Nutriția la plante

Studiul proceselor de nutriție autotrofă la plante, cu accent pe fotosinteză și nutriția minerală.

Nutriția autotrofă și fotosinteza – ecuația generală

Plantele verzi sunt organisme autotrofe: își produc singure substanțele organice din substanțe anorganice (apă, dioxid de carbon, săruri minerale), folosind energia luminii. Procesul se numește fotosinteză și este fundamentul întregii vieți pe Pământ — sursa substanței organice și a oxigenului din atmosferă.

Ecuația generală, cerută la examen exact în această formă:

6 CO2 + 6 H2O → (lumină, clorofilă) → C6H12O6 + 6 O2

Dioxidul de carbon intră în frunză prin stomate — pori microscopici din epidermă, mărginiți de două celule stomatice care se deschid și se închid reglând schimburile de gaze și transpirația. Apa vine de la rădăcină, prin vasele lemnoase.

Sediul fotosintezei este cloroplastul, organit specific celulei vegetale, care conține pigmentul verde clorofila. Aceasta absoarbe mai ales radiațiile roșii și albastre și le reflectă pe cele verzi — de aceea frunzele apar verzi. În frunză, țesutul cel mai bogat în cloroplaste este parenchimul asimilator (palisadic), situat sub epiderma superioară.

Confuzie clasică de sancționat: oxigenul eliberat în fotosinteză provine din descompunerea apei, nu din dioxidul de carbon.

Etapele fotosintezei

Fotosinteza cuprinde două faze legate între ele, care se desfășoară în compartimente diferite ale cloroplastului:

• Faza de lumină (dependentă de lumină) se petrece pe membranele tilacoidelor (granele cloroplastului). Clorofila captează energia luminoasă, apa este descompusă (fotoliza apei), se eliberează oxigenul, iar energia luminii este transformată în energie chimică — se produc ATP și transportori de hidrogen (NADPH). Reține: oxigenul se degajă în faza de lumină, ca produs secundar al fotolizei apei.
• Faza de întuneric (independentă de lumină) se desfășoară în stroma cloroplastului. Folosind ATP-ul și hidrogenul din prima fază, dioxidul de carbon este fixat și redus până la glucoză. Numele fazei e o capcană: ea nu are nevoie de întuneric ca să funcționeze — doar nu folosește direct lumina; în realitate se desfășoară ziua, simultan cu faza de lumină, pentru că depinde de produșii acesteia.

Din glucoza rezultată, planta sintetizează amidon (forma de depozitare, evidențiabilă cu iod), zaharoză (forma de transport prin floem), iar împreună cu sărurile minerale absorbite — aminoacizi, proteine, lipide.

Importanța fotosintezei: produce substanța organică pentru toate lanțurile trofice, eliberează oxigen și consumă dioxid de carbon, moderând efectul de seră.

Absorbția apei și nutriția minerală

Apa și sărurile minerale sunt absorbite de rădăcină, mai exact de perii absorbanți — prelungiri ale celulelor din zona piliferă, care măresc enorm suprafața de contact cu solul.

Apa intră în perii absorbanți prin osmoză: soluția din celulele rădăcinii este mai concentrată decât soluția solului, deci apa trece spre concentrația mai mare, fără consum de energie (transport pasiv). Sărurile minerale se absorb și pasiv (difuziune), dar mai ales prin transport activ, cu consum de ATP, atunci când trebuie aduse împotriva gradientului de concentrație — detaliu care diferențiază răspunsurile complete la examen.

Elementele minerale au roluri precise, iar carențele lor sunt vizibile: azotul intră în structura proteinelor și a clorofilei (lipsa lui produce îngălbenirea frunzelor — cloroză), magneziul este chiar în molecula clorofilei, fosforul intră în ATP și acizi nucleici, potasiul intervine în deschiderea stomatelor.

Două observații de examen: rădăcina absoarbe azotul sub formă de ioni (nitrați, săruri de amoniu), nu azot atmosferic — excepție fac leguminoasele, care primesc azot fixat de bacteriile din nodozități (simbioză); iar absorbția e eficientă doar în soluri aerate, pentru că transportul activ cere energie din respirația celulelor rădăcinii.

