Fotosinteză

Sub influenţa energie luminoase are loc în frunză punerea în libertate a oxigenului, fără de care nu ar putea exista viaţă pe Pământ

Fotosinteza este procesul de fixare a dioxidului de carbon din atmosferă de către plantele verzi (cu clorofilă), în prezenţa radiaţiilor solare, cu eliminare de oxigen şi formare de compuşi organici (glucide, lipide, proteine) foarte variaţi. Deşi apa participă în fotosinteză, ca şi dioxidul de carbon, ea nu constituie, nici chiar când este în cantităţi reduse, un factor limitant pentru toate speciile. Intensitatea fotosintezei se exprimă cantitativ prin volumul de gaz degajat pe unitate de timp.

Apa în fotosinteză

Fără apă viaţa plantelor, ca de altfel a tuturor vieţuitoarelor de pe Terra, este imposibilă. După cum se ştie, globul pământesc este aprovizionat cu apă în mod foarte diferit. Cele mai puţine precipitaţii, inegal distribuite în cursul anului, cad în deşerturi. Deşerturile se găsesc aproape în toate continentele, ocupând suprafeţe mai mari sau mai mici, populate cu o floră şi o faună specifică. Toate procesele metabolice depind de cantitatea de apă din ţesuturi. Un deficit de apă în ţesuturile asimilatoare influenţează direct procesul fotosintezei atât în faza de lumină, cât şi

în faza de întuneric, provocând inhibarea acestuia. Deoarece principalul rezultat al pierderilor turgescenţei îl constituie închiderea stomatelor, schimbul de gaze care are loc în fotosinteză, respiraţie şi fotorespiraţie, este mult îngreunat. Totuşi, şi alţi factori nonstomatici intervin în reducerea fotosintezei sub influenţa deficitului şi stresului de apă.

Adaptări ale organismelor

Deşi speciile de plante care cresc în ţinuturile aride aparţin mai multor familii botanice, ele capătă mai mult sau mai puţin acelaşi aspect. Astfel datorită apei insuficiente, o parte din plantele din deşerturi şi-au pierdut frunzele care s-au transformat în spini pentru a împiedica transpiraţia, asimilaţia clorofiliană fiind preluată de către tulpinile verzi ce au clorofilă. Tulpinile verzi, asimilatoare, pot fi sferice, lăţite ca nişte frunze sau cilindrice şi ramificate ca nişte candelabre. Deşi suculente, conţinând o mare cantitate de apă acumulată de ţesutul acvifer, animalele nu se pot atinge de ele datorită spinilor puternici ce constituie o bună armă de apărare. Şi aceşti spini nu sunt altceva decât frunzele reduse la nervura principală.Aceste forme de adaptare se întilnesc mai ales la plantele de deşert, cele din familia Cactaceae numite simplu – cactuşi şi care sunt caracteristice (cu unele excepţii) deşertului Mexican. Dacă nu chiar toate speciile de plante care trăiesc în locuri secetoase au imitat, mai mult sau mai puţin, forma cactusului, în schimb toate au păstrat caracteristicile de bază: stomatele sunt deschise numai noaptea, cuticula frunzelor este groasă şi impermeabilă, plasma celulară se păstrează întotdeauna, indiferent de temperatură, în stare hidratată.

Reacţii Reacţii fotochimiceReacţii nefotochimice ( de întuneric )

Ciclul Calvin reprezintă o serie de reacţii biochimice, care au loc in stroma organismelor fotosintetice, în timpul fazei de întuneric. În cadrul acestui proces, energia cinetică a fotonilor este transformată în energie chimică de legatură.

Aspectul energetic al fotosintezei

Au trebuit să treacă încă 44 ani pentru ca aspectul energetic al fotosintezei să fie cunoscut. Meritul revine medicului şi fizicianului german Robert Mayer, care a aplicat legea conservării energiei la vieţuitoare. Astfel, în 1845 el a publicat lucrarea "Mişcarea organică în relaţie cu metabolismul", în care a explicat clar transformarea energiei în procesul fotosintezei. În timpul efectuării fotosintezei, plantele înmagazinează energia luminii solare sub formă de energie chimică.ei în natură. Plantele nu creează energie, ci numai o transformă pe cea primită de la soare. În plus, Mayer afirmă că viaţa animalelor este dependentă de această proprietate unică a plantelor verzi. Astfel energia consumată de animale în timpul vieţii provine din radiaţiile solare. Acest fapt stabileşte ferm procesul de

fotosinteză ca fiind unul dintre fenomenele cele mai importante din lumea vieţuitoarelor. Ecuaţia generală a fotosintezei putea fi scrisă atunci:

6 CO2 + 6 H2O + lumină solară → C6H12O6 + 6 O2

Dioxid de carbon + Apă + Energie luminoasă → Glucoză + Oxigen

Fotosinteza are loc în cloroplaste şi în zona citoplasmei care le înconjoară. La nivelul cloroplastelor alături de clorofila a, pigment activ în reacţiile fotochimice, se mai găsesc şi alţi pigmenţi, cu rol de pigmenţi accesori:

Clorofilă b ,clorofilă c Carotenoizi Flavonoide Pigmenţi ficobilinici = ficobiliproteine

Mecanismul clorofilei se pare că include 3 procese principale:

