ISTORICUL CERCETǍRILOR PRIVIND FOTOSINTEZA [310721]

CAPITOLUL I

ISTORICUL CERCETǍRILOR PRIVIND FOTOSINTEZA

ISTORICUL CERCETĂRILOR PRIVIND FOTOSINTEZA ÎN LUME

Incă din antichitate și evul mediu era cunoscută părerea lui Aristotel conform căreia plantele absorb din sol toate substanțele nutritive. [anonimizat].

Malpighi, a descoperit între anii 1662-1672, xilemul, [anonimizat] a emis ipoteza potrivit căreia “stomatele au rol în respirație” [anonimizat] 1679, descoperă rolul frunzei în hranirea plantelor.

Hales, [anonimizat] 1727, a făcut mai multe cercetări experimentale asupra gazelor respiratorii și a ajuns la concluzia că la lumină plantele trag prin frunze o [anonimizat] "Vegetable statics", (Sălăgeanu, 1972).

Insă fotosinteza a fost descoperită în a doua jumătate a [anonimizat], perioadă în care chimiștii din diferite țări ale Europei, (Scheele 1773-1777 și Lavoisier 1772-1785) în urma elaborării mai multor metode de cercetare au constatat că aerul este format din două gaze principale: [anonimizat] o [anonimizat], numit “aer fixat”, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

[anonimizat], a fost înțeles modul în care se realizează schimbul de gaze dintre organism si atmosferă:

1771 – J. Priestley în urma mai multor experimente cu plante și animale a demonstrat că oxigenul este consumat de animale și produs de plante. El a menționat faptul că “ [anonimizat]”, [anonimizat], (Sălăgeanu, 1972).

1779 – J. I. Ingenhousz a fost primul cercetator care a [anonimizat]. El a [anonimizat]. De asemenea el a [anonimizat], dar a greșit spunând că oxigenul eliberat deriva din dioxidul de carbon.

1782-1783 – Senebier, a [anonimizat], considerând că plantele absorb dioxidul de carbon prin rădăcina.

1804 – [anonimizat] a [anonimizat] a arătat însemnătatea sărurilor minerale și a azotului în nutriția plantelor și a dedus formula fotosintezei și respirației pe baza cunoștințelor avute atuci:

CO₂ + H₂O + lumină frunzele plantelor→ substantă vegetală + O₂.

1818 – J. Pelletier si J. [anonimizat]-l clorofilă.

1837 – Mohl, a [anonimizat].

1840 – J. B. Bousingault propune reacția sumară a fotosintezei.

1843 – Leibig, a emis o ipoteză potrivit căreia dioxidul de carbon este înglobat prima dată în grupări carboxilice, (Sălăgeanu, 1972).

1843-1920 – K.A. Timiriazev studiază procesul de fotosinteză arătând rolul clorofilei în fixarea energei solare și rolul cosmic al plantelor,

1845 – J. R. Mayer a demonstrat că în timpul procesului de fotosinteză se transformă energia luminii în energie chimică, stabilind că plantele transformă energia nu o creează, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

1851-1879 Verdeil si Hoppe-Seyler fac cercetări legate de alcătuirea moleculei pigmenților clorofilieni.

1860 – Sachs, precursor al biochimiei moderne aduce pentru prima dată lămuriri cu privire la relatiile dintre fotosinteză, cloroplaste și amidon.

1864 – Stokes, în urma studiilor de fluorescentă a demonstrat existentă în frunzele plantelor terestre a xantofilelor, carotenilor si a clorofilelor a si b.

1870 – Baeyer, consideră că în prezența luminii și a clorofilei, dioxidul de carbon se descompune în oxid de carbon și oxigen.

1874 – Sorby, evidențiază pe lângă cele două tipuri de clorofila și existența clorofilei c.

1875 – K. A. Timireazev consideră că plantele verzi au rol cosmic, (Duca M. 2006).

1877 – W. Pfeffer, a introdus pentru prima dată termenul de fotosinteză.

1883 – Meyer, descoperă grana, cu ajutorul microscopului optic observă în cloroplaste mici constituienți care conțin pigmenți,.

1894 – Engelmann, a realizat cele mai amănunțite cercetări legate de rolul cloroplastelor în procesul de fotosinteză.

1895-1911 – Blackman împreună cu colaboratorii săi de la Universitatea Cambridge, au studiat influența factorilor de mediu în condiții normale și controlate asupra fotosintezei, demonstrând atâ rolul luminii cât și al temperaturii.

1906 – Tvet, elaborează o metodă cu care separă cinci carotenoizi și pigmenții verzi.

1913-1918 – Willstätter si Stoll, stabilesc natura chimică a clorofilelor a si b, precum și evaluarea cantitativă a pigmenților din frunze, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

1922 – O. Warburg, face în cazul fotosintezei primele măsurări ale bilanțului coantic oferind cercetării o tehnică ingenioasă, simplă și precisă.

1930 – Van Niel, Arnold, Hill si Emerson, au făcut cercetări care au furnizat informații valoroase asupra procesului de fotosinteză.

1936 – H. Gaffron si K. Woll, au emis concepția existenței centrelor fotochimice de reacție.

1938 – R. Hill, demonstrează că la lumină în timpul procesului de fotosinteză se eliberează oxigen, (Duca M. 2006).

1943 – R. Emerson, și colaboratorii au făcut cercetări asupra fenomenului de relansare a fotosintezei denumit “ efect Emerson”.

1951 – L. Duysens, a făcut studii în compexele de pigmenți auxiliari, cercetând absorbția și migrarea energiei de excitație.

1954 – D. Arnon și colaboratorii, descoperă fosforilarea fotosintetică.

1956 – M. Calvin și colaboratorii, identifică reacțiile de reducere a dioxidului de carbon până la hidrați de carbon. El pune în evidentă prin radioautografii, difosfatul ribulozei si acidul fosfogliceric, considerat prima substantă produsă în fotosinteză, (Sălăgeanu, 1972).

1960 – R. Hill si F. Bendall, realizează în cazul transportului de electroni în faza luminoasă, schema Z.

1960 – I. S. Karpilov, M. D. Hatch si C. R. Slack (1966), descoperă ciclul C₄ de asimilare a carbonului.

1961– P. Mithcell, realizează studii asupra mecanismului fosforilarii oxidative și fotosintetice, elaborând ipoteza chemiosmotică, (Duca M. 2006).

1961 – M. Calvin, D. Arnon și A. Benson obțin premiul Nobel pentru Chimie pentru descrierea ciclului de reacții din faza de întuneric a fotosintezei, denumit tipul fotosintetic C3.

1966 – M. D. Hatch și C. R. Slack, în urma cercetărilor efectuate descriu și alte tipuri fotosintetice, tipul C4 și CAM.

A.N. Bach, O. Warburg, A. Szent-György și H.A. Krebs descriu chimismul respirației.

H. Lundegardh, J. Sutcliffe, H. Jenny, D. A. Sabinin elucidează mecanismul absorbției elementelor minerale în plante.

ISTORICUL CERCETĂRILOR PRIVIND FOTOSINTEZA ÎN ROMÂNIA

Ca urmare a perfectionării tehnicilor de microscopie electronică au fost făcute descoperiri importante în ultrastructura celulei. Prezenta ribozomilor și structura ultramicroscopică a cloroplastelor a fost descoperită de către G. E. Palade.

Cercetarea fotosintezei în țara noastră se desfasoară în cadrul catedrelor de fiziologia plantelor din centre universitare ca București, Cluj-Napoca, Iași, precum și în institutele de cercetare ale Ministerului Educației și Învățământului dar și în cadrul institutelor agronomice din țara. Primii profesori de Botanică și Fiziologia plantelor de la noi din țară au fost D. Brândză, A Fătu și D. Grecescu.

1898-1949 – E. C. Teodorscu, în 50 de ani de activitate știintifică a publicat 33 de lucrări monografice de mari proporții, care conțin rezultate precise obținute în urma unor experiențe riguros realizate. Printre numeroasele teme îndelung cercetate se numără: influența diferitilor factori de mediu ca: radiații, temperatură, acidul carbonic, anestezicii, asupra dezvoltării și modificării structurii plantelor; influența asupra creșterii plantelor a radiațiilor luminoase; asimilația fosforului nucleic și a azotului la algele inferioare etc.

1905 – E. C. Teodorescu si Coupin, au făcut cercetări legate de modul în care anestezicii influențează formarea clorifilei. Prof. Teodorescu a cercetat algele albastre, descoperind pigmentul denumit ficoeritrina, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

1911-1913- N. T. Deleanu, publică o lucrare de cercetare în care prezintă fotosinteza în raport cu respirația foliară.

1924-1936 – P. P. Stănescu, A. Săvulescu, I. Mihăilescu, L. Juracec, realizează o temă experimentală prin care urmăresc modul în care se acumulează produșii fotosintezei în frunză, în diferite condiții, în cursul zilei.

Alexandru Iuracec, printre multiplele sale lucrări se ocupă și de un studiu care evidențiază raportul dintre cantitatea de clorofilă și fotosinteză, apoi de metabolismul indivizilor de sexe diferite de la unele plante dioice, (Pop E. și colaboratorii 1957)

N. Sălăgeanu, studiază probleme foarte complicate, printre acestea se numără și cercetarea cu ajutorul unor dispositive personale a raportul dintre respirație și asimilație la frunze, folosind diferite intensități luminoase.

1937 – Deleanu, Stănescu, de la Universitatea Bucuresti și colaboratorii, au elaborat metode originale pentru analiza cantitativă a xantofilei și carotenului, pentru dozarea pigmenților în functie de conținutul de magneziu dar și pentru studierea substanțelor produse în cursul procesului de fotosinteză și conducerea asimilatelor în frunze, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

În țara noastră studiul fotosintezei a avut urmatoarele direcții:

evidențierea modului în care fotosinteza la plantele spontane sau cultivate este influențăta de factorii de mediu

influența asupra fotosintezei a elementelor minerale la plantele inferioare și superioare, s-a descoperit importanța P, K, Mn, B și Fe în transformarea produșilor fotosintezei în proteine, transportul asimilatelor dar și la sinteza și stabilitatea aparatului fotosintetic.

cercetarea carotenoizilor și pigmenților clorofilieni.

au fost elaborate metode de determinare a intensitații fotosintezei în condiții normale și de câmp.

determinarea randamentului fotosintezei în diferite condiții la plantele cultivate.

cercetarea fotosintezei la algele unicelulare în vederea obținerii unei biomase bogate.

folosirea tehnicilor de marcare cu izotopi radioactivi asupra asimilarii și transportului asimilatelor precum și asupra substanțelor organice folosite în fotosinteză.

Din anul 1975, în cadrul facultății de fizică a Universității București, se efectuează cercetări asupra conversiei energiei solare, în vederea realizării unor dispozitive cu pigmenți fotosintetizanți de bioconversie a energiei solare și de studiere a aspectelor biofizice ale fazei de lumina in cadrul procesului de fotosinteză.

Deși la noi în țară, studiul fotosintezei a început târziu, ea a fost studiată intens obținându-se rezultate deosebite care au fost publicate și apreciate atât în țară cât și în străinătate, (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

1.2 PERSPECTIVE

Eforturile științifice, desfăsurate de-a lungul istoriei cu privire la desfăsurarea procesului de fotosinteză, nu furmizează date suficiente pentru înțelegerea completă a acestui proces, acest lucru datorându-se complexității extraordinare a acestui proces.

În prezent dispunem de numeroase cunostințe lacunare cu privire la transformarea energiei luminoase în energie chimică, la căile de acumulare fotosintetică a carbonului, etc. ceea ce demonstrează că acest fenomen nu este cunoscut in detaliu. Pentru înțelegerea acestui fenomen, trebuie, să existe o colaborare și o conlucrare a unor discipline ca: biologie, chimie si fizică, precum și rezolvarea problemelor de ordin tehnic și științific. (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

Cercetările care urmează a fi făcute în viitor, au în vedere studierea unor probleme:

originea, dezvoltarea și structura cloroplastelor; biosinteza elementelor care alcătuiesc aparatul fotosintetic, diferențierea proplastidelor, localizarea clorofilei, modul în care în membranele tilacoidelor se asimilează proteinele și lipidele, etc.

cunoașterea anumitor complexe proteice; care în fotofosforilările ciclice și aciclice formează catena transportoare de electroni; compoziția centrilor de reactie, reacțiile care au loc cu eliberare de O₂ la nivelul SF II, aceptorii primari;

reacțiile reciproce care se desfășoară între pigmenții asimilatori, constituirea lor în centre de reacție precum și participarea separată a acestora în desfășurarea procesului de fotosinteză,

localizarea reacțiilor implicate în formarea ATP;

căile de reducere fotosintetică a CO₂, evidențiind modul în care intră și ies produșii prin membranele cloroplastului din și în citoplasmă;

fixarea azotului și reducerea nitraților cu ajutorul energiei fotosintetice;

fotorespirația și metabolismul glicolatului;

ducând la formarea unor proiecte noi de hibridare a unor specii agricole importante;

cunoașterea eficienței fotosintetice a fitoplanctonului, a covorului vegetal dar în special a importantelor plante agricole, a căror fotosinteză este grav afectată de poluarea mediului.

Cunoașterea și înțelegerea desfășurării în natură a procesului de fotosinteză

reprezintă un sprijin major pentru agricultura modernă, ducând la sporirea creșterii plantelor, ea asigurând omului hrana, o mare parte din materiile prime și energie pentru industrie.

În întreaga lume se depun eforturi uriașe în vederea completării cunoștințelor referitoare la fotosinteză, în vederea realizării unei fotosinteze artificiale, în vederea sprijinirii intereselor economice și sociale. (Sălăgeanu, Atanasiu, 1981).

CAPITOLUL II

POLUAREA APEI ȘI EFECTELE UNOR POLUANȚI ASUPRA VEGETAȚIEI ACVATICE

2.1 NOȚIUNI GENERALE

Termenul de poluare vine de la latinescul pollo, polluere = a murdării, a profana.

Poluarea reprezintă impurificarea/contaminarea mediului înconjurător cu materiale care au efecte negative asupra sănătății umane și funcționării naturale a ecosistemelor.

Poluantul poate fi un factor produs de om sau poate rezulta în urma unor procese naturale, iar prezența lui în mediu într-o cantitate care depășește anumite limite de toleranță ce pot fi suportate de viețuitoare, impiedică dezvoltarea normală a acestora. (https://ro.wikipedia.org/wiki/Poluare)

Poluarea apei – orice alterare fizică, chimică, biologică sau bacteriologică a apei, peste o limită admisibilă, inclusiv depășirea nivelului natural de radioactivitate produsă direct sau indirect de activitățile umane, care o fac improprie pentru folosirea normală, în scopurile în care această folosire era posibilă înainte de a intervenii alterarea (Legea Apelor Nr. 107/1996).

Poluarea mediului înconjurător poate fi uneori rezultatul unor cauze naturale de exemplu erupții vulcanice, ploile torențiale care spală maluri antrenând resturi organice și suspensii minerale, alunecările de teren care modifică viteza de curgere a apei, vânturile care aduc germeni și resturi solide, variațiile bruște de temperatură care modifică activitatea biologică etc. însă cea mai mare parte a substanțelor poluante reprezintă rezultatul activității umane. (https://ro.wikipedia.org/wiki/Poluare)

Eutrofizarea sau “înflorirea apelor”, este cel mai des întâlnit exemplu de poluare naturală, care constă in dezvoltarea excesivă a unor specii fitoplanctonice (alge verzi-albastre, flagelate, diatomee), apa căpătând miros și culoare caracteristică în functie de speciile dezvoltate în exces. Temperaturile ridicate detemină moartea în masă și descompunerea rapidă a algelor, ducând la sxcăderea bruscă a concentrației de oxigen dizolvat și încărcarea apei cu substanțe toxice, fenomen numit “poluare secundară” , urmările fiind nefaste în special pentru economia piscicola (Angelescu, 2006).

Apa este considerată ca fiind "inima biosferei" deoarece apa se găsește totdeauna acolo unde există viață și reprezintă substanța cea mai răspândită de pe Terra, aceasta fiind folosită de om în toate sectoarele de activitate iar pentru unele plante și animale reprezintă mediul de viață.

Poluarea artificială a apei, se produce în urma deversării unor substanțe care pot fi solide (cenușă, argilă, zgură, nisip, rumeguș de lemn), lichide (ape uzate menajere și industrial) gazoase, radioactive, etc. care poartă numele de poluanți, apele suferind modificări fizice, chimice sau biologice, devenind improprii sau periculoase pentru sănătatea publică, pentru viața acvatică, pentru pescuitul industrial, pentru industrie și turism, deoarece acțiunea acestor substanțe este complexă și greu de controlat și contracarat comparativ cu poluarea naturală.

Clasificarea apelor uzate sau reziduale provenite în urma activitătii umane, se face în funcție de originea și compoziția lor fizico-chimica în :

ape uzate orășenești, care din punct de vedere fizico-chimic sunt mixte, în ele predomină fie substanțe organice, fie anorganice, proporțional cu gradul de industrializare a orașului;

ape fecaloid- menajere, provenită din gospodării, zootehnie, agricultură, industrie alimentară, localități rurale și urbane;

ape uzate industriale, care în funcție de procesul tehnologic utilizat conțin concentratii variabile de materii anorganice (Bran, 1997)

Există două categorii de poluanți în funcție de rezistența lor:

poluanți biodegradabili, reprezentați de diferite substanțe existente în apele menajere și care se descompun rapid ca urmare a unor procese naturale; dacă acești poluanți se acumulează mai rapid decât pot fi degradați, devin cu adevărat o problemă.

poluanți nedegradabili, reprezentați de substanțe care nu pot fi descompuse sau se descompun greu în mod natural. Odată contaminat mediul natural cu acești poluanți este grea chiar imposibilă îndepărtarea lor, ceea ce duce la o acumulare periculoasă, ce urcă în lanțul trofic prin intermediul animalelor. De exemplu, pe suprafața plantelor acvatice se pot depune moleculele substanțelor toxice fără a dăuna acestora. Dacă un pește mic se hrănește cu aceste plante, în corpul lui se acumulează toxine în cantitate mare, care prin intermediul lanțului trofic ajung în corpul altor pești sau animale carnivore, unde se acumulează în cantitate și mai mare; proces denumit “bioacumulare”(Bran, 1997).

Poluanții deversați în ape precum și temperaturile ridicate reduc în mare măsură cantitatea de oxigen dizolvat în apă. Oxigenul constituie în acest caz un factor limitant pentru majoritatea organismelor atât în apele dulci, cât și în apele marine.

Apele provenite din activitățile casnice sau industriale ajung, tratate sau netratate, prin sistemele de canalizare în mări și oceane. Cele care ajung în mări sunt de obicei netratate, iar cele care ajung în râuri pot fi netratate în cazul unor ploi torențiale, când capacitatea de epurare este depășită (Barnea și Papadopol, 1975).

2.2 POLUAREA APEI CU DETERGENȚI

Alături de alte substanțe chimice care impurifică sursele de apă creând dificultăti în utilizarea acestora pentru diverse scopuri economice, detergentii, sunt semnalați în cantități crescânde în toate țările, fiind folosiți ca mijloace de spălare, sub formă de pulberi, paste sau lichide. Detergenții sunt numiți “agenți de suprafață’, deoarece scad tensiunea superficială a lichidelor în care se dizolvă.

Săpunurile, sărurile alcaline ale acizilor grași superiori, reprezintă cei mai vechi detergenți utilizați. Datorită faptului că aceștia nu puteau fi utilizați în medii acide sau ape dure, datorită insolubilității derivaților alcalini, s-a trecut la prepararea detergenților sintetici, mult mai eficienti și mai economici decât săpunurile.

În Germania, în anul 1907, a apărut primul detergent cu acțiune proprie – Persil- care utiliza fosfații drept agenți de condiționare, marcând un pas important în îmbunătățirea performanțelor produselor de spălare. La scurt timp au apărut noi agenti de condiționare și surfactanți, ceea ce a făcut ca după al doilea război mondial detergenții să aibă o compoziție complexă asemanătoare cu cea de azi (Barnea și Papadopol, 1975).

Detergenții sintetici nu sunt influențați de aciditatea sau duritatea apei, ei produc spumă abundentă și constantă indiferent de temperatura apei, iar prin dizolvarea în apă se comportă neutru, permițând simplificarea procesului de spălare, ceea ce a dus la automatizarea acestuia.

În ultimele două decenii, datorită creșterii numerice a populației de pe glob și necesităților ei, a fost remarcată o creștere considerabilă a producerii diferitelor substanțe sintetice de curățare, în compoziția cărora intră compuși chimici care, în timpul fabricării și utilizării, prezintă atât pentru sănătatea omului și a mediului ambiant un mare pericol. Folosirea detergenților in toate sectoarele de activitate a atins un grad deosebit de înalt, incât in prezent nici industria nici economia casnică nu se pot lipsi de ei. (Barnea și Papadopol, 1975).

În urma utilizării detergenții și produsele de curățare se elimină în apele menajere fără a suferii modificări structurale majore, astfel incât surfactanții își păstrează proprietătile. Compoziția detergenților este variată, aceștia sunt preparate complexe, care reunesc peste 20 de componente din clase diferite de substanțe organice și anorganice, biodegrabilitatea lor depinzând de structura chimică a acestora.

Pe lângă efectul de spumare abundentă, inhibarea proceselor de autoepurare, modificarea negativă a proprietătilor organoleptice ale apei de băut, un alt neajuns al concentrației crescute de detergenți în sursele de apă îl reprezintă și acțiunea toxică asupra ecosistemelor acvatice dar și a omului. (Barnea și Papadopol, 1975).

Unii autori, susțin că detergenții măresc permeabilitatea solurilor favorizând în acest fel pătrunderea altor substanțe poluante cum ar fi: germeni, viruși și gudroane cancerigene etc., aceste substanțe care se găsesc reținute în sol în mod normal, în prezența detergenților traversează straturile solului, ajungând în pânza de apă freatică.

Prin apa de băut poluată cu detergenți, prin legume, fructe și vase spălate cu apă poluată cu detergenți, zilnic se ingerează cantități mici de detergenți, care au efecte nocive atât asupra omului câ și asupra animalelor. Doza letală pentru adult de 65 kg.este de 80 grame detergent.

După structura lor, detergenții pot fi:

anionici; compuși cu catenă liniară de tip alchilic, care conține un numar de 12-18 atomi de carbon în moleculă sau pot avea catenă aril-alchilică, cu 8-12 atomi de carbon în moleculă, care are ca grupare polară o grupare sulfonică.

cationici; compuși cu catenă liniară de tip alchilic, care are număr de atomi de carbon între 12 și 18 și care are ca grupare polară o grupare cuaternară de amoniu.

neionici; compuși cu catenă liniară de lungime variabilă de tip alchilic și care au ca grupare polară grupa etoxi și o grupare hidroxil terminală.

Controlul și combaterea poluării surselor de apă cu detergenți, constituie o problemă de interes global putând fi rezumată astfel:

în apele de suprafață și subterane, în retelele de distribuție și în efluentul stațiilor de epurare, se determină cantitățile de detergent cu regularitate;

perfecționarea mijloacelor de determinare a celor mai mici cantități de detergenți sintetici, anionici prezenți în apele reziduale brute, din efluentul stațiilor de epurare și sursele de apă;

introducerea de noi metode de tratare a apelor reziduale sau ameliorarea actualelor metode, în vederea descompunerii rapide și complexe a detergentilor;

studierea oportunității, în vederea producerii unor detergenți care au la bază substanțe ușor oxidabile în stațiile de epurare ale apelor reziduale.

În Anglia, se are în vedere fabricarea de detergenți care să prezinte avantaje superioare precum: degradarea completă într-un timp rapid și să nu prezinte probleme tehnologice complicate, care să dezavantajeze fabricanții de detergenți, produsul chimic rezultat trebuind să aibă la fel ca și produșii actuali aceeași eficiență de curătire.

Datorită creșterii consumului de detergent din ultimii ani și prezenței lor în apele multor râuridin țara noastră, problema detergenților prezintă un interes crescut. În râul Ialomița, în urma analizelor de laborator au fost gasite 8-9mg/l deterganți anionici, iar în zona în care se produc deversări industrial importante au fost identificate concentrații ce depășesc 10mg/l.

Problema impurificării apei cu detergenți se impune cu seriozitate în toate țările lumii, datorită creșterii consumului de detergenți sintetici dar și a decelării în cantități foarte mari intr-o bună parte din râurile noastre a prezenței detergentilor.

Stoparea creșterii poluării surselor de apă cu detergenți, precum și a consecințelor lor sanitare și tehnico-ecologice se poate realize prin fabricarea detergenților ușor degradabili din punct de vedere biologic în stațiile de epurare și cursurile apelor, epurarea riguroasă a afluenților menajeri și industriali care contin detergenți, precum și elaborarea de măsuri legislative în acest scop. (https://biblioteca.regielive.ro/referate/ecologie/poluarea-surselor-de-apa-cu-detergenti-138081.html)

2.3 POLUAREA APEI CU DEȘEURI INDUSTRIALE

Industria este considerată în prezent cea mai importantă sursă de poluare, aceasta pornind de la problema poluării la locul de muncă până la poluarea ecologică care prezintă interes global. Datorită nivelului ridicat de poluanți la locul de muncă apar așa numitele boli profesionale, în timp ce poluarea mediului ambiant se datorează propagării noxelor pe calea aerului și apei.

Cele mai frecvente substante toxice industriale sunt: arseniul, amoniacul, clorul, cromul, cuprul, florul, fenolii, oxizii de azot, plumb, sulfatii etc. Pe lângă acestea o problemă dificilă o reprezintă și nămolurile toxice, zgurile metalurgice, produsele petroliere, reziduurile de la vopsitorii care sunt depozitate în același loc cu deșeurile solide orășenești. Această situatie duce la apariția de amestecuri inflamabile, explozive sau corozine, prezența reziduurilor menajere care sunt usor degradabile poate duce la descompunerea unor componente periculoase complexe care absorbite de către sol, ajung în pânza de apa freatică ducând la poluarea acesteia.

Apele uzate industrial prezintă nocivitate complexă datorită conținutului ridicat de substanțe anorganice și organice care sunt greu degradabile pe cale naturală. Dacă nu sunt tratate și depozitate cu grijă aceste deșeuri poluează sursele de apă cele mai apropiate locului de depozitare. In 1969, in Ohio, râul Cuyahoga, a ars timp de câteva ore datorită poluării excesive și în România, în ultimii ani, au fost semnalate poluări ale apelor curgătoare cu substanțe toxice, în urma cărora ecosistele respective au fost distruse.

2.4 POLUAREA APEI CU ÎNGRĂȘEMINTE CHIMICE

Agricultura, are rol important in declanșarea și favorizarea eroziunii, prin utilizarea excesivă a îngrăsemintelor chimice.

Scurgerile de apă de pe versanți care determină alunecările de teren sunt rezultatul despăduririlor exagerate dar și al folosirii irationale ale unor terenuri agricole, lucrările agricole executate și impermeabilizarea canalelor de aducțiune au determinat ridicarea nivelului apelor și înmlaștinirea.

Îngrășemintele chimice sunt substanțe care contin unul sau mai multe elemente nutritive, care sunt asimilate repede de către sol având rolul de a crește rezervele de substanțe nutritive ale acestuia, mărind fertilitatea dar si producția agricolă.

Chimizarea necontrolată a agriculturii face ca o parte din excesul de substanțe chimice care nu intră în circuitul ecologic al plantelor să fie purtate de ploi, afectând sau chiar distrugând flora și fauna specifică.

În țara noastră cele mai folosite sunt îngrășemintele cu azot, fosfor, potasiu precum și complexele de îngrăseminte si ingrășemintele cu microelemente.

În ceea ce privește poluarea apelor cu substanțe chimice, poluarea cu nitrați ocupă un loc fruntași având în vedere larga răspândire în special în agricultură. O dată cu apropierea limitelor fiziologice de productivitate ale plantelor, eficiența utilizării îngrăsemintelor cu azot scade, surplusul de îngrăseminte ajungând în râuri. Concentratia de nitrați din apă a crescut foarte mult, în unele zone situându-se puțin peste limita admisă în apa potabilă.

Alături de creșterea concentrației de nitriți care provin din degradarea și mineralizarea materiei organice, cresc și ceilalți indicatori chimici precum amoniacul și nitriții dar și cei bacteriologici care poluează apa.

