Fotosinteza

Viata plantelor este legata de circulaţia sevei brute si a celei elaborate. Apa cu sărurile minerale sunt absorbite de către rădăcinile plantei si circula prin planta sub forma de seva bruta.

Absorbţia apei si a sărurilor minerale are loc aproape exclusiv prin vârful rădăcinilor, in zona perişorilor absorbanţi. Ea se realizează printr-un mecanism pasiv si unul activ.

Mecanismul pasiv se datorează transpiraţiei de la nivelul frunzelor. Aceasta creează o forţa de suctiune ce se transmite de-a lungul vaselor lemnoase din nervurile frunzelor, din tulpina si rădăcina pana la perişorii absorbanţi, care vor capta apa din sol.
Mecanismul activ functioneaza la plantele bine aprovizionate cu apa si in condiţii fiziologice normale, când in rădăcini se dezvolta o presiune pozitiva. Aceasta face ca apa sa fie absorbita de către rădăcini si condusa prin tulpini pana la frunze.
Cea mai mare cantitate de apa absorbita de planta se datoreste insa forţei de suctiune. Cu cat transpiraţia este mai intensa cu atât forţa de suctiune a frunzelor este mai mare si implicit si cantitatea de apa absorbita.
Conducerea sevei brute in corpul plantelor se face atât prin celule, cat si prin vasele lemnoase. Ea se realizează in mai multe etape:

• conducerea centripeta, pe orizontala, de la suprafaţa rădăcinii prin parenchimul cortical pana la vasele lemnoase;
• transportul longitudinal prin vasele lemnoase, de la rădăcini, pana in vârful tulpinii si al ramurilor, in frunze, flori si fructe;
• conducerea centrifuga din nou pe orizontala prin parenchimul tulpinii, ramurilor, frunzelor, florilor si fructelor.

Forţele care contribuie la ascensiunea sevei brute in corpul plantelor sunt: presiunea radiculara si forţa de suctiune.

Presiunea radiculara actioneaza mai ales primăvara, înainte de apariţie frunzelor. Ea apare datorita concentraţiei scăzute a apei in vasele lemnoase ale rădăcinii.

Forţa de suctiune depinde de intensitatea transpiraţiei, care este strâns legata de o serie de factori externi(temperatura aerului si a solului, umiditatea, vântul, lumina) si interni(densitatea si gradul de deschidere al stomatelor, suprafaţa totala a frunzelor, densitatea perişorilor absorbanţi).
Când apare un dezechilibru in aprovizionarea cu apa a unei plante, celulele pierd apa ţesuturile se înmoaie si planta se ofileşte.
Fotosinteza este procesul complex care consta in sinteza substanţelor organice (glucide, lipide, proteine) din substanţe anorganice folosindu-se ca sursa de energie energia luminoasa cu ajutorul pigmenţilor clorofilieni.
Principalele organisme fotosintetizante sunt plantele verzi superioare. Frunzei acestora, specializata in realizarea fotosintezei, ii sunt necesare următoarele condiţii:

• aprovizionarea cu apa, săruri minerale si dioxid de carbon;
• existenta pigmenţilor fotosintetizanţi(clorofilieni) pentru captarea si conversia energiei solare in energie chimica, înglobata in substanţele organice produse cu eliberarea in atmosfera a oxigenului.

Frunza indeplineste aceste condiţii, deoarece structura sa interna este perfect corelata cu funcţia sa specifica, datorita existentei:

• parenchimului asimilator(mai ales, ţesutului palisadic bogat in cloroplaste);
• ţesuturilor conducătoare din fasciculele libero-lemnoase (nervuri) – „canalele” de circulaţie a sevei plantei(bruta si elaborata);
• celulele epidermice transformate in stomate, care controleaza schimburile de gaze in fotosinteza, respiraţie, precum si reglarea intensitatii transpiraţiei (eliminarea apei sub forma de vapori);
• spatiile intercelulare din ţesutul lacunar prin care are loc difuzia gazelor.

