Ecologia organismului (fluxul de energie la organismele autotrofe si heterotrofe, reactiile fotosintezei si respiratiei, castig si pierdere de caldura la organismele autotrofe si heterotrofe). Fluxul de energie la nivelul organismului

Ecologia organismului (fluxul de energie la organismele autotrofe si heterotrofe, reactiile fotosintezei si respiratiei, castig si pierdere de caldura la organismele autotrofe si heterotrofe). Fluxul de energie la nivelul organismului

Pentru ca un organism sa poata functiona el trebuie sa aiba o sursa de energie. Energia = capacitatea organismului de a munci. Pentru ca conversia oricarui tip de energie in caldura este posibila chiar si in procentaj de 100%, unitatea de caldura a devenit o masura conventionala a energiei. Biologii folosesc caloria (c; cal) (1 c. = cantitatea de caldura necesara de a ridica 1 g de apa la 1^oC pornind de la 14,5^oC). Se mai foloseste si kilocaloria (Kc; Kcal).

Diversii factori de mediu fizici si reactia de raspuns a organismelor, vegetale si animale, prezinta o baza comuna in ceea ce priveste schimbul de energie. In interactiunea organism - mediu fizic, procesele acestea prin care se schimba energia sunt: convectia (proces de inlocuire a celulelor de aer cald cu celule de aer rece), evaporarea (schimbare an statutul apei, de la lichid la gaz), radiatia (transmiterea energiei prin intermediul radiatiei solare) si transmiterea (transferul energiei la nivel molecular, de la o molecula la alta).

Fiecare proces prin care se schimba energie implica un raspuns sigur al organismului la nivelul temperaturii, dar si la nivelul altor factori sau fenomene (ex, fotosinteza, pierderea apei). Pentru fiecare tip de energie, organismul dispune de factori asociati (coupling factors) care influenteaza si modeleaza raspunsul (ex. daca procesul de schimb de energie se face la nivelul evaporarii, factorii de mediu implicati sunt viteza- directia vantului si umiditatea; factor asociat este rezistenta frunzei; proprietatile factorului asociat sunt: densitatea si marimea stomatelor, rezistenta cuticulei; raspunsul organismului prin temperatura si pierdere de apa).

Fiecare organism viu in parte este intim dependent de energia mediului inconjurator. Relata implica schimb de energie intre organism si mediu, o relatie intre energia castigta si energie pierduta. In principiu, energia absorbita de mediu, plus energia produsa, trebuie sa fie egale cu cea pierduta de corp, plus cea stocata.

Pentru un organism exista cel putin 3 surse de energie:

Castig (input): radiatia solara = sursa majora (S); radiatiile termice infrarosii (IR); caldura din metabolismul organismului (M); caldura metabolica a organismului (M); modificari ale temperaturii corpului (s).

- Pierdere (output):

☼ - pierderea de radiatii infrarosii (IR₀): Q_r = E σ T⁴ (Q_{r -} flux de radiatii pierdut = cantitatea de energie pierduta, in calorii; E - suprafata de emitere; σ - constanta Stefan-Boltzmann; T - temperatura suprafetei); radiatia infrarosie care este pierduta, este si egalata de caldura radianta pe care animalul o absoarbe din mediu; diferenta dintre energia pirduta si cea preluata din mediu reprezinta schimbul net de energie;

☼ - conductivitatea (transmiterea energiei) (C): = rezultat al coliziunii moleculelor in miscare); este o alta sursa de transfer de energie; Q_c = kA ( T / d (Q_c - cantitatea de energie transferata; k - coeficientul de conductivitate termica; A - suprafata; T - diferenta de temperatura intre cele doua suprafete; d - distanta dintre cele doua suprafete);

☼ - transferul caldurii prin convectie (G)= miscarea mol. dintr-un loc in altul; Q_h = h_c A T (Q_h - cantitatea de energie transferata prin convectie, in calorii; h_c - coeficientul de convectie, a carui valoare depinde de conformatia organismului, viteza fluidului, proprietatile fizice ale fluidului si organismului; A - suprafata; T - diferenta de temperatura intre cele doua suprafete; d - distanta dintre cele doua suprafete);

☼ - evaporarea (LE): fenomen care depinde de gradientul presiunii vaporilor care exista intre aer, obiect si rezistenta suprafetei; Q = h_t A (T_s - T_e); (Q - caldura pierduta; h_t - factor de proportionalitate care se refera la caracteristicile radiatiei si convectiei organismului; A - marimea suprafetei; T_s -    temperatura efectiva a suprafetei; T_e - temperatura efectiva a mediului);

Relatia finala care se poate scrie reprezinta formula mecanismelor energetice dintre mediu si organism:

S + IR + M s = IR₀ C LE G

(adica:    pentru un organism, caldura neta castigata si care provine din radiatia solara, radiatia infrarosie, metabolism si energia stocata, trebuie sa fie egala cu totalul caldurii pierdute prin radiere, conductivitate, convectie si evaporare).

