Fotosinteza: cum transformă plantele lumina în hrană

Fotosinteza este procesul prin care plantele captează energia luminii și o folosesc pentru a construi zahăr din două ingrediente banale: dioxidul de carbon din aer și apa din sol. Produsul secundar este oxigenul pe care îl respiri. Practic, fiecare bucată de pâine, fiecare măr și fiecare bucată de lemn din sobă este energie solară „împachetată” chimic de o plantă.

În termeni simpli, o frunză este un panou solar care, în loc de electricitate, produce hrană. Mai jos afli ce se întâmplă în interiorul ei, de unde vine de fapt oxigenul, de ce frunzele sunt verzi și de ce se îngălbenesc toamna, plus câteva experimente pe care le poți face acasă sau la școală.

Ecuația fotosintezei, pe înțeles

Fotosinteza se rezumă printr-o ecuație chimică simplă, care arată ce intră și ce iese, chiar dacă în realitate procesul are zeci de etape.

6 CO₂ + 6 H₂O + energie luminoasă → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Citită în cuvinte: șase molecule de dioxid de carbon și șase molecule de apă, cu ajutorul luminii, formează o moleculă de glucoză și șase molecule de oxigen.

Glucoza nu rămâne mult timp ca atare. Planta o transformă în amidon pentru depozitare (în cartofi, boabe de grâu, castane), în celuloză pentru pereții celulelor, adică în lemn și fibre, sau în zaharoză, zahărul pe care îl transportă de la frunze spre rădăcini și fructe. Sfecla de zahăr, cultivată și în România, își adună rezervele de zaharoză în rădăcină.

Unde are loc: frunza și cloroplastul

Fotosinteza are loc în cloroplaste, organite verzi aflate mai ales în celulele frunzelor. Structura frunzei este optimizată pentru acest rol, de la forma plată până la porii microscopici.

Frunza, un organ construit pentru lumină

• Lamina largă și subțire captează multă lumină și lasă gazele să circule ușor.
• Țesutul palisadic, aflat imediat sub fața superioară, are celule alungite, înghesuite și pline de cloroplaste.
• Țesutul lacunos, mai jos, are spații de aer prin care circulă CO₂ și oxigenul.
• Stomatele, de obicei mai numeroase pe fața inferioară, se deschid și se închid ca niște guri minuscule, controlând schimbul de gaze și pierderea de apă.
• Nervurile aduc apa și duc zaharurile spre restul plantei.

Interiorul cloroplastului

Un cloroplast are două membrane exterioare și, în interior, teancuri de săculeți turtiți numiți tilacoide, aranjați ca niște monede stivuite. Membranele tilacoidelor conțin clorofila și sunt locul primei etape a fotosintezei. Lichidul din jurul lor, numit stromă, găzduiește a doua etapă. Despre celelalte organite ale celulei, inclusiv despre originea bacteriană a cloroplastelor, citește ghidul despre structura celulei.

De ce sunt plantele verzi: clorofila

Plantele sunt verzi pentru că clorofila absoarbe foarte bine lumina albastră și pe cea roșie, dar reflectă și transmite o mare parte din lumina verde. Lumina albă a Soarelui este un amestec de culori, iar frunza „păstrează” culorile utile și îți trimite înapoi verdele.

Există mai mulți pigmenți fotosintetici:

• clorofila a, pigmentul principal, prezent la toate plantele și algele;
• clorofila b, care lărgește puțin gama de culori absorbite;
• carotenoizii, pigmenți galbeni și portocalii, care ajută la captarea luminii și protejează clorofila de prea multă lumină.

De ce se colorează frunzele toamna

Toamna, când zilele se scurtează și temperaturile scad, arborii cu frunze căzătoare opresc producția de clorofilă și o descompun, recuperând substanțele valoroase din ea. Verdele dispare și devin vizibili carotenoizii galbeni și portocalii, care erau acolo tot timpul. Roșul intens al unor arțari, al viței-de-vie sălbatice sau al oțetarului vine din alți pigmenți, antocianii, pe care unele specii îi produc chiar toamna. Fenomenul ține de fizica luminii și a culorilor, explicată în Lumina și culorile: de ce vedem curcubeul și cerul albastru.

