Etapele și evidențierea fotosintezei

Fotosinteza nu se petrece într-un singur pas. În prima grupă de reacții, lumina este captată în cloroplast, iar energia ei este transformată în forme pe care celula le poate folosi. Apa participă la proces, iar oxigenul este eliberat. În a doua grupă de reacții, planta folosește energia obținută pentru a fixa dioxidul de carbon și a produce molecule organice. A doua grupă nu folosește direct lumina, dar depinde de produsele primei; nu înseamnă că se desfășoară numai noaptea.

Cum putem arăta că are loc fotosinteza? O metodă școlară urmărește amidonul format într-o frunză ținută la lumină. După îndepărtarea clorofilei și adăugarea unei soluții de iod, zonele cu amidon capătă o culoare închisă. Dacă o parte a frunzei a fost acoperită înainte, poți compara zonele luminate cu cele ferite de lumină. Un alt indiciu este oxigenul eliberat de unele plante acvatice aflate la lumină.

Un experiment trebuie să compare situații cât mai asemănătoare, schimbând în principal factorul cercetat. Nu presupune că orice bulă de gaz văzută într-un vas dovedește singură fotosinteza: contează controlul și identificarea gazului. La nivel de ansamblu, urmărește intrările — lumină, apă și $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ — și ieșirile — substanțe organice și ${\mathrm{O}}_2$. Detaliile pigmentului sunt în Pigmenții asimilatori.

Fotosinteza are două faze. Faza luminoasă (fotochimică) se desfășoară în membranele tilacoidelor din grane. Pigmenții absorb lumina, apa se descompune prin fotoliză după reacția $2{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to 4{\mathrm{H}}^{+}+4e^{-}+{\mathrm{O}}_2$, se eliberează ${\mathrm{O}}_2$ și se formează ATP și NADPH. Faza de întuneric (de biosinteză, ciclul Calvin) are loc în stroma cloroplastului: $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ este fixat în compuși organici cu energia ATP și cu hidrogenul din NADPH. Produsul final, glucoza, nu apare la fiecare rotație a ciclului, ci se acumulează treptat și se depozitează ca amidon.

Fiecare produs poate fi evidențiat prin altă probă.

Exemplu rezolvat 1: evidențierea substanței organice (amidonul). Cum arătăm că frunza formează amidon numai la lumină?

1. Planta se ține 24–48 de ore la întuneric (destarchizare).
2. O parte a unei frunze se acoperă cu o bandă de staniol, iar planta se expune la lumină câteva ore.
3. Frunza se fierbe un minut în apă, apoi se decolorează la bain-marie în alcool; alcoolul inflamabil nu se încălzește direct pe flacără.
4. Frunza se clătește și se acoperă cu soluție de iod. Zona luminată se colorează albastru-închis (amidon), iar cea acoperită rămâne galben-brună.
5. Concluzie: fără lumină nu se formează amidon, deci nici glucoză.

Evidențierea $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Două plante destarchizate se iluminează sub clopote de sticlă. Sub primul clopot se pune un vas cu hidroxid de potasiu (KOH), care absoarbe $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$; al doilea este martor. După proba cu iod, frunza din aerul fără $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ nu conține amidon, iar martorul conține.

Exemplu rezolvat 2: evidențierea ${\mathrm{O}}_2$. Ramuri de ciuma-apelor se așază sub o pâlnie întoarsă, cu o eprubetă plină cu apă deasupra. Lampa se află la 10 cm: se adună 3,0 ml de gaz în 15 minute. Lampa se mută la 20 cm: se adună 0,75 ml în 15 minute. Ce rezultă?

1. Viteze: $3,0/15=0,2$ ml/min și $0,75/15=0,05$ ml/min.
2. Raport: $0,2/0,05=4$, egal cu $(20/10{)}^2$; la dublarea distanței, intensitatea luminii scade de patru ori, iar viteza scade proporțional.
3. Gazul este ${\mathrm{O}}_2$ dacă un bețișor cu jar introdus în eprubetă se reaprinde.
4. O probă în întuneric sau fără plantă nu produce gaz: martorul confirmă că sursa este fotosinteza.

Aplicații practice. În sere și solarii se mărește producția prin iluminare suplimentară, prin îmbogățirea aerului cu $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ până la aproximativ 0,1% (de 2,5 ori mai mult decât în aer), prin irigare, reglarea temperaturii și fertilizare cu minerale, în special azot și magneziu, necesare clorofilei. Densitatea culturilor se reglează pentru ca frunzele să nu se umbrească reciproc.

Cele două faze depind una de alta. Dacă o plantă este mutată din lumină în întuneric, faza de întuneric continuă doar cât mai există ATP și NADPH; după epuizarea lor, fixarea $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ se oprește. De aceea denumirea „fază de întuneric” înseamnă că faza nu folosește direct lumina, nu că se petrece numai noaptea. În fiecare probă se schimbă un singur factor (lumina, $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ sau distanța lămpii) și celelalte condiții rămân constante; un martor arată ce se întâmplă fără factorul urmărit.

Greșeli frecvente

• Greșit: „Faza de întuneric” are loc numai noaptea.
  Corect: Reacțiile nu folosesc direct lumina, dar depind de produsele reacțiilor luminoase.
• Greșit: Orice bulă din apă dovedește producția de oxigen prin fotosinteză.
  Corect: Identificarea și condițiile de control contează.
• Greșit: Decolorarea frunzei cu alcool arată amidonul.
  Corect: Alcoolul doar extrage clorofila, ca să se vadă culoarea iodului; amidonul se evidențiază cu soluție de iod.
• Greșit: Zonele albe ale unei frunze panașate formează amidon, deoarece sunt luminate.
  Corect: Fără clorofilă nu are loc fotosinteza, deci zonele albe nu se colorează cu iod.

Înainte și după