Fotofosforilarea Fotoliza apei Fixarea şi transformarea CO2 în glucide

FactoriPoluarea aerului si fotosinteza

Este poate necesar de reamintit că rolul epurator al aerului ambiant, atribuit plantelor este totuşi limitat, astfel că este iluzoriu să considerăm că oxigenul produs de o pădure poate compensa pe cel consumat de către avioanele cu reacţie la decolarea de pe un aerodrom. În schimb, rolul fizic al plantelor este mult mai important. Diferitele plantaţii de arbori, de garduri vii sau de masive împădurite vor avea un rol fizic de dispersare a poluanţilor, modificând asperităţile naturale ale solului, producând modificări higrometrice şi de temperatură locale, toate favorizând o mai bună dispersare sau fixare la sol a diferiţilor poluanţi emişi în atmosferă. Aceasta presupune în primul rând, cunoaşterea mecanismelor de intoxicare a plantelor cu poluanţii aerului, pentru a putea imagina apoi fie o modalitate de atenuare a efectelor, fie un mod de selecţionare a speciilor rezistente. Astfel, principalii poluanţi întâlniţi sunt: dioxidul de sulf, derivaţii fluorului, oxizii de azot, ozonul şi numeroase alte substanţe produse de diferite industrii, ca acidul clorhidric, pulberile, monoxidul de carbon. Ei limitează suprafaţa activă fotosintetic a frunzelor.

LuminozitateaOzonul şi agenţii oxidanţi

Ozonul şi oxidanţii sunt poluanţi fotochimici care se formează sub acţiunea radiaţiilor luminoase (în special UV) asupra unui amestec de poluanţi de tipul SO2, NOx şi hidrocarburi nesaturate. Ei sunt întâlniţi adesea în regiuni cu poluare

puternică, unde condiţiile climatice cu curenţi slabi de aer permit stagnarea unor mase poluante, creîndu-se astfel condiţii favorabile reacţiei dintre diferiţii poluanţi.Plantele din aceste zone prezintă pete necrotice localizate între nervuri pe una sau alta din feţele frunzei,în funcţie de poluantul în cauză.O expunere prelungită produce o cloroză a frunzei, îmbătrânirea prematură şi eventual căderea frunzelor atacate. Pe lângă aspectul fundamental, cercetarea acţiunii ozonului şi a oxidanţilor asupra fotosintezei, prezintă şi o importanţă practică. Se ştie că prezenţa poluanţilor poate produce diminuarea creşterii plantelor prin reducerea fotosintezei, datorită distrugerii ţesuturilor. Numeroşi cercetători au observat o reducere a creşterii plantelor, expuse acţiunii oxidanţilor, chiar şi în absenţa necrozelor. S-a observat o reducere a creşterii cu 10 % la o varietate de tutun expusă timp de 3-4 săptămâni la concentraţii ale oxidanţilor cuprinse între 0,03 şi 0,22 ppm. Această diminuare afectează mai mult varietăţile existente.O expunere de 3 săptămâni la concentraţii comparabile celor înregistrate în natură, împiedică înflorirea la tomate.Numeroşi alţi factori ar putea şi ei constitui cauza diminuării procesului de creştere, iar dintre aceştia amintim: modificările anatomice ale ţesuturilor foliare, intensificarea respiraţiei, diminuarea fotosintezei, scăderea cantităţii de clorofilă, creşterea permeabilităţii pereţilor celulari etc. Studiile efectuate asupra rolului stomatelor în absorbţia ozonului şi oxidanţilor au scos în evidenţă faptul că stomatele nu constituie singura cale de pătrundere a poluantului în plante.

Monoxidul de carbon (CO)

Influenţa acestui poluant asupra fotosintezei a fost studiată la alga verde unicelulară Chlorella. Rezultatele au arătat o inhibare reversibilă a procesului care depinde de presiunile parţiale ale monoxidului de carbon şi ale oxigenului. S-ar părea că această inhibare a fotosintezei se datorează fixării monoxidului de carbon pe nucleul metalic al unei enzime care transportă oxigenul în procesul de fotosinteză. Inhibarea fotosintezei se accentuează sub acţiunea luminii.

MECANISMUL FOTOSINTEZEI

Fotosinteza este un proces complex in cadrul caruia putem distinge doua tipuri de reactii:

a) “reactii de lumina” care sunt direct dependente de lumina si asigura procesul fotochimic prin care energia luminoasa este convertita intr-un compus bogat in energie (ATP) si un reducator primar (NADPH?);

b) “reactii de intuneric”, corespunzatoare fazei biochimice (metabolice) in cadrul careia au loc reducere CO? pana la nivelul hidratilor de carbon.

Procesul fotochimic nu este posibil decat prin interventia pigmentilor asimilatori. Deci esenta fotosintezei consta in transformarea unei forme de energie intr-o alta forma de energie, forma ce poate fi utilizata deopotriva de catre organismele fotosintetizatoare si de catre celelalte vietuitoare existente.

Fotosinteza reprezinta asadar conditia indispensabila pentru desfasurarea tuturor proceselor metabolice din biosfera. Nu se cunoaste nici un alt proces de transformare a energiei care sa semene cu ce se intampla in frunza verde si care sa efectueze aceasta transformare cu o eficienta atat de mare. Intelegerea mecanismului fotosintezei permite nu numai gasirea celor mai adecvate mijloace pentru cresterea plantelor ci deschide si calea pentru producerea de energie prin fotosinteza.

