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. p5t19tr
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) Influenta luminii
Faptul ca plantele nu cresc bine la intuneric a fost observat inca
din antichitate. Totusi, numai cu doua secole in urma, s-a demonstrat
rolul luminii in cresterea plantelor, acordandu-i-se acestui fapt,
pe langa importanta practica si o semnificatie filozofica. Ingen-Housz
mai intai si apoi R. Mayer au contribuit poate cel mai mult la aprecierea
rolului luminii ca o conditie indispensabila a asimilarii CO2 de catre 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) Influenta concentratiei dioxidului de carbon
Importanta „aerului fixat”, adica a CO2, in procesul de purificare
a aerului de catre plante a fost clar formulata de catre botanistul elvetian
Senebier. Acesta, tratand critic tot ce se cunostea de la Priestley, in
lucrarile sale publicate la Geneva in 1783 si intitulate Cercetari fizico-chimice
privitoare la influenta luminii solare asupra modificarii fiintelor vii din
cele trei regnuri naturale si mai ales din regnul vegetal, scria ca „aerul
eliberat de catre plantele expuse la soare este produsul transformarii aerului
cu ajutorul luminii”.
Priestley, Ingen-Housz si Senebier au facut numai observatii calitative sau
foarte sumare estimari cantitative, iar lucrarile lor foloseau inca limbajul
naiv si confuz al terminologiei chimice din vremea aceea. Cei trei cercetatori
au intrat si intr-o polemica de prioritate, dar acest aspect nu le umbreste
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
odata cu temperatura, atingand nivelul optim la 30-35ºC apoi coboara
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 IN FOTOSINTEZA
Fenomenul fotosintezei a fost clarificat si descris in termeni chimici
abia in anul 1804 de catre chimistul din Geneva, de Saussure, unul din
cei mai buni experimentatori care a pus bazele cercetarii cantitative in
fotosinteza, in termeni moderni. El a publicat un tratat intitulat Cercetari
chimice asupra vegetalelor, in care a aratat ca suma greutatilor materiei
organice produse de catre plante si O2 eliberat este considerabil mai mare decat
greutatea CO2 consumat. Deoarece plantele folosite in experientele sale
nu primeau nimic in afara de apa si aer, el a conchis just ca in
fotosinteza participa pe langa CO2 si apa.
De Saussure a observat ca plantele nu pot trai nici in absenta CO2 si
nici a O2, ca intensitatea fotosintezei poate creste o data cu cresterea concentratiei
CO2 si ca CO2 in concentratii ridicate poate fi toxic pentru plante. Totusi
era de parere ca O2 produs in fotosinteza provine din descompunerea CO2,
ceea ce s-a dovedit gresit.
Desi nu toate afirmatiile lui de Saussure au rezistat timpului, el ramane
totusi in istoria fotosintezei prin aceea ca a aratat rolul apei, ignorat
pana la el.
Fotosinteza, deficitul si stresul de apa
Desi apa participa in fotosinteza, ca si dioxidul de carbon, ea nu constituie,
nici chiar cand este in cantitati reduse, un factor limitant pentru
toate speciile. Rolul ei este important in special in mentinerea
unui potential al apei cat mai ridicat in protoplasma. In
acest sens, toate procesele metabolice depind de cantitatea de apa din tesuturi.
Un deficit de apa in tesuturile asimilatoare influenteaza direct procesul
fotosintezei atat in faza de lumina, cat si in faza
de intuneric, provocand inhibarea acestuia. Deoarece principalul
rezultat al pierderilor turgescentei in constituie inchiderea stomatelor,
schimbul de gaze care are loc in fotosinteza, respiratie si fotorespiratie,
este mult ingreunat. Totusi, si alti factori nonstomatici intervin in
reducerea fotosintezei sub influenta deficitului si stresului de apa.
Cum rezolva plantele problema apei
Fara apa viata plantelor , ca de altfel a tuturor vietuitoarelor de pe Terra,
este imposibila. Dupa cum se stie, globul pamantesc este aprovizionat
cu apa in mod foarte diferit. Cele mai putine precipitatii, inegal distribuite
in cursul anului, cad in deserturi. Deserturile se gasesc aproape
in toate continentele, ocupand suprafete mai mari sau mai mici,
populate cu o flora si o fauna specifica.
Desi speciile de plante care cresc in tinuturile aride apartin mai multor
familii botanice, ele capata mai mult sau mai putin acelasi aspect. Astfel datorita
apei insuficiente, o parte din plantele din deserturi si-au pierdut frunzele
care s-au transformat in spini pentru a impiedica transpiratia,
asimilatia clorofiliana fiind preluata de catre tulpinile verzi ce au clorofila.
