Nutriția

Nutriția cuprinde ansamblul proceselor prin care organismele își procură substanțele necesare și le transformă pentru creștere, dezvoltare și menținerea funcțiilor vitale. După modul în care își obțin substanțele organice, organismele au două tipuri fundamentale de nutriție: nutriția autotrofă și nutriția heterotrofă.

Nutriția autotrofă

Organismele autotrofe își sintetizează singure substanțele organice din substanțe anorganice simple (CO₂, apă, săruri minerale), folosind o sursă externă de energie. Ele sunt producătorii din ecosisteme și stau la baza lanțurilor trofice.

Fotosinteza

Fotosinteza este procesul prin care organismele fotosintetizante (plantele verzi, algele, cianobacteriile) transformă energia luminoasă în energie chimică, înmagazinată în substanțele organice sintetizate (glucoza, apoi amidonul). Ecuația generală a fotosintezei este:

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

Lumina este captată de clorofilă. La plante, fotosinteza are loc în cloroplaste, mai ales în celulele țesutului asimilator din frunze, și se desfășoară în două faze:

Faza de lumină (faza fotochimică)

Faza de lumină are loc la nivelul membranelor tilacoidelor din cloroplaste și depinde direct de lumină. Procesele principale sunt:

1. Absorbția luminii: pigmenții asimilatori (clorofila a, clorofila b și carotenoidele) captează energia luminoasă. Clorofila a este pigmentul principal și absoarbe mai ales radiațiile roșii și albastru-violete.
2. Fotoliza apei: cu ajutorul energiei luminoase, moleculele de apă sunt descompuse: 2H₂O → 4H⁺ + 4e⁻ + O₂ Oxigenul eliberat în atmosferă provine din apă și este un produs secundar al fotosintezei.
3. Transportul electronilor: electronii excitați trec printr-un lanț de transportori, iar energia eliberată este folosită pentru sinteza de ATP (adenozin trifosfat), proces numit fotofosforilare.
4. Reducerea NADP⁺: la capătul lanțului, electronii și protonii reduc NADP⁺ la NADPH, un compus cu putere reducătoare mare.

Produsele fazei de lumină: ATP, NADPH și O₂.

Faza de întuneric (ciclul Calvin)

Faza de întuneric are loc în stroma cloroplastului. Ea nu folosește direct lumina, dar depinde de ATP-ul și NADPH-ul formate în faza de lumină, așa că în natură se desfășoară tot ziua. În această fază, CO₂ este fixat și redus până la glucide.

La examen se cer localizarea fazei, substanțele folosite și produsele ei. Etapele ciclului Calvin de mai jos sunt pentru aprofundare:

1. Fixarea CO₂: dioxidul de carbon este legat de ribulozo-1,5-bisfosfat (RuBP), un compus cu 5 atomi de carbon, sub acțiunea enzimei RuBisCO. Se formează două molecule de acid 3-fosfogliceric (PGA), cu câte 3 atomi de carbon.
2. Reducerea PGA: acidul 3-fosfogliceric este redus la gliceraldehidă-3-fosfat (G3P), cu consum de ATP și NADPH din faza de lumină.
3. Regenerarea RuBP: o parte din moleculele de G3P refac acceptorul de CO₂ (RuBP), cu consum de ATP.
4. Sinteza glucidelor: celelalte molecule de G3P sunt folosite la sinteza glucozei și a altor compuși organici (amidon, celuloză, aminoacizi, lipide).

Pentru o moleculă de glucoză sunt necesare 6 ture ale ciclului Calvin, în care se consumă 6 molecule de CO₂, 18 ATP și 12 NADPH.

Factorii care influențează fotosinteza

Intensitatea fotosintezei depinde de mai mulți factori:

• Intensitatea luminii: fotosinteza crește odată cu lumina, până la o valoare de saturație
• Concentrația de CO₂: în aer este mică (aproximativ 0,03–0,04%), de aceea este adesea factorul limitant
• Temperatura: optimul este în jur de 25–35 °C; la temperaturi prea scăzute sau prea ridicate activitatea enzimelor scade
• Apa: lipsa apei duce la închiderea stomatelor, iar pătrunderea CO₂ în frunză scade

Evidențierea fotosintezei

Fotosinteza poate fi pusă în evidență experimental:

• după oxigenul eliberat: o ramură de ciuma-apelor (Elodea) ținută sub apă, la lumină, degajă bule de gaz care întrețin arderea unei așchii aprinse
• după amidonul format: o frunză ținută la lumină, decolorată în alcool și tratată cu soluție Lugol, se colorează în albastru-violet, pe când porțiunile acoperite (ținute la întuneric) nu se colorează
• după CO₂ consumat: în mediul în care o plantă face fotosinteză, cantitatea de CO₂ scade

Chemosinteza

Chemosinteza este tot o formă de nutriție autotrofă, dar energia folosită la sinteza substanțelor organice provine din reacții de oxidare a unor substanțe anorganice, nu din lumină. Exemple de bacterii chemosintetizante:

• Bacteriile nitrificatoare: oxidează amoniacul la nitriți și nitriții la nitrați
• Sulfobacteriile: oxidează hidrogenul sulfurat (H₂S)
• Ferobacteriile: oxidează compușii fierului bivalent

Nutriția heterotrofă

Organismele heterotrofe nu pot sintetiza substanțe organice din substanțe anorganice, ci se hrănesc cu substanțe organice gata formate, produse de alte organisme. În ecosisteme, ele sunt consumatorii și descompunătorii.