INFLUENTA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA FOTOSINTEZEI

a) Influenţa luminii

Faptul că plantele nu cresc bine la întuneric a fost observat încă din antichitate. Totuşi, numai cu două secole în urmă, s-a demonstrat rolul luminii în creşterea plantelor, acordându-i-se acestui fapt, pe lângă importanţa practică şi o semnificaţie filozofică. Ingen-Housz mai întâi şi apoi R. Mayer au contribuit poate cel mai mult la aprecierea rolului luminii ca o condiţie indispensabilă a asimilării CO2 de către plantele verzi.

Lumina poate influenta fotosinteza prin intensitatea, calitatea si durata ei. Cercetatorii Pantanelli si Liubimenko, adepti ai teoriei celor trei puncte cardinale sustineau ca fotosinteza incepe la o anumita intensitate a luminii. Fotosinteza nu este insa un fenomen de sensibilizare a protoplasmei, ci un fenomen fotochimic de transformare a energiei. Astfel, N. Salageanu, determinad fotosinteza la aceeasi frunza si la intensitati din ce in ce mai slabe de lumina a constatat faptul ca fotosinteza are loc pana la cele mai mici intensitati ale luminii. Valoarea intensitatii luminii la care emisiunea O2 prin fotosinteza este egala cu absorbtia lui prin respiratie reprezinta punctul de compensatie al luminii. Cunoasterea valorii punctului de compensatie prezinta o mare importanta deoarece sub acest nivel respiratia predomina asupra asimilatiei, plantele nu mai produc substante organice, iar organismul traieste din rezervele sale. Supravietuirea si cresterea plantelor nu

sunt posibile decat prin iluminarea cateva ore pe zi deasupra punctului de compensatie.

b) Influenţa concentraţiei dioxidului de carbon

Importanţa „aerului fixat”, adică a CO2, în procesul de purificare a aerului de către plante a fost clar formulată de către botanistul elveţian Senebier. Acesta, tratând critic tot ce se cunoştea de la Priestley, în lucrările sale publicate la Geneva în 1783 şi intitulate Cercetări fizico-chimice privitoare la influenţa luminii solare asupra modificării fiinţelor vii din cele trei regnuri naturale şi mai ales din regnul vegetal, scria că „aerul eliberat de către plantele expuse la soare este produsul transformării aerului cu ajutorul luminii”.

Priestley, Ingen-Housz şi Senebier au făcut numai observaţii calitative sau foarte sumare estimări cantitative, iar lucrările lor foloseau încă limbajul naiv şi confuz al terminologiei chimice din vremea aceea. Cei trei cercetători au intrat şi într-o polemică de prioritate, dar acest aspect nu le umbreşte cu nimic meritele.

Pentru plantele terestre concentratia de CO2 este unul dintre cei trei factori limitanti pusi in evidenta de catre F.Blackman. Exceptand iluminarile foarte slabe (sub 1000 lucsi) si temperaturile scazute (sub 5?C), cantitatea de CO? din atmosfera (0,03%) este puternic limitata; nivelul optim al concentratiei de CO? se situeaza catre 0,1%, iar la concentratii mai mari de 2-5% , CO? devine toxic. N.Salageanu a constatat ca frunzele plantelor crescute in umbra au fotosinteza cea mai intensa la concentratii de 0,5 - 1% CO?, iar cele crescute in plin soare, la 2-3% CO?.

c) Influenta temperaturii

Ca si in cazul altor procese metabolice, se constata un efect pozitiv al temperaturii asupra fotosintezei pina la 30ºC, dupa care se constata o actiune depresiva, urmata de incetarea procesului catre 45ºC. Intensitatea fotosintezei creste odată cu temperatura, atingând nivelul optim la 30-35ºC apoi coboară rapid catre zero la temperatura de 40-45ºC. Partea fotochimica a fotosintezei este independenta de temperatura, in vreme ce partea biochimica, enzimatica este strict dependenta de temperatura. Cu toate acestea exista printre plante o mare varietate si capacitate de adaptare la temperaturile extreme. Muschii, lichenii si coniferele raman verzi si isi pastreaza capacitatea fotosintetica in timpul iernii, iar unele alge albastre din lacurile termale cresc si la temperatura de 80ºC.

Temperaturile minima, optima si maxima a fotosintezei nu sunt fixe, ci difera de la o specie la alta si dupa provenienta plantelor. Astfel, cartoful, adaptat la regiuni mai reci are optimul fotosintezei la 30ºC, iar frunzele de tomate si castraveti, plante de proveninta sudica au optimul in jur de 40ºC.

d) Influenta concentratiei oxigenului

Influenta oxigenului asupra fotosintezei a fost pentru prima data scoasa in evidenta la alga Chlorela de catre Warburg care a gasit ca la lumina intensa fotosinteza scade o data cu cresterea concentratiei O? peste valorile normale de 21% din atmosfera. La plantele superioare terestre, prima observatie referitoare la efectul oxigenului asupra fotosintezei a fost efectuata de McAlister la frunzele de grau.

Oxigenul din atmosfera terestra normala exercita un puternic efect inhibitor asupra fotosintezei unor plante superioare terestre (grau, secara, orz etc.). La toate aceste plante s-a constatat ca la concentratia normala a oxigenului din atmosfera fotosinteza este micsorata cu 40-50%.