Tulpinile verzi, asimilatoare, pot fi sferice, latite ca niste frunze sau cilindrice
si ramificate ca niste candelabre. Desi suculente, continand o mare cantitate
de apa acumulata de tesutul acvifer, animalele nu se pot atinge de ele datorita
spinilor puternici ce constituie o buna arma de aparare. Si acesti spini nu
sunt altceva decat frunzele reduse la nervura principala.
Cele mai cunoscute plante de desert sunt cele din familia Cactaceae numite simplu
-; cactusi si care sunt caracteristice (cu unele exceptii) desertului Mexican.
Daca nu chiar toate speciile de plante care traiesc in locuri secetoase
au imitat, mai mult sau mai putin, forma cactusului, in schimb toate au
pastrat caracteristicile de baza: stomatele sunt deschise numai noaptea, cuticula
frunzelor este groasa si impermeabila, plasma celulara se pastreaza intotdeauna,
indiferent de temperatura, in stare hidratata.
ASPECTUL ENERGETIC AL FOTOSINTEZEI
Au trebuit sa treaca inca 44 ani pentru ca aspectul energetic al fotosintezei
sa fie cunoscut. Meritul revine medicului si fizicianului german R. Mayer, care
a aplicat legea conservarii energiei la vietuitoare. Astfel, in 1845 el
a publicat lucrarea Miscarea organica in relatie cu metabolismul, in
care a explicat clar transformarea energiei in procesul fotosintezei.
In timpul efectuarii fotosintezei, plantele inmagazineaza energie
luminii solare sub forma de energie chimica. Considera fotosinteza ca un exemplu,
la scara mare, de transformare a energiei in natura. Plantele nu creeaza
energie, ci numai o transforma pe cea primita de la soare.
In plus, Mayer afirma ca viata animalelor este dependenta de aceasta proprietate
unica a plantelor verzi. Astfel energia consumata de animale in timpul
vietii provine din radiatiile solare. Acest fapt stabileste ferm procesul de
fotosinteza ca fiind unul dintre fenomenele cele mai importante din lumea vietuitoarelor.
Ecuatia generala a fotosintezei putea fi scrisa atunci:
(energie chimica inglobata), ceea ce reprezinta nu numai bilantul material
al procesului, ci si bilantul energetic.
Iata cum, timp de 75 de ani, cinci savanti de origine diferita (englez, olandez,
francez, elvetian si german) si de profesiuni diferite, au urmarit cu tenacitatea
si spiritul stiintific ce-i caracteriza, stabilirea principalilor componenti
si a rolului lor in desfasurarea unui dintre cele mai importante procese
ale vietii de pe planeta noastra.
POLUAREA AERULUI SI FOTOSINTEZA
Este poate necesar sa reamintim ca rolul epurator al aerului ambiant, atribuit
plantelor este totusi limitat, astfel ca este iluzoriu sa consideram ca oxigenul
produs de o padure poate compensa pe cel consumat de catre avioanele cu reactie
la decolarea de pe un aerodrom. In schimb, rolul fizic al plantelor este
mult mai important. Diferitele plantatii de arbori, de garduri vii sau de masive
impadurite vor avea un rol fizic de dispersare a poluantilor, modificand
asperitatile naturale ale solului, producand modificari higrometrice si
de temperatura locale, toate favorizand o mai buna dispersare sau fixare
la sol a diferitilor poluanti emisi in atmosfera. Dar utilizarea plantelor
in lupta impotriva poluarii aerului nu poate avea loc decat
in masura in care vom dispune de o gama intinsa de plante
rezistente si adaptate la diferitele conditii de sol si clima ale regiunii in
cauza. Aceasta presupune in primul rand, cunoasterea mecanismelor
de intoxicare a plantelor cu poluantii aerului, pentru a putea imagina apoi
fie o modalitate de atenuare a efectelor, fie un mod de selectionare a speciilor
rezistente.
Poluarea aerului, desi cunoscuta de secole a devenit in zilele noastre
una din preocuparile majore, nu numai pentru ca ea afecteaza sanatatea omului,
dar si pentru ca poate dauna plantelor, animalelor, cladirilor, monumentelor
etc.
Se denumeste poluant orice substanta gazoasa prezenta in atmosfera in
cantitate exagerata. Astfel, principalii poluanti intalniti sunt:
dioxidul de sulf, derivatii fluorului, oxizii de azot, ozonul si numeroase alte
substante produse de diferite industrii, ca acidul clorhidric, pulberile, monoxidul
de carbon.
