Autori: Asofiei Ioana Olteanu Florentina Răcăşanu Traian

Coordonatori: prof. Răcăşanu Rodica prof. Bucura Maria

GRUP ŞCOLAR INDUSTRIAL

“I. L. CARAGIALE “ MORENI

Fotosinteza – fenomen biologic,

fizic şi chimic natural

Motto:

“Tot ceea ce este viu aspiră la culoare”

J.W Goethe

CUPRINS

IntroducereCapitolul 1. DESCOPERIREA FOTOSINTEZEICapitolul 2. FOTOSINTEZA, NOŢIUNI DE BAZĂCapitolul 3. INFLUENŢA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA FOTOSINTEZEI 3.1. Influenţa luminii 3.2. Influenţa concentraţiei dioxidului de carbon 3.3. Influenţa temperaturii 3.4. Influenţa concentraţiei oxigenuluiCapitolul 4. ORAGNISME FOTOSINTETIZANTE 4.1. Cloroplastele 4.2. Pigmenţii cloroplastelorCapitolul 5. APLICAŢII ALE CUNOSTINŞELOR DIN DOMENIUL FOTOSINTEZEI 5.1. Hidrocarburi „via” fotosinteză 5.2. Mersul fotosintezei în decursul anuluiCapitolul 6 . PARTE EXPERIMENTALA 6.1. Separareacromatografica a extratului de clorofila. 6.2. Simularea cromatografiei de lichide pe calculator. 6.3. Clorofila, colorant organic de interes alimentar si cosmeticCapitolul 7. POLUAREA AERULUI SI FOTOSINTEZA.FOTOSINTEZA - CURIOZITĂŢI

Procesul de fotosinteză continuă să atragă o considerabila atenţie, nu numai pentru interesul intrinsec, ca proces ce întreţine viaţa pe planeta noastră, ci şi pentru importanţa lui nouă, ca sursă alternativă de aprovizionare a omenirii cu energie pentru scopuri tehnologice. În consecinţă, asistăm în ultimul deceniu la o creştere considerabilă a cercetărilor în domeniul fotosintezei, astfel încât se speră ca la baza rezultatelor şi progreselor înregistrate să se producă mai multă hrană, fibre, combustibili şi energie necesare oamenilor şi dezvoltării economice.

Parte integranta a istoriei ştiinţei din ultimele secole, descoperirea fotosintezei ilustrează o emoţionantă şi dramatică incursiune în cunoaşterea umanităţii, atât prin evenimentele petrecute, cât şi prin personalităţile care au participat la aceasta descoperire.

DESCOPERIREA FOTOSINTEZEI

Joseph Priestley este considerat descoperitorul fotosintezei pentru că el a atras atenţia, pentru prima dată în lume, asupra proprietăţii pe care o au plantele de a purifica aerul şi pentru că prin experienţe foarte simple, de o ingeniozitate remarcabilă a şi demonstrat această proprietate.

Descoperirea fotosintezei este considerată ca una din cele mai strălucitoare cuceriri ale ştiinţei.

La 200 de ani de la descoperirea fotosintezei, în anul 1971, au avut loc manifestări ştiinţifice de amploare în lumea biologilor. În acelaşi an a avut loc în Italia cel de-al II-lea Congres Internaţional de Fotosinteză, unde s-a comemorat acest eveniment. O sesiune ştiinţifica extraordinară dedicată acestui eveniment, sub auspiciile Academiei Române şi Societăţii de ştiinţe biologice a avut loc şi în ţara noastră, în toamna aceluiaşi an.

FOTOSINTEZA, NOŢIUNI DE BAZĂ

În procesul de fotosinteză, plantele utilizează energia luminii solare pentru a transforma două molecule anorganice extrem de stabile şi sărace în energie – CO2 şi H2O – în molecule organice, instabile, dar bogate în energie şi în oxigen molecular. Cele mai multe din moleculele organice formate în fotosinteză sunt glucide, pe care plantele le pot polimeriza pentru a forma polizaharide cum sunt amidonul şi celuloza. Ca substanţă organică tipică produsă în fotosinteză poate fi considerată molecula de glucoză.