ROLUL APEI ÎN FOTOSINTEZĂ

Fenomenul fotosintezei a fost clarificat şi descris în termeni chimici abia în anul 1804 de către chimistul din Geneva, de Saussure, unul din cei mai buni experimentatori care a pus bazele cercetării cantitative în fotosinteză, în termeni moderni. El a publicat un tratat intitulat Cercetări chimice asupra vegetalelor, în care a arătat că suma greutăţilor materiei organice produse de către plante şi O2

eliberat este considerabil mai mare decât greutatea CO2 consumat. Deoarece plantele folosite în experienţele sale nu primeau nimic în afară de apă şi aer, el a conchis just că în fotosinteză participă pe lângă CO2 şi apa.

De Saussure a observat că plantele nu pot trăi nici în absenţa CO2 şi nici a O2, că intensitatea fotosintezei poate creşte o dată cu creşterea concentraţiei CO2 şi că CO2 în concentraţii ridicate poate fi toxic pentru plante. Totuşi era de părere că O 2

produs în fotosinteză provine din descompunerea CO2, ceea ce s-a dovedit greşit.Deşi nu toate afirmaţiile lui de Saussure au rezistat timpului, el

rămâne totuşi în istoria fotosintezei prin aceea că a arătat rolul apei, ignorat până la el.

Fotosinteza, deficitul şi stresul de apă

Deşi apa participă în fotosinteză, ca şi dioxidul de carbon, ea nu constituie, nici chiar când este în cantităţi reduse, un factor limitant pentru toate speciile. Rolul ei este important în special în menţinerea unui potenţial al apei cât mai

ridicat în protoplasmă. În acest sens, toate procesele metabolice depind de cantitatea de apă din ţesuturi. Un deficit de apă în ţesuturile asimilatoare influenţează direct procesul fotosintezei atât în faza de lumină, cât şi în faza de întuneric, provocând inhibarea acestuia. Deoarece principalul rezultat al pierderilor turgescenţei în constituie închiderea stomatelor, schimbul de gaze care are loc în fotosinteză, respiraţie şi fotorespiraţie, este mult îngreunat. Totuşi, şi alţi factori nonstomatici intervin în reducerea fotosintezei sub influenţa deficitului şi stresului de apă.

Cum rezolvă plantele problema apei

Procesul de fotosinteza se deruleaza în doua faze.Spirulina alge absoarbe energia luminii solare prin pigmenti-antena ficobilisome ( Phycobilisome ) si ficocianina pigment antioxidant de la acesti pigmenti energia luminii solare este absorbita de centri de reactie numiti fotosisteme (PS I si PS II), unde reactia fotochimica descompune apa în hidrogen si oxigen. Fără apă viaţa plantelor , ca de altfel a tuturor vieţuitoarelor de pe Terra, este imposibilă. După cum se ştie, globul pământesc este aprovizionat cu apă în mod foarte diferit. Cele mai puţine precipitaţii, inegal distribuite în cursul anului, cad în deşerturi. Deşerturile se găsesc aproape în toate continentele, ocupând suprafeţe mai mari sau mai mici, populate cu o floră şi o faună specifică.

Deşi speciile de plante care cresc în ţinuturile aride aparţin mai multor familii botanice, ele capătă mai mult sau mai puţin acelaşi aspect. Astfel datorită apei insuficiente, o parte din plantele din deşerturi şi-au pierdut frunzele care s-au transformat în spini pentru a împiedica transpiraţia, asimilaţia clorofiliană fiind preluată de către tulpinile verzi ce au clorofilă.

Tulpinile verzi, asimilatoare, pot fi sferice, lăţite ca nişte frunze sau cilindrice şi ramificate ca nişte candelabre. Deşi suculente, conţinând o mare cantitate de apă acumulată de ţesutul acvifer, animalele nu se pot atinge de ele datorită spinilor puternici ce constituie o bună armă de apărare. Şi aceşti spini nu sunt altceva decât frunzele reduse la nervura principală.

Cele mai cunoscute plante de deşert sunt cele din familia Cactaceae numite simplu – cactuşi şi care sunt caracteristice (cu unele excepţii) deşertului Mexican.

Dacă nu chiar toate speciile de plante care trăiesc în locuri secetoase au imitat, mai mult sau mai puţin, forma cactusului, în schimb toate au păstrat caracteristicile de bază: stomatele sunt deschise numai noaptea, cuticula frunzelor este groasă şi impermeabilă, plasma celulară se păstrează întotdeauna, indiferent de temperatură, în stare hidratată.

ASPECTUL ENERGETIC AL FOTOSINTEZEI

Au trebuit să treacă încă 44 ani pentru ca aspectul energetic al fotosintezei să fie cunoscut. Meritul revine medicului şi fizicianului german R. Mayer, care a aplicat legea conservării energiei la vieţuitoare. Astfel, în 1845 el a publicat lucrarea Mişcarea organică în relaţie cu metabolismul, în care a explicat clar transformarea energiei în procesul fotosintezei. În timpul efectuării fotosintezei, plantele înmagazinează energie luminii solare sub formă de energie chimică. Consideră fotosinteza ca un exemplu, la scară mare, de transformare a energiei în natură. Plantele nu creează energie, ci numai o transformă pe cea primită de la soare.