Condiţia esenţiala pentru realizarea fotosintezei este captarea energiei luminoase si conversia ei in energie chimica de către pigmenţii asimilatori din sistemul tilacoidal (grana) al cloroplastelor.
Numărul si forma cloroplastelor variază. Astfel, la plantele verzi ele sunt numeroase, mici, sferice sau elipsoidale, staţionate mai ales, in celulele frunzelor. La protistele fotosintetizatoare, ele sunt mari si se numesc cromatofori.
Cloroplastele se multiplica si se perpetuează prin diviziune.
Structura unui cloroplast. Prezintă o membrana dubla, permeabila pentru O2, CO2, diferiţi ioni (Fe3+,Mg2+), glucoza. In interior se afla substanţa fundamentala(stroma), care conţine enzime, incluziuni lipidice, granule de amidon, acizi nucleici si ribozomi.
Membrana interna formează numeroase plieri lamelare numite tilacoide. Ele ocupa interiorul cloroplastelor si formează structuri de tipul fişicului de monede(grana).
Membranele tilacoidelor conţin pigmenţi clorofilieni; ele sunt sediul reacţiilor fotosintezei dependente de lumina.
Pigmenţii asimilatori (clorofilele a si b si carotenoizii) sunt organizaţi in fotosisteme. Ele functioneaza ca nişte „antene” sensibile care absorb energia fotonica si o transmit la clorofila a – centrul de reacţie al fotosistemului.
Ecuaţia generala a procesului de fotosinteza este:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6O2.
Respectiv, din sase molecule de CO2 si sase de H2O se formează o molecula de glucoza si sase molecule de O2.
Fotosinteza se desfasoara in doua etape succesive, interdependente: una la lumina si alta la întuneric.
Etapa de lumina se produce in grana cloroplastelor; clorofila a absoarbe energia luminoasa si o utilizează pentru:
a. sinteza unor substanţe necesare in următoarea etapa, intre care ATP-ul (adenozintrifosfat)-substanţa macroergica a organismelor, care contribuie la conversia energiei luminoase in energie chimica;
b. descompunerea apei in hidrogen si oxigen(fotoliza), acesta din urma fiind eliminat in atmosfera.
Etapa de întuneric are loc la nivelul stromei. Ea consta in reacţii care folosesc energia stocata in ATP pentru incorporarea CO2 din aer in compuşi organici – hidraţi de carbon(in special, glucoza). Monozaharidele sunt convertite in polizaharide(amidon, celuloza), acizi organici, lipide.
Substanţele organice sintetizate in frunza(seva elaborata) sunt conduse prin vasele de liber la ţesuturile din întreaga planta unde sunt consumate sau depozitate.
Fotosinteza este un proces supus influentelor factorilor de mediu. Dintre aceştia pot fi enumeraţi: temperatura, cantitatea si calitatea luminii, cantitatea de O2 si de CO2.
In general, procesul de fotosinteza începe la o temperatura uşor inferioara valorii de 0ºC,creste in intensitate odată cu ridicarea temperaturii, atingând la unele plante maximum de intensitate la 30-37ºC, după care, prin mărirea in continuarea temperaturii, descreşte rapid, încetând in jurul temperaturii de 50ºC. Exista mari variaţii intre diferite specii, variaţii care se datorează mediului in care trăiesc plantele respective, temperaturilor la care sunt adaptate. Temperatura optima pentru fotosinteza este in strânsa legătura cu condiţiile de iluminare si cu concentraţia CO2 din mediu. In general, la plantele din zona temperata, temperatura optima a fotosintezei este cuprinsa intre20-30ºC.
In ceea ce priveşte limita inferioara a temperaturii la care fotosinteza mai are loc s-a constatat ca la plantele cu frunze sempervirescente, fotosinteza are loc la temperaturi mult mai coborâte: frunzele aciculare de molid pot asimila pana la temperatura de -6ºC, iar frunzele de grâu de toamna pana la -2ºC. In legătura cu limita maxima a temperaturii, s-a constatat ca la plantele din regiunile temperate, fotosinteza încetează la o temperatura mai mica (45-50ºC) fata de cele din regiunile sudice, la care temperatura maxima este de 50-55ºC.

