Fotosinteza: faza de lumină, faza de întuneric și ecuația generală

Fotosinteza este procesul prin care plantele verzi, algele și alte organisme cu clorofilă transformă energia luminoasă în energie chimică, sintetizând glucoză din dioxid de carbon și apă, cu eliberare de oxigen. Are loc în cloroplaste, în două faze: faza de lumină, în tilacoide, și faza de întuneric (ciclul Calvin), în stromă. Pentru BAC biologie trebuie să știi ecuația, localizarea fazelor, produșii fiecăreia și factorii care influențează procesul.

Ecuația generală a fotosintezei

Forma pe care o folosești la BAC este:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ (în prezența luminii și a clorofilei)

Citește ecuația ca pe o poveste: materiile prime sunt dioxidul de carbon (luat din aer prin stomate) și apa (absorbită din sol prin rădăcină); condițiile sunt lumina și clorofila; produșii sunt glucoza (substanță organică) și oxigenul. Energia luminoasă nu dispare: este stocată în legăturile chimice ale glucozei.

Un detaliu care face diferența la itemii de tip „explicați”: oxigenul eliberat provine din apă, nu din CO₂. Molecula de apă este descompusă în faza de lumină (fotoliza apei), iar carbonul din CO₂ ajunge în glucoză.

Fotosinteza este un proces de nutriție autotrofă: planta își produce singură substanța organică din substanțe anorganice. De aceea plantele sunt producători în orice ecosistem și lanț trofic.

Cloroplastul și pigmenții asimilatori

Fotosinteza are loc în cloroplaste, organite cu membrană dublă, foarte numeroase în celulele țesutului asimilator (palisadic și lacunar) din frunză. În interiorul cloroplastului deosebești:

• tilacoidele — saci membranari turtiți, așezați în teancuri numite grana; în membrana lor se află pigmenții, deci aici are loc faza de lumină;
• stroma — substanța fundamentală din jurul tilacoidelor, cu enzimele necesare fixării CO₂; aici are loc faza de întuneric.

Pigmenții asimilatori sunt clorofilele (a și b, verzi), care absorb mai ales lumina roșie și albastru-violet, și carotenoidele (carotenul — portocaliu, xantofila — galbenă), care completează spectrul absorbit. Toamna, clorofila se degradează, iar carotenoidele rămase dau culoarea galben-portocalie a frunzelor. Lumina verde este în mare parte reflectată — de aceea frunzele ni se par verzi.

Faza de lumină

Faza de lumină (faza fotochimică) are loc în membrana tilacoidelor și depinde direct de lumină. Pașii esențiali:

1. Clorofila absoarbe energia luminoasă și își trece electronii într-o stare excitată.
2. Pentru a înlocui electronii pierduți de clorofilă, apa este descompusă: fotoliza apei. Rezultă protoni, electroni și oxigen, care este eliberat în atmosferă.
3. Energia electronilor este folosită pentru sinteza de ATP (din ADP și fosfat — fotofosforilare) și pentru formarea NADPH, un transportor de hidrogen (în unele manuale notat NADPH₂).

Pe scurt: intră lumina și apa; ies O₂, ATP și NADPH. ATP-ul și NADPH-ul nu părăsesc cloroplastul — sunt folosite imediat în faza următoare.

Faza de întuneric (ciclul Calvin)

Faza de întuneric (faza biochimică) are loc în stromă. Denumirea înșală: nu are loc „noaptea”, ci se numește așa pentru că nu necesită direct lumină. În realitate se desfășoară ziua, în paralel cu faza de lumină, pentru că depinde de ATP-ul și NADPH-ul produse de aceasta.

• CO₂ din aer este fixat pe o moleculă acceptoare cu 5 atomi de carbon (ribulozo-difosfatul), cu ajutorul unei enzime numite pe scurt rubisco.
• Compușii formați sunt reduși folosind energia din ATP și hidrogenul din NADPH.
• Rezultă glucide simple (în final, glucoză), iar o parte din molecule sunt folosite pentru regenerarea acceptorului, ca ciclul să poată continua.

Glucoza este folosită de plantă în respirație, transformată în zaharoză (forma în care circulă prin floem) sau depozitată ca amidon în frunze, tuberculi, semințe.

Factorii care influențează fotosinteza

Intensitatea fotosintezei depinde de factori interni (cantitatea de clorofilă, numărul de cloroplaste și de stomate, vârsta frunzei) și externi:

• Lumina — intensitatea fotosintezei crește odată cu intensitatea luminii, până la un prag de saturație, după care nu mai crește.
• Concentrația de CO₂ — crește intensitatea procesului, tot până la o limită. În sere, îmbogățirea aerului cu CO₂ crește producția.
• Temperatura — fiind un proces enzimatic, are un optim; la temperaturi prea scăzute sau prea mari, enzimele lucrează lent sau se inactivează.
• Apa — lipsa apei duce la închiderea stomatelor, deci la scăderea pătrunderii CO₂. Legătura cu circuitul apei în plantă este directă.
• Sărurile minerale — magneziul intră în structura clorofilei; lipsa lui produce îngălbenirea frunzelor.

Atunci când un singur factor este în cantitate insuficientă, el devine factor limitativ: nu contează câtă lumină are planta dacă nu are destul CO₂.

Experimente clasice despre fotosinteză

• Eliberarea oxigenului: o ramură de ciumă-de-apă (Elodea) pusă într-un vas cu apă, la lumină, degajă bule de gaz. Gazul colectat într-o eprubetă reaprinde o așchie de lemn cu jar — este oxigen. Dacă muți vasul la întuneric sau mai departe de sursa de lumină, numărul de bule scade.
• Formarea amidonului: o frunză de la o plantă ținută în prealabil la întuneric (ca să-și consume amidonul) este acoperită parțial cu hârtie opacă și expusă la lumină. După decolorarea în alcool fierbinte și tratarea cu soluție Lugol (iod), doar porțiunea luminată se colorează în albastru-violet — acolo s-a format amidon.

Greșeli frecvente

• „Faza de întuneric are loc noaptea.” Nu necesită direct lumină, dar are loc ziua.
• „Oxigenul provine din CO₂.” Provine din fotoliza apei.
• „Plantele fac doar fotosinteză, iar animalele doar respirație.” Plantele respiră permanent, zi și noapte; ziua, fotosinteza este mai intensă decât respirația, așa că degajarea netă este de O₂.
• Inversarea localizării: faza de lumină în tilacoide, faza de întuneric în stromă — nu invers.

Structura frunzei, cu țesutul asimilator și stomatele, este detaliată în articolul despre țesuturile vegetale și organele plantei.