Transportul sevelor prin corpul plantei

Planta are două curente de transport, prin cele două tipuri de țesuturi conducătoare — iar sensurile lor sunt o grilă sigură:

• Seva brută = apă + săruri minerale; circulă ascendent, de la rădăcină spre frunze, prin vasele lemnoase (xilem) — vase formate din celule moarte, cu pereți lignificați.
• Seva elaborată = apă + substanțe organice (mai ales zaharoză) produse în frunze; circulă predominant descendent, de la frunze spre toate organele care consumă sau depozitează, prin vasele liberiene (floem) — celule vii, cu plăci ciuruite.

Forțele care urcă seva brută, uneori zeci de metri, sunt:

• presiunea radiculară – rădăcina pompează activ apa în vase (vizibilă primăvara, când plâng butucii de viță tăiați);
• forța de sucțiune a frunzelor, generată de transpirație: evaporarea apei prin stomate trage în sus coloana de apă, menținută continuă prin coeziunea moleculelor — motorul principal al urcării.

Transpirația este deci un rău necesar: pierde apă, dar creează forța de aspirație și răcește frunza. Stomatele o reglează, închizându-se la secetă.

Greșeala tipică: inversarea sevelor și a vaselor — reține „lemnos = brut, ascendent; liberian = elaborat, descendent”.

Respirația la plante și bilanțul cu fotosinteza

Plantele respiră permanent, zi și noapte, prin toate celulele vii — nu doar frunzele și nu doar noaptea, cum se răspunde frecvent greșit. Respirația aerobă se desfășoară în mitocondrii și este procesul invers fotosintezei ca bilanț chimic:

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + energie (ATP)

Energia eliberată susține absorbția activă a sărurilor, diviziunile celulare, sinteza substanțelor, deschiderea stomatelor — toate activitățile plantei.

Raportul dintre cele două procese se judecă astfel:

• Ziua, la lumină bună, fotosinteza este mult mai intensă decât respirația: planta consumă net CO2 și eliberează net O2, iar surplusul de substanță organică se acumulează — planta crește.
• Noaptea fotosinteza încetează, rămâne doar respirația: planta consumă O2 și eliberează CO2, ca orice animal.
• Punctul de compensație: intensitatea luminii la care fotosinteza egalează exact respirația — schimbul net de gaze este zero.

Unele plante și microorganisme pot obține energie și fără oxigen, prin fermentație (respirație anaerobă) — de exemplu fermentația alcoolică a drojdiilor, cu randament energetic mult mai mic.

Capcană de raționament: faptul că ziua nu „vedem” respirația nu înseamnă că ea se oprește — este doar mascată de fotosinteza mai intensă.

Factorii care influențează fotosinteza

Intensitatea fotosintezei variază cu factorii de mediu — subiect tipic de analiză de grafic la examen:

• Lumina: intensitatea fotosintezei crește odată cu intensitatea luminii până la un nivel de saturație, dincolo de care rămâne constantă (alt factor devine limitant), iar la valori extreme clorofila se poate degrada. Plantele au adaptări: specii heliofile (iubitoare de lumină) și sciafile (de umbră).
• Concentrația de CO2: dioxidul de carbon este materia primă; creșterea concentrației lui (peste cei ~0,04% din atmosferă) intensifică fotosinteza până la saturație — de aceea în sere se poate îmbogăți aerul cu CO2.
• Temperatura: fotosinteza are un optim în jur de 20–30 de grade Celsius la majoritatea plantelor din zona temperată; scade spre 0 grade și încetează la temperaturi prea mari, când enzimele se degradează. Curba este „în clopot”, nu liniară.
• Apa: deficitul de apă închide stomatele, deci blochează intrarea CO2 — seceta scade fotosinteza indirect, chiar dacă lumina e din belșug.
• Clorofila și suprafața foliară: frunzele îngălbenite (cloroza din carența de azot sau magneziu) fotosintetizează slab.

Principiul de reținut: procesul este limitat de factorul aflat în cantitatea cea mai mică (legea factorului limitant) — degeaba crești lumina dacă lipsește CO2.

Test — 6 întrebări ca la examen