În plus, Mayer afirmă că viaţa animalelor este dependentă de această proprietate unică a plantelor verzi. Astfel energia consumată de animale în timpul vieţii provine din radiaţiile solare. Acest fapt stabileşte ferm procesul de fotosinteză ca fiind unul dintre fenomenele cele mai importante din lumea vieţuitoarelor.

Ecuaţia generală a fotosintezei putea fi scrisă atunci:

(energie chimică înglobată), ceea ce reprezintă nu numai bilanţul material al procesului, ci şi bilanţul energetic.

Iată cum, timp de 75 de ani, cinci savanţi de origine diferită (englez, olandez, francez, elveţian şi german) şi de profesiuni diferite, au urmărit cu tenacitatea şi spiritul ştiinţific ce-i caracteriza, stabilirea principalilor componenţi şi a rolului lor în desfăşurarea unui dintre cele mai importante procese ale vieţii de pe planeta noastră.

POLUAREA AERULUI ŞI FOTOSINTEZA

Este poate necesar să reamintim că rolul epurator al aerului ambiant, atribuit plantelor este totuşi limitat, astfel că este iluzoriu să considerăm că oxigenul produs de o pădure poate compensa pe cel consumat de către avioanele cu reacţie la decolarea de pe un aerodrom. În schimb, rolul fizic al plantelor este mult mai important. Diferitele plantaţii de arbori, de garduri vii sau de masive împădurite

vor avea un rol fizic de dispersare a poluanţilor, modificând asperităţile naturale ale solului, producând modificări higrometrice şi de temperatură locale, toate favorizând o mai bună dispersare sau fixare la sol a diferiţilor poluanţi emişi în atmosferă. Dar utilizarea plantelor în lupta împotriva poluării aerului nu poate avea loc decât în măsura în care vom dispune de o gamă întinsă de plante rezistente şi adaptate la diferitele condiţii de sol şi climă ale regiunii în cauză. Aceasta presupune în primul rând, cunoaşterea mecanismelor de intoxicare a plantelor cu poluanţii aerului, pentru a putea imagina apoi fie o modalitate de atenuare a efectelor, fie un mod de selecţionare a speciilor rezistente.

Poluarea aerului, deşi cunoscută de secole a devenit în zilele noastre una din preocupările majore, nu numai pentru că ea afectează sănătatea omului, dar şi pentru că poate dăuna plantelor, animalelor, clădirilor, monumentelor etc.

Se denumeşte poluant orice substanţă gazoasă prezentă în atmosferă în cantitate exagerată. Astfel, principalii poluanţi întâlniţi sunt: dioxidul de sulf, derivaţii fluorului, oxizii de azot, ozonul şi numeroase alte substanţe produse de diferite industrii, ca acidul clorhidric, pulberile, monoxidul de carbon.

Ozonul şi agenţii oxidanţi

Ozonul şi oxidanţii sunt poluanţi fotochimici care se formează sub acţiunea radiaţiilor luminoase (în special UV) asupra unui amestec de poluanţi de tipul SO2, NOx şi hidrocarburi nesaturate. Ei sunt întâlniţi adesea în regiuni cu insolaţie puternică, unde condiţiile climatice cu curenţi slabi de aer permit stagnarea unor mase poluante, creindu-se astfel condiţii favorabile reacţiei dintre diferiţii poluanţi. Simptomele cele mai obişnuite constau în apariţia de pete necrotice localizate între nervuri pe una sau alta din feţele frunzei, în funcţie de poluantul în cauză. O expunere prelungită produce o cloroză a frunzei, îmbătrânirea prematură şi eventual căderea frunzelor atacate.

Pe lângă aspectul fundamental, cercetarea acţiunii ozonului şi a oxidanţilor asupra fotosintezei, prezintă şi o importanţă practică. Se ştie că prezenţa poluanţilor poate produce diminuarea creşterii plantelor prin reducerea fotosintezei, datorită distrugerii ţesuturilor.

Numeroşi cercetători au observat o reducere a creşterii plantelor, expuse acţiunii oxidanţilor, chiar şi în absenţa necrozelor. S-a observat o reducere a creşterii cu 10 % la o varietate de tutun expusă timp de 3-4 săptămâni la concentraţii ale oxidanţilor cuprinse între 0,03 şi 0,22 ppm. Această diminuare afectează mai mult varietăţile existente. O expunere de 3 săptămâni la concentraţii comparabile celor înregistrate în natură, împiedică înflorirea la tomate. Numeroşi alţi factori ar putea şi ei constitui cauza diminuării procesului de creştere, iar dintre aceştia amintim: modificările anatomice ale ţesuturilor foliare, intensificarea respiraţiei, diminuarea fotosintezei, scăderea cantităţii de clorofilă, creşterea permeabilităţii pereţilor celulari etc.

Studiile efectuate asupra rolului stomatelor în absorbţia ozonului şi oxidanţilor au scos în evidenţă faptul că stomatele nu constituie singura cale de pătrundere a poluantului în plante.