Eutrofizarea apelor este și ea o consecință a acumulării unor cantitați mari de nitriți, aceasta este întâlnită în apele de suprafață stătătoare sau care au viteză mică de curgere. Fenomenul natural de eutrofizare se desfășoară lent, dar datorită intervenției omului, prin administrarea în agricultură a unor cantităti mari de azot și fosfor, care ajung ulterior în apă ducând la creșterea luxuriantă a plantelor acvatice în special a algelor, se produc schimbări succesive și profunde ale ecosistemului, care în final duc la degradarea acestuia. În timpul procesului de eutrofizare cantitatea de oxigen scade sau dispare din adâncul apei și din sedimente datorită descompunerii resturilor de plante depuse de către organismele mineralizatoare. Sărăcirea sau dispariția faunei bentonice se datorează scăderii concentrației de oxigen care duce și la înlocuirea descompunătorilor aerobi cu cei anaerobi, cum sunt bacteriile sulfat-reducătoare care intoxică apele din profunzime și sedimentele prin degajare de hidrogen sulfurat.

Folosirea îngrășemintelor chimice în doze prea mari sau în nomente necorelate cu consumul plantelor cultivate în diferite faze de dezvoltare, precum și aplicarea lor pe teren înghețat sau cu strat gros de zăpadă, determină ca la topirea bruscă a zăpezii corelat cu panta înclinată a solului, acestea prin spălare să ajungă în apa potabilă.

Cel mai grav inconvenient al procesului de eutrofizare, constă in crearea unor mari dificultăți la nivelul instalațiilor de tratare a apei potabile de suprafață ducând la alterarea proprietătilor organoleptice ale apei distribuite populației. Consumul de apă care conține concentrații mari de nitrați poate duce la anemii și tulburări nervoase la copii, iar în stadii avansate de poluare apare “bola albastră” la copii numită și methemoglobinemie, datorită combinării nitriților cu hemoglobina din sânge, împiedicând în acest fel fixarea oxigenului, ducând la cianozarea feței și buzelor, tulburări respiratorii, gastrointestinale, deces. La adulti intoxicațiă cu nitriți de manifestă prin cefalee, greață, diaree etc.

La nivelul intestinului nitratii din apă se transformă în nitriți toxici, și tot la nivel intestinal ionii de NO2 reactionează cu diferiți compusi anionici dând naștere nitrosaminelor care sunt cancerigene.

Utilizarea neratională, a îngrășemintelor chimice determină eutrofizarea apelor, mergând până la degradarea totală a mediilor naturale. Chiar și utilizarea redusă dar pe suprafețe agricole mari a îngrășemintelor, expuse spălărilor prin ploi, irigații, ape curgătoare, produce poluări difuze care au efecte grave atât asupra apelor subterane cât și asupra apelor de suprafață.

Poluarea apelor cu nitrați a determinat punerea unor baze de monitorizare și control a calității apelor de suprafață și de subteran din punct de vedere al poluării cu azotați datorită activității agricole.

2.5 POLUAREA APEI CU PESTICIDE

Pesticidele sunt compusi chimici de sinteză cu mare eficacitate și selectivitate în distrugerea unor categorii de organisme vii considerate ca dăunătoare economiei sau sănătătii omului (Cogălniceanu, 2007).

Producția industrial de pesticide a înregistrat o creștere din ce în ce mai mare, după cel de-al doilea război mondial. În prezent pe piață există un număr foarte mare, peste 90 000 de produse etichetate ca insecticide, fungicide, erbicide, aceștia fiind compuși organic cu fosfor, sulf, clor, iod, brom, etc.

Alături de îngrășeminte, pesticidele amenință din ce în ce mai mult calitatea mediului, acestea distrugând o parte din flora și fauna necesară perfectării metabolismului ecosistemului.

Insecticidele, acaricidele, fungicidele, erbicidele și raticidele folosite în agricultură, asigură maximizarea producției prin eliminarea sau împuținarea speciilor dăunătoare omului ca micoze, bacterioze, viroze și dăunători, însă au efecte extrem de nocive asupra vieții în general. Aceste substanțe antrenate de apa de șiroire a precipitatiilor ajung în râuri, fluvii, mări, având efecte toxice asupra florei și faunei acvatice, dar și asupra animalelor sălbatice și domestic care se adapă cu apă și în final asupra omului, prin concentrarea substanțrlor toxice în cadrul lanțului trofic.

Diclor-difenil-tricloretan cunoscut și sub numele de DDT, a fost sintetizat prima dată în 1874 de chimistul austriac Othmar Zeidler, iar din anul 1940, a fost folosit ca un toxic de contact. Datorită eficienței sale în combaterea insectelor și a costurilor reduse de producție, acesta a fost folosit timp îndelungat pe scară largă chiar și în combaterea păduchilor soldaților în anul 1942. Acest insecticide a fost folosit cu succes în combaterea insectelor dăunătoare agriculturii și silviculturii, ectoparaziților, insectelor din clădiri agricole și industrial și locuințe. O dată cu utilizarea lui tot mai intensă, foarte multe specii au căpătat rezistență, ceea ce a dus la utilizarea unor concentrații din ce în ce mai mari.

Pesticidele sunt folosite la nivel global, pe toate toate continentele fiin duse de fluvii în oceane. Estimările făcute arată că în medie solurile cultivate, primesc anual 30 mg/m² DDT, însă o parte din acesta este spălată de apă, o mare cantitate rămânând în sol. Datorită stabilității sale chimice DDT se acumulează în lungul lanturilor trofice, concentrația cea mai mare găsindu-se la consumatorii din vărf. Ca urmare a înregistrării unor concentrații crescute de-a lungul lanțului trofic, la multe specii, s-a înregistrat o mortalitate în masă ceea ce a dus la scăderea producției primare și la dezorganizarea ecosistemelor.

Dezavantajul DDT-ului se datorează stabilității sale chimice, remanenței și efectului de cumulare în sol, alimente și corpul uman. În decursul timpului s-a demonstrate că unii derivați chimici carea se formează prin descompunerea lui produc tulburări endocrine și cancer. În anul 1970 datorită acestor efecte secundare nedorite pe care le produce, DDT a fost interzis în țările industrializate. Din anul 2004 prin “Convenția de la Stockholm” a fost interzisă la nivel mondial folosirea lui în agricultură, însă este folosit în continuare pentru combaterea insectelor care sunt vectori ai unor boli transmisibile ca de exemplu malaria sau tifosul exantematic, dar și în agricultura unor țări.

De la descoperirea acestui insecticid și până la interzicerea lui în agricultură, se estmează că au fost dispersate în ecosferă cantități suficiente care vor persista multe decenii în hidrosferă. O parte din aceste pesticide ajung în apele de suprafață în timpul împrăștierii lor cu diferite utilaje sau avioane, iar o altă parte ajunge în pânza de apă freatică sau în râuri, fiind spălate de pe suprafețele agricole.

POLUAREA APEI CU PETROL

Poluarea apelor de suprafață sau subterane cu produse petroliere reprezintă o problemă actuală deosebit de importantă greu de prevenit și remediat datorată proceselor industriale din următoarele domenii: exploatarea zăcămintelor de țiței, procesarea țițeiului în rafinării, distribuția produselor petroliere, depozitarea și transportul produselor petroliere, industria prelucrării metalelor, industria chimică și petrochimică.

În urma proceselor industriale de procesare, transport și distribuție a produselor petroliere, au loc emisii de compuși poluanți și pierderi de combustibili lichizi care infiltrați în apă produc modificări organoleptice ale acesteia efectele fiind deosebit de nocive asupra florei și faunei acvatice. Și produsele petroliere deversate pe sol se infiltrează în pânzele de apă freatică.

Cele mai răspândite poluări sunt cele provocate de transportul maritim dar și subteran al petrolului și produselor petroliere nu puține fiind situațiile în care conductele subterane s-au spart sau au fost sparte. De asemenea avariile de la stațiile de pompare, pierderile din rezervoarele îngropate, manipulările neglijente au determinat scurgeri de petrol și produse petroliere în sol care ajuns în apele subterane iar de aici uneori în puțurile de captare. Nu puține au fost cazurile în care produsele petroliere au ajuns accidental în râuri.

Un loc secund în poluarea apelor o constituie utilizarea apei la purjarea instalațiilor de reciclare a apei tehnologice, urmat de apa și nămolul rezultat în urma spălării instalațiilor de extracție și a rezervoarelor de țiței.

În țara noastră tehnologia de extracție a țițeiului utilizează noroiul de foraj, apa uzată conținând cantități mari de produse petroliere provenite din deshidratarea nămolului utilizat în extracție dar și din deshidratarea și desalinizarea țițeiului extras.

O problemă deosebită o reprezintă apele de ploaie colectate de pe platforme betonate din rafinării, depozite sau stații de distribuție a carburanților. Cantități foatre mari de produse și reziduuri petroliere ajung în mări și oceane, în urma spălării cisternelor, evacuarea rezidurilor de la motoare și descărcarea apelor de balast.

Anual aproape 1,25 milioane de tone de petrol și deșeuri petroliere se scurg în mări și oceane, de multe ori aceste produse ajung în sol, în bazine riviere și sisteme de canalizare. Un litru de petrol scurs în apă se întinde pe o suprafață dublă față de cea a unui teren de fotbal efectele dezastruoase fiind imediate dar și pe termen lung. Toxicitatea imediată este produsă de hidrocarburile saturate care produc anestezierea și chiar moartea animalelor, precum și de cele olefinice și aromatice.

Efectele pe termen lung se datorează interferenței mesagerilor chimici importanți în hrănirea, apărarea și reproducerea animalelor acvatice cu diferite fracții petroliere solubile în apă, provocând grave dezechilibre ecologice.

Petrolul brut și produsele obținute prin rafinarea acestuia au efecte diferite asupra poluării mediului și aaupra omului. Produsele petroliere foarte rafinateca benzină, kerosen, se răspândesc rapid la suprafața apei, pericolul intoxicațiilor și al incendiilor fiind mare, însă ele se evaporă rapid comparativ cu petrolul brut care este persistent, eliminarea lui în mediu făcânduse mai greu.

Petrolul și produsele pertoliere ajunse în apă formează o peliculă de lichid la suprafața acesteia împiedicănd pătrunderea luminii și a oxigenului în apă afectând intensitatea procesului de fotosinteză, perturbând activitatea organismelor acvatice care trăiesc în aceste zone ducând până la noartea acestora, de asemenea determină creșterea temperaturii, turbidității dar și a compoziției chimice a apei. Microorganismele din apă, fitoplanctonul prinse în pelicula uleioasă sunt antrenate spre fundul apei. Uleiurile dar în special produsele petroliere lezează branhiile pestilor dar efectele negative se produc și asupra altor specii de plante și animale acvatice.

Hidrocarburile cancerigene din petrol ajung prin intermediul lantului trofic de la producători, reprezentați în acest caz de plantele acvatice, la consumatrii acvatici comestibili, păsări dar și om.

POLUAREA RADIOACTIVĂ A APEI

Radioactivitatea constă în proprietatea unor elemente de a se transforma în urma dezintegrării lor în alte elemente, emițând radiații. Radioactivitatea poate fi naturală de origine cosmică dar și terestră, și artificială produsă în urma activității umane.

Poluarea radioactivă poate fi definită ca o creștere a radiațiilor, datorită utilizării substanțelor radioactive de către om. Există trei tipuri de radiații pe care le emit substanțele radioactive:

radiații gamma, foarte penetrante, prezentând unde electromagnetice de frecvență mare;

radiații beta, constituite din electroni care se deplasează cu viteză asemănătoare celei de deplasare a luminii, acestea pătrund în țesuturile vii, până la câțiva centimetrii;

radiații alfa, care sunt de fapt nuclei de heliu, încărcați pozitiv, care pot penetra tesuturile vii foarte puțin.

Extinderea folosirii energiei nucleare a dus la creșterea poluarii radioactive a apei, evaporarea în apele de suprafață și subterane a apelor radioactive uzate produce pericole deosebite, ca urmare a acțiunii radiațiilor asupra biotopului și biocenozei.

Energia nucleară se obține în urma unui proces tehnologic complicat, care necesită cantități mari de apă, începând cu extragerea materiilor radioactive prime și continuându-se cu separarea izotopilor și folosirea lor. În acest fel apa indispensabilă vieții, vine în contact cu elementele radioactive naturale dar și cu elementele care se formează în urma fisiunii nucleare devenind radioactivă.

Dezvoltarea tehnologiilor nucleare care sunt srâns legate de folosirea unor cantități mari de apă, s-a făcut rapid fără a se ține cont de efectele dezastruoase produse. În prezent a apărut o altă modalitate de poluare a apei cu deșeuri foarte complexe rezultate din industria nucleară sau de la unitățile nucleare. Caracteristica elementelor radioactive este radiația radioactivă care în funcție de element, prezintă în lumea vie un pericol diferențiat.

Una din căile principale de poluare radioactivă a globului o reprezintă exploziile nucleare din atmosferă.

Plantele terestre concentrează substanțele radioactive în special in frunze și tulpini, acestea fiind periculoase pentru ierbivore, în corpul cărora se concentreză cantități mari de radiații, vehiculate în special prin intermedciul laptelui.

În ceea ce privește organismele acvatice, cantități mari de substanțe radioactive se găsesc în alge, acestea concentrând de 1000 de ori mai multe substanțe radioactive decât în apă, iar fitoplanctonul de 5000 de ori, însă cele mai ridicate valori se acumulează în corpul animalelor acvatice. Concentrații de 100 de ori mai mari de iod radioactiv se găsesc în corpul scoicilor comparativ cu apa dulce în care trăiesc, iar în peștii dulcicoli, verigi superioare ale lanțilui trofic, radioactivitatea este de 20.000-30.000 de ori mai mare comparativ cu apa în care trăiesc, concentrații și mai mari găsindu-se în ultima verigă a lanțului trofic.

Efectele substanțelor radioactive asupra ecosistemelor acvatice constau în reducerea ratei de supraviețuire, scăderea producției de fitoplancton, reducerea ratei reproductive la amfibieni, crabi, pești și a capacității larvare. Organismele tinere și embrionii, prezintă o sensibilitate mult mai mare la acțiunea substanțelor radioactive comparativ cu organismele adulte. În urma expunerii cronice la radiații, scade longevitatea indivizilor și se reduce coeficientul de creștere naturală.

2.8 POLUAREA APEI CU DEȘEURI MENAJERE UMANE

Deșeurile menajere pot fi reziduuri solide, colectate la marginea așezărilor omenești, pe câmpuri, păduri, de la locuințele oamenilor și sunt reprezentate de: ambalaje, hârtie, plastic, sticle, ceramică, materiale textile, metal, baterii, uleiuri, amvelope, diferite substanțe chimice dar și resturi alimentare, care sunt antrenate de ploi, ajungând în cursurile de apă, poluând atât apele de suprafață cât și pe cele subterane.

Poluarea umană se realizează și prin evacuarea apelor menajere prin canale, care colectează conținutul instalațiilor sanitare, al bucătăriilor, care conțin rezduri organice, detergenți, bacterii organice etc., în râuri, mări, oceane sau în pânza de apă freatică.

Dezvoltarea așezărilor umane corelată cu creșterea numerică a populației și a nivelului de trai al oamenilor antrenează producerea unor cantități din ce în ce mai mari de deșeuri. Substanțele organice și anorganice conținute de aceste deșeuri îngreunează procesul de degradare aerobă și anaerobă de către microorganisme, iar depozitarea lor necontrolată determină și poluarea ecosistemelor învecinate producând grave dezechilibre ecologice.

O problemă gravă și frecvent întâlnită o reprezintă PPT-urile care ajunse în râuri, plutesc până la gurile de vărsare unde se acumulează, formând insule, care împiedică desfăsurarea normală a vieții acvatice. Aceste ambalaje nu se degradează, împiedicând desfășurarea procesului de fotosinteză în mediul acvatic, de asemenea ele se pot rupe în bucăți mici fiind înghițite de animalele acvatice.

Apele poluate prezintă aspect, miros, gust și calități sanitare degradate iar consumarea lor determină apariția a numeroase boli ale tubului digestiv și nu numai.

Organizația Mondială a Sănatățiia a elaborat o serie de standarde și norme științifice, riguroase, general acceptate pentru apa potabilă aceasta trebuind să prezinte anumite caracteristici organoleptice (culoare, gust, miros), fizice (temperatură, turbiditate), chimice (conținut de săruri), biologice, bacteriologice și radioactive.

Poluarea apelor reprezintă o problemă majoră pentru toate țările, deoarece în ultimul timp s-a înregistrat o explozie a surselor de poluare, care au determinat o creștere alarmantă a apelor poluate, efectele fiind devastatoare asupra mediului, a plantelor și animalelor acvatice.

Prevenirea poluării se poate realiza prin responsabilizarea oamenilor, prin realizarea unei educații ecologice, astfel încât aceștia să devină conștienți de efectele pe termen scurt și lung ale poluării apelor și mediului înconjurător.

CAPITOLUL III

APARATUL FOTOSINTETIC

3.1. APARATUL FOTOSINTETIC – GENARALITĂȚI

Aparatul fotosintetic, la nivelul căruia se desfasoară procesul de fotosinteză, cunoscut și sub numele de asimilație clorofiliană sau asimilația carbonului este reprezentat de cloroplaste, care conțin pigmenți verzi, aceștea având o structură extrem de complexă.

Fig. 3.1. 1. Structura cloroplastului (după Dornell și colab., 1991) http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Cloroplastele prezintă trei membrane, dintre acestea două nu participă la desfăsurarea procesului de fotosinteză, deoarece nu sunt verzi și nu conțin clorofilă. Membranele externe ale cloroplastului și mitocondriei conțin pori din proteine formând canale mari de apă, ele fiind permeabile pentru metabolite cu moleculă mică, în timp ce membrana internă conține permeaze care reglează mișcarea metaboliților din și spre exteriorul organitului reprezentând o barieră impermeabilă a cloroplastului. Fotosinteza se desfăsoară în cea de-a treia membrană a cloroplastului care reprezintă o grupare de membrane care au fost denumite membranele tilacoidului, care formează vezicule mici numite grane. La nivelul acestei membrane se dispune un număr de proteine integrate cu clorofilă, care au rolul de a atrage lumina; un grup prostetic important legat de pigmenți, precum și aceeași aminoacizi care se găsesc în plasma celulară, ARD, AND, glucide, lipide, vitamine.

Fig. 3.1. 2. Structura membranei tilacoidului (după Dornell si colab., 1991).

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Pentru a se stabilii legătura dintre structura și funcția cloroplastelor, acestea au fost studiate, din punct de vedere chimic, fiziologic și morfologic la nivel molecular.

Pigmenții clorifilieni se găsesc și în tulpini tinere, ramuri, sepale, fructe necoapte, etc. în care se desfăsoară o fotosinteză redusă, însă organul specializat în desfăsurarea procesului de fotosinteză este frunza, ea prezentând anumite caracteristici care s-au format în urma unor procese lungi de perfecționare și adaptare:

forma aplatizată a limbului, realizează o suprafată mare de contact cu mediul, permitând absorbția din atmosferă a unor cantități mari de dioxid de carbon și lumină;

la nivelul epidermei sunt prezente celule specializate, modificate ca formă și funcție, numite stomate, care prezintă central o deschidere numită ostiol, prin care se realizează schimbul de gaze și transpirația;

fasciculele libero-lemnoase prezente în nervuri, transportă seva brută, formată din apă și substanțe minerale la celulele mezofilului, dar și seva elaborată la toate organele plantei;

difuziunea gazelor în mezofil este favorizată și de prezența spațiilor intercelulare între celulele cilindrice ale țesutului palisadic care are rol în fotosinteză, datorită prezenței unui număr foarte mare de cloroplaste și între celulele țesutului lacunos, cu rol în schimbul gazos;

prezența cloroplastelor specializate în fotosinteză.

Fotosinteza este întâlnită la toate plantele fotoautotrofe, ea se desfășoară în cloroplastele din celulele mezofilului frunzei, care au fost descoperite în 1837 de către Hugo von Mohl. În funcție de tipul de țesut și condițiile de mediu (fiind mai numeroase în țesutul palisadic care este expus la lumină mai intensă comparativ cu țesutul lacunos iluminat mai difuz), numărul cloroplastelor variază de la câteva zeci la câteva sute în fiecare celulă a plantelor superioare. Cloroplastele realizează în hialoplasma celulară o continuă mișcare în funcție de intensitatea luminoasă de care dispun celulele. Aceste mișcari se realizează printr-o cicloză continuă pasivă și cicloză activă amoeboidală. În cazul plantelor expuse la lumină puternică cloroplastele se orientează fată de lumină astfel încât să se ferească de fotooxidare sau supraîncălzire.

3.2. COMPOZIȚIA CHIMICĂ A PIGMENȚILOR CLOROFILIENI

Din punct de vedere al compoziției chimice cloroplastele sunt alcătuite din: proteine 41-55%, lipide 18-37%, clorofile și carotenoizi în proporție de 5-10%, cloroplastele conțin puțină apă.

În ceea ce privește proteinele a fost pusă în evidență o proteină de structură și numeroase enzime: citocromoxidaze, dehidrogenaze, fosforilaze, peroxidaze, amilaze, catalaze, invertaze etc. și o proteină cu fier: ferdoxină.

În fazele târzii de dezvoltare ale cloroplastelor își fac apariția enzimele ciclurilor reductive ale fotosintezei: gliceraldehid-3-fosfatdehidrogenaza, NADPH₂- reductaza, ribulozo-1,5-difosfatcarboxilaza etc. În membrana tilacoidelor sunt localizate aproape jumătate din proteinele cloroplastului. Stroma în care se cufundă tilacoidele, se caracterizează prin prezența proteinelor solubile, 50% din proteinele cloroplastului fiind localizate la acest nivel, consistența stomei fiind asemănătoare cu cea a gelului.

Lipidele sunt reprezentate în membrana tilacoidelor de glicolipide, sulfolipide și galactolipide în proporție de 80%, de fosfolipide în proporție de 5%, deoarece membrana tilacoidelor este săracă în ele, dar și de gliceride, ceride, steride.

Tot în cloroplaste au fost evidențiați citocromii b6 și f, dar și vitaminele E si K.

În ceea ce privește macroelementele au fost evidențiate: P, N, Mg, S, Ca, K iar dintre microelemente: Fe, Zn, Mn, Cu.

În urma numeroaselor cercetări de genetică ale aparatului fotosintetic s-a descoperit existența în afara nucleului și a acizilor nucleici în alte organite celulare ca de exemplu mitocondriile și cloroplastele. La nivelul cloroplastelor au fost descoperiți ARN și AND specifici, dar și enzimele necesare sintezei lor. Moleculele specifice răspund de un număr mare de funcții importante pentru organitul însuși cât și pentru întreaga celulă.

ARN din plastide, reprezintă 1-2% din greutatea uscată a unor plante superioare. În ceea ce privește AND acesta se găsește în cantitate mult mai mică în plastide.

De exemplu la Euglenă, AND plastidial conține mai puțină citozină și guanine, comparativ cu sfecla. Au fost descoperite și enzime incluse în sinteza proteinelor, aceasta fiind dovada faptului că cloroplastele sunt capabile de perpetuarea plastromului sau a sistemului lor genetic.

În cloroplaste a fost identificată și prezența ribozomilor, ceea ce indică o intensă sinteză a proteinelor, fapt ce duce la ideea că în cloroplaste există un mecanism independent de sinteză a proteinelor. În sprijinul acestei idei, vine faptul că proprietățile chimice și fizice ale ribozomilor din cloroplaste diferă în anumite privințe de cele ale ribozomilor din citoplasmă.

3.3. CLASIFICAREA PIGMENȚILOR ASIMILATORI

Celulele asimilatoare, conțin pigmenți asimilatori cu rol direct în procesul de fotosinteză și care pe baza particularităților structurale se clasifică în trei grupe:

Pigmenți clorofilieni care au rol deosebit în procesul de asimilație; din acest grup fac parte:

clorofila a prezentă în toate celulele asimilatoare ale plantelor fotosintetizante,

clorofila b se găsește atât la algele verzi cât și la plantele superioare,

clorofila c caracteristică algelor brune și diatomeelor

clorofila d prezentă numai la unele alge roșii,

clorofila e caracteristică unor alge galben-aurii.

Cele mai răspândite clorofile sunt: clorofila “a” și “b”, raportul dintre ele în țesuturile vegetale fiind de 3:1, acest procent poate crește la plantele heliofile.

Clorofilele a și b sunt alcătuite din C, H, O, N, Mg, precum și acid clorofilic și doi alcooli reprezentați de metanol ( CH₃-OH) și fitol ( C₂₀H₃₉-OH). Formula generală fiind: C⁵⁵ H⁷²O⁵ N⁴ Mg, iar cea a clorofilei b este: C⁵⁵H⁷⁰O⁴N⁴Mg.

Acidul clorofilic a are formula: C₃₂H₃₀ON⁻ – ⁻ Mg (COOH)₂

Acidul clorofilic b are formula: C₃₂H₂₈ON – Mg (COOH)₂

Fig. 3.3. 3. Clorofila a (după A. Nougarede, 1969 )

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Fig. 3.3. 4. Clorofila b (după A. Nougarede, 1969)

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

În cazul bacteriilor autotrofe fotosintetizante au fost evidențiate:

bacterioviridina caracteristică bacteriilor verzi,

bacterioclorofila a la bacterii verzi și purpurii,

bacterioclorofila b descoperită în tulpina bacteriei purpurii a genului Rhodopseudomonas.

Proctoclorofila a fost găsită în semințele unor plante (cânepa, pepene roșu), acest tip de clorofilă se sintetizează la întuneric și se transformă în clorofilă “a” și “b” la lumină, biosinteza clorofilelor se realizează în prezența: Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, Mo.

La Angiosperme sinteza pigmenților clorofilieni are loc la o energie radiant egală în toate radiațiile vizibile ale spectrului, însă cele mai active sunt radiațiile roșii. Clorofila este un complex lipoproteic în formă activă ( monomeră) sau formă de rezervă (agregată) și doar 3-4% în stare liberă din cantitatea totală. Cantitatea de clorofilă reprezintă la algele verzi 3% din masa uscată. Clorofila se află într-un permanent proces de biosinteză și degradare, ea reînoindu-se permanent la 2-3 zile, într-un ritm de 40%.

Moleculele de clorofilă din punct de vedere chimic reprezintă o grupare prostetică a unor cromoproteine. În structura lor importantă este prezența magneziului (Mg²⁺), în lipsa acestuia molecula de clorofilă nu se poate constitui precum și a unor radicali diferiți în funcție de tipul de clorofilă, care se prind de nucleul tetrapirolic.

Patru nuclee pirolice, legate între ele prin punți metilice, formează nucleul porfirinic cu un atom de Mg în centru de care se leagă fitolul ( C₂₀H₃₉OH) și o grupare metilică (-CH₃) în cazul clorofilei “a” sau o grupare aldehidică (-CHO) în cazul clorofilei “b”. Molecula clorofilei mai conține un ciclu pentanonic (al-5-lea) format numai din atomi de carbon. Clorofilele manifestă proprietăți hidrofile determinate în special de homociclul pentanonic, precum și proprietăți hidrofobe și lipofile condiționate de fitol. Prezența în nucleul porfirinic a sistemului conjugat de legături duble și a magneziului condiționează culoarea verde, caracteristică pentru clorofilă. (Maria Duca, 2006, p 71.)

Partea hidrofilă a moleculei de clorofilă – nucleul porfirinic, este situat în spațiul dintre membranele de contact ale tilacoidelor de grane. În interiorul formațiunii sferice este situat nucleul porfirinic care formează un unghi cu radicalul fitolului, fiind în contact cu lipidele membranare și cu grupele hidrofobe ale moleculelor proteice.

Pigmenții carotenoizi sunt compuși liposolubili care derivă din caroten, ei, însoțesc pigmenții clorofilieni protejându-i împotriva efectelor radiațiilor UV, și au rol în fotosinteză. Au culoare galbenă, portocalie sau roșie, se găsesc exclusiv în cromoplaste dând culoarea roșie fructelor de tomate sau portocalie culoare caracteristică rădăcinii de morcov. În frunzele verzi, din cauza clorofilei nu se observă însă toamna când clorofila este distrusă, frunzele devin galben-portocalii datorită prezenței acestor pigmenți. Acești pigmenți se găsesc și în bacterii și ciuperci iar în cloroplaste reprezintă a șasea patre din cantitatea totală a pigmenților asimilatori. Carotenoidele se leagă monocovalent cu lipidele și proteinele membranelor fosfolipidice.

Pigmenții carotenoizi au rol dublu: de fotoprotecție și de absorbție și transfer a energiei solare către pigmenții clorofilieni. Cei mai importanți pigmenți carotenoizi sunt:

A-carotenul prezent în algele verzi din Ordinul Siphonales, este carotenul principal din algele roșii și din frunzele multor plante,

B-carotenul prezent în toate plantele,

J-carotenul se găsește în cantități mici în unele plante și este carotenul principal din bacteriile sulfuroase verzi.

