Relatia dintre fotosinteza si respiratie

Viata plantelor este legata de circulatia sevei brute si a celei elaborate. Apa cu sarurile minerale sunt absorbite de catre radacinile plantei si circula prin planta sub forma de seva bruta.

Absorbtia apei si a sarurilor minerale are loc aproape exclusiv prin varful radacinilor, in zona perisorilor absorbanti. Ea se realizeaza printr-un mecanism pasiv si unul activ.

Mecanismul pasiv se datoreaza transpiratiei de la nivelul frunzelor. Aceasta creeaza o forta de suctiune ce se transmite de-a lungul vaselor lemnoase din nervurile frunzelor, din tulpina si radacina pana la perisorii absorbanti, care vor capta apa din sol.

Mecanismul activ functioneaza la plantele bine aprovizionate cu apa si in conditii fiziologice normale, cand in radacini se dezvolta o presiune pozitiva. Aceasta face ca apa sa fie absorbita de catre radacini si condusa prin tulpini pana la frunze.

Cea mai mare cantitate de apa absorbita de planta se datoreste insa fortei de suctiune. Cu cat transpiratia este mai intensa cu atat forta de suctiune a frunzelor este mai mare si implicit si cantitatea de apa absorbita.

Conducerea sevei brute in corpul plantelor se face atat prin celule, cat si prin vasele lemnoase. Ea se realizeaza in mai multe etape:

1. conducerea centripeta, pe orizontala, de la suprafata radacinii prin parenchimul cortical pana la vasele lemnoase;
2. transportul longitudinal prin vasele lemnoase, de la radacini, pana in varful tulpinii si al ramurilor, in frunze, flori si fructe;
3. conducerea centrifuga din nou pe orizontala prin parenchimul tulpinii, ramurilor, frunzelor, florilor si fructelor.

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

Presiunea radiculara actioneaza mai ales primavara, inainte de aparitie frunzelor. Ea apare datorita concentratiei scazute a apei in vasele lemnoase ale radacinii.

Forta de suctiune depinde de intensitatea transpiratiei, care este strans legata de o serie de factori externi(temperatura aerului si a solului, umiditatea, vantul, lumina) si interni(densitatea si gradul de deschidere al stomatelor, suprafata totala a frunzelor, densitatea perisorilor absorbanti).

Cand apare un dezechilibru in aprovizionarea cu apa a unei plante, celulele pierd apa tesuturile se inmoaie si planta se ofileste.

Fotosinteza este procesul complex care consta in sinteza substantelor organice (glucide, lipide, proteine) din substante anorganice folosindu-se ca sursa de energie energia luminoasa cu ajutorul pigmentilor clorofilieni.

Principalele organisme fotosintetizante sunt plantele verzi superioare. Frunzei acestora, specializata in realizarea fotosintezei, ii sunt necesare urmatoarele conditii:

aprovizionarea cu apa, saruri minerale si dioxid de carbon;

existenta pigmentilor fotosintetizanti(clorofilieni) pentru captarea si conversia energiei solare in energie chimica, inglobata in substantele organice produse cu eliberarea in atmosfera a oxigenului.

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

parenchimului asimilator(mai ales, tesutului palisadic bogat in cloroplaste);

tesuturilor conducatoare din fasciculele libero-lemnoase (nervuri) - "canalele" de circulatie a sevei plantei(bruta si elaborata);

celulele epidermice transformate in stomate, care controleaza schimburile de gaze in fotosinteza, respiratie, precum si reglarea intensitatii transpiratiei (eliminarea apei sub forma de vapori);

• spatiile intercelulare din tesutul lacunar prin care are loc difuzia gazelor.

Conditia esentiala pentru realizarea fotosintezei este captarea energiei luminoase si conversia ei in energie chimica de catre pigmentii asimilatori din sistemul tilacoidal (grana) al cloroplastelor.

Numarul si forma cloroplastelor variaza. Astfel, la plantele verzi ele sunt numeroase, mici, sferice sau elipsoidale, stationate mai ales, in celulele frunzelor. La protistele fotosintetizatoare, ele sunt mari si se numesc cromatofori.

Cloroplastele se multiplica si se perpetueaza prin diviziune.

Structura unui cloroplast. Prezinta o membrana dubla, permeabila pentru O₂, CO₂, diferiti ioni (Fe³⁺,Mg²⁺), glucoza. In interior se afla substanta fundamentala(stroma), care contine enzime, incluziuni lipidice, granule de amidon, acizi nucleici si ribozomi.

Membrana interna formeaza numeroase plieri lamelare numite tilacoide. Ele ocupa interiorul cloroplastelor si formeaza structuri de tipul fisicului de monede(grana).

