Incursiune in laboratorul naturii: Clorofila si Fotosinteza

GRUP SCOLAR TEHNIC DE TRANSPORTURI CAI FERATE, IASI

Incursiune in laboratorul naturii

Concurs de Fizica creativa ,,Stefan Procopiu''

Sectiunea Referate Stiintifice

Argument

Vegetatia in totalitatea ei- fitosfera- este o adevarata uzina vie a planetei noastre. Fara uimitoarea ei activitate n-ar exista animale si oamenii , iar Terra ar arata ca un nemarginit pustiu. Cele trei functii ale organismelor vegetale: asimilitatia clorofiliana, respiratia si transpiratia reglementeaza toate procesele de pe suprafata globului. Am putea spune, fara sa gresim, ca viata pe planeta noastra atarna de invelisul ei vegetal.

Miliarde de tone de apa sunt eliberate prin transpiratie. Acolo unde plantele dispar, se formeaza pustiurile. Sa nu uitam ca aerul curatat de surplusul vatamator de gaz carbonic, e un dar al plantelor care asigura in permanenta echilibrul compozitiei chimice a atmosferei, facand-o astfel respirabila.

Din pamant, apa si aer, folosind doar energia solara, ele prepara sute de substante fara de care civilizatia umana ar fi greu de conceput..

Iata de ce datoria noastra este sa pazim si sa ocrotim cu strasnicie uzinile vii ale naturii - plantele - de toate actiunile care punandu-le in pericol pericliteaza in mod indirect nu numai existenta oamenilor dar si a intregii planete.

Referatul ,,Incursiune in laboratorul naturii'' prezinta fenomenele fizico-chimice care au loc in viata plantelor, precum si rezultatele studiului realizat in laboratorul scolii de catre elevii cercului ECOSAN

Lumina si culoare

Natura este colorata, dar nu este pictata. Este doar pitoreasca. In anumite locuri un observator aflat in fata ei se simte ca in fata unui tablou realizat cu pigmenti naturali.

Adevarate uzine biochimice actionate de energia solara, plantele sintetizeaza nu numai compusii de baza necesari supravietuirii lor, din categoria hidratilor de carbon, proteinelor si lipidelor, ci si o gama larga de substante organice ce pot fi extrase in cantitati suficiente pentru a prezenta importanta semnificativa ca materii prime cu variate aplicatii stiintifice, tehnologice si comerciale.

Pigmentii vegetali sunt coloranti naturali ai florilor, frunzelor, fructelor si ai tesuturilor plantelor. Unii sunt raspanditi in tot regnul vegetal, iar altii se intalnesc numai in anumite plante sau in anumite organe ale plantelor. In plante, pigmentii se pot prezenta in stare libera sau forma de combinatii cu proteine si glucide, formand heteroproteide si glicozide. Pigmentii pot intra in constitutia coenzimelor redox, unii sunt protectori ai enzimelor si ai activitatii enzimatice, regland potentialul redox al mediului biochimic, altii participa direct sau indirect la procesul fotosintezei.

Acestia sunt diferiti dupa culoarea pe care o dau: clorofila-verde, carotenul-rosu-oranj, xantofila-galbena, flavonele-galbene, antocianii-pigmentii vacuolar ce variaza de la rosu la albastru, dupa pH-ul acid sau bazic al sucului celular.

  Lumina are un rol deosebit pentru viata plantelor. Prin lumina, energia soarelui se integreaza in planta sub forma de energie potentiala. Lumina conditioneaza desfasurarea procesului de fotosinteza, aparitia organelor florale, inflorirea, fructificare, rezistenta la cadere. Energia luminoasa este absorbita de clorofila, care, prin procesul de fotosinteza, transforma bioxidul de carbon luat din frunze si apa absorbita de catre radacini, in monozaharide.
   In procesul de fotosinteza este folosita numai 1-5% din cantitatea de energie luminoasa care vine de la soare variind in functie de specie sau hibrid cultivat.
   Lumina influenteaza viata plantelor prin intensitate, claritate si durata de iluminare.
 