Carotenoizii sunt stereoizomeri, au aceeași formulă chimică și se deosebesc între ei prin dispunerea moleculelor în spațiu.

Carotenoidele se sintetizează în cloro- și cromoplaste prin ciclul monovalent începand de la acetil CoA printr-o serie de compuși intermediari – mevalonat, geranilpirofosfat, licopina – care servesc ca predecesori pentru alte tipuri de carotenoide. (Maria Duca, 2006, P. 73.)

În grupul carotenoizilor intră și o serie de carotenoli ( fucoxantolul- principalul caroten al algelor brune și diatomeelor; violaxantolul- al doilea caroten important din frunzele plantelor; luteolul- carotenul principal al algelor roșii, verzi și al plantelor superioare și spiriloxantolul- prezent la bacteriile purpurii) care poartă numele de xantofile deoarece posedă grupări alcoolice.

Pigmenții ficobilini care se găsesc împreună cu ceilalți pigmenți în algele albastre-verzi, roșii, pirofite și în cantitate mică în cloroplastele plantelor verzi. Din această grupă fac parte: ficoeritrina – care este roșie și se găsește în algele roșii; ficocianina – are culoare albastră și este prezentă în algele albastre-verzi dar și în cele roșii; aloficocianina – prezentă în algele roșii dar și în cele albastre-verzi.

Acești pigmenți au grupări prostetice asemănătoare clorofilelor, din punct de vedere chimic, au patru grupări pirolice care nu formează nucleu tetrapirolic și sunt lipsite de fitol și magneziu.

Ficobilinele sunt grupări cromofore ale ficobiliproteinelor- globuline care, spre deosebire de clorofile, se leagă prin legături covalente. Ficobilicromoproteidele sunt localizate în anumite granule, numite ficobilisome, situate pe suprafața externă a lamelelor fotosintetice din celulele algelor. Aceste cromoproteide hidrosolubile îndeplinesc rolul de pigmenți auxiliari în absorbția luminii. Aproximativ 90% din energia luminoasă este transmisă clorofilei “a”. (Maria Duca, 2006 p. 73.)

Toate plantele conțin fitocromul, un pigment special, cu rol de fotoreceptor pentru razele roșii care are ca grup prostetic pigmentul bilinic similar ficobilinelor, acesta îndeplinind funcții de reglare a multor procese fiziologice.

3.4. LOCALIZAREA PIGMENȚILOR ASIMILATORI

ÎN ORGANITELE FOTOSINTEZEI

Pigmenții asimilatori în citoplasma celulelor asimilatoare nu se găsesc niciodată în stare difuză. La algele brune, roșii și verzi pigmenții asimilatori se găsesc localizați în cromatofori, la bacteriile fotoautotrofe și la algele albastre-verzi sunt prezenți în numeroase incluziuni mici, pe când la plantele vasculare și briofite se găsesc în cloroplaste. Pigmenții asimilatori nu se găsesc în număr constant în celule, ei variază între 20 și 100. Dimensiunile cloroplastelor sunt cuprinse între 0,5-1 microni în grosime și 2-5 microni în diametru, iar forma variază de la sferică, ovoidală sau discoidală.

În urma cercetărilor efectuate cu privire la ultrastructura cloroplastelor, s-a stabilit că aceste organite sunt înconjurate de o membrană formată din două lame despărțite printr-un spațiu clar. Membrana are rolul de a delimita o masă fundamentală, denumită stroma care este lipsită complet de pigmenți asimilatori. Stroma este brăzdată de numeroase lamele stomatice, care sunt paralele cu axul lung al cloroplastelor. Aceste lamele stomatice sunt de fapt niște prelungiri ale lamelei interne a membranei cloroplastelor.

Stroma cloroplastelor prezintă numeroase zone, bogate în pigmenți asimilatori, care poartă numele de grana și care sunt alcătuite dintr-un număr de 2-100 saculi granari, care se aseamănă cu niște discuri turtite suprapuse ca monedele în fișicuri. Lamelele stromei se continuă prin porțiunea granară a cloroplastelor încărcându-se cu pigmenți asimilatori în dreptul ei.

Cromatoforii comparativ cu cloroplastele sunt lipsiți de grana, în schimb au o structură lamelară regulată în stromă.

În anul 1965, în urma cercetărilor de electronomicroscopie s-a evidențiat faptul că lamelele stromei dar și cele ale granei cloroplastelor (tilacoide) prezintă în structura lor un strat lipidic median ce prezintă pe ambele fețe particule proteice globulare care pe fața internă a stratului sunt dispuse izolat iar la exterior se asociază în grupe de câte patru.

În ceea ce privește distribuția pigmenților asimilatori în tilacoidele granare și în cele ale stromei, modelele propuse sunt ipotetice deoarece nu există date de electronomicroscopie în acest sens. Se consideră că moleculele de clorofilă sunt bipolare, iar pigmenții clorofilieni sunt dispuși într-un strat monomolecular între cele două straturi de particule proteice globulare. În acest caz rezultă că gruparea tetrapirolică a acestor molecule se orientează spre stratul extern, în timp ce radicalul fitol se fixează în stratul lipidic median. Grupările tetrapirolice formează unghi de 45ș cu radicalul fitol fiind orientate în toate direcțiile îndeplinind în acest fel rolul de fotoreceptori în fotosinteză. Pigmenții carotenoizi se asociază cu polii hidrofobi ai moleculelor de fosfolipide, fiind dispuși în stratul lipidic median. Pe fața externă, printre particulele de proteine globulare sunt dispuse complexe enzimatice care contribuie la desfășurarea reacțiilor de lumină ale fotosintezei, în timp ce pe fața internă se găsesc complexe enzimatice care au rol în reducerea CO₂.

În anul 1953, Thomas și colaboratorii, cu ajutorul ultrasunetelor au fragmentat lamelele granare și au constatat că pigmenții asimilatori sunt organizați în unități fotosintetice funcționale care prezintă un centru de reacție. S-a constatat că unitățile fotosintetice conțin în jur de 230 molecule de clorofilă, 48 molecule de pigmenți carotenoizi, 12 atomi de fier, 6 atomi de cupru, 2 atomi de magneziu. Deoarece compoziția chimică a unităților funcționale ale fotosintezei sunt contradictorii cu schemele ipotetice propuse în ceea ce privește reprezentarea distribuirii pigmenților asimilatori în porțiunea granară a tilacoidelor stromei și tilacoidele granare, se continuă cercetările cu privire la distribuția reală a pigmenților asimilatori în cloroplaste, pentru realizarea unei concordanțe între determinările efectuate cu privire la diferite raporturi între categoriile de pigmenți.

3.5. BIOSINTEZA PIGMENȚILOR CLOROFILIENI

De-a lungul timpului au fost folosite metode diferite de cercetare a modului în care s-au format pigmenții clorofilieni. Biosinteza clorofiliană este influențată de factorii mediului înconjurător dar și de factorii interni. Factorii favorabili, activității protoplasmei celulelor, ai mediuliu înconjurător accelerează sinteza clorofilei, în timp ce acțiunea nefaborabilă încetinește sau oprește sinteza acesteia.

Filozoful grec Aristotel a remarcat că lipsa luminii determină la frunze o culoare galben-albicioasă însă o dată expuse la lumină înverzesc formând pigmenți clorofilieni identificabili după spectrele de absorbție. În urma a numeroase cercetări s-a constatat că la fanerogame prezența luminii este vitală în biosinteza pigmenților clorofilieni.

Prezența luminii însă nu este necesară tuturor plantelor pentru sinteza pigmenților clorofilieni, la cotiledoanele pinului, bradului, portocalului, lamâiului, frunzele de Crocus și filocladele vâscului înverzesc și la întuneric. Ferigile, mușchii și algele la întuneric produc pigmenți clorofilieni în cantitate mică, excepție fac Euglena, Selaginella, ecvisetaceele și diatomeele, care numai la lumină produc pigmenți clorofilieni.

În decursul anilor plantele au început să se adapteze condițiilor de mediu, prezența luminii fiind obligatorie în biosinteza pigmenților clorofilieni. Lipsa luminii duce la formarea unei clorofile care este folosită irațional de plantă. Giubbenet a constatat că în prezența unei lumini difuze se produce o cantitate mai mare de pigmenți clorofilieni decât în soare puternic. Godney, în urma cercetărilor efectuate la plantele verzi ținute timp de o săptămână la întuneric în atmosferă de ¹⁴CO₂, a constatat că sub acțiunea enzimelor, la întuneric într-o anumită măsura are loc biosinteza pigmenților clorofilieni. Fierul, magneziul, manganul, cuprul, molibdenul și zincul participă la formarea sistemelor enzimatice care favorizează biosinteza pigmenților clorofilieni. În celulele fotosintetice la întuneric se formează la început un precursor clorofilian denumit protoclorofilă, care la angiosperme prin procesul de fotoreducție desfăsurat la nivelul celui de-al patrulea ciclu al nucleului tetrapirolic se transformă în clorofila a. Din clorofila a și protoclorofilă se formează clorofila b.

Krasnovski și Kosobutkaia, au descoperit că transformarea protoclorofilei în clorofilă are loc atăt în celulele vii ale plantelor etiolate dar și în extractele acestora. Din punct de vedere chimic există o asemănare foarte mare între protoclorofilă și clorofilă, diferența o reprezintă dubla legătură între atomii de carbon 7 și 8 din al patrulea nucleu pirolic.

Willstatter și Stoll, fac aprecieri cu privire la menținerea constantă în frunzele plantelor a pigmenților clorofilieni, a raportului dintre pigmenții clorofilieni și carotenoizi, dintre carotină și xantofilă dar și dintre clorofila a și b în condiții diferite de asimilare.

Pigmenții clorofilieni suferă permanent procese distructive în cazul plantelor la care pigmenții clorofilieni se formează numai la lumină iar aceste plante sunt ținute la întuneric. În concluzie lumina la aceste plante este permanent necesară pentru desfășurarea fotosintezei dar și pentru biosinteza unor cantități noi de pigmenți.

3.6. PROPRIETĂȚILE FIZICE ALE PIGMENȚILOR ASIMILATORI

Pigmenții clorofilieni ca și cei carotenoizi, în marea lor majoritate, pot fi extrași cu ajutorul solvenților organici din organismele vegetale, ei fiind insolubili în apă. La polul opus se află pigmenții ficobilini care se extrag prin introducerea organismelor în care se află, în apă distilată.

Dintre proprietățile fizice ale pigmenților clorofilieni în realizarea procesului de fotosinteză un rol important îl au:

dicroismul = proprietate prin care unele substanțe în funcție de împrejurările observate se colorează diferit. De exemplu: în lumină transparentă soluțiile brute de pigmenți asimilatori sunt verzi, pe când în lumină reflectată sunt roșii-brune.

dipolaritatea moleculelor = moleculele pigmenților clorofilieni se orientează între o fază lipidică și una apoasă, ei prezentând o catenă lungă de aproape 20Å puternic hidrofobă reprezentată prin fitol și un nucleu tetrapirolic hidrofil care are aproape 10Å. Proprietatea este foarte importantă în distribuirea moleculelor de clorofilă în cloroplaste, condiționând activitatea fotosintetică a pigmenților clorofilieni.

fluorescența = reprezintă capacitatea anumitor substanțe de a emite lumină atunci când primesc o radiație care poate aparține inclusiv spectrului invizibil. Soluțiile brute de pigmenți asimilatori emit lumină când sunt traversate de radiații ultraviolete. Cu cât fotosinteza este mai intensă cu atât aceasta proprietate este mai redusă, ea desfășurându-se intens in vitro. Pigmenții asimilatori rețin pentru scurt timp energia radiațiilor absorbite pe care o restituie în cea mai mare parte sub formă de radiație roșie, fapt dovedit de transformarea în radiații cu lungime de undă mare a radiațiilor absorbite.

fotooxidarea = proprietatea pigmenților de a suferii modificări de culoare în urma expunerii la lumină intensă, datorită oxidărilor realizate se produce o schimbare a culorii în brun-roșiatic. Acest fenomen, reversibil se poate observa iarna în natură la plantele cu frunze persistente verzi datorită suprailuminării puternice a acestora, prin reflecția suprafeței albe a zăpezii pe perioadă lungă de timp.

spectrul de absorbție = capacitatea pigmenților asimilatori de a absorbii radiațiile spectrului solar selectiv. Clorofila a, în soluțiile alcoolice prezintă în regiunea roșie o bandă lată de absorbție, în regiunea galben-portocalie, doua benzi slabe, în regiunea verde prezintă o absorbție neglijabilă și o bandă lată care în zona albastră-violet este aproape continuă. Clorofila b, prezintă în zona roșie două benzi, în regiunea albastră-violet prezintă o bandă mult mai lată de absorbție, iar în regiunea portocalie-galben-verde câteva benzi secundare. În regiunea albastră-violet absorb în special carotenoizii. Soluțiile brute prezintă în regiunea roșie o bandă lată, în regiunea albastră-violet o bandă extrem de lată iar între cele două benzi dominante se găsesc trei benzi de absorbție.

3.7. ROLUL PIGMENȚILOR ASIMILATORI ÎN FOTOSINTEZĂ

Conform particularităților spectrelor lor de absorbție, pigmenții asimilatori absorb radiații de lumină utilizând energia pentru sinteza substanțelor organice în timpul procesului de fotosinteză.

Moleculele trec de la starea fundamentală caracterizată printr-o energie minimală, la o stare de excitație bogată în energie prin absorbția uni foton. Această stare este instabilă, reversibilă deoarece moleculele revin la starea stabilă fundamentală în scurt timp prin restituirea întregii energii înmagazinate. Acest proces care se desfasoară într-un interval foarte scurt de timp de ordinul nanosecundelor, conform principiului doi al termodinamicii, arată că o parte din energie se risipește sub formă de energie calorică iar restul prin emisie fluorescentă, care are lungime de undă mai mare și energie mică comparativ cu fotonul absorbit datorită risipirii sub formă de căldură a energiei absorbite anterior.

Extractele clorofilei a, absorb lumina în regiunea roșie și albastră a spectrului, datorită prezenței în regiunea roșie a fluorescenței a cărei intensitate maximă se situează la 668 nm. Revenirea la starea fundamentală a pigmenților asimilatori se mai poate face și prin transferul lor de energie la molecula altui pigment asimilator. Dacă într-un solvent se dizolvă doi pigmenți și se iluminează soluția cu lumină care are lungime de undă care poate fi absorbită numai de un pigment, energia moleculelor acestuia poate fi transmisă în parte, la moleculele celuilalt pigment, numai dacă lungimea de undă fluorescentă emisă de donator, poate fi absorbită partial de celălalt pigment acceptor. Pentru a fi îndeplinită această condiție trebuie să existe o suprapunere parțială între centrele de fluorescentă ale acceptorului și donatorului.

În cazul realizării de soluții ce conțin doi pigmenți, unul fiind clorofila a, prin iluminare cu lumină care poate fi absorbită de celălalt pigment, se obține o fluorescență caracteristică clorofilei a. În urma cercetărilor efectuate s-a constatat că energia luminii absorbite de diferiți pigmenți asimilatori se transferă permanent acceptorului final de energie, care este molecula de clorofila a, ce poate trece de la o stare la alta și prin absorbție proprie, directă a radiațiilor de lumină.

Pigmenții asimilatori prezenți în concentrație mare în grana cloroplastelor, favorizează absorbția energiei luminii de către un pigment diferit de clorofila a, permitând acesteia să fie transferată moleculei aceluiași pigment sau altui pigment și în final clorofilei a, singurul pigment ce realizează reacția fotochimică a fotosintezei. De aici rezultă concluzia că pigmenții asimilatori sunt de două feluri:

activi, capabili să realizeze reacția fotochimică, la bacteriile fotoautotrofe, din această categorie fac parte: bacterioclorofila și bacterioviridina, iar la plantele fotoautotrofe fac parte anumite complexe de clorofila a.

accesorii, care sunt reprezentați de ceilalți pigmenți asimilatori inclusiv clorofilieni, care intervin în absorbția diferitelor radiații de lumină și transmisia energiei acestora în pigmenții activi, ei nu pot să realizeze reacții fotochimice.

În urma a numeroase cercetări efectuate s-a ajuns la concluzia că dintre toți pigmenții asimilatori ai plantelor autotrofe, rolul cel mai important îl are clorofila a, capabilă să absoarbă anumite radiații ale spectrului solar dar și ca acceptor final de energie a radiațiilor absorbite de ceilalți pigmenți. Moleculele de clorofila a, în timpul procesului de fotosinteză, din starea de excitație revin la starea fundamentală prin eliminarea unui electron cu potențial energetic ridicat și acceptând un altul cu potențial energetic normal.

În timpul fotosintezei se desfășoară o serie de procese de oxidoreducere prin care moleculele de clorofila a, transferă electronii substanței care se reduce și primesc electroni de la substanța care se oxidează. Se produce transformarea energiei luminii absorbite în energie chimică, prin transferul electronului cu potențial energetic ridicat oxidantului clorofilei a, adică are loc reacția fotochimică a fotosintezei a cărei natură nu este încă elucidată.

CAPITOLUL IV

MECANISMUL FOTOSINTEZEI

4.1. MECANISMUL FOTOSINTEZEI – GENERALITĂȚI

Deși au fost realizate numeroase cercetări cu privire la mecanismul fotosintezei din cauza complexității acestui proces au fost întâmpinate dificultăți care nici până în prezent nu au putut fi înlăturate. În urma unui număr foarte mare de experimentări de mare finețe și precizie, realizate de diferite ramuri ale științei și tehnologiei, au fost făcute progrese în elucidarea acestui mecanism, în ultimele decenii ale secolului nostru.

Aceste progrese au rezolvat probleme legate de:

-separarea sistemului de reacție al fotosintezei folosind tehnici de ultracentrifugare diferențială, care au constat în experimente directe pe fracțiuni sau cloroplaste izolate la celula vie;

-distribuția dioxidului de carbon utilizat în fotosinteză în substanțele rezultate, utilizând radioizotopi, tehnici de separare cromatografică a produșilor fotosintezei, tehnici de autoradiografiere a cromatogramelor obținute depistându-se în acest fel produșii primari, intermediari și de acumulare fotosintetică;

-elaborarea instalațiilor cu grad înalt de automatizare în vederea cultivării în condiții stricte, constant a plantelor folosite în experimente.

Mecanismul molecular al fotosintezei potrivit concepțiilor actuale reprezintă un lanț de reacții redox succesive, care cuprind două faze:

– faza luminoasă cunoscută și ca reacția de lumină sau faza Robin Hill, ce se desfașoară în membranele fotochimice ale cloroplastelor, unde are loc absorbția luminii de către moleculele clorofilei a, la care participă și pigmenții auxiliari reprezentați de: (clorofila b, carotenoide, ficobiline) precum și transformarea energiei luminoase în energie ATP și NADPH+H⁺. Toate acestea reprezintă un sistem alcătuit din reacții fotochimice, fotofizice și chimice.

– faza de întuneric sau faza Blackmann, desfasurată în stroma cloroplastelor, ea constă dintr-un ansamblu de reacții care permit fixarea dioxidului de carbon de către acceptorul final cu ajutorul enzimelor precum și utilizarea energiei ATP și NADPH+H⁺ care se formează în urma fazei luminoase.

Tabelul 4.1.1. Aspecte comparative ale celor două faze ale mecanismului fotosintezei (Maria Duca 2006)

Cele două faze ale fotosintezei au fost deduse în urma multor experimente care au cuprins cercetări referitoare la coeficientul de temperatură al fotosintezei. Determinarea acestui coeficient a dus la rezultate diferite în cazul aceluiași material vegetal, descoperindu-se că un rol important îl are și valoarea intensitații luminoase la care se expun plantele. La temperaturi ridicate și iluminare slabă, intensitatea fotosintezei crește puțin, dacă temperatura depășește 35șC fotosinteza se micșorează, însă în cazul unei iluminări puternice fotosinteza crește puternic în intensitate, atingând un optim la temperaturi cuprinse între 30-35ș C, urmând să scadă puternic dacă este depășită temperatura optimă.

Acest lucru se explică prin faptul că la temperaturi scăzute și lumină intensă reacțiile de întuneric sunt lente limitând fotosinteza. Fotosinteza este aproape constantă în lumină slabă, însă o dată cu ridicarea temperaturii, agenții formați la lumină fiind în cantitate insuficientă nu reușesc să asigure o viteză crescândă desfășurării reacțiilor chimice ducând la premiza existenței în cadrul mecanismului fotosintezei a unor reacții fotochimice și termochimice.

Brown, Escombe și Warburg, în urma a numeroase cercetări efectuate au constatat că în lumină intermitentă randamentul fotosintezei este mai mare, și se degajă o cantitate mai mare de oxigen decât în lumină continuă. Emerson în 1932 a demonstrat că atunci când perioadele de întuneric sunt mai mici de 1/50 secunde, în reacțiile fazei de întuneric nu pot fi folosiți o parte din agenții produși în timpul fazei de lumină. Deoarece agenții formați nu se pot descărca în cadrul reacțiilor de întuneric, energia luminoasă în exces se pierde.

În urma experimentelor de preiluminare s-a constatat că plantele reacționează diferit în funcție de mediul la care au fost ținute., Dacă sunt expuse unei preiluminări de 10 minute, iar după administrarea substanței marcate sunt repuse la întuneric, plantele absorb puternic ¹⁴CO₂. Dacă înainte de administrarea ¹⁴CO₂, nu sunt expuse preiluminării plantele absorb cu o intensitate foarte scăzută CO₂. De aici se deduce că în timpul iluminării în țesuturile asimilatoare se formează substanțe care permit fixarea dioxidului de carbon în timpul reacțiilor de întuneric. Plantele pot fixa dioxidului de carbon chiar dacă sunt expuse timp îndelungat la întuneric, fixarea și reducerea CO₂ fiind reacții de întuneric.

4.2. FAZA DE LUMINĂ A FOTOSINTEZEI

Faza fotochimică a procesului de fotosinteză se desfăsoară la nivelul tilacoizilor și debutează cu absorbția coantelor de lumină de către clorofilele a și b, complexate cu proteine și de clorofilele aI și aII și asociate puternic cu fotosistemul PSI și PSII.

Fig. 4.2. 5. Secțiune prin membrana tilacoidului.

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Rolul diferitelor structuri integrate în faza luminoasă a fotosintezei.(după Metzler, 1983

Fig. 4.2. 6. Primul efect al absorbției luminii este încărcarea electrică a membranei

tiloidului: pozitivă spre lumen și negativă spre stroma tilacoidului.(după Dornell, 1990), ) http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Fig. 4.2. 7. Produșii intermediari prin care sunt transportați electronii

(după Atanasiu, 1984)

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

În 1937, Hill a constatat că în soluții de oxalat feric, cloroplastele, produc la lumină O₂, în lipsă CO₂, iar Fe₃⁺ se reduce la Fe⁺₂. Prin sciziunea moleculelor de apă se produce O₂ și se reduce fierul.

4 Fe₃⁺ + H₂O lumină → 4 Fe₂⁺ + 4 H⁺ +O₂

Reacția Hill, se desfășoară numai în prezența luminii, ea demonsterează că formarea O₂ și reducerea CO₂ aparțin diferitelor faze ale fotosintezei. La lumină are loc sciziunea moleculelor de apă care împreună cu CO₂ participă ca materie primă în fotosinteză.

Până în prezent natura reacției fotochimice nu este cunoscută, însă este cert faptul că la desfășurarea ei participă pigmenții asimilatori care scindează molecula de apă, ducând la degajarea oxigenului și formarea protonilor de hidrogen, acceptorul final de hidrogen fiind NADP⁺.

În 1954-1960, D. I. Arnon în urma a numeroase experimente a evidențiat la suspensiile de cloroplaste izolate din frunze, în prezența luminii, reducerea NADP⁺ la NADPH + H⁺ și formarea din ADP și fosfor anorganic (Pa), ATP.

2ADP + 2Pa +2NADP⁺ + 2H₂O lumina 2ATP + 2NADPH + H⁺ + O2 (boldor, trifu, raianu 1981)

În faza de lumină a fotosintezei, se desfășoară o serie de procese care pot fi grupate în doua categorii:

Absorbția dioxidului de carbon;

Absorbția și transformarea energiei solare în energie chimică.

1. Absorbția dioxidului de carbon, este o reacție fiziologică fotoactivă care se produce la nivelul ostiolului deschis. Aerul încărcat cu dioxid de carbon trece în camera substomatică, difuzând prin spațiile intercelulare libere, unde ajunge în contact direct cu membranele celulozice ale celulelor asimilatoare din țesutul lacunar dispus pe fața inferioară a limbului frunzei sau din țesutul palisadic prezent în partea superioară.

Atunci când pereții celulelor asimilatoare sunt irigați în permanență cu apă absorbită din sol, în spațiile intercelulare pătrunde CO₂ hidrosolubil din aerul circulant care se dizolvă, formând acidul carbonic (H₂CO₃), care la rândul lui se disociază în ioni H⁺, HCO₃ și CO₂,³. Dioxidului de carbon sub formă ionică are capacitatea de a traversa citoplasma ajungând la cloroplaste. Pentru desfășurarea procesului de fotosinteză un rol deosebit de important îl are prezența unei cantități suficiente de apă în țesuturi precum și gradul de deschidere al ostiolelor. Fotosinteza încetează și creșterea plantelor este întreruptă atunci când stomatele sunt închise (în perioade de secetă, noaptea, în lipsa apei).

Absorbția și transformarea energiei solare în energie chimică, este realizată de pigmenții asimilatori care captează lumina sub formă de fotoni. Intensitatea procesului fotofizic depinde de numărul de fotoni absorbiți, necesarul de lumină pentru desfășurarea fotosintezei exprimându-se prin numărul de coante luminoase/moleculă. Acest proces este posibil datorită derulării mai multor etape succesive:

absorbția energiei luminoase și migrația în sistemul de pigmenți a energiei excitante;

oxidarea centrului de reactie și stabilizarea sarcinilor separate;

transferarea electronilor pe lanțul transportor de electroni;

fotooxidarea apei care duce la degajarea oxigenului molecular;

conjugarea transportului electronilor însoțită de transferul de protoni și sinteza ATP-ului.

În urma experimentelor s-a demonstrat că are loc reducerea substanței acceptoare de hidrogen ca urmare a sciziunii moleculelor de apă și formarea de ATP prin procesul de fotofosforilare, ce înmagazinează sub formă de grupări fosforice macroergice, o parte din energia luminoasă absorbită.

În 1941 R. Emerson, furnizează informații detaliate asupra fazei de lumină a fotosintezei, a experimentelor făcute cu Chlorella. El a observant că la o iluminare doar cu radiații roșii cu lungime de undă mare, intensitatea fotosintezei scade brusc, fapt ce demonstrează existența unei legături între lungimile de undă mici și mari ale spectrului.

În 1957 Emerson, reia experimentele cu Chlorella, cărora le administrează radiații cu lungime de undă de 700 nm și observă o intensitate relativ redusă a fotosintezei. În cazul administrării concomitente a unei radiații ce are lungime de undă mai mică de 670 nm observă creșterea intensitații fotosintezei astfel încât valoarea obținută depășește suma valorilor obținute în cazul administrării celor două radiații separate. Această intensitate a fotosintezei cunoscută și sub numele de efect Emerson, sugerează că în procesul de fotosinteză participă două reacții sau sisteme fotochimice.

Ulterior cercetările au scos la iveală faptul că, clorofila a se găsește în grana cloroplastelor în două forme: una cu maxima de absorbție la 690 nm și una la 700 nm. Din punct de vedere chimic cele două forme corespund aceluiași tip de clorofila a, poziționarea diferită a moleculelor lor, a celor lipidice și proteice în interiorul cloroplastelor, le conferă proprietatea de a absorbii radiații cu lungimi de undă diferite. Cele două clorofile corespund la două fotosisteme, denumite sistem fotochimic I și sistem fotochimic II.

Sistem fotochimic I conține moleculele de clorofilă a cu maxima de absorbție la 700 nm, în timp ce sistemul fotochimic II pe lângă moleculele de clorofila a cu maxima de absorbție la 690 nm conține și alți pigmenți asimilatori precum clorofila b și pigmenții carotenoizi, dar și pigmenți ficobilini întâlniți în algele roșii și albastre-verzi. Sistemele fotochimice prezintă câte un centru de reacție, ce functionează ca pompe de electroni, deoarece moleculele de clorofilă a reunite în centrul de reacție, când ajung în starea de excitație emit electroni de energie înaltă, prin acceptarea electronilor cu potențial energetic normal revenind la starea fundamentală. Aproximativ 99% din moleculele de clorofila a din cele două sisteme fotochimice precum și celelalte molecule de pigmenți asimilatori care aparțin sistemului fotochimic II, îndeplinesc rolul de antene, ele captează radiațiile de lumină și transferă energia lor moleculelor centrului de reacție.