Ozonul si agentii oxidanti
Ozonul si oxidantii sunt poluanti fotochimici care se formeaza sub actiunea
radiatiilor luminoase (in special UV) asupra unui amestec de poluanti
de tipul SO2, NOx si hidrocarburi nesaturate. Ei sunt intalniti
adesea in regiuni cu insolatie puternica, unde conditiile climatice cu
curenti slabi de aer permit stagnarea unor mase poluante, creindu-se astfel
conditii favorabile reactiei dintre diferitii poluanti. Simptomele cele mai
obisnuite constau in aparitia de pete necrotice localizate intre
nervuri pe una sau alta din fetele frunzei, in functie de poluantul in
cauza. O expunere prelungita produce o cloroza a frunzei, imbatranirea
prematura si eventual caderea frunzelor atacate.
Pe langa aspectul fundamental, cercetarea actiunii ozonului si a oxidantilor
asupra fotosintezei, prezinta si o importanta practica. Se stie ca prezenta
poluantilor poate produce diminuarea cresterii plantelor prin reducerea fotosintezei,
datorita distrugerii tesuturilor.
Numerosi cercetatori au observat o reducere a cresterii plantelor, expuse actiunii
oxidantilor, chiar si in absenta necrozelor. S-a observat o reducere a
cresterii cu 10 % la o varietate de tutun expusa timp de 3-4 saptamani
la concentratii ale oxidantilor cuprinse intre 0,03 si 0,22 ppm. Aceasta
diminuare afecteaza mai mult varietatile existente. O expunere de 3 saptamani
la concentratii comparabile celor inregistrate in natura, impiedica
inflorirea la tomate. Numerosi alti factori ar putea si ei constitui cauza
diminuarii procesului de crestere, iar dintre acestia amintim: modificarile
anatomice ale tesuturilor foliare, intensificarea respiratiei, diminuarea fotosintezei,
scaderea cantitatii de clorofila, cresterea permeabilitatii peretilor celulari
etc.
Studiile efectuate asupra rolului stomatelor in absorbtia ozonului si
oxidantilor au scos in evidenta faptul ca stomatele nu constituie singura
cale de patrundere a poluantului in plante.
Actiunea monoxidului de carbon (CO) asupra fotosintezei
Influenta acestui poluant asupra fotosintezei a fost studiata la alga verde
unicelulara Chlorella. Rezultatele au aratat o inhibare reversibila a procesului
care depinde de presiunile partiale ale monoxidului de carbon si ale oxigenului.
S-ar parea ca aceasta inhibare a fotosintezei se datoreaza fixarii monoxidului
de carbon pe nucleul metalic al unei enzime care transporta oxigenul in
procesul de fotosinteza. Inhibarea fotosintezei se accentueaza sub actiunea
luminii.
FOTOSINTEZA - CURIOZITATI
Animalele au clorofila ?
La mijlocul secolului trecut, vestitul zoolog german Teodor Sieboldt a atras
atentia lumii stiintifice asupra unui fenomen ciudat. In corpul unor hidre
de apa dulce, in organismul unor viermi si infuzori a descoperit clorofila.
Mai tarziu au fost gasite si alte animale purtatoare de clorofila (spongieri,
hidropolipi, meduze, coralieri, moluste). Dupa cum a rezultat din experientele
intreprinse toate aceste fiinte puteau trai fara sa se hraneasca luni
de-a randul, iar unele se puteau lipsi cu totul de hrana.
Dupa un deceniu de uimire si de presupuneri fantastice s-a constatat ca aceasta
„clorofila animala” e in realitate fabricata de plante. Algele
microscopice parasindu-si mediul natural s-au mutat sub pielea unor animale
marine sau de apa dulce, al caror corp transparent le permitea continuarea activitatii
de sinteza. In acest fel, la adapost de primejdii ele se puteau hrani
cu substantele organice produse cu ajutorul clorofilei, oferind o parte din
ele si primitoarelor gazde. Acest mod original de intr-ajutorare a primit
numele de endosimbioza.
In anul 1881 biologul german J.Brandt a propus ca algele simbionte verzi
sa poarte numele de zoochlorele, iar cele galben -; brune sa fie numite
zooxanthele. Algele verzi se asociaza cu animalele de apa dulce, iar cele galben-brune
cu animalele marine.
Luminile din adancul marilor
Din cele mai vechi timpuri pescarii de pe coasta vestica a Europei folosesc
drept momeala pentru scrumbii acea „carne de fuego” , cum o numesc
ibericii. „Carnea de foc” o reprezinta fasiile subtiri de
rechin frecate pe burta unui peste de culoare neagra, cu capul mare si coada
lunga si subtire. Fasiile de rechin capara dintr-o data o luminiscenta
albastruie, ca si cum ar fi luat foc datorita contactului cu sucul mucilaginos,
de culoare galbuie, secretat de pantecul acestui straniu reprezentant
al familiei Macruridae. Pestele cu numele stiintific de Malacocephalus este
ruda marina a mihaltului, din apele noastre dulci si var bun cu codul, adus
de traulerele romanesti din Oceanul Atlantic si vandut in
toate magazinele de specialitate.