Clorofila

Clorofila (limba greaca cloros-verde) este un pigment de culoare verde, esential in procesul de fotosinteza, prin intermediul acesteia avand loc transformarea energiei luminoase in energie chimica. A fost descoperita in 1817 de catre chimistul francez Pelletier y Caventou.

Structura chimica

Se observa cele 4 cicluri pirolice, legate intre ele prin punti metilenice: magneziul leaga coordinativ 2 atomi de azot datorita electronilor neparticipanti, inelul porfirinic, acelasi care sta si la baza hemului, insa ca ion central este magneziul.

Dintre pigmentii porfirinici, foarte raspanditi in regnul vegetal sunt pigmentii clorofilieni, reprezentati prin clorofila-a, clorofila-b si derivatii lor de oxidare (oxiclorofile). Acestia dau culoarea verde si galben verzuie a frunzelor si tulpinilor si participa in procesul de fotosinteza.

Rolul clorofilei

In frunze clorofila se gaseste legata de o proteina, plastina cu care formeaza o cromoproteida, denumita cloroplastina, cu o mare stabilitate comparativ cu clorofila pura. Clorofila se afla in membrana tilacoidelor din cloroplaste unde se pare ca formeaza fotosisteme (denumite fotosistemul I si II, respectiv P680 si P700 dupa lungimea de unda absorbita) impreuna cu pigmentii. In cadrul acestor fotosisteme clorofila se pare ca indeplineste 2 functii:

Absorbtia luminii

Transferul energiei catre clorofila din centrul reactiv al fotosistemului. Lumina absorbita de catre clorofila determina eliminarea unui electron cu un potential energetic foarte mare, electron care in final va reveni la clorofila dar cu un potential energetic mult mai mic. In cadrul acestei reactii clorofila joaca rol de catalizator, molecula de clorofila oxidata, revenind din nou la forma initiala prin (re)captarea unui electron.

Fotosinteza

Fotosinteza este procesul de fixare a dioxidului de carbon din atmosfera de catre plantele verzi , in prezenta radiatiilor solare, cu eliminare de oxigen si formare de compusi organici foarte variati.

Lumina este un element indispensabil pentru viata plantelor, sursa energiei lor vitale. Radiatiile solare sunt formate din unde electromagnetice de diferite lungimi. Cele pe care le vedem sunt radiatii luminoase vizibile -rosii, portocalii , galbene , verzi, albastre, indigo si violet- cu lungimi de unda variind intre 0,35-0,79 microni, actioneaza in procesul de fotosinteza. Radiatiile infrarosii580-700 milimicroni sunt denumite si calorice, pentru ca ele contin o cantite mai mare de energie calorica determina sinteza glucidelor, in timp ce sinteza proteinelor si a acizilor grasi se desfasoara mai intens sub influenta radiatiilor cu lungimea de unda de 450-575 milimicromi.

Razele alearga nestingherite prin Univers cu fantastica viteza de 300 000 km/ s - le trebuie numai 8 min pentru a strabate uriasa distanta de la Soare spre Pamant .

Lumina solara are un rol mult mai important in hranirea noastra decat ne-am fi asteptat noi. Toata mancarea si toti combustibilii fosili folositi de noi sunt produsi ai fotosintezei, proces ce transforma energia luminii solare, in forme chimice de energie ce pot fi folosite in sisteme biologice.

Laboratorul plantei verzi este frunza, materiile prime extrase din aer si din pamant isi dau intalnire aici avand loc uimitorul proces chimic al fotosintezei. Frunzele sunt bine adaptate in vederea captarii unor cantitati optime de energie luminoasa necesara asimilatiei clorofiliene. Cloroplastul este fotodinamul Uzinei Flora, sediul fotosintei, singurul loc din lume unde energia luminoasa emisa de Soare este convertita in energie chimica. Daca am socoti ca o frunza are 15cm² si ca fiecare milimetru patrat de tesut exista macar 1000 de cloroplaste inseamna ca intregul agregat folear numara 1-2 milioane de fotodinami care functioneaza din plin.

Energia pentru acest proces este furnizata, de lumina, aceasta fiind absorbita de pigmenti (in general clorofila si caroten). Lumina verde si galbena nu are nici un efect in absorbtia pigmentilor fotosintetici din plante. Din acest motiv, lumina cu aceste culori este sau reflectata de frunze, sau este lasata sa treaca prin frunze.