INFLUENŢA FACTORILOR EXTERNI ASUPRA FOTOSINTEZEI

• Lumina poate influenţa fotosinteza prin intensitatea, calitatea şi durata ei. Fotosinteza nu este însa un fenomen de sensibilizare a protoplasmei, ci un fenomen fotochimic de transformare a energiei.

• Pentru plantele terestre concentraţia CO2 este unul dintre cei trei factori limitaţi puşi în evidenţă.

• Ca şi în cazul altor procese metabolice, se contată un efect pozitiv al temperaturii asupra fotosintezei până la 30°C, după care se constată o acţiune depresivă, urmată de încetarea procesului de către 45°C; inhibarea este cu atât mai pronunţată cu cât acţiunea temperaturii excesive se manifestă un timp mai îndelungat.

• La lumina intensă, fotosinteza scade o dată cu creşterea concentraţiei O2 peste valorile normale de 21% din atmosferă. La concentraţii ale oxigenului cuprinse între 21% şi 100%, fotosinteza este puternic inhibată.

Capitolul 4

ORAGNISME FOTOSINTETIZANTE

ORAGNISME FOTOSINTETIZANTE

Cloroplastele sunt localizate în număr mare, în celulele parenchimului foliar sau mezofilul. Situat între cele două epiderme, mezofilul este constituit din trei tipuri de ţesuturi: ţesuturile conducătoare şi ţesuturile de susţinere localizate la nivelul nervurilor şi care practic nu conţin cloroplaste, precum şi ţesuturile clorofiliene.

Caracteristicile fotosintetice ale acestor ţesuturi sunt următoarele:

- ţesutul palisadic este alcătuit din 1-2 straturi de celule dispuse sub epiderma superioară, deci orientate spre lumina incidentă. Celulele sunt alungite, iar spaţiile intercelulare sunt reduse;

- ţesutul lacunos: orientat spre faţa inferioară a frunzei este format din celule rotunjite, separate prin spaţii mari, intercelulare;

- stratul perivascular este alcătuit din celule mari, cu pereţi rezistenţi şi care conţin adesea cloroplaste atipice şi o cantitate mare de amidon.

Cloroplastele aparţin unui grup de organite citoplasmatice care nu există decât în celulele vegetale şi au fost denumite plastide.

La nivelul cloroplastelor are loc fotosinteza, care permite plantelor verzi conversia energiei solare, în energie chimică.

Pigmenţii cloroplastelor

Cei mai importanţi componenţi ai tilacoidelor sunt desigur pigmenţii asimilatori: clorofilele, carotenoizii şi ficobilinele. Un singur pigment însă este prezent la toate plantele fotoasimilatoare: clorofila a, care în soluţie alcoolică are culoare verde-albăstruie. Clorofila a este singurul pigment care participă direct la transferul de energie către centrii enzimatici de reacţie. Clorofila este o porfirină care conţine un nucleu tetrapirolic ce prezintă un sistem ciclic de 9 duble legături conjugate. Acesta, împreună cu cei 4 atomi de azot legaţi de atomul de magneziu, corespunde părţii aproximativ plane a moleculei de clorofilă. La nucleul pirolic III se ataşează un rest al acidului propionic, esterificat cu alcoolul metilic, care împreună cu puntea metinică învecinată formează ciclul izopentanonic, caracteristic clorofilelor. Un al doilea rest al acidului propionic se ataşează la nucleul pirolic IV şi este esterificat cu fitolul (C20H39OH). Acest alcool corespunde celei de a doua părţi a moleculei, foarte flexibilă şi lipofilă.

APLICAŢII ALE CUNOSTINŞELOR DIN DOMENIUL FOTOSINTEZEI

Cunoaştem, fără îndoială, că lumina solară este sursa primară de energie, care prin fotosinteză realizată de plantele cu clorofilă menţine şi impulsionează biochimic toată lumea vie încă de la începuturile sale.