Sfat: Separă pigmenții unei frunze prin cromatografie: zdrobește o frunză de spanac pe o fâșie de hârtie de filtru, la 2 cm de margine, apoi pune fâșia într-un pahar cu puțin alcool sanitar, fără să atingă pata direct. În 20–30 de minute, alcoolul urcă și separă benzi verzi și galbene. Lucrează cu alcoolul departe de orice flacără.

Etapa 1: reacțiile dependente de lumină

Prima etapă a fotosintezei transformă energia luminii în energie chimică temporară și, în același timp, descompune apa, eliberând oxigen. Are loc în membranele tilacoidelor și se oprește când se face întuneric.

Pașii, simplificați:

1. Clorofila absoarbe un foton, adică o „particulă” de lumină, iar unul dintre electronii ei capătă energie suplimentară.
2. Electronul energizat este trecut printr-un lanț de proteine din membrană, ca o minge pasată din mână în mână.
3. Pentru a înlocui electronii pierduți, planta desface moleculele de apă în hidrogen și oxigen. Oxigenul este eliberat în aer.
4. Energia electronilor este folosită pentru a produce două molecule de transport: ATP (adenozin trifosfat) și NADPH, adevărate „baterii încărcate” pentru etapa următoare.

Oxigenul vine din apă, nu din CO₂

Mult timp s-a crezut că oxigenul eliberat provine din dioxidul de carbon. În anii 1940, cercetătorii au folosit apă care conținea un izotop rar al oxigenului și au constatat că acest izotop apare în oxigenul eliberat de plante. Ideea a fost clară: oxigenul din aer provine din apă, iar carbonul și oxigenul din CO₂ ajung în glucoză. Experimentul este un exemplu clasic de metodă științifică, în care o ipoteză aparent evidentă este testată și corectată.

Etapa 2: ciclul Calvin, fabrica de zahăr

A doua etapă folosește ATP-ul și NADPH-ul obținute la lumină pentru a lega carbonul din aer în molecule organice. Se numește ciclul Calvin, după chimistul american Melvin Calvin, care l-a descifrat împreună cu colegii săi și a primit pentru asta Premiul Nobel pentru Chimie în 1961.

Ciclul are loc în stromă și cuprinde trei faze:

1. Fixarea carbonului: o enzimă numită RuBisCO prinde CO₂ din aer și îl atașează unei molecule cu cinci atomi de carbon.
2. Reducerea: cu energia din ATP și NADPH, produsul este transformat în zaharuri simple cu trei atomi de carbon.
3. Regenerarea: o parte din aceste zaharuri refac molecula inițială, ca ciclul să poată continua; restul este folosit pentru glucoză și alte substanțe.

RuBisCO este considerată cea mai abundentă proteină de pe Pământ. Este însă o enzimă lentă și uneori „greșește”, legând oxigen în loc de CO₂, ceea ce irosește energie. Pe vreme caldă și uscată, această greșeală devine mai frecventă, iar unele plante au dezvoltat soluții ingenioase.

Plantele C3, C4 și CAM

Nu toate plantele fac fotosinteza la fel: unele au adaptări care le ajută să lucreze eficient pe căldură și secetă. Biologii le împart în trei grupe, după felul în care fixează carbonul.

Porumbul, una dintre culturile de bază ale câmpiilor românești, este o plantă C4, motiv pentru care suportă bine verile calde. Plantele grase de pe pervaz, cum ar fi „arborele de jad” (Crassula ovata), folosesc metabolismul CAM: își țin stomatele închise în arșița zilei și „respiră” noaptea.

Ce limitează fotosinteza

Viteza fotosintezei depinde de câțiva factori, iar cel aflat în cantitatea cea mai mică stabilește ritmul, ca veriga cea mai slabă a unui lanț. Acesta se numește factor limitant.

• Lumina: la lumină slabă, fotosinteza merge încet; peste un anumit prag, mai multă lumină nu mai ajută și poate chiar deteriora pigmenții.
• Dioxidul de carbon: în sere, cultivatorii cresc uneori concentrația de CO₂ pentru a mări producția.
• Temperatura: enzimele lucrează cel mai bine la temperaturi moderate; la frig sau la căldură excesivă, procesul încetinește.
• Apa: la secetă, planta închide stomatele ca să nu se usuce, dar astfel nu mai intră nici CO₂.
• Mineralele: fără magneziu, care se află în centrul moleculei de clorofilă, sau fără azot, frunzele se îngălbenesc.