Fotosinteza cuprinde doua faze majore, strans legate intre ele, faza de lumina si faza de intuneric.

Faza de lumina- fotoliza apei

- absortia cuantelor de lumina de catre molecula de clorofila. Ca urmare a acestui proces, are loc o crestere a nivelului energetic al unui electron pe cuanta de lumina absorbita.

- preluarea si conducerea mai departe a electronilor cu energie inalta printr-un sistem de factori ce se activeaza in lant.

- fotosinteza: ca urmare a deficitului de electroni creat in molecula de clorofila se realizeaza descompunerea apei celulare in electroni, protoni si oxigen.

- legarea electronului eliberat in urma lantului transportor de electroni si a protonilor eliberati din fotoliza la coenzima NADP cu formarea agentului reducator NADPH2,

- legarea energiei eliberate sub influenta luminii in ompusul ATP, cu inalt continut energetic.

Faza de intuneric- faza termochimica

Are loc intre membranele tilocoidelor din cloroplaste, cu transformarea CO2 preluat din mediu prin stomate si transportat cu ajutorul sistemului intercelular in produsul de fotosinteza, glucoza. La procesul de reducere a CO2 iau parte produsii fazei de lumina, ATP si NADPH2 si este denumit dupa descoperitorul sau, ciclul Calvin. Din cantitatea totala de CO2 absorbit 1/ 3 este transformat in aminoacizi, apoi in proteine, 2/3 in glucide.

6 CO₂ + 6 H₂O + Energa luminoasa ===> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Pe baza fotosintezei se formeaza substantele organice care alcatuiesc corpul plantelor si al animalelor, precum si hrana lor; se realizeaza o circulatie in natura a elementelor oxigen, azot, carbon, fosfor, sulf ; carbonul este absorbit sub forma de bioxid de carbon si asimilat sub forma substantelor organice produse in fotosinteza. Dupa moartea plantelor, substantele organice acumulate sunt folosite de catre microorganisme pentru hrana lor, care duc transformarea lor pana la mineralizarea completa. Intervalul optim pentru majoritatea plantelor este de 25 - 30 C , la 35 C scade brusc, iar la 50 C inceteaza.

Circulatia in plante

Circulatia apei, a sarurilor minerale, a substantelor organice are loc prin absorbtie radiculara, prin fortele de aspiratie a frunzelor- absorbtie extraradiculara.

Absorbtia radiculara este preluarea apei din mediul exterior prin perisorii absorbanti si transportarea acestora prin celulele radacinii, la vasele conducatoare de lemn ale tulpinii.Fortele care determina ascensiunea curentului de apa sunt forte interne: forta radiculara, forta de a aspiratie.

In vasele mici ia nastere capilaritatea ,care impinge in sens ascendent apa.

S-a calculat ca intr-un capilar cu diametrul de 10 microni apa urca pana la inaltimea de 3 metri . De obicei, apa este condusa de la varful radacinii spre frunza. Dar ea poate fi condusa si in sens invers, deoarece vasele de lemn sunt lipsite de -valve- care sa determine circulatia intr-un singur sens, asa cum se intampla, cu arterele omului. Daca pentru urcarea fara obstacole a unei inaltimi de 10 metri trebuie invinsa o presiune hidrosatica de 1 atm, atunci tinand seama ca pentru trunchiul plantei din cauza frecarii presiune se dubleaza.

Fenomenul de osmoza permite intrepatrunderea moleculelor a doua lichide miscibile cu concentratii diferite, separate printr-o membrana semipermeabila. Miscarea spontana a moleculelor este difuzia, sensul este de la faza mai concentrata la cea mai diluata.

Extragerea pigmentilor asimilatori

Metoda extragerii pigmentilor asimilatori in solventii organici

Principiu Pigmentii asimilatori din cloroplaste sunt insolubili in apa si de aceea extragerea lor se face la rece sau la cald prin solubilizare in diferiti solventi organici (acetona, alcool etilic, alcool metilic, alcool butilic, cloroform), obtinandu-se solutia bruta de pigmenti.