Membranele tilacoidelor contin pigmenti clorofilieni; ele sunt sediul reactiilor fotosintezei dependente de lumina.

Pigmentii asimilatori (clorofilele a si b si carotenoizii) sunt organizati in fotosisteme. Ele functioneaza ca niste "antene" sensibile care absorb energia fotonica si o transmit la clorofila a - centrul de reactie al fotosistemului.

Ecuatia generala a procesului de fotosinteza este:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Respectiv, din sase molecule de CO₂ si sase de H₂O se formeaza o molecula de glucoza si sase molecule de O₂.

Fotosinteza se desfasoara in doua etape succesive, interdependente: una la lumina si alta la intuneric.

Etapa de lumina se produce in grana cloroplastelor; clorofila a absoarbe energia luminoasa si o utilizeaza pentru:

a. sinteza unor substante necesare in urmatoarea etapa, intre care ATP-ul (adenozintrifosfat)-substanta 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 intuneric are loc la nivelul stromei. Ea consta in reactii care folosesc energia stocata in ATP pentru incorporarea CO₂ din aer in compusi organici - hidrati de carbon(in special, glucoza). Monozaharidele sunt convertite in polizaharide(amidon, celuloza), acizi organici, lipide.

Substantele organice sintetizate in frunza(seva elaborata) sunt conduse prin vasele de liber la tesuturile din intreaga planta unde sunt consumate sau depozitate.

Fotosinteza este un proces supus influentelor factorilor de mediu. Dintre acestia pot fi enumerati: temperatura, cantitatea si calitatea luminii, cantitatea de O₂ si de CO₂.

In general, procesul de fotosinteza incepe la o temperatura usor inferioara valorii de 0sC,creste in intensitate odata cu ridicarea temperaturii, atingand la unele plante maximum de intensitate la 30-37sC, dupa care, prin marirea in continuarea temperaturii, descreste rapid, incetand in jurul temperaturii de 50sC. Exista mari variatii intre diferite specii, variatii care se datoreaza mediului in care traiesc plantele respective, temperaturilor la care sunt adaptate. Temperatura optima pentru fotosinteza este in stransa legatura cu conditiile de iluminare si cu concentratia CO₂ din mediu. In general, la plantele din zona temperata, temperatura optima a fotosintezei este cuprinsa intre20-30sC.

In ceea ce priveste 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 coborate: frunzele aciculare de molid pot asimila pana la temperatura de -6sC, iar frunzele de grau de toamna pana la -2sC. In legatura cu limita maxima a temperaturii, s-a constatat ca la plantele din regiunile temperate, fotosinteza inceteaza la o temperatura mai mica (45-50sC) fata de cele din regiunile sudice, la care temperatura maxima este de 50-55sC.

Importanta fotosintezei:

• este cel mai complex proces natural de sinteza a substantelor organice din substante anorganice; de existenta organismelor fotosintetizante(producatorii ecosistemelor)depinde intreaga viata pe Tetra;
• prin utilizarea dioxidului de carbon eliberat din respiratia vietuitoarelor sau din procesele de ardere industriala, mentine concentratia acestuia la valori care nu depasesc limita toxica(0,03%);
• prin eliminarea oxigenului reimprospateaza atmosfera si o face propice respiratiei organismelor;
• asigura circulatia in natura a carbonului, azotului, fosforului.

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

Respiratia reprezinta procesul fiziologic prin care la nivelul celulei substantei organice sunt oxidate rezultand energie.

Respiratia cuprinde schimburile gazoase dintre organisme si mediu(respiratie externa) - preluarea oxigenului si eliberarea dioxidului de carbon - precum si transportul gazelor respiratorii pana la nivelul celulelor(respiratie celulara).

In functie de modul in care este folosit oxigenul, respiratia poate fi aeroba si anaeroba.

Respiratia anaeroba se produce in lipsa oxigenului.

Substantele organice sunt oxidate pana la formarea unui produs intermediar si a dioxidului de carbon. Ecuatia reactiei este urmatoarea:

C₆H₁₂O₆ → produs intermediar + CO₂ +energie(~30Kcal.)

Nu se produce apa, iar cantitatea de energie rezulta este mult mai mica decat cea eliberata in respirata aeroba, deoarece o9 mare parte este stocata in produs intermediar.

Respiratia anaeroba este caracteristica ciupercilor si bacteriilor, dar exista si la plantele superioare si tesuturile animale. Astfel, datorita respiratiei anaerobe, plantele superioare din culturile inundate pot supravietui cateva zile.

La animale, in celulele musculare, datorita unui efort prelungit, aportul de oxigen este insuficient pentru respiratia aeroba. De aceea, in muschi se acumuleaza o mare cantitate de acid lactic. El este toxic si blocheaza contractia fibrelor musculare; astfel apar crampele musculare.