Importanta fotosintezei:

• este cel mai complex proces natural de sinteza a substanţelor organice din substanţe anorganice; de existenta organismelor fotosintetizante(producătorii ecosistemelor)depinde întreaga viata pe Tetra;
• prin utilizarea dioxidului de carbon eliberat din respiraţia vieţuitoarelor sau din procesele de ardere industriala, menţine concentraţia acestuia la valori care nu depasesc limita toxica(0,03%);
• prin eliminarea oxigenului reimprospateaza atmosfera si o face propice respiraţiei organismelor;
• asigura circulaţia in natura a carbonului, azotului, fosforului.

Din toate acestea rezulta ca in fotosinteza se consuma CO2 si se eliberează O2.

Respiraţia reprezintă procesul fiziologic prin care la nivelul celulei substanţei organice sunt oxidate rezultând energie.
Respiraţia cuprinde schimburile gazoase dintre organisme si mediu(respiraţie externa) – preluarea oxigenului si eliberarea dioxidului de carbon – precum si transportul gazelor respiratorii pana la nivelul celulelor(respiraţie celulara).
In funcţie de modul in care este folosit oxigenul, respiraţia poate fi aeroba si anaeroba.
Respiraţia anaeroba se produce in lipsa oxigenului.
Substanţele organice sunt oxidate pana la formarea unui produs intermediar si a dioxidului de carbon. Ecuaţia reacţiei este următoarea:
C6H12O6 → produs intermediar + CO2 +energie(~30Kcal.)
Nu se produce apa, iar cantitatea de energie rezulta este mult mai mica decât cea eliberata in respirata aeroba, deoarece o9 mare parte este stocata in produs intermediar.
Respiraţia anaeroba este caracteristica ciupercilor si bacteriilor, dar exista si la plantele superioare si ţesuturile animale. Astfel, datorita respiraţiei anaerobe, plantele superioare din culturile inundate pot supravieţui câteva zile.
La animale, in celulele musculare, datorita unui efort prelungit, aportul de oxigen este insuficient pentru respiraţia aeroba. De aceea, in muşchi se acumulează o mare cantitate de acid lactic. El este toxic si blochează contracţia fibrelor musculare; astfel apar crampele musculare.
Respiraţia anaeroba la bacterii si ciuperci se numeşte fermentaţie. După natura produsului obţinut, fermentaţiile sunt de mai multe tipuri: alcoolica, lactica, acetica.
Fermentaţia alcoolica este produsa de unele ciuperci: drojdia de bere, drojdia vinului. Glucoza este transformata in alcool etilic, CO2 si energie. Aceasta fermentaţie are aplicaţii la fabricarea pâinii si a băuturilor alcoolice. Umflarea aluatului de pâine ca si „fierberea” mustului se datoresc bulelor de CO2 degajate.
Fermentaţia lactica este produsa de unele bacterii. Molecula de glucoza este rupta in doua molecule de acid lactic. Aceasta fermentaţie se aplica la obţinerea laptelui acru, iaurtului, prepararea murăturilor, a nutreţurilor murate.
Fermentaţia acetica este produsa de anumite bacterii care transforma zaharurile sau alcoolul etilic in acid acetic. Are aplicaţii in industria oţetului.
Respiraţia aeroba are loc numai in prezenta oxigenului după următoarea reacţie chimica:
C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 675Kcal.
Majoritatea plantelor si animalelor au respiraţie aeroba.
Plantele folosesc in respiraţie oxigenul liber din aer si sol sau dizolvat in apa.
Deşi respira tot timpul, in cursul zilei respiraţia plantelor este mascata de fotosinteza. Ziua, in acelaşi interval de timp, cantitatea de dioxid de carbon eliminata prin respiraţie este foarte mica in comparaţie cu cea absorbita prin fotosinteza; practic la lumina poate fi pusa in evidenta numai cantitatea de dioxid de carbon absorbit.
Organul principal specializat prin care se realizează respiraţia la plante este frunza. Schimbul de gaze respiratorii are loc la nivelul stomatelor si al spatiilor intercelulare numeroase din ţesutul lacunar al frunzelor.
Stomatele sunt celule modificate in scopul realizării schimbului de gaze(CO2 si O2) in respiraţie si in fotosinteza, si al eliminării vaporilor de apa, prin transpiraţie.
O stomata este formata din doua celule de forma unor boabe de fasole, care lasă intre ele o deschidere(ostiola). Pereţii lor sunt inegal ingrosati, cu rol in deschiderea si închiderea stomatelor in funcţie de lumina, umiditate, temperatura aerului.
Stomatele se găsesc din loc in loc in epiderma(mai numeroase in epiderma inferioara). La frunzele plantelor care plutesc(exemplu, la nufăr), stomatele se găsesc numai pe epiderma superioara.
Plantele respira si prin celelalte organe(rădăcina, tulpina, floare, samanta). De exemplu, rădăcinile respira la nivelul perişorilor absorbanţi, unde are loc schimbul gazelor respiratorii. Aşa se explica de ce plantele au nevoie de soluri bine aerate. Unele plante acvatice (exemplu, chiparosul de balta) au rădăcini respiratorii(pneumatori); la majoritatea plantelor acvatice schimburile de gaze se fac intre gazele dizolvate in apa si organele imersate. Plantele de dimensiuni mari (arborii) au in scoarţa nişte deschideri (lenticele) cu rol in respiraţie.