Aparate si dispozitive: balanta tehnica.

Materialele necesare: frunze proaspete sau uscate de la diferite specii de plante mojar cu pistil, flacon, alcool etilic 90%

Modul de lucru. Se cantaresc 5 grame frunze proaspete si se mojareaza adaugandu-se 1-2 picaturi de apa, cu rol de desfacere a pigmentilor de pe substratul proteic din cloroplaste. Se adauga 25ml alcool etilic, fractionat in 2-3 reprize, printr-o hartie de filtru uscata.

Interpretare. Prin distrugerea integritatii celulelor, solventul organic solubilizeaza pigmentii din cloroplaste, care sunt extrasi prin filtrare si trec in extractul alcoolic brut de pigmenti.

Separarea pigmentilor asimilatori

Principiu Separarea calitativa si cantitativa a diferitilor pigmenti asimilatori din frunze se bazeaza fie pe gradul diferit de solubilitate in anumiti solventi organici a xantofilei, mai solubila in alcool si a clorofilei si carotinei, mai solubile in benzina.

Modul de lucru. Intr-o eprubeta se toarna 3ml solutie alcoolica de pigmenti si se adauga 5ml benzina. Dupa agitarea puternica a amestecului, se lasa in repaus pe un stativ. Se constata separarea a doua straturi distincte. Stratul superior de culoare verde ce contine clorofila iar stratul inferior de culoare galben-verzui ce contine xantofila in alcool. Daca nu se realizeaza separarea celor doua straturi se vor adauga 2-3 picaturi de apa pentru a dilua alcoolul si a reduce miscibilitatea cu benzina.

Interpretare. Separarea xantofilei de ceilalti pigmenti din extractul alcoolic a fost posibila pe baza solvarii selective componentelor in alcool sau benzina.

Stabilirea rolului luminii in acumularea amidonului

Principiu. In lipsa luminii nu are loc procesul de fontosinteza, iar cloroplastele din frunze nu acumuleaza amidon.

Materiale necesare: ghivece cu plante de Pelargonium, hartie de staniol, cleme, alcool etilic, apa distilata, bec de gaz, vas Petri, solutie Lugol.

Modul de lucru. Plantele de Pelargonium, amilifere aflate in ghivece, se tin 1-2 zile la intuneric pentru ca rezervele de amidon din cloroplastele frunzelor sa fie translocate in alte organe sau sa fie consumate prin procesele de respiratie si de crestere. Se acopera o parte a limbului frunzei cu hartie de staniol in care sunt decupate diferite figuri geometrice sau litere. Staniolui se fixeaza pe frunze cu ajutorul unor cleme. Planta astfel pregatita se expune la lumina timp de 24 de ore. Se detaseaza de planta frunza partial acoperita, se decoloreaza prin fierberi succesive in apa, alcool etilic si apa, pentru extragerea pigmentilor si rehidratarea tesuturilor conform metodei descrisa anterior. Frunza complet decolorata se trece intr-un vas Petri unde se trateaza cu solutie de iod. Dupa cateva minute se constata ca portiunile de frunza care au fost expuse la lumina se coloreaza in albastru intens, ceea ce dovedeste prezenta amidonului, in timp ce protiunile ecranate cu staniol nu se coloreaza in prezenta iodului datorita lipsei amidonului.

Interpretare. Lumina este absolut necesara in procesul de fotosinteza prin care se acumuleaza glucide solubile. La nivelul cloroplastelor acestea polimerizeaza imediat in amidon.

Respiratia

Respiratia este procesul de oxidare a substantelor organice punand in libertate dioxid de carbon, apa si energie.

Intre fotosinteza si respiratie exista o stransa legatura cele doua fenomene au loc concomitent la lumina, dar in sens invers. Numeroase studii au demonstrat ca respiratia are aceeasi intensitate atat la lumina cat si la intuneric. Oxigenul, in timpul respiratiei arde substantele de asimilatie, pentru a produce energia necesara tuturor proceselor vitale , generand un fenomen de dezasimilatie. Astfel, procesele chimice are respiratiei sunt opuse celor ale asimiliatiei.

Transpiratia frunzei

Prin transpiratie planta elimina tot surplusul de apa si de saruri minerale sub forma gazoasa.