In 1912, cercetatorul portughez Ozorio studiind pestele a descoperit sub
solzii de pe abdomen o vezicula plina cu lichid fosforescent la intuneric.
Intre cele doua inotatoare pectorale el a remarcat doua discuri
ovale transparente-luminatoarele prin care radiatiile emise de vezicula se propaga
in afara. Punand o picatura de lichid vezical sub microscop el a
vazut ca prin el plutesc un fel de bastonase microscopice si a tras concluzia
ca sunt bacterii luminiscente, sugerand astfel existenta simbiozei dintre
bacteriile luminiscente si animalele marine. Fenomenul de bioluminiscenta fusese
descoperit cu 24 de ani in urma, in 1888, de biologul francez Raphael
Dubois, dar el se referea la animalele care produceau singure lumina si nu la
acelea care o folosesc in cadrul simbiozei.
Excitanti stereotipici
Cu plantele, problema e mai delicata. Plantele nu au sistem nervos. Intreaga
lor viata, deci intregul lor comportament, se bazeaza pe reactii organice
de natura biochimica, legata de factorii de mediu. Si totusi -; si aici
cercetarile au scos in evidenta ca plantele depasesc uneori nivelul tropismelor
-; reactii automate la actiunea unor excitanti stereotipici (luminosi,
chimici, mecanici). Numeroase experiente efectuate de savanti au dovedit ca
plantele sunt capabile sa reactioneze metabolic (de la specie sa specie si chiar
de la individ la individ) la excitantii sonori (emisiuni muzicale). Ceva mai
mult, in raport probabil cu indicii de intensitate, timbru si inaltime,
plantele manifesta preferinte pentru unele genuri de muzica si „sufera”
pana la ofilire sub actiunea altor genuri de muzica.
Baterii electrice cu alge
Se pare ca algele verzi unicelulare, din genul Chlorella, vor fi inseparabil
legate de zborul cosmic de lunga durata. S-a constatat ca aceasta planta inferioara
are nete avantaje fata de celelalte specii vegetale: produce o mare cantitate
de oxigen, acumuleaza substante organice folosind un volum mic de suspensie,
are o perioada scurta de vegetatie, se inmulteste foarte repede, iar intreaga
biomasa a algei poate fi folosita ca hrana. Valoarea ei nutritiva este cea mai
ridicata din regnul vegetal. Continutul de proteine atinge 50% din greutatea
plantei uscate. Acestea contin toti cei 8 aminoacizi esentiali pentru om. Pana
acum cativa ani aceste alge erau considerate doar sursa ideala de hranire
a unui cosmonaut, avantajele mentionate mai sus scutind pe constructori sa prevada
pentru o calatorie in doi, timp de 5 ani -; sa zicem -; spatiul
pentru o incarcatura de 20 -; 25 tone de alimente si oxigen. Se stie
ca planta verde realizeaza un asa numit circuit inchis, adica o circulatie
a materiei vii in interiorul navei la fel ca in natura datorita
fotosintezei. Avand la dispozitie lumina naturala sau artificiala si dioxidul
de carbon, provenit din respiratia cosmonautilor ele vor degaza oxigen, asigurand
astfel purificarea aerului si vor sintetiza substantele organice care vor constitui
hrana cosmonautului.
Dar sa nu uitam ca in cosmos este intuneric si calatorii au nevoie
de lumina necesara fotosintezei din „bucataria” vegetala a navei.
Si in acest caz se pare ca plantele vor aduce solutia cea mai buna, ele
putand asigura curentul electric intr-un sistem cu circuit inchis.
S-a pornit de la constatarea ca in stratul din apropierea fundului oceanic
se produce electricitate prin fenomenul de descompunere si oxidare a substantelor
organice. S-a imaginat o astfel de „pila de combustie” alcatuita
din doua vase, despartite printr-un perete semipermeabil. In cele doua
vase se afla electrozii pilei. Compartimentul anodic contine „combustibilul”
-; un amestec de apa de mare si substante organice -; si catalizatorul
reprezentat de bacterii. In vasul in care se gaseste catodul se
introduce apa de mare cu oxigen. In timpul functionarii elementului se
produce -; la fel ca si in stratul din apropierea fundului oceanic
-; oxidarea combustibilului si se elimina energie, care trece in
circuitul exterior sub forma de curent electric. Pentru grabirea procesului
de descompunere si de oxidare se foloseste drept catalizator o specie de bacterii
datorita carora reactia este accelerata de un milion de ori.