Se intelege ca atat plantele cat si animalele se afla in aceleeasi situatii si au aceeasi experienta acumulata in relatia cu mediul si in ceea ce priveste mediul energetic extern. Cu toate acestea exista insa diferente fundamentale intre plante si animale.

Fluxul energetic la un organism autotrof

Schematic, pentru un organism autotrof fluxul energetic este sugerat in Fig. 4-3.

Plantele neavand capacitatea de locomotie nu pot evita o anumita conjunctura nefavorabila, in ceea ce priveste evitarea frigului sau caldurii, iar caldura lor metabolica deriva direct din radiatia solara absorbita. Exceptand situatiile in care planta se afla in stadiul de samanta sau taiata, energia plantei provine doar din radiatiile din mediu si din convectie. Balanta input-ului este egalizata de pierderile de caldura prin: radiatie, convectie, evaporare, transpiratie (output). Ca posibilitate de reglare a mecanismelor au mereu aceleasi posibilitasi: reglarea deschiderii stomatelor si modificarea formei si pozitiei frunzelor. De ex. unele specii, in timpul iernii, pentru a atenua sau pentru a intrerupe pierderea de caldura isi rasucesc frunzele sau sunt lasate in jos.

Fig. 4-3. Reprezentarea schematizata a schimbului de energie la nivelul unui organism autotrof (dupa Gates 1962; din Smith 1974).

Se poate aprecia chiar temperatura iernii chiar pe baza acestor doua mecanisme. La suprafata unei frunze, temperatura este dependenta de o combinata de factori: rezistenta interna la difuzie, viteza vantului, radiatia absorbita, umiditatea relativa si temperatura. Apoi exista relatii directe intre factori (ex. viteza vantului influenteaza temperatura, rata de evaporare este dependenta de calitatea aerului etc).

Caldura afecteaza procesele fiziologice ale plantei, mai ales fotosinteza si respiratia. In Fig. 4-4 este redat sugestiv un model de abordare si evaluarea a principalelor procese fiziologice la nivelul unei plante. Se pot sesiza valorile optime ale factorilor si proceselor si momentele favorabile din zi. Mai trebuie precizat ca daca un anume proces este optim la o anumita valoare sau interval ale unui factor, acel factor este de regula favorabil si altor procese fiziologice sau comportamentale.

Fenomenul cel mai interesant la plantele verzi este producerea de hrana proprie pornind de la substante minerale, apa si energie externa, in procesul complex de fotosinteza. Procesul fotosintezei este redat de simbolul:

6CO₂ (bioxid de carbon) + 6H₂O (apa)    C₆H₁₂O₆ (glucoza) + 6O₂ (oxigen)

Desigur aici este ilustrat doar sugestiv obtinerea unui singur produs (glucoza), dar procesul este mai amplu. Este domeniul biologilor. Ca ecologi ne intereseaza de fapt sa stim ca fotosinteza are 2 secvente complicate: reactiile legate de lumina (energia radianta este absorbita de clorofila si descompune apa in H₂ si O₂) si reactiile legate de intuneric (H₂ se combina cu CO₂ pentru a obtine un compus organic, compus folosit pe diferite cai in sinteza moleculelor organice).

Fig. 4-4. Un model de ilustrare a unui studiu experimental referitor la influenta temperaturii asupra transpiratiei, respiratiei si fotosintezei la o specie de planta, in conditii diterite de expunere a frunzei, pe durata a 24 ore (dupa Gates 1968; din Smith 1974).

Cu titlu informativ doar inca doua precizari.

a. la plantele suculente cele doua secvente de mai sus nu sunt cuplate;

b. cercetari fiziologice de detaliu cu semnificatie in intelegerea fenomenelor ecologice, au descoperit noi aspecte ale fotosintezei in secventa derulata la intuneric. Astfel, este vorba de acele plante care pentru producerea de carbohidrati folosesc asa-zisa sursa de carbon C₄ (sunt plantele C₄). Initial se cunosteau doar plantele C₃. Plantele C₄ produc mult mai eficient sursa de hrana. Din punct de vedere ecologic este important acest lucru pentru ceea ce priveste productivitatea ecosistemelor. Plantele C₄ sunt rentabile si eficiente in habitate uscate, aride (plantele C₄ se caracterizeaza prin absenta virtuala a fotorespiratiei si prin abilitatea de a folosi CO₂ in concentratii extrem de mici, continuand fotosinteza mult timp dupa ce stomatele erau deja inchise). Astfel sunt: trestia de zahar, porumbul, Digittaria sp.