Respiratia anaeroba la bacterii si ciuperci se numeste fermentatie. Dupa natura produsului obtinut, fermentatiile sunt de mai multe tipuri: alcoolica, lactica, acetica.

Fermentatia alcoolica este produsa de unele ciuperci: drojdia de bere, drojdia vinului. Glucoza este transformata in alcool etilic, CO₂ si energie. Aceasta fermentatie are aplicatii la fabricarea painii si a bauturilor alcoolice. Umflarea aluatului de paine ca si "fierberea" mustului se datoresc bulelor de CO₂ degajate.

Fermentatia lactica este produsa de unele bacterii. Molecula de glucoza este rupta in doua molecule de acid lactic. Aceasta fermentatie se aplica la obtinerea laptelui acru, iaurtului, prepararea muraturilor, a nutreturilor murate.

Fermentatia acetica este produsa de anumite bacterii care transforma zaharurile sau alcoolul etilic in acid acetic. Are aplicatii in industria otetului.

Respiratia aeroba are loc numai in prezenta oxigenului dupa urmatoarea reactie chimica:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 675Kcal.

Majoritatea plantelor si animalelor au respiratie aeroba.

Plantele folosesc in respiratie oxigenul liber din aer si sol sau dizolvat in apa.

Desi respira tot timpul, in cursul zilei respiratia plantelor este mascata de fotosinteza. Ziua, in acelasi interval de timp, cantitatea de dioxid de carbon eliminata prin respiratie este foarte mica in comparatie 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 realizeaza respiratia la plante este frunza. Schimbul de gaze respiratorii are loc la nivelul stomatelor si al spatiilor intercelulare numeroase din tesutul lacunar al frunzelor.

Stomatele sunt celule modificate in scopul realizarii schimbului de gaze(CO₂ si O₂) in respiratie si in fotosinteza, si al eliminarii vaporilor de apa, prin transpiratie.

O stomata este formata din doua celule de forma unor boabe de fasole, care lasa intre ele o deschidere(ostiola). Peretii lor sunt inegal ingrosati, cu rol in deschiderea si inchiderea stomatelor in functie de lumina, umiditate, temperatura aerului.

Stomatele se gasesc din loc in loc in epiderma(mai numeroase in epiderma inferioara). La frunzele plantelor care plutesc(exemplu, la nufar), stomatele se gasesc numai pe epiderma superioara.

Plantele respira si prin celelalte organe(radacina, tulpina, floare, samanta). De exemplu, radacinile respira la nivelul perisorilor absorbanti, unde are loc schimbul gazelor respiratorii. Asa se explica de ce plantele au nevoie de soluri bine aerate. Unele plante acvatice (exemplu, chiparosul de balta) au radacini 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 scoarta niste deschideri (lenticele) cu rol in respiratie.

Mitocondriile sunt organite celulare prezente in toate celulele eucariotelor aerobe, asezate, de regula, in apropierea nucleului. Majoritatea au forma elipsoidala, dar pot fi si sferice, in forma de bastonas.

Sunt mai numeroase in celulele cu activitate intensa(fibrele muschilor striati, celule hepatice, celule aflate in diviziune).

Mitocondriile se multiplica prin diviziune, fragmentare sau inmugurire si se transmit de la o generatie celulara la alta, pe linie materna.

Structura unei mitocondrii Prezinta o membrana dubla. Cea interna formeaza prin invaginare numeroase criste, care contin enzime.

In interiorul mitocondriei se gasesc diferite substante minerale si organice, inclusiv acizi nucleici.

Mitocondriile au rol esential in respiratia celulara, fiind considerate "centrale energetice" ale celulelor; in procesul de respiratie celulara are loc eliberarea de energie. Energia este apoi inmagazinata in moleculele de ATP. Mitocondriile constituie sediul formarii ATP.

Aceasta energie este folosita in toate procesele metabolice vitale, di organism(contractiile 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 respiratie la plante este influentat de o serie de factori:

• cantitatea de O₂ si de CO₂ din aer(cand este prea mult CO₂ in aer si prea putin O₂, plantele pot muri);
• temperatura aerului(incepe la 0sC ci creste pana la 30-35sC);
• gradul de hidratare a celulelor(semintele au intensitatea respiratiei mai scazuta);
• varsta plantelor(cele tinere respira mai intens decat cele imbatranite).

Observam ca O₂ este gazul consumat in respiratie si CO₂ gazul rezultat din respiratie.

In concluzie, fotosinteza si respiratia sunt doua procese complementare.

Bibliografie:

1.Manual pentru clasa a X-a, Editura NICULESCU;

2.Manual pentru Scoala de Arte si Meserii, Clasa a IX-a si a X-a, Editura ALL 2000.