Rolul reducătorului moleculelor de clorofila a, din centrul de reacție al sistemului fotochimic I, este îndeplinit de citocromul f, iar cel de oxidant de o proteină ce conține fier. Reducerea moleculelor de clorofilă a din centrul de reacție al sistemului fotochimic II, se realizează cu ajutorul unei substanțe necunoscute care conține mangan. Această etapă de scindare a moleculelor de apă în H⁺ și OH⁻ este cel mai puțin cunoscută.

R. Hill si F. Bendal consideră că cele două sisteme fotochimice care au centrii de reacție ce funcționează ca pompă de electroni, sunt legate în serie, iar elecrtonii emiși de sistemului fotochimic II sunt preluaăți de plastichinină și cu ajutorul unui lanț de citocromi sunt duși la sistemului fotochimic I, readucând la stare stabilă moleculele de clorofilă a din centrul de reacție. La rândul lor electronii emiși de sistemului fotochimic I sunt preluați de ferodoxină și cu ajutorul unei flavoproteine sunt duși împreună cu hidrogenul la NADP⁺ care se reduce la NADPH + H⁺.

De aici se deduce faptul că pe parcursul fazei de lumină, electronii furnizați de apă sunt excitați succesiv la nivelul sistemului fotochimic II și apoi la nivelul sistemului fotochimic I de către radiațiile luminoase producându-se o fotofosforilare, prin înglobarea unei părți din energia luminoasă în energie chimica sub formă de grupări fosforice macroergice în ATP, de la citocromul b la citocromul f. Fosforilarea ciclică se desfășoară prin reducerea citocromului b₆ și ferodoxinei, fotofosforilarea se face fără participarea apei și degajare de O₂, fiind excitat doar sistemului fotochimic I iar electronii emiși de centrul său de reacție își reiau locul după ce trec prin: feredoxină, citocromul b₆ și f, moleculele de clorofilă a respingând proprii electroni emiși, generându-se doar ATP.

Fosforilarea aciclică se desfășoară la nivelul centrului de reacție al sistemului fotochimic II, moleculele de clorofilă a revin la stabilitate datorită electronilor proveniți din apă, având loc reducerea NADP⁺ la NADPH + H⁺.

Organizarea functională a moleculelor pigmenților asimilatori din cele două sisteme fotochimice în centrii de reacție și antene, permite realizarea unui randament fotosintetic mai bun deoarece pigmenții antenelor absorb individual un număr mic de fotoni pe secundă, colectează și transmit energia fotonilor absorbiți centrilor de reacție, pompând număr mare de electroni de energie înaltă pe secundă.

Dacă fiecare moleculă de clorofilă a ar funcționa ca pompă de electroni, fiecare ar trebui să prezinte un set propriu de substanțe care transportă electronii caracteristici fiecărui sistem fotochimic iar lumina ar fi absorbită în cantitate mică ducând la scăderea randamentului fotosintezei.

Cercetările efectuate în vederea cunoașterii reacțiilor caracteristice fazei de lumină au arătat faptul că prezența luminii este necesară numai pentru desfășurarea reacției fotochimice precum și faptul că reacțiile pot avea loc și în absența CO₂.

La bacteriile fotosintetizante sursa electronilor care readuc moleculele pigmenților asimilatori de la starea de excitație la cea fundamentală se datorează altor substanțe care diferă în funcție de tipul de bacterie, acestea prezentând un singur tip de sistem fotochimic ai cărui centrii de reacție conțin bacterioclorofilă sau bacterioviridină în funcție de tipul bacteriei. În aceste cazuri fotofosforilarea este aciclică și constă în formarea de ATP din ADP și fosfor organic (Pa), iar transferul electronilor se soldeaza cu reducerea NAD⁺ la NADH + H⁺, prin preluarea protonilor de hidrogen de la substanța donatoare de electroni. Particularitatea fotosintezei bacteriene este reprezentată de faptul că nu se produce niciodată oxigen în timpul desfășurării ei.

4.3. FAZA DE ÎNTUNERIC A FOTOSINTEZEI

Faza de întuneric a fotosintezei mai este cunoscută și sub numele de faza Blakman, care în anul 1905, în urma experimentelor efectuate a constatat existența în cadrul procesului de fotosinteză a reacțiilor fotochimice și termochimice.

Începând cu anul 1946, M. Calvin, A. A. Benson și J. A. Bassham, în urma cercetarilor efectuate au furnizat cunostințe referitoare la faza de întuneric a fotosintezei. Ei au făcut cercetări legate de stabilirea substanței acceptoare de CO₂ și a primului produs fotosintetic, stabilind ansamblul de reacții care regenerează acceptorul de CO₂ și stabilirea bilanțului ciclic al acestui proces.

Faza de întuneric a fotosintezei constă în reacții biochimice independente de lumină dar dependente de temperatură în care intervin anumite enzime prezente în stroma cloroplastelor.

Principalele reacții ale acestei faze sunt: – reducerea CO₂

-integrarea C pe substanța acceptoare

-cedarea energiei înmagazinată în ATP și în NADP care se reduce în substanțe organice primare formate în fotosinteză și polimerizarea lor în substanțe organice complexe.

În 1948, conform teoriei lui S. Ruben și M. D. Kamen, prima reacție a carboxilării fotosintetice constă în fixarea CO₂ pe un complex organic acceptor, existent în stroma cloroplastelor.

Există diferite căi de reducere a CO₂, printre care ciclul Benson-Calvin, caracteristic tuturor grupelor de plante superioare, el include ciclul de reacții enzimatice care prezintă trei etape principale: carboxilare, reducere și regenerare.

În etapa de carboxilare acceptorul primar de CO₂ prezintă cinci atomi de carbon, ribulozo-1,5-difosfat, format prin fosforilarea secundară a ribulozo-5-fosfatului prin participarea ATP-ului și a fosforibulozokinazei. Sub acțiunea ribulozodifosfatcarboxilazei/oxigenazei (RUBISCO), enzima cheie hidrosolubilă a procesului de fotosinteză, ribulozo-1,5-difosfatul alipește o moleculă de CO₂ la nivelul celui de-al doilea atom de carbon și una de apă, dând naștere unui compus instabil care conține șase atomi de carbon, care se descompune în două molecule de acid 3-fosfogliceric. Produsul carboxilarii este o moleculă care are trei atomi de carbon, purtând și numele de ciclul C₃.

CH₂OP

|

C=O CH₂OP CH₂OP

| | |

CO₂ + CHOH + H₂O RUBISCO CHOH + CHOH

| | |

CHOH COOH COOH

|

CH₂OP

Ribulozo-1,5-difosfatul Acid 3-fosfogliceric

Acidul 3-fosfogliceric, în etapa de reducere prezintă un nivel energetic inferior celui al glucidelor, iar reducerea compusului până la triozofosfat se poate face numai dacă se utilizeaza energia ATP-ului și NADPH + H⁺. Prin intermediul a două reacții, acidul fosfogliceric se reduce la aldehidă fosfoglicerică. Sub influența fosfoglicerat-kinazei, în prezența ATP-ului, se produce fosforilarea acidului 3-fosfogliceric obținându-se acidul 1,3 fosfogliceric, care în a doua reacție în prezența NADPH⁺ + H⁺ se transformă în aldehidă fosfoglicerică cu ajutorul dehidrogenazei aldehidei fosfoglicerice. La rândul ei aldehida fosfoglicerică se transformă în fosfodioxiacetonă prin izomerizare în prezența triozofosfatizomerazei. Această etapă unică de reducere enzimatică a ciclului Calvin, utilizează NADPH + H⁺ acumulat în reacțiile fotochimice, iar pentru producerea acestei reacții a fost folosită ca energie suplimentară ATP-ul.

CH₂OP CH₂OP

| |

CHOH + ATP + NADPH + H⁺.____ CHOH + ADP + Pa + NADP⁺ + H₂O

| |

COOH CHO

Acid 3-fosfogliceric Aldehida fosfoglicerica

(MARIA DUCA 2006, pag 88)

În cea de-a treia etapă are loc regenerarea acceptorului ribulozo-1,5-difosfat printr-o serie de transformări reciproce ale glucidelor care au număr variabil de atomi de carbon: tetroze, trioze, sedoheptuloze, hexoze. Aceste reacții permit catalizarea transferului fragmentelor compuse din doi respectiv trei atomi de carbon sub acțiunea transcetolazei și transaldolazei, de la cetoze la aldoze și izomeraze.

În urma absorbției a trei molecule de dioxid de carbon rezultă șase molecule de trei fosfotrioze reduse, dintre acestea una este pusă în libertate iar celelalte cinci sunt folosite la regenerarea ribulozo-5-fosfatului. În urma reacției din cinci molecule de triozofosfat, se formează trei molecule de pentozofosfat, care se transformă în ribulozodifosfat, în urma fosforilarii secundare în prezența ATP-ului, putând îndeplini funcția de acceptor primar de dioxid de carbon.

Pentru realizarea unui ciclu de reacții sunt necesare permanent trei molecule de ATP și doua de NADPH+ H⁺. Pentru biosinteza glucozei, fructozei, amidonului, a unor aminoacizi, la nivelul cloroplastului se poate utiliza aldehida fosfoglicerică pusă în libertate. Ea poate traversa membrana cloroplastului, până în citoplasmă unde are loc sinteza hexozelor. Fructozo-1,6-difosfatul rezultă în urma condensării aldolice a fosfodioxiacetonei și aldehidei fosfoglicerice, iar în urma condensării a două molecule de aldehidă fosfoglicerică se formează glucozo-1,6-difosfatul.

Zaharoza cea mai importantă formă de glucide transportată în plante, rezultă din fuziunea unei molecule de glucoză cu una de fructoză. Acestea reprezentând substraturi necesare desfășurării procesului respirator în timp ce compușii intermediari rezultați contribuie la sinteza diferitelor substante organice.

Reacțiile fazei de întuneric la bacteriile fotosintetizante , par a fi identice cu cele de la plantele verzi stabilite de Calvin.

În anul 1965 H. P. Kortschak, C. E. Hartt, G. B. Burr, au făcut cercetări la trestia de zahăr și au ajuns la concluzia că fixarea dioxidului de carbon de către această plantă nu corespunde cu descrierea lui Calvin. Potrivit studiilor lor, radiocarbonul se acumulează în cantitate mare în acidul malic, rezultând deci un compus cu patru atomi de carbon în moleculă.

Atunci când dioxidul de carbon marcat cu carbon 14 se acumulează în cantitate mare în acidul malic, acesta este fixat la plante atât în structura frunzelor cât și a cloroplastelor. În aceste cazuri celulele mezofilului sunt așezate radiar în jurul tecii fasciculare, conțin puțin amidon și prezintă cloroplaste cu tilacoide și grana normale, până când celulele tecii fasciculare care înmagazinează mult amidon, conțin cloroplaste cu grane slab dezvoltate.

În 1970, D. M. Hatch și R. C. Slack, elucidează mecanismul de fixare la plante al dioxidului de carbon și procesele care facilitează regenerarea acceptorului de dioxid de carbon. Ei au stabilit că în celulele mezofilului dioxidul de carbon se fixează pe acidul fosfoenolpiruvic (PEP), formând acid oxalil-acetic (Ox-Ac), care cu ajutorul hidrogenului provenit de la NADPH+H⁺ format în faza de lumină, este redus la malat. La nivelul celulelor din teaca fasciculară, malatul, este supus degradării enzimatice rezultân acid piruvic (Py) și dioxid de carbon.

În faza de lumină a fotosintezei se formează ATP-ul care participă la reacția ce se desfășoară în celulele mezofilului, prin care acidul piruvic se transformă din nou în PEP. În ciclul Calvin, desfășurat la nivelul celulelor din teaca fasciculară, intră dioxidul de carbon care rezultă în urma decarboxilarii malatului și este fixat pe ribulozo-1,5-difosfat (RuDP). Celulele tecii fasciculare captează direct dioxidul de carbon, producând cantități mari de acid fosfogliceric (AGP), o parte din acest acid se transformă în aldehidă fosfoglicerică (PGA), din care se formează produși de asimilație la nivelul celulelor mezofilului.

Fig. 4.3. 8. Schema fixării fotosintetice a CO2 la plantele de tip C3

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Această modalitate de fixare și reducere a CO₂ este cunoscută sub denimirea de calea C₄, care este caracteristică plantelor de tip Hatch și Slack sau de tip C₄, întrucât în urma fixării CO₂ se formează substanțe cu patru atomi de carbon în catenă, spre deosebire de plantele care recurg la calea C₃, caracteristică așa-numitelor plante de tip C₃ sau de tip Calvin, la care primele substanțe rezultate în urma fixării CO₂

conțin trei atomi de carbon în moleculă (Boldor ,Trifu, Raianu 1981, p 123).

În prezent se cunosc sute de specii de mono- si dicotoledonate, care trăiesc în deșerturi aride, păduri tropicale umbroase și umede, condiții care nu permit desfășurarea fotosintezei în mod normal, și care aparțin tipului Hatch și Slack. Deoarece la aceste plante acidul fosfoenolpiruvic este mult mai reactiv cu dioxidul de carbon, decât ribulozo-1,5-difosfat, asimilația este foarte intensă. Concentrația dioxidului de carbon, în spațiile intercelulare ale frunzelor la aceste plante este mică fapt ce facilitează difuziunea intensă a dioxidului de carbon din atmosferă în spațiile intercelulare ale ostiolelor stomatelor indiferent de gradul de deschidere al acestora. În acest fel chiar în regiunile aride aceste plante pot desfășura o fotosinteză intensă fără să se deshidrateze. Vegetația luxuriantă care trăiește în zonele ecuatoriale și tropicale, datorită acestei adaptări poate folosi cantități mici din dioxidul de carbon prezent în jurul plantelor pentru desfășurarea procesului de fotosinteză. Reacțiile biochimice la aceste plante sunt separate spațial având loc în celule care aparțin unor țesuturi diferite ( teaca fasciculară asimilatoare, mezofil).

Există și plante suculente care aparțin familiilor Cactaceae, Crassulaceae, Liliaceae etc., care pe timp de noapte fixează cantități mari de dioxidul de carbon pe acidul fosfoenolpiruvic, formând malat prezent în sucul vacuolar al celulelor asimilatoare și care este metabolizat fomând dioxid de carbon și acid piruvic în timpul fazei de lumină. La rândul lui acidul piruvic se transformă în acidul fosfoenolpiruvic, în timp ce dioxidul de carbon este fixat pe ribulozo-1,5-difosfat intrând în ciclul Calvin. Prin urmare vacuolele mari din celulele acestor plante servesc atât la acumularea și retinerea apei cât și ca rezerve de dioxid de carbon necesar desfășurarii fotosintezei.

Fig. 4.3. 9 Schema fixării fotosintetice a CO2 la plante de tip C4

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

Plantele de tip CAM, sunt plante suculente, care trăiesc în locuri secetoase, care fixează dioxidul de carbon noaptea, utilizândul în timpul fazei de lumină a fotosintezei. Această separare a proceselor permite acestor plante să-și asigure necesarul de dioxid de carbon fară a pierde din conținutul de apă, stomatele lor fiind deschise la minim ziua, randamentul fotosintezei fiind scăzut.

Frunzele de Crassula prezintă mezofil omogen, însă celulele de la exterior conțin un număr mare de cloroplaste, comparativ cu centrul frunzei, structura lor fiind apropiată de plantele de tip C₃. Frunza speciilor de Crassulaceae prezintă textură cărnoasă care permite reținerea în țesuturi a apei și reducerea schimburilor de gaze. La aceste plante reacțiile biochimice sunt separate în timpul zi/noapte și se desfășoară în aceleași celule.

Fig. 4.3. 10. Calea CAM (metabolismul acid de la crassulaceae)

http://www.scritub.com/biologie/botanica/Fotosinteza-Organitele-fotosin12374.php

În natură există puține locații geografice și ecologice care să fie strict specifice unei anumite căi fotosintetice de asimilare a carbonului. De obicei speciile de plante care aparțin tipului C₃ sunt predominante în zonele temperate și subtemperate, ele ocupând habitate însorite și umbrite, însă pot fi găsite și în alte regiuni, mai puțin în zonele aride. Plantele aparținătoare tipului C₄ trăiesc adesea în regiuni tropicale și subtropicale, în zone aride, unde temperatura depășește 30⁰ C, iar lumina are intensitate ridicată, rareori se găsesc în habitate umbrite. În mediile aride, tropicale și subtropicale dar și în unele zone bogate în săruri, întalnim plante de tip CAM.

Plantele de tip CAM și C₄ sunt rezistente la secetă și prezintă grad înalt de halofilie, se consideră că pentru a face față presiunii mediului salin, ciclul C₃ a suferit modificări care au dat naștere ciclului C₄. În lipsa ionilor de Na, plantele de tip C₄ suferă necroze și cloroze caracteristice, la plantele C₃, însă sodiul nu este absolut necesar. Balanța între plantele de tip C₃ și C₄ este influențată de vârsta frunzelor precum și de nutriția mineralelor în special de Na+, acesta favorizând trecerea de la C₃ la C₄ sau CAM. Însă dacă este suprimat aportul de clorură de sodiu din mediul de cultură al unei plante de tip CAM aceasta tinde să devină tip C₃.

Pentru plantele CAM în reglarea metabolismului un rol important îl are asocierea regimului hidric cu fotoperioada și temperatura.

De ex: pentru Opunția când filocladiile au nivel hidric ridicat, fixarea nocturnă a dioxidului de carbon este ridicată prin formarea acidului malic. Ziua stomatele sunt închise, plantele asimilând dioxidul de carbon din decarboxilarea acizilor dicarboxilici acumulați în vacuole în ciclul C₄. Această adaptare permite plantelor să nu deschidă stomatele pe timpul zilei, procesul de fotosinteză nefiind afectat la tipul C₄ în timp ce la C₃ închiderea stomatelor ziua duce la reducerea serioasă a fotosintezei.

Plantele CAM prezente în mediul arid, plantele C₄ frecvente la altitudini joase în habitate semiaride și C₃ în zone nordice, temperate la latitudini ridicate, denotă strategiile la care recurg plantele în vederea adaptării la condițiile de mediu.

CAPITOLUL V

FACTORII CARE INFLUENȚEAZA

INTENSITATEA FOTOSINTEZEI

5.1 NOȚIUNI GENERALE

Cunoașterea acțiunii diferiților factori, care acționează asupra intensității procesului de fotosinteză, constituie un proces de mare însemnătate științifică, deoarece cu ajutorul acestor factori ajungem să cunoaștem mai în detaliu modul de desfășurare al acestui proces.

Cunoscând îndeaproape acțiunea diferiților factori de mediu asupra intensității procesului de fotosinteză putem intervenii în stabilirea unor condiții aproapiate de optim pentru desfășurarea acestui proces, mergând până la modificarea naturii plantelor în special a celor din domeniul agricol.

Desfășurarea procesului de fotosinteză este influențat de un număr mare de factori de mediului externi, care au acțiune periodică sau permanentă ducând la limitarea desfășurării procesului de fotosinteză. Metoda folosită în cercetarea acțiunii factorilor de mediu asupra fotosintezei constă în determinarea intensității fotosintezei atunci când factorii de mediu sunt ținuți în condiții constante cu excepția unui singur factor care va fi modificat, urmând apoi studierea acestui factor în raport cu încă unul sau doi factori.

Însă desfășurarea procesului de fotosinteză este influențată nu numai de factorii externi ci și de cei interni care au legătură cu starea fiziologică a organismului în momentul respectiv dar și cu particularitățile fiecărei specii de plante.

5.2. INFLUENȚA FACTORILOR EXTERNI

ASUPRA FOTOSINTEZEI

În decursul timpului au fost realizate numeroase cercetări care au făcut referire la influența factorilor externi asupra desfășurarii intensității procesului de fotosinteză.

În anul 1860, Sachs, emite o teorie conform căreia fiecare factor extern prezintă trei momente importante în desfășurarea acestui proces: minim (când începe manifestarea procesului), optim (fenomenul se desfășoara la intensitate constantă) și maxim (când încetează fenomenul), cunoscute și sub numele de puncte cardinale, legea minimului fiind emisă de Leibig.

Cercetările au scos la iveală faptul că valorile unui factor de mediu sunt influențate de valorile de intensitate ale celorlalți factori din mediul respectiv dar și de specia de plantă cercetată. Studierea factorilor de mediu care influențează intensitatea fotosintezei nu se poate face izolat, ci în relație unii cu altii.

Blackman, în 1905, pe baza legii minimului emite teoria factorilor limitanți. El consideră că valoarea intensității fotosintezei este limitată, de către factorul care se găsește la minimum la un moment dat indiferent de valorile celorlalți factori care influențează fotosinteza în același moment. Conform lui, influența factorilor externi asupra intensității procesului de fotosinteză se poate determina cu o bună aproximație între anumite limite.

Pentru determinarea intensității fotosintezei se însumează acest fenomen care se desfășoara la nivelul milioanelor de cloroplaste care se găsesc în alge unicelulare, taluri, în celulele frunzelor, deoarece fiecare cloroplast sau celulă, nu pot fi supuse simultan și uniform acelorași condiții.

Dintre factorii externi care influențează desfășurarea procesului de fotosinteză se numără: lumina, temperatura, concentrația de CO₂ și concentrația de O₂

Lumina influențează desfășurarea procesului de fotosinteză prin calitate, durată și intensitate.

În anul 1905, T.H. Brown și F. Escombe, au constatat că frunzele plantelor absorb doar 70% din energia luminii care cade pe suprafața lor din care ( 1% este folosită pentru desfășurarea fotosintezei, 20% crește temperatura frunzei peste valoarea mediului înconjurător cu 1-2⁰ C, în timp ce restul de 49% se elimină din frunze prin transpirație), 10% din energia totală strabate frunzele dar nu este absorbită iar restul de 20% este reflectată de frunze risipindu-se în spațiu.

Cantitatea de lumină care străbate frunzele, care este reflectată, este influențată de structura plantelor și anume de: proprietățile cuticulei (mată, netedă, lucioasă), grosimea frunzelor, cantitatea pigmenților asimilatori.

Lumina are rol declanșator în procesele care măresc gradul de deschidere al stomatelor dar și asupra respirației frunzelor la plante.

Pentru determinarea intensității fotosintezei cu o precizie mai mare în funcție de intensitatea luminii se folosește de obicei lumina artificială, deoarece intensitatea acesteia se realizează prin schimbarea becurilor sau a distanței acestora față de plante.

În mediul natural, intensitatea luminii variază în limite foarte mari în funcție de perioada zilei, de stratul de aer, precum și de prezența norilor care cu cât sunt mai deși și groși, slăbesc intensitatea luminii.

Fotosinteza se desfășoară diferit în funcție de intensitatea luminii, dar și de adaptarea plantelor la condițiile de iluminare din habitat. Intensitatea fotosintezei la plantele heliofile, ce trăiesc în locuri însorite, crește până la 50-60% din intensitatea maximă a luminii solare directe, care poate atinge la 100 000 lucși, vara, în zilele însorite. În cazul plantelor sciatofile, care trăiesc la umbră, în aceleași condiții, intensitatea fotosintezei crește doar cu aproximativ 10%, după care scade cu creșterea iluminării. Intensitatea luminii la care respirația și fotosinteza se desfășoară cu aceeași intensitate, diferă la aceste două grupe de plante, la sciatofile iluminarea fiind mai mică comparativ cu plantele heliofile.

În ceea ce privește compoziția ei, lumina influențează fotosinteza prin lungimea de undă a radiațiilor cu care sunt iluminate plantele. În urma comparării spectrului de absorbției al plantelor cu spectrul de acțiune al fotosintezei s-a descoperit faptul că mersul fotosintezei în radiațiile monocromatice depinde de tipurile de pigmenți asimilatori care diferă în funcție de grupele de plante precum și de capacitatea acestor pigmenți de a absorbi din spectrul vizibil, deferite radiații. Însă plantele în decursul evoluției au elaborat anumiți pigmenți care le-au permis absorbția în condiții optime a radiațiilor luminoase din mediul lor de viață. În mediul acvatic de exemplu, radiațiile albastre ajung până la 500 m adâncime, în timp ce radiațiile roșii nu ajung nici până la 34 m.

Influența luminii asupra intensității fotosintezei se manifestă și prin acțiunea pe care aceasta o are asupra intensității respirației frunzelor la unele plante. De-a lungul mai multor ani au fost realizate numeroase cercetări care au atestat faptul că, la unele grupe de alge și la unele plante superioare de tipul C₃ în lumină, concomitent cu procesul de fotosinteză, are loc un proces care diferă de respirația tipică dar care se desfășoară identic cu acesta și anume se elimină CO₂ și se absoarbe O₂. Acest proces numit fotorespirație și care este ineficient din punct de vedere energetic se deosebeste de respirația mitocondrială prin insensibilitatea pe care o are față de inhibitorii acesteia. În 1969 I. Zelitch, consideră că la întuneric respirația frunzelor este de câteva ori mai mică decât intensitatea fotorespirației, însă funcția biologică a fotorespirației nu este pe deplin elucidată, se consideră că are rol de supapă de siguranță care menține aproape constantă forța reducătoare la plantele aflate la lumină. În timpul perioadei de lumină în celulele asimilatoare se desfasoară și respirația tipică, mitocondrială; insensibilă la lumină și eficientă din punct de vedere energetic.

Ca substrat al fotorespirației servește acidul glicolic, care se formează, probabil, din surplusul de 1,5-ribulozodifosfat produs în cursul ciclului lui Calvin, conform reactiei:

CH₂P–CHOH–CHOH–CO–CH₂OP+O₂→CH₂OP–CHOH–COOH+CH₂OP-COOH

rezultând acid fosfogliceric (APG) și acid fosfoglicolic. Prin formarea glicolatului ( acid fosfoglicolic) se termină reacțiile dependente de lumină. Reacțiile de transformare ale glicolatului până la glicerat se efectuează cu pierdere de energie, folosită sub forma de ATP și NADPH + H+.( BOLDOR TRIFU RAIANU 1981)

Pentru prima dată fotorespirația a fost evidențiată la plantele de tip Calvin, fotorespirație relativ slabă, se intâlnește la plantele de tip Hatch și Slack, însă în anul 1969 H. Fok, a precizat că fotorespirație intensă se întâlnește și la numeroase plante de tip C4. Risipirea energiei ar fi impiedicată dacă ar exista inhibitori specifici fotorespirației care ar permite dublarea sau chiar triplarea productivității unor plante cultivate.

Plantele de tip C₃ datorită fotorespirației asimilează cu intensitate redusă CO₂ (15-30 mg CO₂/dm₂ /h), în timp ce plantele de tip C₄ asimilează intens atingând valori de 50-70 mg CO₂/dm₂ /h.

Temperatura. Fotosinteza, proces vital plantelor se desfășoară într-un interval biocinetic de temperaturi, partea fotochimică a procesului de fotosinteză este independent de temperatură în schimb partea biochimică care este controlată de enzime, este dependentă de temperaturi. Însă plantele prezintă o mare varietate și capacitate de a se adapta la temperaturi extreme: lichenii, mușchii și coniferele, iarna sunt verzi păstrând capacitatea de fotosinteză, unele alge din lacurile termale cresc și la 80⁰ C. Blackman, în urma studiilor efectuate a demonstrat că temperatura reprezintă un factor limitant al fotosintezei.

După modul în care temperatura influențează intensitatea procesului de fotosinteză, aceasta se împarte în trei categorii:

temperatura minimă, reprezintă temperatura cea mai joasă la care procesul de fotosinteză începe să se manifeste;

temperatura optimă, este temperatura la care procesul de fotosinteză decurge la cea mai mare intensitate și este constantă în timp;

temperatura maximă, constituie temperatura la care nu mai poate avea loc fotosinteza.

Procesul de fotosinteză începe în general la temperaturi ușor negative, intensitatea ei crescând o dată cu creșterea temperaturii până la valori de 30-37⁰ C în funcție de tipul și mediului la care planta este adaptată, după această temperatură fotosinteza începe să scadă brusc, încetinindu-se la valoarea de 50⁰ C. Intensitatea fotosintezei scade cu atât mai repede cu cât temteratura foarte ridicată acționează timp îndelungat deoarece are loc procesul de inactivare a cloroplastelor, prin modificarea structurii lor sau a activității enzimelor. Condițiile de iluminare precum și concentrația CO₂ din mediu au o legătură strânsă cu temperatura optimă a fotosintezei. La plantele mezoterme caracteristice țării noastre, temperatura optimă a fotosintezei se încadrează între 20-30⁰ C.