Acţiunea monoxidului de carbon (CO) asupra fotosintezei

Influenţa acestui poluant asupra fotosintezei a fost studiată la alga verde unicelulară Chlorella. Rezultatele au arătat o inhibare reversibilă a procesului care depinde de presiunile parţiale ale monoxidului de carbon şi ale oxigenului. S-ar părea că această inhibare a fotosintezei se datorează fixării monoxidului de carbon pe nucleul metalic al unei enzime care transportă oxigenul în procesul de fotosinteză. Inhibarea fotosintezei se accentuează sub acţiunea luminii.

FOTOSINTEZĂ - CURIOZITĂŢI

Animalele au clorofilă ?

La mijlocul secolului trecut, vestitul zoolog german Teodor Sieboldt a atras atenţia lumii ştiinţifice asupra unui fenomen ciudat. În corpul unor hidre de apă dulce, în organismul unor viermi şi infuzori a descoperit clorofilă. Mai târziu au fost găsite şi alte animale purtătoare de clorofilă (spongieri, hidropolipi, meduze, coralieri, moluşte). După cum a rezultat din experienţele întreprinse toate aceste fiinţe puteau trăi fără să se hrănească luni de-a rândul, iar unele se puteau lipsi cu totul de hrană.

După un deceniu de uimire şi de presupuneri fantastice s-a constatat că această „clorofilă animală” e în realitate fabricată de plante. Algele microscopice părăsindu-şi mediul natural s-au mutat sub pielea unor animale marine sau de apă dulce, al căror corp transparent le permitea continuarea activităţii de sinteză. În acest fel, la adăpost de primejdii ele se puteau hrăni cu substanţele organice produse cu ajutorul clorofilei, oferind o parte din ele şi primitoarelor gazde. Acest mod original de într-ajutorare a primit numele de endosimbioză.

În anul 1881 biologul german J.Brandt a propus ca algele simbionte verzi să poarte numele de zoochlorele, iar cele galben – brune să fie numite zooxanthele. Algele verzi se asociază cu animalele de apă dulce, iar cele galben-brune cu animalele marine.

Luminile din adâncul mărilor

Din cele mai vechi timpuri pescarii de pe coasta vestică a Europei folosesc drept momeală pentru scrumbii acea „carne de fuego” , cum o numesc ibericii. „Carnea de foc” o reprezintă fâşiile subţiri de rechin frecate pe burta unui peşte de culoare neagră, cu capul mare şi coada lungă şi subţire. Fâşiile de rechin capără dintr-o dată o luminiscenţă albăstruie, ca şi cum ar fi luat foc datorită contactului cu sucul mucilaginos, de culoare gălbuie, secretat de pântecul acestui straniu reprezentant al familiei Macruridae. Peştele cu numele ştiinţific de Malacocephalus este ruda marină a mihalţului, din apele noastre dulci şi văr bun cu codul, adus de traulerele româneşti din Oceanul Atlantic şi vândut în toate magazinele de specialitate.

În 1912, cercetătorul portughez Ozorio studiind peştele a descoperit sub solzii de pe abdomen o veziculă plină cu lichid fosforescent la întuneric. Între cele două înotătoare pectorale el a remarcat două discuri ovale transparente-luminatoarele prin care radiaţiile emise de veziculă se propagă în afară. Punând o picătură de lichid vezical sub microscop el a văzut că prin el plutesc un fel de bastonaşe microscopice şi a tras concluzia că sunt bacterii luminiscente, sugerând astfel existenţa simbiozei dintre bacteriile luminiscente şi animalele marine. Fenomenul de bioluminiscenţă fusese descoperit cu 24 de ani în urmă, în 1888, de biologul francez Raphael Dubois, dar el se referea la animalele care produceau singure lumină şi nu la acelea care o folosesc în cadrul simbiozei.

Excitanţi stereotipici

Cu plantele, problema e mai delicată. Plantele nu au sistem nervos. Întreaga lor viaţă, deci întregul lor comportament, se bazează pe reacţii organice de natură biochimică, legată de factorii de mediu. Şi totuşi – şi aici cercetările au scos în evidenţă că plantele depăşesc uneori nivelul tropismelor – reacţii automate la acţiunea unor excitanţi stereotipici (luminoşi, chimici, mecanici). Numeroase experienţe efectuate de savanţi au dovedit că plantele sunt capabile să reacţioneze metabolic (de la specie şa specie şi chiar de la individ la individ) la excitanţii sonori (emisiuni muzicale). Ceva mai mult, în raport probabil cu indicii de intensitate, timbru şi înălţime, plantele manifestă preferinţe pentru unele genuri de muzică şi „suferă” până la ofilire sub acţiunea altor genuri de muzică.

Baterii electrice cu alge

Se pare că algele verzi unicelulare, din genul Chlorella, vor fi inseparabil legate de zborul cosmic de lungă durată. S-a constatat că această plantă inferioară are nete avantaje faţă de celelalte specii vegetale: produce o mare cantitate de oxigen, acumulează substanţe organice folosind un volum mic de suspensie, are o perioadă scurtă de vegetaţie, se înmulţeşte foarte repede, iar întreaga biomasă a algei poate fi folosită ca hrană. Valoarea ei nutritivă este cea mai ridicată din

regnul vegetal. Conţinutul de proteine atinge 50% din greutatea plantei uscate. Acestea conţin toţi cei 8 aminoacizi esenţiali pentru om. Până acum câţiva ani aceste alge erau considerate doar sursa ideală de hrănire a unui cosmonaut, avantajele menţionate mai sus scutind pe constructori să prevadă pentru o călătorie în doi, timp de 5 ani – să zicem – spaţiul pentru o încărcătură de 20 – 25 tone de alimente şi oxigen. Se ştie că planta verde realizează un aşa numit circuit închis, adică o circulaţie a materiei vii în interiorul navei la fel ca în natură datorită fotosintezei. Având la dispoziţie lumină naturală sau artificială şi dioxidul de carbon, provenit din respiraţia cosmonauţilor ele vor degaza oxigen, asigurând astfel purificarea aerului şi vor sintetiza substanţele organice care vor constitui hrana cosmonautului.