Nutriția holozoică

Nutriția holozoică este caracteristică majorității animalelor: hrana este ingerată, apoi digerată, iar produșii digestiei sunt absorbiți. Etapele ei sunt:

1. Ingestia: introducerea hranei în organism
2. Digestia: transformarea mecanică și chimică (enzimatică) a hranei în substanțe simple, care pot fi absorbite
3. Absorbția: trecerea substanțelor nutritive prin peretele tubului digestiv în sânge sau în limfă
4. Asimilația: folosirea substanțelor absorbite de către celule, pentru energie și pentru sinteza substanțelor proprii
5. Egestia: eliminarea resturilor nedigerate

După tipul de hrană, animalele pot fi:

• Erbivore: se hrănesc cu plante (de exemplu, iepurele, vaca)
• Carnivore: se hrănesc cu alte animale (de exemplu, lupul, leul)
• Omnivore: se hrănesc atât cu plante, cât și cu animale (de exemplu, omul, ursul)

Digestia poate fi intracelulară, în vacuole digestive, cu ajutorul enzimelor din lizozomi (la protozoare și la spongieri), sau extracelulară, în cavitatea ori în tubul digestiv, cu enzime secretate de glande (la majoritatea animalelor). La mamifere, sistemul digestiv este alcătuit din tubul digestiv (cavitatea bucală, faringe, esofag, stomac, intestin subțire, intestin gros) și din glandele anexe (glandele salivare, ficatul, pancreasul). Digestia chimică se încheie în intestinul subțire, unde are loc și cea mai mare parte a absorbției.

Nutriția saprofită

Nutriția saprofită este caracteristică organismelor care se hrănesc cu materie organică moartă sau aflată în descompunere. Saprofitele eliberează în mediu enzime care descompun substanțele organice complexe în substanțe simple, pe care apoi le absorb.

Exemple de organisme saprofite:

• Multe ciuperci: mucegaiurile (mucegaiul alb, Mucor, și cel verde-albăstrui, Penicillium), drojdiile, ciuperca de bălegar
• Bacteriile de descompunere: bacterii din sol care descompun resturile vegetale și animale

Rolul ecologic al saprofitelor este esențial: ele mineralizează materia organică moartă și închid circuitul materiei în natură, deoarece substanțele minerale rezultate pot fi folosite din nou de plante.

Nutriția parazită

Nutriția parazită este caracteristică organismelor care trăiesc pe sau în interiorul unui alt organism viu (gazda), din care își iau hrana și căruia îi produc daune. Parazitul are avantaj din această relație, iar gazda este afectată.

Exemple de paraziți:

• Plante parazite: torțelul (Cuscuta), fără clorofilă, se fixează pe trifoi sau lucernă și absoarbe seva prin haustori; lupoaia (Orobanche) parazitează rădăcinile florii-soarelui; vâscul are clorofilă și ia de la gazdă doar apă și săruri minerale (este semiparazit)
• Ciuperci parazite: rugina grâului, cornul secarei
• Ectoparaziți (trăiesc pe suprafața gazdei): puricii, căpușele, păduchii
• Endoparaziți (trăiesc în interiorul gazdei): tenia, limbricul (Ascaris), Plasmodium (agentul malariei)

Paraziții prezintă adaptări specifice:

• organe de fixare (ventuze, cârlige, haustori)
• simplificarea sau lipsa tubului digestiv (la paraziții intestinali, care absorb hrana deja digerată de gazdă)
• producerea unui număr foarte mare de ouă sau de spori, care compensează pierderile mari
• cicluri de viață complicate, adesea cu gazde intermediare

Nutriția simbiontă

În nutriția simbiontă, două organisme trăiesc într-o asociere strânsă și își furnizează reciproc substanțe nutritive, cu avantaj pentru amândouă (mutualism). Exemple:

• Lichenii: asocierea dintre o ciupercă, care asigură apa și sărurile minerale, și o algă sau o cianobacterie, care produce substanțe organice prin fotosinteză
• Micorizele: asocierea dintre ciuperci și rădăcinile plantelor; ciuperca ajută la absorbția apei și a sărurilor minerale, iar planta îi furnizează substanțe organice
• Bacteriile fixatoare de azot (Rhizobium) din nodozitățile rădăcinilor de leguminoase: bacteriile fixează azotul atmosferic, iar planta le furnizează substanțe organice

Comparație între nutriția autotrofă și heterotrofă

Tipurile de nutriție și fotosinteza sunt teme de bază ale programei de clasa a X-a și apar frecvent în subiectele de Bacalaureat.