Limitele inferioară și superioară ale temperaturii la care se desfășoară fotosinteza variază în funcție de tipurile de plante. Plantele cu frunze aciculare persistente iarna, asimilează și la temperatura de -6⁰ C, iar frunzele grâului de toamna, asimilează până la -2⁰ C; la polul opus se situează temperaturile maxime, adică la temperaturi mai mici de 45-50⁰ C la plantele din regiunea noastră fotosinteza încetează pe când la plantele din regiunile sudice fotosinteza încetează la 50-55⁰ C.

Intensitatea fotosintezei crește mult la plantele expuse între temperatura minimă și cea optimă la lumină puternică.

Sălăgeanu și Atanasiu, în urma experimentelor făcute la anumite conifere, la plante sempervirente foioase, și cereale de toamnă, au descoperit că temperaturile minime ale fotosintezei sunt cuprinse între -2⁰ si -6⁰ C, în timp ce la temperaturi cuprinse între -7⁰ și -9⁰ C, fotosinteza se găsește sub punctul de compensație. Punctul de compensație al luminii reprezintă valoarea intensității luminii la care emisia oxigenului prin fotosinteză este egală cu absorbția lui prin respirațire sau absorbția dioxidului de carbon este egală cu cea eliminată prin respirație.

Sălăgeanu, a descoperit că la plantele submerse ( Chladophora, Helodea) fotosinteza are loc și la 0⁰ C, plantele pot desfășura procesul de fotosinteză dacă apa nu este înghețată.

Între 1969-1972, Atanasiu, a realizat numeroase experimente cu mușchi și licheni montani constatând că în funcție de specie, temperatura minimă de desfășurare a fotosintezei este situată între -7⁰ si -10⁰ C, deoarece la aceste plante aparatul fotosintetic se adaptează cel mai bine temperaturilor scăzute de mediu.

Temperatura scăzută afectează fotosinteza atât direct prin scăderea activității enzimelor care participă la reacțiile de întuneric ale fotosintezei cât și indirect prin formarea gheții în spațiile intercelulare și celulare. Apa înghețată la nivel celular afectează structura fină a celulelor și cloroplastelor, scade apa liberă, produce deteriorari mecanice care afectează permeabilitatea membranelor, în timp ce gheața formată înte celule duce la deshidratarea acestora. La plantele submerse de apă dulce, fotosinteza se desfăsoară până la temperatura la care îngheață apa, adică 0⁰ C, în schimb în Oceanul Înghetat de N și S, fotosinteza algelor se desfăsoară până la -2⁰ C, temperatura la care îngheață apa aici.

Temperaturile foarte ridicate din mijlocul zilelor senine de vară influențează și ele negativ procesul de fotosinteză. Aceste efecte negative în prima fază pot fi reversibile, însă după un timp îndelungat devin ireversibile, la temperatura de 55-60⁰ C cele mai multe frunze și alge mor, însă aparatul fotosintetic este mult mai devreme afectat de temperatura ridicată a citoplasmei ceea ce duce la inhibarea fotosintezei. Excepție de la această regulă fac algele care trăiesc în ape termale acestea desfășurând fotosinteza și la 70⁰ C.

Harder, a demonstrate că plantele într-un timp relativ scurt, își adaptează fotosinteza la temperatura mediului înconjurător, în condiții naturale optimul fotosintezei fiind rar atins.

Cel mai ușor se studiază intensitatea fotosintezei la plantele superioare submerse, deoarece temperatura frunzelor acestor plante este aceeași cu cea a apei, deoarece la frunze aeriene temperatura diferă de cea a aerului. Când se fac astfel de experiențe trebuie să se aibă în vedere fotosinteza reală, și nu cea aparentă, deoarece temperatura influențează foarte mult intensitatea respirației.

Concentrația CO₂ din aer limitează permanent fotosinteza, aceasta fiind un important fenomen consumator al acestuia. Concentrația CO₂ care se menține relativ constantă datorită raportului dintre respirație și fotosinteză și a vitezei mari de difuziune a gazelor în natură, este considerată suboprimală față de posibilitățile asimilatorii ale plantelor.

Variațiile relativ mici ale concentrației dioxidului de carbon pot avea loc:

dimineața devreme când concentrația dioxidului de carbon este mai mare comparativ cu după amiaza, deoarece ziua are loc fotosinteza, noaptea plantele respire;

vara concentrația este mai mică raportat la primăvară și toamnă când crește;

o data cu creșterea altitudinii concentrația CO₂ scade datorită temperaturii scăzute a solului, respirația microorganismelor este redusă;

în păduri, culturi de cereale, în aer liniștit cantitatea de CO₂ este redusă acesta fiind consumată în cantități mari de arbori.

În natură cantitatea de dioxid de carbon produsă de erupțiile vulcanilor stinși și activi, arderea combustibililor, puternica industrializare, respirația viețuitoarelor, este din ce în ce mai mare. Dioxidul de carbon prezent în natură are origine biogenă, plantele sunt cele mai mari producătoare de CO₂, depăsind cantitatea produsă de animale și oameni la un loc.

Menținerea concentrației CO₂ din atmosferă este realizată de apa mărilor și oceanelor, acestea dispunând de depozite imense de CO₂, mare parte din el provenind din respirația animalelor și plantelor marine. Plantele submerse folosesc în procesul de fotosinteză o parte din acest CO₂ pe care apoi îl degajă prin respirație și după moarte prin descompunere. Cochiliile și scheletele animalelor eliberează CO₂ coform reactiei:

Ca(HCO₃)₂ → CaCO₃ + CO₂ + H₂O

Scăderea concentrației CO₂ din atmosferă este compensată prin eliberarea CO₂ oceanic și invers, în acest fel fiind menținută în echilibru concentrația CO₂ din atmosferă și oceane; algele și plantele submerse absorb ușor CO₂ neionizat, cromatoforii fiind situați la ele în imediata apropiere a membrane celulare.

Încă de la începutul secolului nostru au fost realizate numeroase cercetări cu privire la difuziunea CO₂ prin porii stomatelor în frunze, ajungându-se la concluzia că CO₂ atmosferic difuzează repede prin stomate în mezofilul frunzei și că epiderma nu are rol major asupra intensității procesului de fotosinteză. Gazele difuzează rapid și ușor prin stomatele frunzelor plantelor aeriene, acestea fiind subțiri iar grosimea epidermei mică ceea ce determină ca intrarea și ieșirea gazelor să se realizeze ușor. CO₂ difuzează în apă, și se dizolvă trecând prin citoplasmă în cloroplaste.

Atunci când concentrația CO₂ este mică de 0,03%, dar normală în aerul atmosferic intensitatea procesului de fotosinteză crește o dată cu cea a concentrației CO₂, efectele toxice apărând la concentrații de 10% CO₂.

Sălăgeanu constată că plantele crescute la umbră, la concentrații de 0,5-1% CO₂, au fotosinteza cea mai intensă, în schimb la plantele crescute la soare fotosinteza este intensă la concentrații de 2-3% CO₂, apoi se instalează platoul, în timp ce plantele care posedă cantități mari de acizi organici înregistrează valori maxime ale fotosintezei la aproape 10% concentrație de CO₂. Concentrația CO₂ la care se atinge nivelul de saturație a fotosintezei diferă în funcție de specie și intensitatea luminii: concentrația CO₂ cuprinsă între 3-5% are efecte inhibitoare asupra fotosintezei în timp ce valorile de 10-15% au efect toxic care nu este foarte bine cunoscut. Influența concentrației mari a CO₂, asupra intensității fotosintezei, și-a găsit aplicație în culturile de sere, aerul fiind îmbogățit cu CO₂.

Concentrația O₂. În anul 1920, Warburg, a descoperit la Chlorella, că intensitatea fotosintezei, la lumină intensă, scade o dată cu creșterea concentrației de oxigen, descriind pentru prima dată influența inhibitoare a O₂ asupra fotosintezei. Acest fenomen a fost denumit efect Warburg, care la lumina de intensitate slabă nu apare. În urma a numeroase cercetări s-a ajuns la concluzia că o concentrație de 21% O₂ în aerul atmosferic nu are efecte inhibitoare asupra procesului de fotosinteză, acest lucru manifestându-se la concentrații mai mari decât aceasta. Mc. Alister și Myers, în anul 1940, au făcut prima observație la plantele superioare cu privire la efectul inhibitor al oxigenului asupra fotosintezei. Ei au descoperit că la concentrația de 0,5% O₂, intensitatea asimilării CO₂ este mai mare, decât la o concentrație de 20% a O₂. În condiții normale ale aerului atmosferic la o concentrație obișnuită de 0,03% CO₂ s-a constatat inhibarea fenomenului de fotosinteză atât în lumină puternică cât și moderată.

Inhibarea procesului de fotosinteză, la plantele superioare, ca urmare a concentrației oxigenului atmosferic a manifestat interes abia din deceniul al-VII-lea, când în urma cercetărilor intense la frunzele plantelor superioare, din regiunile temperate, s-a constatat că intensitatea fotosintezei este puternic inhibată de concentrația normală de 20% a oxigenului.

Hesketh, a făcut cercetări la plante din zona temperată demonstrând la trei specii analizate că în lipsa oxigenului la 30⁰ C, intensitatea fotosintezei crește cu 44%, iar la 40⁰ C o creștere cu 85% față de valorile obținute la concentrație normală de oxigen. La polul opus există plante ca gramineele tropicale, porumb, unde indiferent de intensitatea luminoasă, fotosinteza nu a suferit modificări.

Turner și colaboratorii în anul 1958; Brittain în 1962, etc. au emis o serie de ipoteze prin care explică efectul inhibitor al oxigenului asupra procesului de fotosinteză. O primă ipoteză susține că activitatea enzimelor din ciclul de reducere al carbonului sau a celor care sunt implicate în procesele de eliminare a oxigenului în fotosinteză, sunt inhibate de prezența oxigenului. O altă ipoteză susține intervenția unor reacții opuse sensului de desfășurare a procesului de fotosinteză.

De exemplu, în prezența unor concentrații mari de oxigen și în prezența luminii, respirația crește repede iar fotosinteza aparentă se poate micșora, de asemenea oxigenul ar avea rolul de anihilare a fluorescenței stării de triplet a clorofilei, inhibând fotosinteza, hidrogenul ar putea reacționa cu oxigenul și nu cu dioxidul de carbon, ceea ce ar duce la o competitivitate între oxigen și dioxidul de carbon, inhibându-se ciclurile reductive din fotosinteză.

În anul 1970 a fost descoperit la plantele superioare, rolul inhibitor al oxigenului asupra procesului de fotosinteză, cunoașterea lui având un rol foarte important atât pentru a înțelege mecanismul fotosintezei și din punct de vedere ecologic, cu toate acestea cauzele care explică acest fenomen nu au fost clarificate încă.

Influența apei. În ceea ce privește influența apei asupra gradului de desfășurare a procesului de fotosinteză, este mai greu de stabilit deoarece un rol important în acest fenomen îl are și apa prezentă în țesuturile asimilatoare. Cantitatea de apă necesară desfășurării acestui proces este cu mult mai mică decât cea necesară țesuturilor asimilatoare, neștiindu-se până în prezent dacă deficitul de apă din țesuturi poate avea efect inhibitor asupra fotosintezei. La nivel celular apa are rolul de a da citoplasmei o anumită stare, în lipsa apei consistența citoplasmei este vâscoasă, iar structura cloroplastelor și activitățile fiziologice prezintă modificări importante.

Activitatea aparatului fotosintetic, prezintă o organizare moleculară complexă având legătura strânsă cu celelalte procese metabolice iar activitatea acestuia este puternic influențată de gradul de hidratare. Fotosinteza scade repede în intensitate la frunzele plantelor superioare terestre o dată cu creșterea deficitului de apă din frunze. La un deficit de 13% de apă în frunze, la măr, fotosinteza este maximă, și scade în intensitate o dată cu creșterea cantității de apă din țesuturi, deoarece se micșorează spațiile dintre celule ceea ce duce și la micșorarea difuziunii gazelor implicate în desfășurarea fotosintezei; încetarea acestui proces se instalează la un deficit de apă în frunze cuprins între 40-50%.

Cantitatea asimilatelor are și ea un rol important în desfășurarea și menținerea fotosintezei, prin transportarea produșilor rezultați în urma acestui proces din celulele asimilatoare în alte părți ale plantei unde sunt folosiți la sinteze sau depuși ca rezerve.

Intensitatea fotosintezei scade în miezul zilei la plantele amilofile, cloroplastele lor amiaza se încarcă cu amidon care împiedică desfășurarea fotosintezei. Creșterea fotosintezei se înregistrează după ce o parte din amidonul acumulat anterior a fost transportat din frunze.

În ceea ce privește implicarea cantității de pigmenți asimilatori din cloroplaste în fotosinteză, nu au fost descoperite dovezi, deoarece acești pigmenți se găsesc în exces în mod obișnuit în celulele asimilatoare. în lipsa luminii acești pigmenți pot limita intensitatea fotosintezei, care la unele plante se manifestă prin scăderea majoră a cantității de pigmenți în celulele asimilatoare.

Intensitatea fotosintezei scade și datorită deficitului de apă din sol, acest fenomen apare înainte ca frunzele să prezinte semne vizibile de ofilire. În anul 1964, El-Sharkawy și Hesketh, au făcut cercetări la sorg, bumbac și floarea-soarelui și au constatat că exceptând sorgul, frunzele celorlalte plante au prezentat semene de ofilire vizibile, înaintea reducerii fotosintezei ca urmare a deficitului de apă din sol.

Închiderea stomatelor, ca urmare a deficitului de apă din frunze, aceasta fiind un factor limitant al intensitații fotosintezei este susținută de mulți cercetători, datorită reducerii difuziunii dioxidului de carbon în frunze. Unii cercetători consideră că sub acțiunea directă sau indirectă a temperaturii ridicate, stomatele se închid, în timp ce alții consideră că stomatele nu se închid nici la temperaturi de 36⁰ C dacă se asigură aprovizionarea cu apă.

Mitchell consideră că fotosinteza nu se modifică până nu se ofilesc frunzele, în timp ce Verduin și Loomis au dedus că asimilarea CO₂ la frunzele de porumb este normală până în momentul ofilirii, iar Ting și Loomis au conchis că difuziunea CO₂ este ridicată și uniformă până în momentul în care stomatele se închid complet. Se consideră că stomatele care observate microscopic și care apar aparent închise, în realitate sunt deschise, CO₂ difuzând normal. De aici s-a tras concluzia că la micșorarea intensității fotosintezei, participă și alți factori în afara închiderii stomatelor.

Măsurătorile paralele ale fotosintezei și transpirației, au arătat că cele două fenomene sunt independente, în cazul unui deficit ridicat de apă. Au fost făcute și cercetări prin aplicarea de substanțe chimice care duc la închiderea stomatelor, care au demonstrat că uscăciunea asupra fotosintezei nu se datorează numai reglării stomatelor.

Influența cantității de apă asupra intensității procesului de fotosinteză, reprezintă problema unor cercetări intense, care au scos la iveala faptul că refacerea activității fotosintetice depinde de durata și intensitatea deshidratării. Rezistența plantelor la uscăciune se poate evalua și după mecanismele metabolice de adaptare care permit reluarea activității normale a organismului în urma rehidratării.

La plantele superioare refacerea are loc la câteva zile de la rehidratare, deși după câteva ore cantitatea de apă din țesuturi revine la valoarea normală, Boyer, consideră decalajul ca fiind rezultatul efectului deshidratării asupra deschiderii stomatelor.

În funcție de gradul de deteriorare înregistrat la nivelul enzimatic și structural de către mitocondrii și cloroplaste se poate relua prin rehidratare activitatea fotosintetică și respiratorie, indiferent de influența stomatelor, nu trebuie însă neglijat rolul fenomenelor metabolice.

Prin urmare problema influenței apei asupra procesului de fotosinteză este foarte complexă și continuă să fie studiată.

Influența sărurilor minerale. Încă din anul 1922, Briggs, a făcut primele cercetări în acest sens cultivând fasole în vase în care existau cantități diferite de săruri cu Fe, K, Mg și P. În toate experimentele efectuate, el a constatat scăderea intensității fotosintezei în lipsa sărurilor minerale, efectele fiind comparabile cu cele ale temperaturii joase, a intensității luminoase scăzute sau cu o concentrație mică de CO₂. Efectele sărurilor minerale asupra intensității procesului de fotosinteză, sunt cercetate și în prezent, fiind studiate la plantele inferioare, în special la algele unicelulare dar și la plantele superioare în special la cele submerse. Priston a făcut cercetări la alge și a constatat că variațiile de intensitate ale fotosintezei ca urmare a acțiunii diferitelor elemente minerale, se manifestă direct dar și indirect. Cele mai multe date au fost obținute la alge, însă au fost studiate și numeroase fanerogame, datorită ușurinței cu care se administrează sărurile minerale și a suprafetei mari de absorbție a corpului lor.

Efectuarea experientelor se realizează prin îndepărtarea parțială sau completă a unui element din soluția nutritivă, urmărindu-se intensitaea fotosintezei, care de regulă scade datorită eliminării unui element nutritiv. Apoi se adaugă din nou elementul nutritiv îndepartat, urmărindu-se intensitatea fotosintezei, care de obicei crește până la valoarea inițiala. Dacă în acest caz, în decurs de 1-2 ore valoarea intensității fotosintezei revine la valoarea inițială, se ajunge la concluzia că respectivul element nutritiv, influențează în mod direct acest fenomen.

Macroelementele. Anionii. PO₄³⁻( oxidul de fosfor), după o oră de la administrare se determină creșterea rapidă a fotosintezei, ceea ce dovedește influența directă asupra acesteia. Fosforilarea ATP-ului precum și fosforilările substanțelor intermediare participante la ciclurile reductive ale fotosintezei sunt influențate de participarea directă a fosforului, în timp ce NO₃⁻ și SO₄² ⁻ participă indirect.

Participarea indirectă a azotului în cadrul procesului de fotosinteză se realizează prin intemediul participării lui în molecula de clorofila, la sinteza substanțelor proteice care pot da naștere la complexe labile, la sinteza aminoacizilor, care reprezintă primii compuși ai fotosintezei, ce joacă rol important și în transferul energiei în fotosinteză. În molecula de ATP se înglobează prima dată energia luminoasă care prin hidroliza sa în ADP și H₃PO₄, eliberează energie. Carența azotului determină la plante sinteza de glucide, scăderea intensității asimilării dioxidului de carbon la bumbac, fasole, porumb, frunzele devin clorotice datorită scăderii cantității de clorofilă. La cloroplastele izolate s-a constatat scăderea fixării dioxidului de carbon, ca urmare a absenței ionilor de amoniu, excesul acestor săruri de amoniu, prezintă aparent efecte similare celor de carență, ducând la scăderea fotosintezei.

Sulful influențează fotosinteza indirect, în lipsa lui frunzele devin clorotice, au culoare gălbuie iar nervurile sunt deschise la culoare. Prin administrare de SO₄²⁻, dispare treptat cloroza, iar intensitatea fotosintezei crește treptat. Prezența sulfului are rol important în sinteza aminoacizilor sulfați și a substanțelor proteice cu sulf care participă la desfășurarea reacțiilor metabolice oxidoreducătoare.

Există cercetători care susțin că la cloroplastele izolate, Cl- este implicat în eliberarea oxigenului, ca urmare a rezultatelor obtinute la alga Chlorella.

Cationii. K⁺ are acțiune promptă asupra procesului de fotosinteză, ducând la creșterea intensității acesteia la o ora de la administrare. Carența potasiului duce la inhibarea dezvoltării aparatului fotosintetic, la ridicarea intensității respirației în frunze, având ca efect scăderea rapidă a intensității fotosintezei, de aici rezultă faptul că potasiul ar avea rol în catalizarea fosforilărilor, lipsa lui scăzând fosforul din substanțele organice. K poate fi înlocuit partial cu Rb care este mai puțin toxic decât Cs.

Intensitatea fotosintezei este puternic afectată atunci când din soluția minerală nutritivă lipsesc mai multe elemente.

Georgeta Fabian-Galan în 1969, a urmărit la floarea-soarelui, influența deficitului de P și K, constatând că după 8, 13 și 18 zile, scade în frunze, intensitatea fotosintezei și concentrația hidraților de carbon. Asociind carența de P sau K cu cea de N, se constată o inhibare mai mare a fotosintezei.

Carența de magneziu, determină creșterea intensității respirației, inhibarea fotosintezei fiind de scurtă durată 1-2 ore, acesta afectând fotosinteza indirect.

Fotosinteza este influențată atât de calitatea cât și de cantitatea elementelor minerale, o concentrație crescută a acestora în soluția minerală nutritivă determină creșterea intensității fotosintezei.

Sălăgeanu și Necșoiu, au observant în urma experimentelor efectuate că inhibarea fotosintezei la concentrații foarte mari de elemente minerale administrate comparativ cu cele optime se datorează fie deshidratării osmotice a protoplasmei celulare, fie naturii chimice a anionilor și cationilor respectivi care devin toxici la concentrații mari.

Sărurile minerale acționează asupra fotosintezei și prin modificarea suprafeței foliare. Experimentând cu plante de floarea-soarelui, crescute în vase de vegetație, Sălăgean și Pristavu au constatat o creștere simțitoare a suprafeței foliare prin administrarea NH₄NO₃ la semănat. (Sălăgeanu, Atanasiu 1981)

Rezultatele cercetărilor la plantele inferioare și superioare, privind acțiunea microelementelor B, Cu, Fe, Mo, V și Zn arată că acestea influențează favorabil intensitatea fotosintezei.

Borul accelerează transportul glucidelor în special al zaharozei din frunze, transformă zaharurile solubile în amidon, crește substanța organică care se acumulează în rădăcinile și tulpinile de morcov, acționând indirect asupra fotosintezei.

Importanța Cu în fotosinteză derivă din faptul că acesta este component al unei proteine din cloroplaste și al unor enzime oxidoreducătoare. Carențele de cupru la măr, păr, prun, lămâi, determină scăderea suprafeței foliare în vârf, unde apare cloroza, ducând la scăderea cu 75% a intensității fotosintezei. Prin tratarea plantelor cu CuSO4, dispare cloroza, fotosinteza revenind la normal.

Fe este absolut necesar în biosinteza pigmenților clorofilieni alături de enzimelor respiratorii care se găsesc în cloroplaste, fiind component important al feredoxinei și citocromilor din cloroplaste. Carența lui duce la apariția clorozei care poate să apară pe solurile alcaline datorită insolubilizării fierului sub formă de hidroxizi sau oxizi; scade în cloroplaste activitatea reacției Hill, la intensitate luminoasă joasă. Prin stropirea locală a frunzelor cu soluții diluate de săruri de fier, se poate înlătura cloroza. În concentrații mari Fe, devine toxic, aceasta fiind înlăturată de concentrații asemănătoare de mangan.

Lipsa molibdenului în frunze duce la apariția simptomelor necrotice și la vestejirea lor. La lucernă, de exemplu aceasta rămâne scundă cu frunze galben roșiatice, cloroza manifestându-se la frunzele din partea inferioara a plantei. Aplicând îngrășeminte cu molibden simptomele dispar, fotosinteza crește la fel și recolta.

Vanadiul are acțiune favorabilă în biosinteza pigmenților clorofilieni, înlocuind în parte molibdenul în fixarea N₂, rol pus în evidență la alga Scenedesmus obliquus.

Zn are acțiune pozitivă asupra fotosintezei, el participă la alcătuirea moleculelor anhidrazei acidului carbonic din cloroplaste și intră în alcătuirea aldolazei, catalizând transformarea aldehidei fosfoglicerice în difosfatul fructozei. Carența zincului determină la fasole, grâu, măr, lucernă, cloroza frunzelor din vârf și scăderea intensă a fotosintezei. Carența de zinc dispare și fotosinteza revine la normal atunci când plantele sunt stropite cu ZnSO₄ 0,5%.

La fel ca și fierul, manganul, acționează prompt asupra fotosintezei care se restabilește complet la 1-2 ore de la administrare. Lipsa manganului inhibă fotofosforilarea în cloroplastele izolate ale frunzelor de tomate. Cheniae și Martin, în urma cercetărilor efectuate au constatat că Mn, intervine ca și component al unor enzime în transportul oxigenului ca urmare a descompunerii apei.

Voica, a făcut cercetări la plante de hrișcă, orz, ovăz, tutun și a constatat acțiunea pozitivă a microelementelor B, Cu, Fe, Mn, Mo, Zn, asupra intensității fotosintezei. La toate plantele studiate el, a constatat scăderea intensității fotosintezei, și a conținutului de clorofilă din frunze, în cazul lipsei din soluția minerală nutritivă a Fe și Mn.

Fabian și Titu, în 1971, au constatat că lipsa fosforului din soluția minerală la floarea-soarelui, determină la cloroplaste o structură dezorganizată, în timp ce după 20 de zile lipsa potasiului, determină dilatări ale tilacoidelor, dezorganizarea anvelopei cloroplastului etc. Titu și Djendov, au constatat că la carență de fier, se distruge sistemul lamelar din cloroplastele frunzelor de floarea-soarelui, discurile granale fiind fragmentate în multe vezicule. În cazul carenței de Fe, K si P, la floarea-soarelui, intensitatea fotosintezei este redusă vizibil.

Reducerea numărului de grane, are loc în carențe de B, Fe, Mg, N, P si Zn, deficitul de N, nu permite formarea de grane, lamelele lungi se așază paralel față de membranele cloroplastelor.

Gradul de carență, durata expunerii, toxicitatea elementelor, vârsta frunzelor etc. determină tipul de deteriorare a cloroplastelor și ale ultrastructurii cloroplastelor.

Acțiunea sărurilor minerale asupra intensității fotosintezei are aplicații practice la administrarea îngrășemintelor chimice. La plantele superioare, acestea acționează atât asupra măririi intensității fotosintezei la unitatea de suprafață a frunzelor, cât și asupra creșterii suprafeței foliare. (Sălăgeanu, Fotosinteza 1972)

5.3. INFLUENȚA FACTORILOR INTERNI

ASUPRA FOTOSINTEZEI

Fotosinteza și starea vie a celulelor. Încă de secolul trecut, cercetătorii au fost interesați de modul de desfășurare al fotosintezei în funcție de locul unde aceasta se desfășoară. Engelmann, în 1894, constată întâmplator în urma extragerii din celulele vii a cloroplastelor, că acestea sunt capabile pentru o anumită unitate de timp să elibereze la lumină, oxigen. Folosind metoda bacteriilor luminiscente Molisch, în 1904, descoperă că la frunzele uscate, pisate și îmbibate în apă, cloroplastele eliberează oxigen.

La noi în țară, în 1962, Sălăgeanu, determină la diferite plante submerse, intensitatea fotosintezei și respirația frunzelor, constatând scăderea acestor procese care este proportională cu scăderea procentului celulelor vii, evidențiate prin metoda plasmozei. La frunzele de Helodea Canadensis și Vallisneria spiralis, fotosinteza încetează odată cu starea vie a celulelor ca urmare a ținerii lor timp de 5 minute la temperaturi cuprinse între 40 – 60⁰ C, condiții în care mor toate celulele. Datorită acțiunii unor enzime oxidative active prezente în frunzele care au toate celulele moarte, se constată un consum de oxigen care nu se datorează respirației, deoarece acestea sunt distruse de temperaturi mai mari de 60⁰ C.

S-a constatat la frunzele submerse, ținute în apă sărată, la temperaturi cuprinse între 0 și -5⁰ C, timp de 15 minute, că procentul celulelor vii scade o data cu temperatura, la -4,5⁰ C toate celulele mor, fotosinteza încetând.

În urma numeroaselor cercetări efectuate la alge și plante aeriene, Sălăgeanu, a tras concluzia că fotosinteza, reprezintă un proces fiziologic care se desfășoară numai în celulele vii ale plantelor care prezintă pigmenți clorofilieni.

Cantitatea de clorofilă. Greutatea proaspătă a frunzelor conține clorofilă în concentrație cuprinsă între 0,1 și 0,3%, în cazul unor concentrații mai mari de clorofilă intensitatea fotosintezei ar fi mult mai mare. În urma experientelor făcute la Acer negundo, cu frunze normale verzi, în 1918, Stoll și Willstatter, au arătat că nu există un raport direct între cantitatea de clorofilă și intensitatea fotosintezei. Însă ulterior datele au fost considerate neconcludente deoarece experiența nu a fost realizată în conditii optime, concentrația de dioxid de carbon și intensitatea luminii fiind mari.