Dar să nu uităm că în cosmos este întuneric şi călătorii au nevoie de lumină necesară fotosintezei din „bucătăria” vegetală a navei. Şi în acest caz se pare că plantele vor aduce soluţia cea mai bună, ele putând asigura curentul electric într-un sistem cu circuit închis.

S-a pornit de la constatarea că în stratul din apropierea fundului oceanic se produce electricitate prin fenomenul de descompunere şi oxidare a substanţelor organice. S-a imaginat o astfel de „pilă de combustie” alcătuită din două vase, despărţite printr-un perete semipermeabil. În cele două vase se află electrozii pilei. Compartimentul anodic conţine „combustibilul” – un amestec de apă de mare şi substanţe organice – şi catalizatorul reprezentat de bacterii. În vasul în care se găseşte catodul se introduce apă de mare cu oxigen. În timpul funcţionării elementului se produce – la fel ca şi în stratul din apropierea fundului oceanic – oxidarea combustibilului şi se elimină energie, care trece în circuitul exterior sub formă de curent electric. Pentru grăbirea procesului de descompunere şi de oxidare se foloseşte drept catalizator o specie de bacterii datorită cărora reacţia este accelerată de un milion de ori.

Fotosinteză artificială

Fotosinteza artificială este un domeniu de cercetare care încearcă să reproducă procesul natural de fotosinteză, de conversie prin lumina soarelui a apei şi dioxidului de carbon în hidraţi de carbon şi oxigen. Uneori, descompunerea apei în

hidrogen şi oxigen folosind energia solară este de asemenea asociată fotosintezei artificiale. Procesul efectiv care permite semi-reacţiei fotosintetice globale să aibă loc este foto-oxidarea. Această semi-reacţie este esenţială pentru separarea moleculelor de apă prin faptul că eliberează hidrogen ion şi oxigen ion. Aceşt ioni sunt necesari pentru a reduce dioxidul de carbon într-un combustibil. Cu toate acestea, singura cale cunoscută a face acest lucru este posibil e printr-un catalizator extern, unul care poate reacţiona rapid, precum şi absorbi fotonii soarelui în mod constant. Obiectivul general din spatele acestei teorii este crearea unei surse de combustibil de tip plantă artificială.

Cercetarea actuală e făcută prin mai multe abordări:

Abordarea prin celule fotoelectrochimice Modul de abordare prin celule solare fotosensibilizate Modul de abordare prin NADP+ / NADPH coenzimă

MetodeCelulă fotoelectrochimicăCelula solara fotosensibilizată coenzima NADP+/NADPHCronologie1967

Akira Fujishima descoperă efectul Honda Fujishima în dioxid de titan, care poate fi utilizat pentru hidroliza apei.

2000CSIRO comunicat de presă despre fotosinteza artificială[1][2]

2003Laboratorul Naţional Brookhaven comunicate de presă[3][4]

2006SLAC pe celule fotogenerare [5]

2008Chimistul MIT Daniel Nocera, şeful proiectului MIT Solar Revolution, şi colab postdoctoral Mathew Kanan au redus semnificativ costul materialelor necesare pentru scindarea apei in componentele sale, prin înlocuirea platinei costisitoare cu cobalt, fosfat ieftin. Aceasta descoperire poate fi combinată cu activitatea întreprinsă de chimistul Bjorn Winther-Jensen de la Universitatea Monash din Australia în curs de dezvoltare un polimer conductor cost redus cu o suprafaţă mare şi este rezistent la degradare funcţională. Aceste cercetări pot dezvolta pilele de combustibil, care pot furniza lucru util la praguri mai mici de energie de peste un ciclu de viaţă mai lungă şi la costuri mai mici.

2009Institutul de Cataliza Leibniz raportează complecşi ieftini fier-carbonil. [6][7]

2009Universitatea din East Anglia, Un electrod de aur acoperită cu straturi de nanoparticule fosfură de indiu pentru celule solare pe bază de hidrogen cu o eficienţă de 60%.[8]

2010Mitsubishi este în curs de dezvoltare program propriu de fotosinteză artificial pentru a crea blocuri de sinteza carbon din care pot fi sintetizate răşini, materiale plastice şi fibre.[9]

Impact economic

Fotosinteza artificiala este o sursă de combustibil regenerabilă, neutră carbonului, care produce fie hidrogen, fie carbohidrati. Acest lucru o diferentiaza de alte surse populare de energie regenerabile - hidro, solare fotovoltaice, geotermală şi eoliană - care produc energie electrică în mod direct, fără combustibil intermediar.

Ca atare, fotosinteza artificială ar putea deveni o sursă foarte importantă de combustibil pentru transport. Spre deosebire de energia biomasei, aceasta nu are nevoie de teren arabil, şi deci nu trebuie să concureze cu aprovizionarea cu alimente.