Fiinţele vii şi mai ales omul, beneficiază de soare nu numai biochimic, ci şi fizic, deoarece pământul pe care-l locuiesc este un sistem termodinamic deschis, care foloseşte energia solară pentru încălzirea sa şi pentru a menţine apele în circulaţie perpetuă. Norii care se nasc din mare prin distilare, fac câmpul să rodească şi reînnoiesc fără încetare râurile şi lacurile de acumulare care aduc lumina în locuinţe, alimentează industriile şi centralele hidroelectrice. Nu este deloc exagerat dacă afirmăm că energia solară a fost şi este izvorul universal de viaţă şi progres.

Bioenergetica constituie azi unul din domeniile cele mai fascinante ale ştiinţei. Aproape toată energia pe care o utilizează azi omenirea sub formă de cărbune, petrol, gaze, lemn, este de origine biologică.

PARTE EXPERIMENTALA

Separarea cromatografică a extractului de clorofilă

Prin această lucrare experimentală vom pune in evidentă, prin metoda cromatografică, prezenta clorofilei ca substanţă şi nu ca amestec de substanţe.

Cromatografia este un grup de metode de separare a componentelor unei probe, care se bazează pe distribuţia lor diferita intre două faze: faza staţionară si faza mobilă. Distribuţia diferită intre faze imprimă in final deplasarea cu viteze diferite a componentelor purtate de faza mobilă de-a lungul fazei staţionare, fapt care realizează separarea acestora.

Extragerea clorofilei din urzici

Se mojarează o cantitate de urzici proaspete, se adăugă apă cu o temperatura de 70ºC, se amestecă , se filtrează;Se introduce o cantitate de probă in cromatograf si se înregistrează semnalul furnizat de detector obţinând cromatograma ;Cromatograma conţine un singur pic acest lucru demonstrând că este vorba de o singură substanţă, clorofila A.

Simularea cromatografiei de lichide pe calculator

Pentru simularea unei cromatografii de lichide se va folosi produsul software Chemland produs de o echipa formată din programatori, designeri şi animatori de la Universitatea Massachusetts din Armhest, USA http://soulcatcher.chem.umass.edu. Pe lângă programul de simulare propriu zis, pachetul software conţine şi un tutorial bine documentat si ilustrat cu desene şi animaţii. Simularea unor experimente reale de laborator , care se bazează pe probe, faze mobile şi faze staţionare reale, poate fi utilizat pe lângă calitatea de material de învătare, formare de priceperi şi deprinderi şi, ca şi o bază de date cu informaţii reale despre cromatografia de lichide care poate fi utilizată oricând ca preambul de experiment

Clorofila, colorant organic de interes alimentar şi cosmetic

Clorofila a este colorantul alimentar natural solubil in apă, verde, notat E140, prezent in toate plantele si in alge. Varianta comercială se extrage din urzici, spanac, iarbă, fasole, morcovi, basella etc. si din alge. Coloranţii porfirinoizi sunt catalizatori importanţi in diferite sfere ale vieţii. Ei sunt numiţi „pigmenţi ai vieţii” datorita importantei lor. Pigmenţii porfirinoizi coloraţi din bacterii si plante catalizează reacţiile fotochimice, in particular fixarea CO2 si formarea oxigenului molecular. Normele FAO indica drept coloranţi alimentari : Clorofila a si b (Ci 75810, 1956, Ci 1249d, 1924 Schultz 1403, 1931).

M=Mg sau CuClorofila de Zn2+, Na+ este un colorant verde, de interes alimentar, medical si cosmetic. S prepară din frunze de spanac prin extracţie cu alcool, acetona si eter de petrol, urmată de tratarea extrasului cu NaOH si ZnSO4.Clorofila de Fe2+, Na+ se obţine plecând de la clorofilă prin tratare cu FeCl3in prezenta Na2S2O3 ca reducător, urmată de o extracţie la cald cu acetonă sau metanol. Produsul este un colorant alimentar si cosmetic. Clorofila de Cu2+ este un produs de mare stabilitate, care se izolează prin tratarea unor fructe verzi cu săruri de Cu. Scopul acestei tratări este intensificarea si stabilizarea nuanţelor verzi ale conservelor. Clorofila de Cu2+ este un colorant alimentar ,medical si cosmetic.

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.

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, 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 capătă 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.

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.

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.