Experiențele ulterioare efectuate la varietăți de Ulmus, unde au fost folosite frunze normale verzi și galbene, au scos la iveală diferențe foarte mari. Deși frunzele galbene conțineau doar 6,5% din concentrația de clorofilă prezentă în frunzele verzi, intensitatea fotosintezei reprezentă 95% din cea a frunzelor verzi, dacă se ia în calcul greutatea proaspătă a frunzei, și 121% raportat la suprafața frunzei. În frunzele galbene asimilația, era de aproape 12 ori mai mare raportat la unitatea de greutate a clorofilei. Observațiile efectuate la frunzele îngălbenite normal spre toamnă sau clorotice, rezultate în urma unor boli sau nutriți deficitari, au evidențiat concentrații scăzute de clorofilă și fotosinteză mult diminuată.

Din aceste date experimentale s-a tras concluzia că, în frunzele verzi în condiții normale, cantitatea de clorofilă existentă este cu mult mai mare decât necesarul îndeplinirii fotosintezei la cote maxime, atunci când concentrația de dioxid de carbon este la cote medii. Scăderea considerabilă a intensității fotosintezei se înregistrează atunci când scade cantitatea de clorofilă din sistemul fotosintetic, ca urmarea a bolilor patogene sau în frunzele îmbătrânite.

Influența vârstei. La alge s-a constatat că în prima și a doua zi de la însămânțare, intensitatea fotosintezei crește, apoi scade. Prin recoltări multiple pe parcursul a 24 de ore, celulele algei se mențin tinere, intensitatea fotosintezei și productivitatea fiind mărite. Clendening și Gorham, în 1950, consideră că acestea reprezintă rezultatul schimbărilor care se desfășoară în cloroplaste decât în mediul intracelular. Prin mărirea și maturizarea lor, cloroplastele își intensifică activitatea, în timp ce la frunzele bătrâne cloroplastele izolate au activitate scăzută. În culturile sincrone, celulele tinere prezintă fotosinteza relativ slabă, însă aceasta crește paralel în intensitate, cu creșterea celulelor algei și scade la celulele pregătite de diviziune.

La frunzele anuale tinere, intensitatea fotosintezei este redusă, ea atinge valoarea maximă la frunzele mature, iar în timpul îmbătrânirii scade. La frunzele perene, de brad, molid, pin intensitatea maximă a fotosintezei se înregistreaza în primul an, după care scade în anii următori.

Mersul fotosintezei în decursul zilei. Intensitatea fotosintezei pe parcursul unei zile este influențată de acțiunea combinată a factorilor externi cât și interni, cei mai frecvenți fiind cantitatea de apă, durata zilei, lumina, temperatura, precum și anumiți produși rezultați în urma fotosintezei. În decursul zilei, se înregistrează o curbă a fotosintezei, mai puțin simetrică comparativ cu cea obținută din variații diurne ale luminii.

În urma experimentelor făcute la frunze de Fragaria, Sălăgeanu, descoperă în decursul zilei un mers regulat al fotosintezei, la orele amiezei înregistrându-se optimul. Intensitatea fotosintezei începe să scadă în a doua jumătate a zilei, probabil din cauza scăderii luminozității și a substanțelor organice acumulate. Mersul fotosintezei la frunzele crescute la soare se realizează atât după curbe unimaxilare dar și bimaxilare, ca urmare a variației factorilor meteorologici.

În 1964, Georgeta Fabian-Gălan, a urmărit în țară noastră la culturi de bumbac, fasole, lucernă, soia, spanac, trifoi, mersul diurn al fotosintezei. La începutul și pe timpul verii, în zilele lungi și senine, cu temperaturi de 30⁰ C, la bumbac, lucernă și trifoi, intensitatea fotosintezei, prezintă curbe bimaximale, cu maxime dimineața și după-amiaza. Intensitatea fotosintezei coboară până la și sub punctul de compensație, deoarece la lumină plantele elimină CO₂. În zilele scurte și senine de toamnă, cu temperaturi sub 25⁰ C, la aceleași plante, curba intensiteții fotosintezei are forma de clopot cu maxim la orele amiezei. În urma acestor experiențe se poate trage concluzia, că în timpul perioadei de vegetație, pe măsură ce se scurtează zilele, pe parcursul unei zile, curba intensității fotosintezei trece de la două maxime la una, deoarece toamna, depresiunea din mijlocul zilei dispare treptat.

În 1967, Nedelcu, constată la vița de vie, în zilele lungi din iulie și august, mersul bimaximal al fotosintezei, cu depresiune la mijlocul zilei, iar în lunile mai, iunie și septembrie un mers unimaximal, cu valoare maximă la mijlocul zilei.

Și la plantele din diferite regiuni temperate și desertice au fost înregistrate curbe cu doua maxime ale intensității fotosintezei pe parcursul zilei, însă depresiunea de la mijlocul zilei are durata mai mare și este mai puternică.

Pe parcursul unei zile, la orele amiezii s-a constatat că fotosinteza prezintă o depresiune, aceasta fiind pusă pe seama diferitelor cauze:

buna aprovizionare a plantelor cu apă este îngreunată de umiditatea scăzută a solului, în special la mijlocul zilei;

valoarea maximă a temperaturii la orele amiezii;

incapacitatea plantelor de a compensa cantitatea de apă evaporată prin transpirație, determină un deficit de apă din frunze;

la deficit de apă stomatele se închid, difuziunea dioxidului de carbon în frunze continuând;

vătămarea aparatului fotosintetic ca urmare a expunerii la lumini intense;

în prima parte a zilei, se acumulează în frunze asimilate, acestea rărind sau oprind desfășurarea continua a fotosintezei.

De aici se deduce faptul că mersul diurn după o curbă cu două maxime a intensității fotosintezei, este consecința tuturor factorilor externi, însă nu este exclusă nici influența unor produși ai fotosintezei, mai mulți cercetători observând că la orele prânzului, în frunze se găsește o cantitate foarte mare de amidon.

Sălăgean și Tipa, au demonstrat că în decursul zilei fotosinteza are un mers regulat la plantele submerse de adâncime mare, în timp ce în lunile mai, iunie și iulie, la plantele de adâncime mică, fotosinteza prezintă o depresiune, la mijlocul zilei. Acest lucru se consideră a fi rezultatul deshidratării protoplasmei sau a dereglării activității cloroplastelor, ca urmare a acțiunii substanțelor organice produse.

Fotosinteza, în regiunile polare, se desfăsoară atât ziua cât și noaptea, depresiunile apărute urmând intensitatea luminii, suficient de intensă și între orele 21-5 pentru desfășurarea procesului. Plantele din aceste regiuni, acumulează în perioadele scurte de vegetație, cantități de biomasă suficiente producerii recoltei, deoarece fotosinteza se desfășoara neîntrerupt în cele 24 de ore.

Mersul fotosintezei în decursul anului. În regiunile temperate, pe parcursul unui an, fotosinteza, variază în funcție de tipurile de plante, anuale sau perene, iar la cea din urmă un rol important îl are dispunerea sau nu de frunze persistente. Plantele ale căror organe asimilatoare există doar în anumite perioade din an, desfășoară fotosinteza, doar în perioada respectivă. Dacă se compară intensitatea fotosintezei cu creșterea suprafetei foliare, la diferite plante cultivate, în aceeași perioadă, se observă în prima parte a perioadei de vegetatie, un oarecare paralelism.

O dată cu apariția frunzelor, la plantele anuale începe și procesul de fotosinteză, care corespunde lunilor aprilie și mai, urmând ca aceasta să cească cu creșterea suprafeței foliare. La mijlocul sezonului de creștere, în lunile iunie, iulie, fotosinteza atinge intensitatea maximă, urmând ca apoi în lunile septembrie, octombrie, fotosinteza să scadă repede în intensitate, ca urmare a îmbătrânirii frunzelor și a plantelor întregi.

La plantele perene care au frunze căzătoare, cum sunt pomii fructiferi, copacii foioși, perioada în care fotosinteza este activă, este mai îndelungată comparativ cu plantele anuale. Frunzele apar primăvara, de obicei în luna aprilie, și în decurs de 2-3 săptămâni, ajung la suprafața foliară maximă, mentinând fotosinteza la un nivel ridicat, până în lunile octombrie, noiembrie, când frunzele cad iar intensitatea fotosintezei scade rapid.

În urma cercetărilor efectuate de Sălăgeanu și Atanasiu, la plantele perene cu frunze verzi, cum sunt coniferele, ale căror ace prezintă organe asimilatoare tot timpul anului, fotosinteza are loc până toamna târziu, chiar și în lunile noiembrie și decembrie, iar primăvara începe devreme chiar din februarie-martie, urmând să crească rapid în lunile urmatoare. În lunile decembrie și ianuarie, la temperaturi de -5⁰ C și lumină suficientă ca intensitate, fotosinteza înregistrează valori pozitive. La temperaturi de -10⁰ C, fotosinteza se situează sub punctul de compensație, revenind după ce plantele sunt expuse timp de 2-3 zile la temperaturi pozitive și lumina moderată.

Plantele ierboase bianuale și anume la cerealele de toamnă, care au frunze verzi iarna, au fotosinteza pe timpul iernii, asemănătoare cu cea a plantelor lemnoase sempervirente. Pe timpul iernii Sălăgeanu și Atanasiu, au studiat intensitatea fotosintezei, și au evidențiat faptul că la soiurile de grâu rezistente iarna și secara, fotosinteza se desfășoară până la -4⁰ C, în timp ce la soiurile de grâu mai puțin rezistente iarna și la orz, fotosinteza încetează sub -2⁰ C. O dată cu creșterea temperaturii și a intensității luminoase, primăvara, intensitatea fotosintezei crește la toate soiurile. La aceste soiuri, fotosinteza prelungită din timpul iernii și reluarea ei primăvara, se datorează glucidelor produse, care măresc rezistența plantelor iarna.

Nedelcu, a observant parcursul intensitatii fotosintezei la mai multe soiuri de vița-de-vie, și a constatat că aceasta are intensitate maximă în perioada de pârg a strugurilor.

Mersul fotosintezei este influențat de periodicitatea factorilor externi care au caracter periodic, diurn, anual, variațiile extrem de mari ale acestora factori influențează negativ claritatea periodicității fotosintezei. Mersul anual al fotosintezei prezintă două perioade: una de secetă, întâlnită vara la plantele din deșert sau la cele care trăiesc în zone în care perioada de uscăciune alternează cu cea de ploi, când intensitatea fotosintezei scade considerabil, dar nu este suprimată total. Aceiași situație este întâlnită și iarna, când temperatura scăzută reprezintă factorul determinant în desfășurarea procesului de fotosinteză.

Fotosinteza, se desfășoară cu intermitențe pe parcursul perioadei de vegetație și la plantele inferioare, alge, licheni, muschi. În perioada de secetă la licheni și mușchi, fotosinteza încetează ca urmare a inactivării organelor asimilatoare, în urma ploilor, activitatea fotosintezei se reia rapid ajungând la intensitate maximă în decurs de 1-2 zile.

La licheni, din cauze multiple, intensitatea fotosintezei este mult redusă comparativ cu frunzele plantelor superioare, deoarece corpul lor este format din hife de ciuperci și celule de alge verzi sau albastre aceste fiind singurele care desfășoară procesul de fotosinteză. Pe de altă parte, hifele ciupercii fiind predominante pe fetele lichenului, algele sunt expuse la lumină slabă, de asemenea transferul apei și al sărurilor minerale absorbite de hifele ciupercii către celulele algei se face lent ca urmare a lipsei vaselor conducătoare. La licheni, toamna, iarna și primăvara, fotosinteza are aspect fluctuant, ea poate crește primăvara ca mai apoi în luna aprilie să intre în declin. Atanasiu a evidențiat la licheni desfășurarea fotosintezei și la -10⁰C.

Experiențele pe mușchi sunt mai puține comparativ cu lichenii, Richards, semnalând că aceștia cresc mai viguros iarna, comparativ cu restul anului. Fotosinteza la mușchi este de până la 20 de ori mai scăzută comparativ cu plantele superioare, fapt datorat aprovizionării deficitare cu apă și săruri minerale a celulelor mușchiului, ca urmare a mediilor în care trăiesc și a lipsei vaselor conducatoare. Atanasiu a arătat că la mușchi fotosinteza se desfășoară până la -6⁰ C, sub aceasta temperatura încetează, urmând să revină odată cu creșterea temperaturii.

La fel ca la mușchi și la alge, fotosinteza se desfășoară în salturi, perioadele de activitate alternând cu cele de repaus. Algele care trăiesc în ape care prezintă perioade de flux și reflux, cu perioade de secetă de 4 până la10 ore, în timpul fluxului au activitate fotosintetică mare.

La plantele acvatice submerse, unde apa nu reprezintă un factor limitant iar temperatura apei prezintă modificări minime, mersul anual al fotosintezei este mai echilibrat, deși lumina la fel ca în mediul terestru prezintă oscilații mari. În urma cercetărilor efectuate Pirson și Gessner, au descoperit că în apă carența diferitelor elemente minerale, în special fosfor, limitează intensitatera fotosintezei.

Problema mersului anual al fotosintezei prezintă însemnătate teoretică și practică. Teoretic, contribuie la cunoașterea ritmicității fotosintezei în condiții naturale și a cauzalității acesteia. Importanța practică constă în faptul că plantele caracterizate printr-o perioadă de vegetație mai mare asimilează CO₂ timp mai îndelungat și produc o cantitate mai mare de biomasă. SALAGEANU, ATANASIU 1981

PAG 192 salageanu 60 Dosar Rosu

CAPITOLUL VI

DATE PERSONALE PRIVIND INFLUENȚA UNOR DETERGENȚI ASUPRA INTENSITĂȚII FOTOSINTEZEI LA PLANTELE SUPERIOARE SUBMERSE

6.1 DETERMINAREA INTENSITĂȚII FOTOSINTEZEI PRIN PROCEDEUL VOLUMETRIC AUDUS

Pentru realizarea determinării intensității fotosintezei, vom folosii procedeul volumetric AUDUS, care constă în determinarea cantității de oxigen, la trei genuri de plante superioare submerse:

1) Ceratophyllum demersum L, recoltată din lacul Albele, judetul Teleorman, în data de 15.09.2016,

2) Elodea canadensis Michx,

3) Myriophyllum spicatum L.

Vom calcula cantitatea de oxigen degajată de plante, în condiții de viață normale, în mediul lor natural (apă din lac), apă de la robinet, apă plată Bucovina, apă minerală Poiana Negrii, aprigă, dar și atunci când plantele sunt supuse acțiunii unor poluanți reprezentați de detergenți de vase obisnuiți și ecologici în combinație cu apa de robinet, în concentrații diferite:

– 0,25 ml Fayri la 1 l apă de robinet;

– 0,5 ml Fayri la 1 l apă de robinet;

– 1ml Fayri la 1 l apă de robinet;

– 0,25 ml Biopuro la 1 l apă de robinet;

– 0,5 ml Biopuro la 1 l apă de robinet;

– 1ml Biopuro la 1 l apă de robinet;

De asemenea am realizat experimente cu plante superioare submerse: Ceratophyllum demersum L, Myriophyllum spicatum L. și Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, recoltate în data de 28.06.2017 din Parcul Natural Văcărești, situată în cartierul Văcărești, din sectorul 4, București.

Pentru fiecare experiment se fac câte două repetări, durata determinarii pentru fiecare repetare fiind de 20 de minute.

Dispozitivul folosit în determinare este confecționat din sticla și este alcătuit dintr-un tub colector (1) care prezintă mai multe perforații laterale, a cărei lungime este cuprinsă între 12-14 cm și diametrul de 1,5 cm. În poziție orizontală în continuarea tubului colector este dispus un tub capilar (2) cu lungime de 14 cm, care vertical se continuă cu alt tub capilar (3) care superior prezintă o porțiune dilatată, ca o sferă (4). La extremitățile acestui tub se gasește câte un tub de cauciuc, prevăzut cu câte o clemă Hoffmann (5 și 6); tubul de cauciuc dispus în partea inferioară a capilarului va fi astupat cu o baghetă de sticlă (7).

În timpul determinărilor dispozitivul se fixează în clema unui stativ (8), astfel încât tubul colector în care se introduce ramura de plantă, să poată fi scufundată în întregime în apă respectiv soluțiile din paharul Berzelius (9).

Ramurile plantelor submerse sunt secționate oblic cu ajutorul unei lame, apoi sunt introduse cu partea secționată în sus în tubul colector al dispozitivului Audus, fiind fixate la extremitatea inferioară cu o bucată de tifon (10), apoi se fixează dispozitivul în stativ, astfel încât tubul colector să se scufunde în intregine în soluția din paharul Berzelius. Clema 6 se strânge complet în timp ce clema 5 se deschide permițând sugerea apei respective soluțiilor prin tubul de cauciuc până în porțiunea dilatată a tubului vertical, apoi clema 5 se închide, dispozitivul fiind expus la lumină naturala și se notează ora începerii determinării.

Fig. 6.1.11. Dispozitivul Audus, http://www.scritub.com/biologie/FOTOSINTEZA2151420721.php

Ramurile de plante superioare submerse, secționate, în timpul desfășurarii procesului de fotosinteză, degajă bule de oxigen care se vor acumula în partea superioară a tubului colector. După 20 de minute oxigenul degajat este trecut în capilarul orizontal al dispozitivului (2), deschizându-se treptat clema (6) și se măsoară lungimea coloanei de gaz, în milimetrii, cu ajutorul unei rigle. Cu ajutorul formulei utilizate la aflarea volumului unui cilindru, se calculează volumul de gaz degajat:

V=π r²l, în care: – V = volumul de oxigen degajat în mm³;

– r = raza lumenului tubului (1,5mm);

– l = lungimea coloanei de gaz degajat din tubul capilar în mm.

După terminarea determinării, se scoate din tubul colector planta, se îndepartează apa respectiv soluția de pe suprafața ei, se cântărește cu ajutorul unei balanțe, apoi se calculează intensitatea fotosintezei, folosind formula: Vx60 ⁄ txm , în care:

V = volumul de oxigen degajat de planta în timpul determinarii (în mm3);

60 = coeficient pentru raportarea intensității fotosintezei la unitatea de timp (o ora);

t = durata determinarii (20 minute);

m = masa materialului vegetal proaspăt (în grame), (http://www.scritub.com/biologie/FOTOSINTEZA2151420721.php)

Fig. 6.1.12. Balanța folosită pentru cântărirea plantelor utilizate în experimente.

6.2. ÎNCADRAREA TAXONOMICĂ ȘI DESCRIEREA PLANTELOR FOLOSITE ÎN EXPERIMENTE

Regnul: Plantae

Subregnul: Tracheobionta- plante vasculare

Clasa: Magneliopsida

Subclasa: Magnoliidae

Ordinul: Ceratophyllales

Familia: Ceratophyllaceae (Brădișuri)

Genul: Ceratophyllum

Specia: Ceratophyllum demersum L

Familia Ceratophyllaceae, cuprinde plante acvatice, submerse, libere, perene cu frunze verticilate, dihotomic divizate. Prezintă flori unisexuate, grupate monoic, înflorirea și polenizarea se realizează în mediul acvatic iar fructul este de tip achenă.

Ceratophyllum demersum L, este o plantă plutitoare acvatică, întâlnită în lacuri, iazuri ape liniștite sau lin curgătoare, bogate nutritiv a căror temperatură trebuie să fie cuprinsă vara între 15-30C. Această specie este întâlnită pe toate continentele cu excepția Antarcticii.

Nu prezintă un sistem real de rădăcini, ancorarea în nisip sau noroi de face cu ajutorul tulpinii sau prin dezvoltarea unui mănunchi de frunze modificate.

Tulpina poate avea între 1-3 metrii, pe ae se pot găsii numeroși muguri laterali, un singur individ putând să aibă aspectul unei tufe. Frunzele dispuse în verticil de șase până la doisprezece, fiecare fruză are lungime cuprinsă între 8-40 mm, simple sau bifurcate în două până la opt segmente filiforme tivite cu dinți spinosi. Frunzele sunt mai aglomerate spre vârful de creștere al tulpinii și sunt de un verde mai închis comparativ cu cele de pe restul tulpinii.

Florile de sexe diferite sunt dispuse pe același individ, în axila frunzei, sunt sesile, lipsite de petale și sepale. Florile de sex masculin sunt reprezentate prin stamine, ele pot să apara individual sau în perechi iar cele de sex feminin sunt reprezentate prin pistil și sunt individuale. Ambele tipuri de flori au dimensiuni mici, 2mm iar organele reproducătoare sunt înconjurate de involucru compus din 8-14 bracteei, translucide, alungite. Înflorirea se realizează vara și toamna iar polenizarea încrucișată se realizează prin curenții de apă. Florile femeiești sunt înlocuite cu achene care la maturitate are 4-6mm, ovoidală ușor turtită. O achenă este formată dintr-o singură coloană vertebrală si doi spini bazali.

Ceratophyllum demersum L, poate forma muguri care iarna stau scufundați pe fundul apei și din care primăvara se formează noi plante.

Fig. 6.2.13. Ceratophyllum demersum L, ramură

Fig. 6.2.14 Ceratophyllum demersum L, plantă, https://ro.pinterest.com/pin/24769866671373166/

Regnul: Plantae

Subregnul: Tracheobionta –plante vasculare

Clasa: LiliopsidaSubclasa: Alismatidae

Ordinul: Hydrocaritales

Familia: Hydrocharytaceae

Genul: Elodea

Specia: Elodea Canadensis Michx

Elodea canadensis Michx, este o plantă acvatică submergentă, originară din America de Nord care s-a răspândit rapid și ușor în întreaga lume în special în Europa, unde este considerată buruiană datorită capacităților sale de a se dezvolta rapid în habitate cu condiții de viață diferite. Prezintă rădăcini adventive care se produc la intervale diferite pe tulpină și care pot fi ancorate în noroiul de pe fundul apei sau atărnă libere în apă. Elodea canadensis Michx, prezintă creștere nelimitată și poate depășii 3 metrii lungime.

Frunzele verzi, translucide, luminoase de formă lamelară, sunt dispuse pe o tijă rotunjită în verticil câte trei, rar pot fi și două sau patru, cu lungime de 6-17mm și lățime de 1-4mm. Înflorește din luna mai și până în octombrie. Este o plantă dioică, florile femeiești și bărbătești fiind dispuse pe indivizi diferiți. Florile sunt mici de culoare albă, florile de sex masculine prezintă 4-5 petale și nouă stamine iar cele femeiești sunt alcătuite din 2-3 petale și 3 carpele. Fructul de tip capsulă, ovoid, conține în interior mai multe semințe, care se coc în apă.

Fig. 6.2.15. Elodea Canadensis Michx, ramură

Fig. 6.2.16. Elodea Canadensis Michx, plantă

Regnul: Plantae

Subregn: Tracheobionta- plante vasculare

Clasa: Magnoliopsida

Subclasa: Rosidae

Ordinul: Haloragales

Familia: Haloragaceae

Genul: Myriophyllum

Specia: Myriophyllum spicatum L

Myriophyllum spicatum L, plantă acvatică, perenă, cu creștere lentă întâlnită în ape stătătoare sau lin curgătoare. Această plantă poate tolera apa puternic alcalină dar și apa sălcie. Tulpinile alb verzi, maro sau rozalii pot ajunge la 3 metrii lungime și se subțiază progresiv crescând la suprafața apei unde formează covoare dese. Frunzele situate de-a lungul tulpinii sunt fin divizate și dispuse în verticile de trei sau patru cu numeroase pliante filiforme de 4-13 mm lungime. Sunt plante hermafrodite, florile de culoare roz-roșie se găsesc la suprafața apei vara fiind dispuse în axila frunzei, florile bărbătești situate superior comparativ cu cele femeiești. Florile femeiești au pistil lobat în patru și sunt lipsite de petale și sepale iar cele masculine au patru petale roz și opt stamine. Fructele au 2-3 mm sunt globulare, indehiscente și conțin câte patru semințe, care pot germina sau rămâne în stare latentă mult timp.

Fig. 6.2.17. Myriophyllum spicatum L, ramură Fig. 6.2.18 Myriophyllum spicatum L, plantă

Regnul: Plantae

Subregnul: Tracheobionta –plante vasculare

Clasa: LiliopsidaSubclasa: Alismatidae

Ordinul: Hydrocaritales

Familia: Hydrocharytaceae

Genul: Elodea

Specia: Elodea nuttallii (Planch) H. St. John

Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, plantă subacvatică perenă, cu origine în America de Nord, a pătruns în Europa pe la începutul secolului al-XX-lea.

Tulpina lungă de 30-100 centimetrii, este robustă, ramificată puternic apical. Frunzele de un verde pal sunt scurte, înguste, îndoite se subțiază spre vârf și sunt dispuse în spirală de trei. Florile sunt mici, albe, cerate cu sau fară petale mici care vor da naștere la fructe sub formă de capsulă ovoidă care conține câteva semințe.

Se înmulțește prin fragmente vegetative transportate de curenții de apă, și mai rar prin semințe.

Fig. 6. 2.19. Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, plantă, https://en.wikipedia.org/wiki/Elodea_nuttallii

6.3. COMPOZIȚIA CHIMICĂ ȘI BIOLOGICĂ A MEDIILOR FOLOSITE LA DETERMINARE

Tabelul 6.3.2. Rezultatul analizei apei potabile realizată de Laboratoarul Apa Nova București. Valori conforme R. I., număr pf 6169575, din data 5.IX. 2016, data primirii probei și efectuării analizei 02 – 05. IX.2016, punct de recoltare – Splaiul Independenței nr.235.

̽ încercare neacreditată

Buletinul de analiză al apei potabile reprezintă un raport care furnizează informații referitoare la proveniența apei și compararea diverselor caracteristici și componente ale acesteia cu standardele impuse de legislația în vigoare ( Legea 458/2002 și Legea 311/2004). Acesta include indicatorii organoleptici, fizico-chimici și bacteriologici, precum și unitățile de măsură, valorile obținute dar și maximele admise și referențialul de analiză.

Apa potabila este destinată consumului uman, în stare naturală sau după tratare, indiferent de originea ei și de modul de furnizare.

Existența unor substanțe, săruri minerale sau gaze dizolvate pot modifica mirosul și gustul apei, iar substanțele minerale sau organice dizolvate în natură, modifică culoarea apei.

Prezența particulelor fine în suspensie, pot produce turbiditatea apei caracterizată prin lipsa transparenței.

pH-ul definește aciditatea apei în timp ce conductivitatea indică totalitatea sărurilor dizolvate în apă. Clorul rezidual liber constituie cantitatea de clor care rămâne în apă după dezinfecție.

Amoniul, nitriții și nitrații furnizează informații legate de modificarea calității apei în timp, datorate surselor de impurificare specifice acestui tip de compuși.

Compusul natural al apei, fierul se găsește de obicei sub formă de bicarbonat feros.

Totalitatea substanțelor anorganice și organice oxidabile în apă, reprezintă oxidabilitatea.

Duritatea totală se referă la caracteristicile pe care le conferă apei compușii de calciu și magneziu care se află în suspensie, aceasta fiind exprimată în grade germane de duritate.

Aluminiul se poate găsi în apă în mod natural precum și în urma proceselor de tratare în vederea obținerii unei ape potabile.

Bacteriile coliforme, Escherichia coli, Enterococi, Clostridium perfringens, sunt microorganisme existente în mediul înconjurător iar prezența lor în apă poate provoca boli hidrice

̽̽ Prezența acestor indicatori în compoziția apei prezintă factor de risc numai în cazul depășirii limitei admise. (www.apanovabucuresti.ro).

Tabelul 6.3.3. Analiza apei din Lacul Albele, judetul Teleorman, Conform analizei din data de 07.X.2016, realizată de Laboratorului Prowater Ecosistem S.R.L.:

Tabelul 6.3.4. Analiză apă minerală naturală carbogazificată Poiana Negri Aprigă, conform

etichetei.

Fig. 6.3.20. Apă minerală naturală carbogazificată Poiana Negri Aprigă

Tabelul 6.3.5. Analiză apă minerală naturală oligominerală necarbogazificată (plată) Bucovina Sursa, Vatra Dornei, județul Suceava. Apă supusă unei oxidări cu aer îmbogățit cu ozon, conform unei tehnologii autorizate, conform notificării Ministerului Sănătății publice nr. 1/04.01.2007. Extras din analizele SNAM din 25.09.2013 conform HG 1020/2005 (2009/54/CE).