Având în vedere că faza fotoindependentă a fotosintezei fixează dioxid de carbon din atmosferă, fotosinteza artificială poate să furnizeze un mod economic pentru sechestrarea CO2, reducerea cantit de CO2 în atmosferă, şi de atenuare astfel efectul acestuia asupra încălzirii globale.

REACTII DE ADAPTARE A PLANTELOR LA LUMINA

Lumina este un factor crucial pentru existenta unei plante. Lumina inseamna viata, pentru ca ea regleaza cele trei mari procese care au loc la nivelul plantei: fotosinteza, fototropia si adaptarea la ciclul de lumina. Fotosinteza este procesul prin care plantele transforma energia primita prin

lumina in hrana. Ca toate fiintele vii, si plantele au nevoie de hrana; ele folosesc energia soarelui pentru a-si "fabrica" zaharuri prin procesul fotosintezei. Energia primita prin lumina, dioxidul de carbon si apa interactioneaza cu pigmentul verde al plantei, clorofila, pentru a produce zahar si oxigen, care apoi este eliberat in atmosfera, alimentand ce amai mare part edin patura de oxigen a plantei;

Fototropia este tendinta naturala a plantelor de a creste inspre sursa de lumina. Plantele se dezvolta mai mult pe partea unde primeste mai multa lumina;

Adaptarea la ciclul de lumina este raspunsul innascut al plantei la mediul in care traieste, direct proportional cu luminozitatea, alternanta zi-noapte (lumina-intuneric), durata ciclurilor lumina-intuneric, a factorului termic care deriva din acestea, etc.

Pentru a putea capta cat mai multa lumina, unele plante îsi pot întoarce frunzele spre soare pentru a-i capta razele, iar altele, pentru a economisi energie, adopta o pozitie de „somn” în timpul noptii.

O astfel de planta, care isi orienteaza permanent, atat frunzele cat si inflorescenta (palaria), cu fata catre soare, iar noaptea adopta o pozitie de relaxare a inflorescentei si frunzelor, este Floarea soarelui “Helianthus annuus”, descoperita in urma cu cinci sute de ani, de primii conchistadori care au pasit pe pamantul american, in preajma locurilor sfinte ale aztecilor .

Alte plante, pentru a compensa luminozitatea scazuta a mediului in care traiesc, de exemplu la baza arborilor din zonele stancoase, umbrite si umede, in paduri din regiunea montana si submontana, si-au adaptat forma, dezvoltandu-si frunze mari si dese. O planta care se incadreaza in aceasta categorie este si Feriga “polypodium vulgare”. Feriga are frunze mari; segmente primare liniar-lanceolate cu segmente secundare pe fiecare parte.

De asemenea, Muschii frunzosi si muschii pielosi, sunt plante care au o nevoie scazuta de lumina. Acestia seamana cu plantele terestre primitive, desi au continuat sa evolueze. Au tulpini delimitate si structuri asemanatoare cu frunzele, si exista semne ale inceputului evolutiei tesutului conducator vascular. Muschii frunzosi si muschii pielosi se reproduc prin spori. Muschii traiesc in medii umede, racoroase si umbrite.

Ciupercile sunt lipsite de clorofila, motiv pentru care acestea pot trai la intuneric, nutritia lor fiind herotrofa, saprofita sau parazita. Corpul lor este format din miceliu, picior si palarie si se inmultesc prin spori, care se gasesc la partea inferioara a palariei. Unele ciuperci sunt microscopice iar altele macroscopice si sunt raspandite pe toata suprafata globului, fiind prezente in sol sau in organisme vii sau moarte. Unele traiesc in simbioza, cu algele, alcatuind lichenii, sau cu radacinile plantelor superioare, alcatuind micorizele.

Algele sunt o alta forma primitiva de plante care nu au frunze si structuri florale specializate. Totusi, aproape toate tipurile de alge sunt capabile sa-si produca singure hrana prin fotosinteza în prezenta luminii solare naturale. Asemenea forme primitive de plante domina oceanele, marile, lacurile si iazurile, fiind plante care traiesc in apa statatoare, dar pot fi intalnite si in apa curgatoare. Unele specii de alge sunt de structura unicelulara, iar altele sunt pluricelulare, ca de exemplu planctonul.

Aceste plante, in functie de mediul in care traiesc, in special in functie de adancimile la care si-au adaptat mediul de viata, si-au dezvoltat o conformatie filamentoasa, unele de mari dimensiuni, in special lungimi, incercand sa capteze cat mai mult din lumina care se transfera prin masa de apa in care traieste.

Câteva specii de alge, aproape ca formeaza puntea dintre viata vegetala si cea animala. De exemplu, euglenofitele se pot autopropulsa cu ajutorul flagelilor, au un „ochi” rosu sensibil la lumina(necesar în gasirea celei mai bune pozitii pentru fotosinteza), si sunt capabile sa ingereze particule de hrana solida.

Bibliografie A. L. Lehninger Biochimie, Editura Tehnică, Bucureşti vol. I-II 1987-1992 M. Nicola T. Vişan Electrochimie Teoretică şi Aplicaţii (Politehnica

Bucureşti Catedra de chimie fizică şi electrochimie) Editura Bren Bucureşti 1999

www.wikipedia.ro www.scientia.ro