Cand un factor de mediu devine nefavorabil, planta reactioneaza corespunzator. Scaderea temperaturii determina intrarea in stare de latenta, iar respiratia si fotosinteza se deruleaza la intensitati minimale.

Ca procese fiziologice, scaderea temperaturii induce precipitarea proteinelor din frunze si dezhidratarea tesuturilor. Gheata intercelulara scoate apa din celule, iar racirea rapida distruge protoplastii.

Coevolutiv, fiecare planta se adapteaza la conditiile de mediu astfel ca dobandesc abilitatea    de a reactiona protectiv la actiunea factorilor negativi. Pe de alta parte exista si o adaptare diferentiata in functie de    fenologia plantei. Nu toate stadiile reactioneaza la fel la actiunea unui acelasi factor de mediu negativ.

Fluxul energetic la un organism heterotrof

Animalele raspund la fenomenele legate de energetica mediului, mult mai complex decat plantele. Exista teoretic acelasi input si acelasi output (Fig. 4-5).

Fata de plante, animalele au posibilitati fiziologice si comportamentale de a-si modela temperatura corpului, in esenta datorita capacitatii lor de a se deplasa. Animalele care traiesc in mediu acvatic sunt adaptate de exemplu la un regim termic mult mai stabil si au uneori toleranta mai redusa fata de modificarile de temperatura.

Hetrotrofele (animale, fungi, bacterii) sunt organismele care nu-si pot sintetiza singure hrana si o iau de la plante sau de la alte organisme animale. Respiratia este fenomenul fiziologic cel mai important. Ca modalitate de derulare ea este un act comun atat la animale cat si la plante. Respiratia este un proces care are loc la organismele vii pornind de la molecule organice (carbohidarati, grasimi, proteine) sunt descompuse pentru a produce energie. Energia este stocata (atat la plante cat si la animale) sub forma de adenozintrifosfat (ATP) (acesta este sursa imediata de energie pentru contractia muschilor sau alte genuri de activitati la animale).

Fig. 4-5. Fluxul energetic la un organism heterotrof (dupa Gates 1962; din Smith 1974).

Exista mai multe tipuri de respiratie:

a. respiratia aeroba. Este redata de relatia:

C₆H₁₂O₆ (glucoza) + 6O₂ (oxigen) + 6CO₂ (bioxid de carbon) + 6H₂O (apa)

Rezulta 38 molecule de ATP.

b. respiratia anaeroba (fermentatia). Este un proces mai ineficient. Relatia de ilustrare este:

C₆H₁₂O₆ (glucoza) + 2C₂H₅OH (alcool etilic) + 6CO₂ (bioxid de carbon)

Rezulta 2 molecule de ATP.

In respiratia anaeroba se obtine un produs denumit acid lactic in loc de alcool.

Alte modalitati de respiratie:

☺ - Bacteriile fotosintetizatoare au alt model de fotosinteza, diferit de al plantelor verzi; bacteriile verzi si bacteriile sulfuroase rosii nu folosesc apa si nu elibereaza O₂. Hidrogenul din bacteriile fotosintetizatoare reduce compusii organici sulfurici sau compusii organici. Cele mai multe bacterii anaerobe traiesc in medii anaerobe (mlastini, estuare, lacuri).

☺ - Bacteriile rosii nesulfuroase actioneaza prin fotosinteza in medii anaerobice cu lumina. In medii aerobice si la intuneric ele traiesc ca heterotrofe.

☺ - Bacteriile autotrofe chimiosintetice formeaza zahar pornind de le CO₂ dar folosesc ca sursa de energie derivata oxidarea unui compus anorganic (deci altceva decat energia soarelui). Bacteriile nitrificatoare convertesc amoniacul in nitriti si apoi in nitrati. Bacteriile sulfuroase convertesc sulful si sulfurile in sulfati.

☺ - Organismele auxotrofice. Sunt de exemplu algele fotosintetice care necesita unul sau mai multi compusi organici in acelasi mod in care animalele necesita vitamine.