Mitocondriile sunt organite celulare prezente in toate celulele eucariotelor aerobe, aşezate, de regula, in apropierea nucleului. Majoritatea au forma elipsoidala, dar pot fi si sferice, in forma de bastonaş.
Sunt mai numeroase in celulele cu activitate intensa(fibrele muşchilor striaţi, celule hepatice, celule aflate in diviziune).
Mitocondriile se multiplica prin diviziune, fragmentare sau înmugurire si se transmit de la o generaţie celulara la alta, pe linie materna.

Structura unei mitocondrii. Prezintă o membrana dubla. Cea interna formează prin invaginare numeroase criste, care conţin enzime.
In interiorul mitocondriei se găsesc diferite substanţe minerale si organice, inclusiv acizi nucleici.
Mitocondriile au rol esenţial in respiraţia celulara, fiind considerate „centrale energetice” ale celulelor; in procesul de respiraţie celulara are loc eliberarea de energie. Energia este apoi înmagazinata in moleculele de ATP. Mitocondriile constituie sediul formarii ATP.
Aceasta energie este folosita in toate procesele metabolice vitale, di organism(contracţiile musculare, conducerea impulsului nervos). Ea poate fi folosita ca atare in sinteza de molecule organice sau poate fi transformata in alte forme de energie: electrica, mecanica, calorica sau luminoasa. Mitocondriile au rol si in sintezele de proteine si lipide.
Procesul de respiraţie la plante este influenţat de o serie de factori:

• cantitatea de O2 si de CO2 din aer(când este prea mult CO2 in aer si prea puţin O2, plantele pot muri);
• temperatura aerului(începe la 0ºC ci creste pana la 30-35ºC);
• gradul de hidratare a celulelor(seminţele au intensitatea respiraţiei mai scăzuta);
• vârsta plantelor(cele tinere respira mai intens decât cele imbatranite).

Observam ca O2 este gazul consumat in respiraţie si CO2 gazul rezultat din respiraţie.
In concluzie, fotosinteza si respiraţia sunt doua procese complementare.