Transpiratia sporeste si sub influenta unor factori de mediu, cresterea temperaturii aerului mareste transpiratia plantelor.

S-a calculat ca, in timpul verii, un stejar batran pune el singur in libertate, prin transpiratie, o cantitate de aproape 50 de vagoane de apa. Mai mult de o treime din apa atmosferica provine de la oceanul vegetal. Smulgand-o din menghinile pamantului dupa ce a usurat-o de saruri si i-a dat propria ei caldura ca sa se poata inalta planta o va primi din nou sub forma ploii.

Oxigenul si dioxidul de carbon patrunde in planta si sub forma gazoasa , procesul lor de absorbtie determinand o serie de adaptari in alcatuirea organelor receptare -frunza, radacina- si a mecanismelor energetice . Dioxidul de carbon in timpul fotosintezei participa la asimilatia carbonului, deci la hranirea plantei si acumularea substantelor de rezerva. Oxigenul, dimpotriva, in timpul respiratiei ,oxideaza adica arde substantele de asimilatie , pentru a produce energia necesara tuturor proceselor vitale , generand un fenomen de dezasimilatie . Astfel ,procesele chimice are respiratiei sunt opuse celor ale asimiliatiei.

Punerea in evidenta a transpiratiei frunzelor folosind hartia simpatica

Principiu Aceasta metoda are baza reactia de schimbare a culorii hartiei "simpatice", ca urmare a proprietatii fizice ce o au sarurile de cobalt de a prezenta culoarea albastra in stare anhidra si culoare roz in stare hidratata..

Materiale necesare ghivece cu plante de Pelargonium, Tradescantia sau alta specie, doua placi de stricla, cleme, bucati de hartie "simpatica" (hartie de filtru imbibata cu solutie de clorura de cobalt 5% si uscata).

Modul de lucru. O frunza nedetasata de planta se aseaza intre doua bucati de hartie "simpatica", perfect uscate, iar deasupra se aplica o placuta de sticla care se fixeaza cu cleme. Dupa 30 minute se observa ca pe hartie simpatica de culoare albastra apare conturul frunzei, colorat in roz, cu intensitati variate in functie de specia si de momentul determinarii in cursul zilei.

Interpetare. Punctuatiile roze care apar initial pe hartie simpatica corespund cu osteolele deschise ale stomatelor prin care se elimina, in principal, apa de transpiratie sub forma de vapori. Ulterior, aceste puncte conflueaza si toata suprafata hartie, aflata in contact cu limbul frunzei, prezinta culoarea roz. Diferentele de culoare dintre cele doua hartii simpaice pun in evidenta variatii in densitatea stomatelor, gradul de deschidere al osteolelor si intensitatea transpiratiei pe fata inferioara si superioara a limbului.

INCHEIERE

Rolul plantelor in istoria evolutiva a lumii este foarte complex pentru ca ele au transformat atmosfera Pamantului intr-o atmosfera ce putea sa sustina regnul animal.

Probabil ca imensele cantitati de bioxid de carbon prezente initial in atmosfera au impiedicat animalele sa respire, dar in procesul de fotosinteza plantele absorb dioxid de carbon si elimina oxigen.

Capacitatea plantelor de a produce fotosinteza folosind lumina Soarelui este punctul de pornire al lantului alimentar, fara a uita de pretiosul oxigen.

Ajutorul dat omului este si spiritual ,EA NATURA l-a insotit in evolutia sa..

Cu ajutorul stiintelor am facut un pas pe drumul cunoasterii, ne-am informat si am experimentat dorind sa nu ramanem doar spectatori la ceea ce ne inconjoara.

Bibliografie

Constatin Milica- Fiziologia plantelor, Iasi, 1998;

Madinescu D-Dreptul Mediului inconjurator, Bucuresti. 2001 .

Tesu Viorica - Fiziologia vegetala, Lucrari practice, Iasi, 1974;

CUPRINS

ARGUMENT

LUMINA SI CULOARE

CLOROFILA

FOTOSINTEZA

CIRCULATIA IN PLANTE

STUDIU DE CAZ

INCHEIERE

BIBLIOGRAFIE