Produs microbiologic pur. ST2- rev. 7/2014.

Fig. 6.3.21. Apă plată Bucovina

Tabelul 6.3.6. Analiza apei din Lacul Național Văcărești, București, Conform analizei din data de 30.IV.2017, realizată de Laboratorului Prowater Ecosistem S.R.L.:

FAIRY detergent pentru spălat vase cu mușețel și vitamina E

Ingrediente: 5-15% surfactanți axionici, sub 5% surfactanți neionici, fenoxietanol, Metlylisothiazolinone , parfum, Citronellol, Limonene, Linalool.

Fig. 6.3.22. Fairy Fig. 6.3.23. Biopuro

Caracteristici BIOPURO detergent biologic-organic pentru spălat vase

Ingrediente: apă, cocamidropil betaină, clorură de sodium, citrat de sodium, decil glucozid, laurii sulfat de sodiu, proteine hidrolizate din grâu, glicerină, acid lactic, parfum, ulei din coajă de lămâie dulce provenită din agricultura ecologică, benzoate de sodiu, dehidroacetat de sodiu, alcool benzilic.

PROPRIETĂȚI:

ultra-concentrat

non-poluant, 100%biodegradabil, non-toxic, natural

fără organisme modificate genetic

ambalaj din trestie de zahăr

VEGANE testate dermatologic

HIPOALERGENE (nu conțin crom, nichel sau cobalt)

NU CONȚINE: formaldehidă, dioxină, ingrediente petrochimice, clor, fosfați, parfumuri sintetice sau organisme modificate genetic, EDTA.

Conține (conform REG. 648/2004/UE): sub 5%surfactanți anionici, surfactanți neionici, surfactanți amfoterici.

Codul Organismului de Certificare Ecologică AIAB: DA ITA 80004

Certificat Vegan: Nr. 0203

Producător: SC NIVEL SRL, Italia

6.4. IMAGINI DE LA EXPERIMENTELE PRIVIND INFLUENȚA UNOR

DETERGENȚI ASUPRA INTENSITĂȚII FOTOSINTEZEI LA PLANTELE SUPERIOARE SUBMERSE

Fig. 6.4.24 Ceratopyllum demersum L, în apă minerală natural carbogazificată, Poiana Negrii, aprigă,

Fig. 6.4.25. Elodea canadensis Michx, Ceratophyllum denersum Lși Myriophyllum spicatum L, în apă de robinet

Fig. 6.4.26. Ceratophyllum denersum L, în apă de robinet

Fig. 6.4.27. Elodea canadensis Michx, în apă plată Bucovina

Fig. 6.4.28. Ceratophyllum denersum L și Elodea canadensis Michx în soluție de 1ml, 0,5 ml și 0,25 ml Fayri /1 l apă de robinet

Fig. 6.4.29. Ceratophyllum denersum L în soluție de 1ml Fayri / 1l apă robinet s-a dezintegrat

Fig. 6.4.30. Ceratophyllum denersum L și Elodea canadensis Michx în soluție de, 0,5 ml Biopuro / 1l apă

Fig. 6.4.31. Ceratophyllum denersum L, Elodea canadensis Michx și Myriophyllum spicatum L în soliții de Fayri și Biopuro de concentrații diferite

Fig. 6.4.32. Ceratophyllum denersum L, și Myriophyllum spicatum L în soliții Biopuro de concentrații diferite

Fig. 6.4.33. Ceratophyllum denersum L și Myriophyllum spicatum L în soliții Biopuro și Fayri de concentrații diferite

Fig.6.4.34 Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, în apă din Lacul National Văcărești

Fig. 6.4.35. Myriophyllum spicatum L, în apă din Lacul National Văcărești

Fig. 6.4.36. Ceratophyllum denersum L, în apă din Lacul National Văcărești

Fig. 6.4.37. Imagine cu Lacul National Văcărești

Fig. 6.4.38. Imagine de la recoltarea plantelor acvatice submerse din Lacul National Văcărești

6.5. REZULTATELE OBȚINUTE ÎN URMA

DETERMINĂRILOR EFECTUATE

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Ceratophyllum denersum L. Experimentul 1.

Urmărind cantitatea de oxigen degajată, la planta, Ceratophyllum denersum L, ca urmare a supunerii ei la diferite condiții de mediu, concentrații diferite de detergenți, s-a constatat că planta, a degajat cea mai mare cantitate de oxigen, atunci când a fost ținută în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet, în timp ce în urma ținerii în soluții de 0,5 ml Biopuro/ 1l apă de robinet și 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, planta nu a degajat oxigen. În soluție de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, planta s-a dezintegrat.

Fig 6.5. 39 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Ceratophyllum demersum L. Experimentul 1

Reprezentarea grafică referitoare la înfluența condițiilor de mediu în desfășurarea procesului de fotosinteză, când s-a constatat că la planta de Ceratophyllum demersum L, intensitatea procesului de fotosinteză, a avut valoarea cea mai mare ( 377,49 mm³O₂/g/h), atunci când planta a fost ținută în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet. În urma ținerii în soluții de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, 0,5 ml Biopuro/ 1l apă de robinet și 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, intensitatea procesului de fotosinteză este 0.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Ceratophyllum demersum L. Experimentul 2 .

Ca și în cazul primului experiment, planta pusă în soluție de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, s-a dezintegrat. Planta a degajat cea mai mare cantitate de oxigen când a fost ținută în apă de robinet, iar în soluție de 0,5 ml Fayri / 1 l apă robinet, a degajat cea mai mică cantitate de oxigen. În timp ce în urma ținerii în soluții de 0,5 ml Biopuro/ 1l apă de robinet și 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, planta nu a degajat oxigen.

Valorile obținute în urma celor două experimente sunt diferite, în primul experiment valorile sunt mai mari .

Fig. 6.5.40 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Ceratophyllum demersum L. Experimentul 2

Urmărind evoluția intensității procesului de fotosinteză, pe baza reprezentării grafice, se constată că cea mai mare valoarea a fost înregistrată atunci când planta a fost introdusă în apă de robinet, ( 198,85 mm³O₂/g/h ). Planta nu desfăsoară procesul de fotosinteză atunci când este ținută în soluții de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, 0,5 ml Biopuro/ 1l apă de robinet și 1 ml Biopuro /1l apă de robinet.

Tab. 6. 5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică

Elodea canadensis Michx. Experimentul 1.

Planta, Elodea canadensis Michx, în urma supunerii ei la concentrații diferite de detergenți, s-a constatat că a degajat cea mai mare cantitate de oxigen, atunci când a fost ținută în apă de robinet, în timp ce în urma ținerii în soluție de 0,25 ml Biopuro/ 1 l apă de robinet, planta degajă cea mai mică cantitate de oxigen. Ținută în soluție de 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, planta nu a degajat oxigen.

Fig.6.5.41 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Elodea canadensis Michx. Experimentul 1

Prin reprezentarea grafică a intensității procesului de fotosinteză la Elodea canadensis Michx, se observă un maxim al acestei intensități atunci când planta este ținută în apă de robinet, ( 152,14 mm³O₂/g/h), în soluție de 0,25ml Biopuro / 1l apă robinet, (0,85 mm³O₂/g/h), intensitatea acestui proces este redusă, în timp ce în soluție de 1 ml Biopuro/ 1l apă de robinet, acest proces nu se desfășoară.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Elodea canadensis Michx. Experimentul 2 .

După cum se observă și în urma celui de-al doilea experiment, Elodea canadensis, Michx, produce cea mai mare cantitate de oxigen, în urma ținerii în apă de robinet, iar în urma ținerii în soluție de 0,25 ml Biopuro/ 1 l apă de robinet, planta degajă cea mai mică cantitate de oxigen, în timp ce ținerea în soluție de 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, face ca planta să nu mai degaje oxigen.

Valorile obținute în urma celor două experimente sunt diferite, în primul experiment valorea oxigenului degajat este mai mare în apa de robinet, iar în al doilea experiment planta a degajat mai mult oxigen în urma ținerii în soluție de 0,25 ml Biopuro/ 1 l apă de robinet.

Figura 6.5.42 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Elodea canadensis Michx.Experimentul 2

În urma celui de-al doilea experiment, reprezentarea grafică a desfășurării procesului de fotosinteză la Elodea canadensis Michx, se modifică considerabil. Cea mai mare intensitate a acestui proces fiind înregistrată ca urmare a ținerii plantei în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet, ( 196,25 mm³O₂/g/h), în soluție de 0,25ml Biopuro / 1l apă robinet, (1,42 mm³O₂/g/h), intensitatea acestui proces este redusă, în timp ce în soluție de 1 ml biopuro/ 1l apă de robinet, acest proces nu se desfășoară.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Myriophyllum spicatum L. Experimentul 1.

Myriophyllum spicatum, L, produce cantitate mare de oxigen, în urma ținerii în soluție de 0,5 ml Biopuro/ 1 l apă de robinet, iar cea mai mică cantitate în apa de robinet.

Fig. 6.5.43 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Myriophyllum spicatum L. Experimentul 1

Urmărind evoluția intensității procesului de fotosinteză, la Myriophyllum spicatum L, pe baza reprezentării grafice, se constată că intensitatea acestui proces este maximă ( 194,54 mm³O₂/g/h), atunci când planta este ținută în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet, însă valori ridicate se înregistrează și atunci când planta este ținută în soluții de 0,25 ml Fairy/ 1l apă de robinet, (183,98 mm³O₂/g/h), precum și în soluție de 0,5ml Biopuro / 1l apă robinet, (182,4 mm³O₂/g/h) respectiv în soluție de 1 ml Biopuro / 1l apă robinet, (152,75 mm³O₂/g/h). Cea mai mică valoare a intensității acestui proces este inregistrată atunci când planta este ținută în soluție de 0,25ml Biopuro / 1l apă robinet, (68,26 mm³O₂/g/h), în timp ce în apă plată Bucovina, planta nu desfăsoară procesul de fotosinteză.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Myriophyllum spicatum L. Experimentul 2 .

Conform celui de-al doilea experiment, Myriophyllum spicatum, L degajă cea mai mare cantitate de oxigen, în urma ținerii în soluție de 1 ml Biopuro / 1 l apă de robinet, în timp ce în soluție de 1 ml Fairy/ 1 l apă de robinet, planta degajă cea mai mică cantitate de oxigen.

Valorile obținute în urma celor două experimente sunt diferite, în primul experiment valorea oxigenului degajat este mai mare în în soluție de 0,5 ml Biopuro/ 1 l apă de robinet și mică în apa de robinet, ca în al doilea experiment, planta să degaje mult oxigen în soluție de 1 ml Biopuro / 1 l apă de robinet și puțin în soluție de 1 ml Fairy/ 1 l apă de robinet.

Fig. 6.5.44 Rezultate obținute în urma experimentelor la planta superioară acvatică Myriophyllum spicatum L. Experimentul 2

Reprezentarea grafică realizată în urma desfășurării celui de-al doilea experiment, arată că la planta Myriophyllum spicatum L, intensitatea cea mai mare de desfășurare a procesului de fotosinteză se realizează atunci când planta este ținută in soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet, (276,45 mm³O₂/g/h). Procesul de fotosinteză se desfăsoară cu intensitate redusă în urma ținerii plantei în soluție de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, (23,22 mm³O₂/g/h).

Ca și în primul experiment planta ținută în apă plată Bucovina, nu desfăsoară procesul de fotosinteză.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor efectuate în apă din lac, la plantele superioare acvatice recoltate din Lacul Natural Văcărești din București. Experimentul 1.

Fig.6.5.45 Rezultate obținute în urma experimentelor efectuate în apă din lac, la plantele superioare acvatice recoltate din Lacul Natural Văcărești din București. Experimentul 1.

Urmărind reprezentarea grafică realizată în urma primului experiment la plantele superioare acvatice submerse mai sus menționate, observăm că plantele au cea mai mare intensitate a procesului de fotosinteză, în mediul lor natural. Cea mai ridicată intensitate a acestui proces se observă la Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, iar cea mai mică la Myriophyllum spicatum L.

Tabelul 6.5. Rezultate obținute în urma experimentelor efectuate în apă din lac, la plantele superioare acvatice recoltate din Lacul Natural Văcărești din București. Experimentul 2.

Fig. 6.5.46 Rezultate obținute în urma experimentelor efectuate în apă din lac, la plantele superioare acvatice recoltate din Lacul Natural Văcărești din București. Experimentul 2.

În urma celui de-al doi lea experiment efectuat la plantele acvatice superioare submerse, se observă aceiași intensitate ridicată a procesului de fotosinteză, valoarea cea mai mare înregistrându-se tot la Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, însă de această dată valoarea cea mai mică a intensității procesului de fotosinteză se înregistrează la Ceratopyllum demersum L, la care în cazul ambelor experimente s-au obținut aceleași valori.

Concluzii:

La Ceratopyllum demersum L, s-a constatat în timpul determinării făcute cu apă minerală natural carbogazificată, Poiana Negrii, aprigă, timp de 20 de minute, că planta nu a putut desfășura procesul de fotosinteză din cauza concentrației mari de CO2 din apa minerală. În urma spălării plantei cu apă de robinet și reluării determinării cu apă de robinet, s-a constatat că planta nu mai desfășoară procesul de fotosinteză.

Ținerea plantei de Ceratopyllum demersum L, în apă minerală natural carbogazificată, Poiana Negrii aprigă, a dus la moartea acesteia.

În schimb Ceratopyllum demersum L, în primul experiment, desfăsoară un amplu process de fotosinteză atunci când este ținută în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet, însă ținută în apă de robinet în al doilea experiment planta desfășoară cu intensitate maximă procesul de fotosinteză.

În ambele experimente, Ceratopyllum demersum L, tinută în soluții de 1 ml Fairy/ 1l apă de robinet, 0,5 ml Biopuro/ 1l apă de robinet și 1 ml Biopuro /1l apă de robinet, nu mai desfășoară procesul de fotosinteză.

Elodea canadensis Michx, în primul experiment a avut cea mai mare intensitate a procesului de fotosinteză în urma ținerii ei în apă de robinet, iar în al doilea experiment, planta desfășoară la intensitate maximă procesul de fotosinteză ca urmare a ținerii în soluție de 0,5 ml Fairy/ 1l apă de robinet.

În ambele experimente, ca urmare a ținerii în soluție de 1 ml Biopuro/ 1l apă de robinet, planta, nu desfășoară acest proces.

La Myriophyllum spicatum L, s-a constatat în urma primului experiment că procesul de fotosinteză se desfăsoară cu intensitate mare, valorile fiind apropiate atunci când planta este ținută în soluții care conțin concentrații de 0,5 ml respectiv 0,25 ml Fairy/ 1l apă de robinet, precum și în soluții care conțin concentrații de 0,5ml respective 0,25 ml Biopuro / 1l apă robinet.

În urma ambelor experimente la Myriophyllum spicatum L, s-a constatat că planta nu desfăsoară procesul de fotosinteză atunci când este ținută în apă plată Bucovina.

Cantitatea mare de oxigen pe care plantele superioare submerse au degajat-o sau lipsa degajării acestuia în urma experimentelor la care au fost supuse poate fi interpretată ca o reacție de apărare a acestora la condițiile nefavorabile la care au fost supuse.

Prezența în cantitate mai mare sau mai mică a detergenților în mediul de viață al plantelor poate accentua, încetinii sau chiar oprii desfăsurarea procesului de fotosinteză, mergând până la dezintegrarea plantei, așa cum s-a întâmplat la Ceratopyllum demersum L.

La plantele superioare submerse, Elodea nuttallii (Planch) H. St. John, Ceratophyllum demersum L.și Myriophyllum spicatum L, recoltate din Lacul Natural Văcărești din București, s-a constatat în urma experimentelor efectuate cu apă luata din lac că plantele degajază cantitate foarte mare de oxigen ceea ce determină o mare intensitate a procesului de fotosinteză, atunci când sunt în mediul lor natural de viață.

CAPITOLUL VII

VALORIFICARE CUNOȘTINȚELOR PRIVIND INFLUENȚA

UNOR SUBSTANȚE POLUANTE ASUPRA INTENSITĂȚII FOTOSINTEZEI LA

PLANTELE SUPERIOARE SUBMERSE

7.1 INTRODUCERE

Din punct de vedere etimologic, termenul "metodă" provine din limba greacă ("metha" = "spre"; "odos" = "cale") și desemnează o cale eficientă de urmat pentru atingerea anumitor scopuri.

Prin "metodă de învățământ" se înțelege, modalitatea comună de acțiune a cadrului didactic și a elevilor, aplicată sistematic, în vederea realizării obiectivelor pedagogice, precum și însușirea cunoștințelor, formarea priceperilor, deprinderilor și aptitudinilor care sunt folosite în practică dar și dezvoltare capacităților și preocupărilor intelectuale.

Învățarea în grup exersează capacitatea de decizie și de inițiativă, dă o notă mai  personală muncii, dar și o complementaritate mai mare aptitudinilor și talentelor, ceea ce asigură o participare mai vie, mai activă, susținută de foarte multe elemente de emulație, de stimulare reciprocă, de cooperare fructuoasă. (Ioan Cerghit)

Derularea procesului de învățământ constă într-o temeinică organizare și conducere, care presupune folosirea instrumentelor specifice de lucru având ca scop angajarea efortului intelectual al elevilor în actul de învățare, mai mult sau mai puțin dirijat.

Instrumentele specifice de lucru sunt cunoscute și ca metode de învățământ sunt în relație strânsă cu conținutul învățământului și cu toate componentele acestuia.

Metodele de învățământ sunt elemente de bază ale strategiilor didactice, opțiunea pentru o anumită strategie didactică atragând după sine folosirea metodelor de învățământ specifice, acestea reprezentând o succesiune de operații care au ca finalitate atingerea unor scopuri de cunoaștere, de instruire și formative.

Metodele didactice folosite în procesul de învățare pot ușura sau din contră pot îngreuna acest proces, dacă nu se folosesc metode adecvate vărstei, dezvoltării găndirii, materie, experiența elevului și scopului urmărit.

Metodele de învățământ trebuie să fie alese în conformitate cu scopurile și finalitățile educației, conținutul învățământului, psihologia grupurilor școlare, particularitățile individuale și de vârstă ale elevilor, specificul mijloacelor de învățământ și personalitatea cadrului didactic.

Strategiile didactice reprezintă combinarea optimă a metodelor, procedeelor, mijloacelor didactice și a formelor de organizare a procesului de învățământ.

Metodele didactice reprezintă acțiunile subordonate realizării scopurilor activității de instruire prin avansarea unor căi de învățare eficiente de organizare și desfășurare ale predării-învățării din perspectiva elevului, corelându-se cu celelalte componente ale instruirii.

Mijloacele de învățământ sunt ansambluri de instrumente materiale naturale sau tehnice selectate și adaptate pedagogic metodelor și procedeelor de instruire, pentru a se realiza eficient sarcina de predare-învățare-evaluare.

Mijloacele de învățământ sunt eficiente atunci când sunt folosite adecvat prin valorificarea potențialului lor didactic în procesul de predare-învățare, sprijină desfășurarea activității didactice și realizarea obiectivelor instructiv-educative prestabilite.

7.2 CLASIFICAREA METODELOR DE ÎNVĂȚĂMÂNT

Clasificarea metodelor de învățământ reprezintă o problemă dificilă, în găsirea criteriului celui mai adecvat, deoarece există o multitudine de criterii care prezintă atuuri sau constrângeri proprii de care se poate ține cont, având în vedere că metodele de învățământ au o mare importanță teoretică și practică.

Metoda de învățământ are caracter polifuncțional, ea participă la realizarea mai multor obiective instructive-educative simultan și succesiv.

Sistemul metodelor de învățământ cuprinde:

metodele tradiționale, care au fost păstrate de-a lungul istoriei școlare prin reconsiderarea și adaptarea lor la noile tendințe ale învățământului modern

metode moderne, care determină elevul să dobândească cunoștințe prin investigare experimentală, prin valorificarea tehnicilor de vârf, aceste metode se apropie de metodele de cercetare științifică și au apărut ca urmare a dezvoltării științei și tehnicii.

O delimitare precisă, utilizându-se un singur criteriu este aproape imposibilă, deoarece un singur criteriu nu poate epuiza multitudinea diversităților de forme și nuanțe sub care se găsesc metodele practice, având în vedere că în prezent întreaga metodologie de instruire și educație se află într-un continuu proces de inovare, mobilitate și interferență.

Metoda de instruire este rezultatul cumulului unui transfer de proceduri dinspre cunoașterea științifică spre învățământ și al elaborării specifice parte componentă a creației didactice.

O primă modalitate de clasificare a mijloacelor de învățământ are în vedere criteriul istoric care raportează metodele la cerințele de ieri și de azi ale învățământului, împărțindu-le în două grupe:

metode vechi, denumite și tradiționale sau clasice care se bazează pe comunicarea directă: conversație, expunere, exercițiu etc., aceste metode fiind subdivizate la rândul lor în: metode așa-zis didacticiste, atractive, așa-zis intuitive, așa-zis tradiționale.

metode noi sau moderne, sunt cele mai noi inovații pedagogice, centrate pe activitatea și dezvoltarea personalității elevului: studiu de caz, metode de simulare, metoda proiectului, modelarea etc.; acestea se bazează pe principiul ” școala este făcută pentru copil, nu copilul pentru școală” adoptând metode libertine, anarhiste, atractive.

În funcție de gradul de generalitate, de extensia sferei de aplicabilitate, există metode:

generale sau “marile metode” de învățământ care cuprind: prelegerea, expunerea, conversația, lucrările practice, cursul magistral, etc.

particulare sau speciale aplicabile pe anumite trepte ale educației și instrucției, folosite la predarea unor discipline de învățământ.

După modul în care sunt puși în contact direct sau indirect, elevii cu realitatea se disting:

metode directe, (observația, experimentul, studiul de caz), constau în urmărirea și înregistrarea sistematică a datelor despre obiecte și fenomene, în scopul cunoasterii lor; ea poate fi: dirijată, independentă, spontană, de scurtă/lungă durată etc., are caracter demonstrativ, aplicativ, de laborator, natural, individual/echipa etc.; presupune confruntarea elevului cu o situație reală determinândul să observe, înțeleagă, interpreteze și chiar să găsească soluții.

metode indirecte, (demonstrația, modelarea), prezintă obiecte și fenomene reale care sunt dificil de perceput și observat în mod direct utilizând modele care reprezintă simplificat, dar esential, caracteristicile acestora.

După modul de organizare a activității elevilor, se diferențiază următoarele metode:

individuală, (lectura), contribuie la dezvoltarea capacității elevului de a gândi și de a acționa independent, oferă posibilitatea profesorului de a controla și dirija procesul de învățare realizat de elev;

activitate în doi, în perechi formate din doi elevi sau din profesor și elev;

activitate pe grupe de elevi, este folosită atunci când se realizează observații, lucrări practice, experiențe; în funcție de timp și de resursele materiale, grupele îndeplinesc concomitent aceeași sarcină de lucru sau sarcini diferite, în vederea elucidării aceleiași probleme;

frontală sau cu clasa, pune accent pe profesor acesta fiind organizator și îndrumător al activității de învățare realizate de elevi; se bazează pe principiul tratării nediferențiate, al muncii egale cu toți elevii clasei.

de activitate cu grupuri mari care pot reunii două sau mai multe clase de elevi, care constau în: conferințe, simpozioane, dezbateri, vizionări de filme, etc.

După funcția didactică fundamentală pe care o îndeplinesc în cadrul procesului de învățământ metodele pot fi:

de predare propriu-zisă, este activitatea profesorului care are rol de conducător, aceasta este o activitate complexă, care se desfășoară înainte dar și după lecție, incluzând o multitudine de acțiuni și operații, logice ce depind în principal de obiectivele urmărite, de vârsta elevilor, de strategia adoptată și de valorile care se doresc a fi transmise; este un act simultan de transmitere a cunoștințelor, a experiențelor, reprezintă o formă de dirijare a învățării, de calitatea căreia depinde în mare parte nivelul de pregătire și dezvoltare a elevului;

de învățare propriu-zisă, care constă intr-un ansamblu de modificări profunde, stabile, cu valoare adaptativă produsă în comportamentul fiecărui individ ca urmare a propriilor experiențe trăite, ca adaptare la influențele mediului; se desfășoară într-un cadru și cu mijloace instituționalizate, dirijată, controlată prin mijloace specifice, mijlocită de relații pedagogice, are caracter informativ și formativ, desfășurându-se gradual și secvențial; se caracterizează printr-un ansamblu de rezultate stabile, profunde, de natură acțională, afectivă, cognitivă și este indicatorul cel mai elocvent pentru eficiența procesului de predare.

de evaluare a rezultatelor învățării și a proceselor care le explică; ea analizează în ce măsură conținuturile au fost definite în conformitate cu obiectul, dacă a fost efectuată o analiză de nevoi a elevului și în ce măsură procesele de instruire au stimulat și au favorizat învățarea; ea nu se reduce doar la simple constatări, relevând disfuncționalitățile, ci permite analize comparate, facilitează înțelegerea diversității situațiilor precum și modificarea metodelor folosite în vederea îmbunătățirii procesului de învățare.

În cadrul procesului de învățământ, predarea, învățarea și evaluarea, sunt în interacțiune, formând o unitate indisolubilă. Fiecare dintre cele trei activități are trăsături specifice, metodologie proprie, dar aceeași finalitate, aceea de construire progresivă a personalității elevului. Se poate spune că procesul de învățământ reprezintă o interacțiune între evaluarea inițială și între predarea-învățarea-evaluarea cunoștințelor.

După tipul de strategie didactică în care sunt integrate sau a gradului de determinare a învățării, se disting:

metode algoritmice sau deterministe (exercițiul, demonstrația), bazate pe secvențe operaționale, stabile, construite dinainte, determină formarea unor deprinderi de lucru exacte la elevi, orientândule efortul intelectual spre rezolvarea unor probleme importante, având ca scop economisirea de efort și timp, în vederea rezolvării tuturor problemelor, pornind de la însușirea cunoștințelor, adică de la înțelegerea succesiunii operațiilor pe care se bazează;

metode euristice sau semialgoritmice (problematizarea), bazate pe descoperire proprie și rezolvare de probleme, oferă posibilitatea dezvoltării capacităților intelectuale ale elevilor, aceștia reamintindu-și și punând în practică cunoștințele își dezvoltă spiritul de investigație, curiozitatea științifică, creativitatea gândirii, potențând procesul de învățare biologic, accentuând funcțiile sale formative.

După gradul de angajare a elevilor la lecție metodele pot fi:

pasive sau expozitive, centrate pe memoria reproductivă și pe ascultare pasivă;

active, care suscită activitatea de explorare personală a realității.

Cerghit, propune o clasificarea după natura suportului principal purtător de informație, divizând modelele în:

I. Metode de comunicare:

– orală, face parte din categoria metodelor tradiționale, fiind folosită timp îndelungat în procesul de învățământ; ea poate fi folosită în stare pură însă cel mai adesea se folosește împreună cu alte metode, de exemplu cu demonstrația în cazul biologiei; în cazul acestei metode se diferențiază, metode expozitive,care situează permanent elevul în postura de receptor, din aceasta fac parte: descrierea, demonstrația teoretică, explicația, narațiunea, conferința, prelegerea școlară, prelegerea discuție, instructajul, microsimpozionul, prelegerea universitară, instruirea prin înregistrări sonore, etc., și metode conservative sau interactive,care și ele la rândul lor sunt de diverse tipuri: discuții sau dezbateri, discuția-dialog, dezbateri de tipul masă rotundă, conversația euristică, seminarul, consultația de grup, discuția în masă, discuția dirijată, colocviul, metoda acvariului, metoda mozaicului, metoda simetrică, metoda focus-grup, discuția liberă, brainstorming, dezbateri pe baza jocului de asociație de cunoștințe, dezbateri pe baza întrebărilor culese anterior, etc.

– bazate pe limbajul intern, (reflecția personală și experimentul mintal), profesorul solicită rezolvarea unui exercițiu sau răspunsul la o întrebare, care să îi ajute pe elevi să reflecteze la materialul prezentat pe parcursul prelegerii; elevii realizează un mini-eseu în care prezintă câteva idei învățate și formulează o întrebare referitoare la materialul expus; corectând eseurile profesorul primește un feed-back important referitor la modul în care a fost recepționată informația predată.

