץ במהלך שנות הניסוי.

עוד נקודה מעניינת לזכות איכות עבודתו של ואן הלמונט היא העובדה שהיא מתבססת על חוק שימור החומר – כלומר על העובדה שחומר לא יכול להיווצר מאליו ולא יכול להיעלם. זו נקודה מעניינת משום שאת חוק שימור החומר ניסח המדען הצרפתי אנטואן לבואזיה יותר מ 120 שנה מאוחר יותר. כלומר ואן הלמונט ממש הקדים את זמנו.

עצים מגז

כפי שנאמר בסרטון, היום אנחנו יודעים שוואן הלמונט טעה לגמרי במסקנות שהסיק מהניסוי. הוא לא העלה על דעתו שצמחים, כמו בעלי חיים, מקיימים מערכת של חילופי גזים עם האוויר. היום אנו יודעים כי הצמחים גם נושמים כמו בעלי חיים – כלומר צורכים מהאוויר חמצן, ופולטים פחמן דו-חמצני. אולם בנוסף לכך, בשעות האור, הם מבצעים בנוסף לנשימה תהליך הנקרא פוטוסינתזה (פוטו=אור, סינתזה=הרכבה, כלומר 'הרכבה באמצעות האור') ובו הם מייצרים סוכר (גלוקוז, C₆H₁₂O₆) מפחמן דו חמצני (CO₂) מהאוויר בשילוב עם המים (H₂O) שהם שואבים מהשורשים. התהליך הכימי הכולל בפוטוסינתזה מנוסח כך:

6H₂O + 6CO₂ ---> C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + אור

כלומר משש מולקולות מים ושש מולקולות פחמן דו חמצני, נוצרות בנוכחות אור מולקולה אחת של גלוקוז ושש מולקולות חמצן. הגלוקוז משמש את העצים גם להפקת אנרגיה באמצעות חימצונה בתהליך הנשימה וגם משמשת כאבן הבנייה המרכזית של העץ: העץ בנוי מפולימר בשם תאית (צלולוז) שרשרת ענקית של מולקולות גלוקוז המחוברות זו לזו.

חשוב לציין שמשוואת תהליך הפוטוסינתזה הכתובה למעלה היא מאוד פשטנית, בפועל התהליך מורכב ביותר, וכולל עשרות תהליכים כימיים שונים. מה שחשוב לצורך חישוב מדויק של מקור מסת העץ הוא העובדה שבתהליך הפוטוסינתזה, אור השמש מצליח לבקע מולקולת מים ולשחרר את החמצן שבה לאוויר. כלומר החמצן המשתחרר בתהליך מקורו מהמים, והשריד היחיד שנשאר ממולקולת המים בתוך מולקולת הגלוקוז הם אטומי המימן (H), כל שאר האטומים מגיעים מהפחמן הדו-חמצני.

נוסחתה הכללית של התאית, שהיא רוב החומר המוצק בעצים היא:

 (C₆H₁₀O₅)_n

– חדי העין אולי יבחינו שזה למעשה הרכב הגלוקוז פחות H₂O, כלומר פחות מולקולת מים שאכן נפלטת כאשר שתי מולקולות גלוקוז מתחברות ביצירת השרשרת המרכיבה את התאית. האות n בנוסחה מציינת שזו יחידה שחוזרת פעמים רבות.

חישוב המשקלים היחסיים של הפחמן (12), החמצן (16) והמימן (1) תוך התחשבות בעובדה שהפחמן והחמצן שבתאית העץ מגיעים מהגז פחמן דו-חמצני ואילו המימן מגיע מהמים, מוביל למסקנה כי עץ יבש ותאית מכילים 93.8 אחוז פחמן דו חמצני, ו- 6.2 אחוזי מים. כלומר רוב-רובה המסה של העצים נוצרו מהפחמן הדו חמצני שבאוויר! העץ 'נוצר מאוויר'!

עבודה המבוססת על חוק שימור החומר, כ-120 שנה לפני שהוא נוסח. ציור של ואן הלמונט | מקור: Science Photo Library

צדק היסטורי

אין זה הוגן כלל ללגלג על ואן הלמונט שפיספס עובדה זו. בתקופתו כלל לא התחילה המיקרוסקופיה האנטומית – כך שלא ידעו שלצמחים פתחי נשימה. את החמצן, שגם הוא חלק מתהליך הפוטוסינתזה – גילו פריסטלי ולבואזיה כ-130 שנים אחרי מותו של ואן הלמונט. תהליך הפוטוסינתזה עצמו, על פרטיו המרובים, התברר לחלוטין רק במחצית השנייה של המאה ה-20. כך שלוואן הלמונט לא היה סיכוי לפתור בתקופתו את התעלומה במלואה, והניסוי המדוקדק שביצע פשוט מעורר התפעלות.

כפי שנאמר בסוף הסרטון – יש אירוניה או צדק היסטורי בכל הסיפור: בנוסף למחקרי הצמחים והמתכות הנעלמות בחומצה, ואן הלמונט גם חקר גזים. למעשה הוא שהמציא את המונח 'גז' (ממילה היוונית כאוס – אי-סדר), והוא המדען הראשון בהיסטוריה שקבע שיש דבר כזה גז – ולא רק אוויר כמו שחשבו עד אז: הוא הצליח להראות כי בשריפה של עץ בכלי סגור – הכלי מתמלא בגז כבד שאיננו האוויר. הגז הוא פחמן דו-חמצני, שוואן הלמונט גילה אותו. וכאן האירוניה או הצדק: ואן הלמונט ביקש לגלות את החומר שממנו העצים נבנים, ובפועל, בלי שהוא עצמו מודע לכך, גילה את הגז פחמן דו חמצני, שהוא אכן החומר הבונה את העצים.