Chiar și în condiții bune, plantele de cultură transformă în hrană doar un procent mic din energia luminii care le cade pe frunze, de obicei câteva procente. Restul este reflectat, transmis sau pierdut sub formă de căldură, în acord cu principiul explicat în articolul despre energie și conservarea ei.

Important: Plantele respiră și ele, zi și noapte, consumând oxigen. Ideea că plantele din dormitor „fură oxigenul” noaptea este însă exagerată: cantitatea consumată de câteva ghivece este neglijabilă față de volumul de aer dintr-o cameră.

Fotosinteza la scara planetei

Fotosinteza a schimbat literalmente fața Pământului, iar fără ea nu ar exista nici oxigen în atmosferă, nici animale. Primele organisme fotosintetice care eliberau oxigen au fost cianobacteriile, microorganisme care trăiesc și astăzi în ape și soluri.

Câteva repere importante:

• acum aproximativ 2,4 miliarde de ani, oxigenul produs de cianobacterii a început să se acumuleze în atmosferă, eveniment numit Marea Oxidare;
• oxigenul a permis formarea stratului de ozon, care filtrează radiațiile ultraviolete și a făcut posibilă viața pe uscat; straturile atmosferei sunt descrise în ghidul despre atmosferă;
• fitoplanctonul, adică algele microscopice și cianobacteriile din oceane, realizează o parte foarte mare din fotosinteza globală, comparabilă cu cea a tuturor plantelor de pe uscat;
• cărbunele, petrolul și gazele naturale sunt resturi de organisme care au făcut fotosinteză cu milioane de ani în urmă, deci energie solară foarte veche.

În fiecare ecosistem, plantele și algele sunt producătorii de la baza lanțului trofic, iar toate celelalte organisme depind de ei, cum arată ghidul despre ecosisteme și lanțul trofic. Pentru imaginea de ansamblu a științelor vieții, vezi și ghidul general de biologie.

Experimente istorice și experimente de făcut acasă

Fotosinteza a fost descoperită pas cu pas, prin experimente simple, dintre care unele pot fi reproduse cu materiale obișnuite.

Trei descoperiri de istorie

1. Jan Baptist van Helmont, în secolul al XVII-lea, a crescut o salcie într-un ghiveci timp de cinci ani. Arborele a câștigat zeci de kilograme, iar pământul din ghiveci a pierdut doar câteva zeci de grame. El a constatat, parțial greșit, că planta s-a hrănit doar cu apă; nu știa încă de rolul aerului.
2. Joseph Priestley, în 1771, a observat că o lumânare stinsă într-un vas închis poate arde din nou dacă în vas este pusă o ramură de mentă, adică planta „reface” aerul.
3. Jan Ingenhousz, în 1779, a arătat că plantele fac acest lucru doar la lumină și doar prin părțile verzi.

Experiment cu bule de oxigen

Pune o ramură de plantă acvatică, de exemplu ciuma apelor (Elodea), într-un pahar cu apă, sub o lampă. După câteva minute vei vedea bule mici ieșind din tulpina tăiată: este oxigen. Mută lampa mai aproape sau mai departe și numără bulele pe minut. Vei observa că, la lumină mai puternică, apar mai multe bule, până la un prag.

Atenție: Testul clasic pentru amidon în frunze presupune fierberea frunzei în alcool, care este inflamabil. Dacă îl faci la școală, se lucrează doar sub supravegherea profesorului, cu alcoolul încălzit indirect, într-un vas pus în apă fierbinte, niciodată direct pe flacără sau pe plită.

Ideile principale

Fotosinteza este procesul care transformă lumina în hrană și ține în viață aproape toate ecosistemele Pământului. În cloroplaste, clorofila captează lumina, apa este desfăcută și eliberează oxigen, iar energia obținută este folosită în ciclul Calvin pentru a lega carbonul din aer în zaharuri. Plantele C4 și CAM au adaptări speciale pentru căldură și secetă, iar ritmul procesului depinde de lumină, CO₂, temperatură, apă și minerale.

De reținut:

• ecuația: dioxid de carbon + apă + lumină → glucoză + oxigen;
• oxigenul eliberat provine din apă, nu din dioxidul de carbon;
• clorofila absoarbe roșu și albastru și reflectă verdele;
• ciclul Calvin, cu enzima RuBisCO, fixează carbonul din aer;
• cianobacteriile au umplut atmosfera cu oxigen acum aproximativ 2,4 miliarde de ani.