– scrisă, ( lectura, tehnica lecturii, studiul cărții), în acest caz, sursa de informare este reprezentată de textul scris, tipărit, reprezentat cu precădere de manual dar și de dicționare, enciclopedii, tratate de specialitate, culegeri, reviste, etc.; utilizarea acestei metode presupune, inițiativă din partea elevilor, dobândind cunoștințe prin efort personal, valorificând tehnicile de lectură dar și deprinderile și obișnuințele de stocare și prelucrare a informațiilor; valoarea metodei se materializează în special în consolidarea acestor tehnici de activitate intelectuală.

– oral-vizuală, cuprinde instruirea prin tehnici video, filme, televiziune, etc.

– audio-vizuală, reprezentată de instruirea asistată de calculator.

II. Metode de explorare a realității:

– directă sau nemijlocită, constă în exploatarea nemijlocită a realității, realizată prin observare dirijată, independentă, învățarea prin cercetarea arhivelor și vestigiilor istorice, efectuarea anchetei pe teren, observarea în condiții de experimentare, studiu de caz, efectuarea de studii prin comparație, realizarea de monografii etc.,

– indirectă sau mijlocită, care se poate realiza fie prin metode demonstrative (demonstrarea prin efectuarea de experiente, demonstrarea cu mijloace sonore, cu ajutorul desenelor , cu obiecte/ fenomene reale, cu mijloace audio – vizuale, cu ajutorul calculatorului), fie prin metode de modelare care se realizează prin studierea pe module.

III. Metode bazate pe acțiune (practice sau operaționale)

efectivă, bazată pe acțiune autentică/reală manifestată prin exercițiu, efectuare de aplicații, analiza studiului de caz, activități creative, elaborare de proiecte, efectuare de lucrări practice.

simulată sau fictivă, se bazează pe îmbinarea elementele instructive și formative cu cele distractive utilizându-le în predare, având ca punct de plecare jocurile de simulare (jocuri didactice, jocuri de rol, de orientare, senzoriale, de îndemânare) precum și instruirea prin simulator ( învățare dramatizată, folosirea sistemelor artificiale care la copiază pe cele originale)

IV. Metode de raționalizare a conținuturilor de învățare și predare, sunt centrate pe eficiență maximă, pe performanță, folosind metoda activităților cu fișe, metode algoritmice, învățarea electronică, instruirea bazată pe calculator.

– tehnica fișelor de lucru, presupune organizarea sistematică a procesului de instruire având ca punct de plecare analiza conținutului și a dificultăților prezentate de acestea, ea reprezintă un mijloc deosebit de eficien de investigare a fenomenelor biologice, permițând aplicarea învățării prin descoperire dirijată, a algoritmizării, modelării etc. Profesorul concepe în mod logic fișa de lucru care cuprinde mai multe sarcini de lucru intelectuale și motrice a căror rezolvare permite descoperirea și aprofundarea de către elevi a informațiilor precum și formarea/fixarea deprinderilor de lucru specifice. Această metodă este utilizată în vederea individualizării învățării, fișa de lucru fiind multiplicată sau proiectată pentru toți elevii.

– algoritmizarea, este definită ca metodă de predare-învățare care se bazează pe folosirea și valorificarea algoritmilor în timpul predării; reprezintă o metodă didactică de învățare care cuprinde un lanț finit de exerciții a căror rezolvare urmează o succesiune logică obligatorie de sarcini prescrise de profesor, care determină obținerea aceluiași rezultat pentru toți participanții implicați în rezolvarea aceluiași tip de probleme. Eficientizarea activității de învățare cu ajutorul acestei metode depinde de capacitatea algoritmilor pedagogici aleși care îndeplinesc rolul de modele operaționale. Pentru îndeplinirea operațiilor determinate, succesiunii logice i se asociază o serie de prescripții (indicații, comenzi, reguli, condiții).

Specificul algoritmilor didactici rezultă din contextul pedagogic în care are loc acțiunea automatizată care trebuie nu numai înțelesă de elev, ci și construită uneori de acesta prin angajarea directă a proceselor sale cognitive superioare.

Valențele euristice ale acestei metode pot fi valorificate pe tot parcursul unei activități didactice, în timp ce resursele pedagogice pot depășii limitele caracterului său standardizat. Toate acestea determină profesorul să delimiteze momentele în care însușirea algoritmizată a cunoștințelor solicită deschiderea spre anumite orizonturi de ordin euristic, contribuind la formarea capacității elevului de a-și elabora propriile scheme de instruire algoritmizată, acestea având ca rezultat final aplicabilitatea în diferite circumstanțe didactice sau extradidactice.

Există două categorii de algoritmi didactici în funcție de conținutul obiectivelor operaționale propuse:

algoritmi pentru descrierea obiectivelor,

algoritmi de predare,

algoritmi de învățare,

algoritmi de identificare, care cuprind o listă de întrebări ierarhizate care au ca scop identificarea clasei de probleme care să permită elaborarea unei clasificări cu valoare de sinteză;

algoritmi de rezolvare, care constau într-o succesiune de operații necesare ce au ca scop evaluarea exactă a situației, pentru elaborarea unor decizii eficiente,

algoritmi de instruire sau didactici, care cuprind totalitatea operațiilor și regulilor ce stabilesc întreaga desfășurare a procesului de predare/învățare sau care descriu comportamentele profesorului și elevilor;

algoritmi pentru descrierea evaluării, a probelor de măsurare până la standardizarea lor,

algoritmi pentru descrierea reglării prin feedback a proceselor de învățare și predare etc..

metoda de instruire bazată pe calculator, reprezintă metoda didactică care constă în valorificarea principiilor de modelare și de analiză a activității de instruire folosind tehnologiile informaționale și comunicaționale. Această metodă se realizează prin activități de învățare care se pot desfășura în particular, fie prin activități în care profesorul introduce în calculator materialul didactic de învățat în secvențe de pași proiectați pentru a conduce elevii la un scop final.

Este din ce în ce mai frecvent întâlnită prezența calculatorului în procesul de învățare, acesta avân rol în organizarea învățării, conducerea învățământului precum și în cercetarea pedagogic. Calculatorul permite elevului să parcurgă în ritm propriu și prin efort independent materialul de învățare cu ajutorul unui program care să-i asigure posibilitatea autoverificării prin tehnici de evaluare, după fiecare pas; îmbină imaginea, sunetul și comentariul astfel încât acestea să stimuleze activitatea mentală a elevului, având ca scop formarea tehnicilor de muncă intelectuală.

Calculatorul poate îndeplini și funcție de prezentare intr-o formă sui-generis, a unor conținuturi noi și în același timp poate mijloci o dirijare riguroasă a asimilării acestora cu ajutorul unor tehnici specifice; el poate fi un mediu interactiv, facilitând și întreținând un dialog intens cu elevul. Folosit pentru demonstrații, ne ajută să simulăm și să evidențiem spectaculozitatea unor procese, situații și fenomene naturale cu evoluții complexe la biologie etc.

De asemenea oferă o perspectivă nouă asupra individualizării instruirii, permițând flexibilizarea programelor, organizarea și ghidarea învățării independente, promovând învățarea în ritm propriu, servind ca suport pentru aplicarea noilor forme de evaluare și de urmărire a progreselor elevilor. Calculatorul reprezintă un instrument de muncă personală pentru profesor, pentru pregătirea lecțiilor, centralizarea datelr de evaluare etc.

V. Metode și tehnici de predare-învățare interactivă de grup care contribuie la diversificarea metodologiei didactice

Metoda predării-învățării reciproce, are ca scop dezvoltarea dialogului între elevi. Este o metodă instrucțională de învățare a tehnicilor de studiere a unui text, de obicei cu caracter informativ, care permite elevilor, după ce se familiarizează cu metoda să preia rolul profresorului, instruindu-și colegii.

Elevii clasei se împart în grupuri de 4-6 elevi, și primesc un text cu 4-6 paragrafe câte unul pentru fiecare elev. Fiecare elev citește în gând paragraful corespunzător și face un rezumat al acestuia, formulează întrebări pentru colegi, pentru a verifica dacă aceștia au fost atenți sau dacă au înțeles informația expisă, soluționează neînțelegerile prin explicarea termenilor noi sau mai greu de înțeles, explică elementele neclare. La final se realizează prognosticarea sau precizarea prin care elevii încearcă să anticipeze despre ce este vorba în urmatorul paragraf, bazându-se pe ceea ce au descoperit în precedentul. Jocul se încheie în momentul în care toți elevii au experimentat rolul profesorului.

Metoda „schimbă perechea” sau share-pair circles, se bazează pe munca elevilor în perechi. Se împart elevii clasei în două grupe egale și se așază în două cercuri concentrice, elevii fiind așezați față în față pe perechi. Profesorul dă o sarcină de lucru în perechi, pune o întrebare. Fiecare pereche rezolvă sarcina și comunică concluzia la care au ajuns, apoi cercul de la exterior se mișcă în sensul acelor de ceasornic, schimbându-se în acest fel componența echipelor.

Această metodă oferă posibilitatea elevilor de a lucra cu fiecare membru al clasei, toți elevii clasei fiind implicați în rezolvarea sarcinilor. Jocul se termină în momentul în care se tremină toate întrebările sau când se ajunge la partenerii inițiali.

La final profesorul împreună cu elevii analizează ideile emise și trag concluziile.

Metoda mozaicului sau jigsaw, se bazează pe învățarea în echipă (team-learning) și necesită utilizarea materialelor în formă scrisă. Fiecare elev primește o sarcină de studiu în care trebuie să devină “expert” urmând ca mai apoi să transmită informațiile asimilate, celorlalți colegi. Această metodă folosește studiul independent și poate fi realizată în clasă sau poate fi temă pentru acasă realizată înaintea organizării mozaicului.

Profesorul stabilește tema care trebuie studiată și o împarte în subteme stabilind elementele principale pe care trebuie să pună accent elevii. Colectivul clasei se împarte în grupuri eterogene de 4-5 elevi, fiecare elev al grupei primește un număr de la 1 la 4-5 având ca sarcină de studiat subtema corespunzătoare numărului său devenind expert în tema dată: de exemplu, elevii cu numărul 1 din toate grupele de învățare formate, vor aprofunda sub-tema cu numărul 1, cei cu numărul 2 vor studia sub-tema numărul 2, și așa mai departe.

După parcurgerea studiului independent, experții cu același număr se reunesc în grupe de experți pentru a prezenta fiecare câte un raport asupra studiului individual și pentru a dezbate împreună problema, scopul lor fiind acela de a se instrui cât mai bine, urmând să le predea colegilor din grupa inițială cunoștintele asimilate. Fiecare membru al grupei transmite cunoștințele asimilate, reținând la rândul lui cunoștințele pe care le transmit colegii de grupă experți în alte subteme. Transmiterea informațiilor trebuie să fie scurtă, atractivă, concisă și poate fi însoțită de mijloace audio-video.

La final grupele prezintă rezultatele obținute demonstrând ce au învățat, profesorul monitorizând atent predarea asigurându-se că informația este corect transmisă și asimilată, el poate pune întrebări, poate cere rapoarte , eseuri sau poate cere fiecărui elev să resolve o fișă de evaluare.

Metoda piramidei sau metoda “bulgărelui de zăpadă”, combină activitatea individuală cu cea desfăsurată în mod cooperative, în cadrul grupurilor. Constă în soluționarea problemelor sau a sarcinilor date prin încorporarea activității fiecărui membru al colectivului într-un demers colectiv amplu parcurgând mai multe faze.

Metoda debutează cu expunerea problemei de către profesor, urmând ca fiecare elev timp de cinci minute, să lucreze pe cont propriu încercând să găsească soluția problemei.

În a doua fază de lucru elevii se grupează câte doi și discută rezultatele obținute de fiecare în parte, se pun întrebări din partea colegilor, se solicit răspunsuri, se notează întrebările noi. Apoi clasa se împarte în două grupe mari, egale ca număr și se discută soluțiile la care s-a ajuns și se caută răspunsuri la întrebările noi. Urmează apoi ca întreaga clasă reunită să tragă concluziile asupra ideilor emise, acestea fiind trecute pe tablă putând fi vizualizate și comparate. În această fază cu ajutorul profesorului se gasesc răspunsuri și se lămuresc întrebările nerezolvate.

Ultima fază cea decizională are ca scop găsirea soluției finale și stabilirea concluziilor asupra participării elevilor și a demersurilor realizate.

VI. Metode și tehnici de fixare și sistematizare a cunoștințelor, priceperilor și deprinderilor

Tehnica LOTUS sau Floarea de nufăr, pornește de la o temă centrală, în jurul căreia se generează teme noi de studiu pentru care se dezvoltă concepte și conexiuni noi. Tema centrală determină opt idei secundare care se dinspun în diagramă în jurul temei principale precum petalele florii de nufăr. Cele opt idei secundare vor devein la rândul lor teme principale, pentru alte opt flori de nufăr.

Rezolvarea diagramei se face pornind de la temacentrală, participanții încercând să găsească idei sau aplicatii ale acesteia, pe care le trec în cele opt cercuri în sensul acelor de ceasornic, până când se completează toate cadranele.

Evaluarea finală se realizează prin aprecierea rezultatelor din punct de vedere cantitativ și calitativ, ideile emise putând reprezenta surse noi de teme de studio în viitoarele lecții.

Diagrama cauzelor și efectului, cuprinde mai multe etape care permit punerea în evidență a izvoarelor unui eveniment, rezultat sau problem, fiind utilizată de grup ca process creative de generare și organizare a cauzelor majore și minore ale uniu efect.

Pentru început clasa se împarte în grupe de lucru, apoi se stabilește problema de discutat care este rezultatul unei întâmplări sau eveniment – efectul. Fiecare grupă analizează câte un efect. Pentru a descoperii cauzele care au dus la efectul discutat, în cadrul fiecărui grup au loc dezbateri, în urma cărora se construiește diagram, astfel, efectul se trece pe axa principal, iar pe ramurile axei principale se trec cauzele majore ale efctului acestea având drept correspondent cele șase întrebări: CÂND?, UNDE?, CINE?, DE CE?, CE?, CUM? (s-a întâmplat), iar cauzele minore care decurg din cauzele principale se trec pe ramuri mai mici care se deduc din cele ale cauzelor majore.

La final se discută și se evaluază diograma fiecărui grup, se evaluază modul în care s-a făcut distincție între cauzele majore și minore, modul în care au fost plasate pe diagram, se stabilesc concluziile precum și importanța cauzelor majore.

VII. Metode și tehnici de învățare bazate pe stimularea creativității prin rezolvare de probleme

Brainstorming-ul sau asaltul de idei sau furtună în creier, are drept scop emiterea unui număr cât mai mare de soluții, de idei, privind modul de rezolvare a unei probleme, în vederea obținerii, prin combinarea lor, a unei soluții complexe, creative, de rezolvare a problemei puse în discuție (Oprea, 2007).

Această metodă are drept scop obținerea într-o atmosferă neinhibatoare de idei originale, păreri neconvenționale, provocând o reacție în lanț, constructivă, fiind un bun exercițiu de stimulare și cultivare a creativității, de sporire a încrederii în sine și a spiritului de inițiativă, dezvoltarea gândirii critice și a capacității de argumentare, îndrumând participanții să emită cât mai multe idei, în vederea alegerii celei mai bune soluții de rezolvare a problemei dezbătute.

Această metodă a fost inițiată de A. Osborn, în anul 1948, care a preluat metoda din budismul Zen și se bazează pe patru principia fundamentale: căutarea în voie a ideilor, amânarea judecării acestora, căutarea unui număr cât mai mare de idei și schimbul fertil de idei.

În cadrul brainstorming-ul, se respect un set de reguli importante. Metoda se aplică timp de 20-45 de minute, unui grup eterogen de maxim 30 de personae, acestea fiind coordinate de profesor care are rol de animator și mediator. Metoda urmărește găsirea celei mai adecvate soluții a unei probleme de rezolvat, printr-o mobilizare a ideilor tuturor participanților la discuție.

Tehnica 6/3/5 sau brainwriting, se aseamănă cu brainstorming-ul, numai că se realizează în scris, fiecare participant trebuie să scrie ideile pe o foie de hârtie, care circulă între participanți. Această tehnică permite îmbinarea activității individuale cu cea colectivă.

Tehnica se numește 6/3/5 pentru că participanții sunt împărțiți în grupe de lucru formate din 6 membrii, care trebuie să găsească câte 3 soluții fiecare pentru fiecare problemă dată, timpul de lucru fiind de 5 minute.

Fiecare membru al grupei primește o foaie de hârtie împărțită în 3 coloane, în care trebuie să treacă cele trei soluții găsite de el în 5 minute apoi foile migrează de la stânga spre dreapta până ajung la posesorul inițial. Fiecare participant primește foaia colegului său și după ce citește soluțiile notate de acesta trebuie să le modifice în sens creativ, reformulându-le și îmbunătățindu-le conținutul. La final se centralizează toate datele obținute, fiind analizate , apreciindu-se rezultatele.

Metoda pălăriilor gânditoare, “presupune interpretarea de roluri de către elevi care își aleg una dintre cele șase pălării, simple simboluri, de culori diferite, cărora le corespund semnificații și modalități diferite de interpretare” (Ilie, 2008,). Membrii grupului își aleg pălăriile interpretân rolul cum pot ei mai bine, rolurile se pot inversa, participanții fiind liberi să spună ce gândesc, fiind de acord cu rolul jucat. Fiecare pălărie gânditoare în funcție de culoarea pe care o are, reprezintă un anumit mod de a gândi, definind rolul care trebuie interpretat:

pălăria albă, oferă o privire obiectivă asupra informațiilor, absența culorii indică neutralitatea.

pălăria roșie, oferă o perspectivă emoțională asupra evenimentelor.

pălăria neagră, este perspectiva gândirii negative, pesimiste.

pălăria galbenă, simbolizează strălucire, optimism.

pălăria verde, simbolizează gândirea creativă.

pălăria albastră, exprimă controlul procesului de gândire.

Această metodă permite participanților să își schimbe modul de a gândi, de a afla și alte puncte de vedere.

Metoda stelară sau starbursting (eng. “star” = stea; eng. ”burst” = a exploda), este o metodă nouă de dezvoltare a creativității, și este asemănătoare brainstorming-ului. Metoda presupune organizarea clasei de elevi într-un grup și stimulează crearea de întrebări la întrebări, scopul ei fiind acela de a obține cât mai multe întrebări și astfel cât mai multe conexiuni înte concepte.

Pentru început se scrie problema sau ideea pe o foaie de hârtie și se pun cât mai multe întrebări care au legătură cu ea. Se pornește de la întrebări uzuale, simple de genul: Cine? Ce? Unde? Când? De ce? Din ce cauză? care ulterior pot da naștere unor întrebări mai complexe, neașteptate care cer și o mai mare concentrare.

Metoda stelară, reprezintă una dintre cele mai relaxante și mai plăcute metode didactice fiind ușor de aplicat oricărui tip de colectiv de elevi, stimulând creativitatea individuală dar și de grup, dezvoltând spiritul de cooperare și de competiție.

Metoda Frisco, această metodă constă în interpretarea din partea participanților a unui rol specific, permițând abordarea problemelor din mai multe perspective. Fiecare membru al grupului va juca pe rând, mai multe roluri:

conservatorul, care apreciază soluțiile vechi de rezolvare, însă nu exclude posibilitatea îmbogățirii lor,

exuberantul, asigură un cadru imaginativ-creativ, inovator stimulând participanții să vadă astfel lucrurile,

pesimistul, nu este de acord cu ce se discută, cenzurând ideile și soluțiile propuse,

optimistul, combate ideile pesimistului, încurajând participanții să vadă lucrurile dintr-o perspectivă reală, concretă și realizabilă.

Participanții trtebuie să dea dovadă de spirit critic, capacități empatice, o bogată imaginație și creativitate.

Scopul fiind acela de a identifica problemele dificile și complexe, rezolvându-le în mod eficient.

Studiul de caz, prezintă valențe euristice și aplicative, are un pronunțat caracter activ, ea permite confruntarea directă a participanților cu o situație autentică, întâlnită în viața reală, aceasta fiind luată ca exemplu reprezentativ pentru un set de situații și evenimente problemă.

Elevilor li se propun doar sarcini concrete de rezolvat, urmând să se descurce prin eforturi proprii, fără să beneficieze de o prezentare complexă a situației.

Această metodă obișnuiește elevii să întreprindă o analiză, să imagineze alternative de soluționare a unei situații care necesită luarea de măsuri eficiente, argumentând soluțiile și deciziile luate prin raportare la cunoștințe, legi, principii și teorii deja învățate.

Un punct de plecare în cazul acestei metode presupune ca profesorul să beneficieze de un portofoliu de cazuri raportate la cerințele impuse de disciplina și scoala în care predă.

Această metodă se poate folosi ca sursă de cunoaștere, pentru realizarea unor sarcini de descoperire sau ca modalitate practică de realizare a unor sarcini de aplicare, confirmare, întărire, încurajare ( Cerghit, 2006).

Sinectica, provine de la grecescul „synecticos”, care constă în asocierea unor idei care aparent nu au nicio legătură între ele.

Metoda permite participanților, să-si dezvolte creativitatea, să-si stimuleze gândirea, să se elibereze de constrângeri, exprimându-și liber opiniile vis-a-vis de o problemă în vederea abordării ei într-o nouă perspectivă. Această metodă încurajază participanții să-si asume emiterea de idei originale și inedite, sporind încederea în forțele proprii.

Metoda se aplică unor grupuri mici, alcătuite din 5-8 elevi care trebuie să-și delege un lider și un secretar. Problema poate fi aleasă de profesor sau elevi cu condiția ca participanții să cunoască domeniul de proveniență al problemei, să aibă abilități de lucru în echipă și să fie toleranți față de ideile emise de colegii grupului din care fac parte.problema propusă pentru rezolvare va fi analizată și fragmentată în unități de bază, transpunând elementele cunoscute într-o formă operațională.

Elevii sunt încurajați de către profesor care trebuie să fie un fin psiholog, să fie creativi și să privească atât problema cât și soluțiile într-un mod neuzual, itinerarul sinectic constând în în primă fază distanțarea de esența problemei, pentru a nu le fi influențat procesul creativ.

Evaluarea se bazează pe ideile emise, pe ierarhizarea soluțiilor propuse precum și pe experimentarea și aplicarea modelului rezolutiv.

7.3. INTEGRAREA EXPERIMENTULUI ÎN LECȚIE

Experimentul reprezintă o observare provocată în scopul cercetării unui proces sau fenomen biologic, în condiții determinate, impuse de ipoteza de lucru ( Ciolac-Russu și Cîrstoiu, 2006).

Metoda fundamentală de studiere a biologiei este experimentul, aceasta combină experiența cu acțiunea, accentuând caracterul aplicativ al predării, realizând o strânsă legătură între teorie și practică. Activitatea experimentală reprezintă o activitate structurală complex cu funcție psihică dinamizată care este capabilă de formarea și dezvoltarea anumitor scheme intelectuale: flexibilitatea gândirii, previziune, capacitate de sinteză, raționamente ipotetico-deducționale.

Experimentul constă în efectuarea în laboratorul de biologie, de către elevi a unor activități de cunoaștere a sistemelor biologice, aplicând sub îndrumarea profesorului, experiențe de fiziologie vegetală și animală, comparare și cercetare macroscopică și microscopică, analiză etc.

Cu ajutorul experimentului se cercetează procesele și fenomenele biologice, acesta fiind un instrument de căutare și găsire a unor legități specifice viului.

Experimentul de laborator nu constă doar în utilizarea unor instrumente și tehnici de lucru specifice biologiei, ci reprezintă și o intervenție activă care permite modificarea condițiilor de manifestare ale proceselor și fenomenelor studiate în vederea descoperirii de informații și date noi caracteristice fenomenului biologic studiat.

Școala contemporană urmărește să dezvolte personalități capabile de explorarea necunoscutului,n atrase de investigarea realității înconjurătoare și deprinse cu cercetarea observativă și experimentală (Ciolac-Russu și Cîrstoiu, 2006).

Experimental apropie elevul de specificul actului de cercetare, determinând familiarizarea lui cu metodologia experimentelor biologice.

Funcțiile experimentului de laborator, sunt multiple, ele realizându-se în strânsă interdependență, împletind armonios operațiile obiectuale cu cele mintale și intelectuale.

Aceste funcții :

determină sau pun elevii în situația de a cerceta sistemele biologice în vederea descoperirii trăsăturilor definitorii ale acestora;

elevii produc și reproduc fenomene biologice pe cale experimentală;

determină formarea priceperilor și deprinderilor de lucru cu aparatura specifică studiului biologiei, în vederea însușirii și punerii în practică a metodelor și tehnicilor de lucru specifice;

permit elevilor să descopere cunoștințe noi și în același timp să aprofundeze și să verifice cunoștințele însușite anterior;

favorizează dezvoltarea la elevi a spiritului de investigație și observație, capacități de analiză și sinteză, a gândirii originale, fluide, flexibile, accentuând caracterul formativ al învățării biologiei;

arată greșelile ce trebuie evitate în realizarea unei acțiuni, pericolul ce-l prezintă acestea pentru securitatea executantului sau buna funcționare a materialului;

În funcție de scopul lor experimentele se clasifică astfel:

Experimente cu scop de cercetare,

Experimentul demonstrativ,

Experimentul aplicativ,

Experimentul destinat formării abilităților motrice.

1. Experimente cu scop de cercetare, poate fi aplicat în vederea studierii unor procese fiziologice caracteristice plantelor și aminalelor, elevii fiind puși în situația de a concepe montajul experimental, pornind de la o ipoteză, continuând cu selectarea datelor și tragerea concluziilor.

De exemplu, la clasa a-V-a, în cadrul lecției “Fotosinteza”, pentru punerea în evidență și stabilirea condițiilor necesare desfășurării acestui proces, precum și evidențierea influenței substanțelor poluante, elevii trebuie să desfăsoare următoarele operații:

secționează oblic cu ajutorul unui bisturiu sau lamă de ras, ramuri de plantă acvatică, Elodea, pe care le vor pune în eprubete cu vârful în jos:

în prima eprubetă se pune ramura de Elodea în apă de robinet și se așază la lumină natural (probă martor),

în a doua eprubetă se pune ramura de Elodea în apă de robinet și se așază la întuneric,

în a treia eprubetă se pune ramura de Elodea în apă de robinet în care s-a adăugat detergent obișnuit de vase, și se așază la lumină,

în a patra eprubetă se pune ramura de Elodea în apă de robinet în care s-a adăugat detergent bio de vase, și se așază la lumină.

Experimentul se desfășoară pe o perioadă de 20 de minute, timp în care elevii observă și analizează, reacțiile ramurilor de Elodea la condițiile diferite la care acestea sunt supuse.

Elevii compară proba martor, cu probele în care ramurile de plantă au fost supuse substanțelor poluante și cu proba ținută la întuneric, numărând bulele de gaz degajate.

Elevii descoperă relațiile dintre acțiunea factorilor de mediu (lumină, întuneric), precum și a substanțelor poluante asupra desfășurării procesului de fotosinteză la planta superioară submersă.

Elevii prezintă concluziile necesare desfășurării procesului de fotosinteză în condiții optime: evidențiează faptul că la întuneric nu se desfăsoară procesul de fotosinteză, iar substanțele poluante frânează sau opresc desfășurarea acestui proces.

2. Experimentul demonstrative, este realizat de către profesor cu scopul de a investiga sistemele biologice, de a demonstra și a confirma informațiile transmise.

3. Experimentul aplicativ, face corelația între teorie și practică, fiind realizat de către elevi pe baza unui plan realizat de cadrul didactic, în vederea posibilității de punere în practică a cunoștințelor învățate anterior.

4.Experimentul destinat formării abilităților motrice, urmărește ca elevii să-și formeze priceperi și deprinderi practice de lucru în vederea mânuirii aparatelor și ustensilelor de laborator, individual sau grupe (realizarea de preparate microscopic, folosirea microscopului).

După modul de desfășurare, se disting trei categorii de experiment:

individual, fiecare elev, folosind instrumente și aparate adecvate lucrează în mod independent, având de rezolvat o sarcină diferită de a colegilor săi.

în grupe sau echipe, atunci când nu există aparatură suficientă, echipele având de cercetat aceeași temă sau teme diferite caz în care conținutul lecției este reântregit în urma prezentării concluziilor; dacă timpul permite echipele studiază pe rând toate experientele montate.

frontal, se realizează atunci când fiecare elev dispune de aparatura necesară, elevii efectuând concomitent același experiment în același ritm, fiind urmăriți de către profesor care intervine cu recomandări și precizări.

După durata desfășurării experimentul poate fi: de scurtă durată, se efectuează în cadrul orei sau de lungă durată, realizarea lor necesită o perioadă îndelungată de timp, se realizează doar parțial la lecție, fiind demonstrată doar organizarea inițială și rezultatele cercetării.