Em nossos aquários, nos esforçaremos para criar um ecossistema único que abranja todos os processos que ocorrem dentro do tanque. Criar uma simbiose completa sem intervenção é praticamente impossível. Portanto, buscaremos ser o mais próximos possível do ideal, replicando todos os fenômenos naturais em nossos ecossistemas subaquáticos. O perfeccionismo garantirá os melhores resultados de reprodução.
Em nossa opinião, os processos mais importantes são a fotossíntese e os ciclos de decomposição química, como o ciclo do nitrogênio. Todos os processos individuais estão interligados. No artigo a seguir, focaremos na compreensão da fotossíntese.
História
O clérigo, filósofo e químico inglês Joseph Priestley é considerado um pioneiro no estudo da fotossíntese. Na virada do século XVIII para o XIX, o mundo científico estava intrigado com a capacidade das plantas de viver e crescer apenas com ar, água, oligoelementos simples e luz. Em 1780, o químico inglês Joseph Priestley descobriu que as plantas produzem oxigênio — um componente que ele inicialmente chamou simplesmente de "ar". Ele descobriu que o "ar" que obtinha fazia com que as velas queimassem com um brilho excepcional. Ele também fez experiências com ratos e descobriu que um rato vivia mais tempo envolto no gás que ele criava do que no mesmo volume de ar comum. Apenas alguns anos depois, o químico francês Antoine Lavoisier formulou o conceito de oxidação, conseguindo fazê-lo antes de ser decapitado durante a Revolução Francesa. O papel da luz nesse processo foi determinado pelo físico dinamarquês Jan Ingenhousz, que continuou seu trabalho, inspirado pelos experimentos de Priestley. O papel dos outros dois componentes da fotossíntese — dióxido de carbono e água — foi descoberto por dois químicos que viviam em Genebra, Jean Senebier e Theodor de Saussure. Assim, ficou estabelecido que:
6 CO2 + 6 H2O →C6H12O6 + 6 O2
Fotossíntese
"A natureza se propôs o problema de como capturar os raios de luz que chegam à Terra em pleno voo e retê-los, acumulando a força mais esquiva de todas. As plantas absorvem uma forma de energia – a luz – e produzem outra – a diversidade química." - Julius Mayer
A fotossíntese, em sua definição científica, é a síntese de compostos orgânicos (glicose) a partir de compostos inorgânicos simples (sais minerais, água) na presença de pigmentos apropriados e com a participação da energia luminosa. Esse processo produz compostos menos oxidados e, portanto, com maior valor energético. Esses compostos fornecem blocos de construção para os organismos autotróficos e alimento para os heterotróficos. Ao fixar o CO₂ e liberar oxigênio, a fotossíntese também mantém o equilíbrio gasoso da atmosfera. É, portanto, um processo biológico fundamental que determina a vida na Terra.
A fotossíntese ocorre em plantas, bactérias e protozoários e está localizada em áreas especializadas da célula. Nas plantas, essas áreas são os cloroplastos, organelas concentradas no tecido parenquimático das folhas.
A fotossíntese é um processo complexo que ocorre em duas fases.
Fase de luz (luminosa)
Trata-se de uma série de reações fotoquímicas que requerem luz para ocorrer. Ela acontece nos grânulos onde a clorofila é armazenada. A principal função dessa fase é converter a energia luminosa em energia de ligação química, produzindo energia assimilável na forma de NADPH2 e ATP, com oxigênio como subproduto.
O elétron transportado perde energia gradualmente, sendo parte dissolvida em forma de calor e parte armazenada como ATP. Esse processo é chamado de fosforilação fotossintética. Os cátions de hidrogênio se combinam com o NADP para formar o NADPH2, que, juntamente com o ATP, fornece a energia de assimilação utilizada na fase escura. Os elétrons da molécula de água migram para a clorofila, preenchendo as lacunas. Enquanto isso, o oxigênio escapa para a atmosfera através dos estômatos.
Fase escura (ciclo de Calvino)
Este é o ciclo de redução do CO2. Consiste em uma série de reações bioquímicas que utilizam a energia produzida pela luz. Ocorre no estroma do cloroplasto, onde todas as enzimas necessárias para esse processo estão armazenadas.
Existem três estágios principais na fase escura:
• carboxilação: o CO2 captado da atmosfera se liga a um açúcar ativado de cinco carbonos – ribulose difosfato (RuDP) ou ribulose (RDP). Após a ligação, esse composto de seis carbonos se decompõe em duas moléculas de três carbonos – ácidos fosfoglicéricos (PGA);
• redução: o PGA é reduzido a seis moléculas de gliceraldeído-3-fosfato (GAP). A reação envolve a força de assimilação de NADPH2 e ATP;
• regeneração: durante a qual cinco moléculas de GAP são utilizadas para reconstruir (regenerar) o aceptor de CO2 – RuDP (três moléculas de CO2 são ligadas simultaneamente). A molécula restante é o produto final da fotossíntese e serve como substrato para a produção de compostos orgânicos mais complexos.
A maioria das plantas assimila o CO2 da atmosfera diretamente, incorporando-o ao ciclo redutivo de Calvin.
A intensidade da fotossíntese depende de muitos fatores.
Fatores externos:
• Luz – limita a fase luminosa da fotossíntese. É também o principal fator que influencia o desenvolvimento do parênquima foliar, a síntese de clorofila e a formação de cloroplastos. A fotossíntese ocorre tanto sob luz natural quanto artificial. No entanto, apenas uma parte da energia incidente na folha é convertida em energia química dos assimilados. A taxa desse processo depende tanto da cor quanto da intensidade da luz, bem como do tipo de planta. Plantas que preferem sombra atingem sua maior eficiência com apenas 1/10 da intensidade da luz solar plena. Plantas fotófilas crescem melhor sob luz intensa. O excesso de luz inibe a fotossíntese, causando oxidação e inativação das moléculas de clorofila. A transpiração também aumenta excessivamente, as células perdem a turgescência, fazendo com que os estômatos se fechem, inibindo a entrada de CO2.
• Dióxido de carbono (CO2) – a concentração presente não é ideal para as plantas. Um aumento de aproximadamente 0,12% triplica a intensidade da fotossíntese. É por isso que o CO2 é utilizado. O CO2 gasoso passa pelos estômatos para os espaços intercelulares, de onde se difunde para as células do parênquima verde. As plantas aquáticas o absorvem na forma de íons HCO3-.
• Sais minerais – fonte de substâncias para síntese, ativadores de muitas transformações. A deficiência de apenas um nutriente, mesmo com suprimento suficiente dos demais, limita a fotossíntese (lei do mínimo). Por exemplo, no caso de deficiência de sais nitrogenados, a síntese de clorofila é inibida e ocorre clorose foliar.
• Temperatura – a fotossíntese é um processo enzimático cujo ótimo térmico situa-se entre 20 e 30 °C. Acima dessa temperatura, observa-se um rápido declínio na intensidade das reações. A faixa de tolerância das plantas varia amplamente e depende da espécie e da localização. Na maioria dos casos, a fotossíntese cessa a uma temperatura de 40 °C.
Fatores internos:
• Estrutura dos órgãos e tecidos envolvidos na fotossíntese: folhas, sistema clorênquima, estômatos (número e disposição), tecido armazenador de água, pigmentos;
• propriedades fisiológicas da planta:
– a capacidade de manipular a disposição das folhas e dos cloroplastos;
– a eficiência do sistema de fornecimento de água e sais minerais;
– mecanismos de proteção contra o superaquecimento e a transpiração excessiva.
Os fotoautótrofos utilizam a energia da radiação solar com comprimentos de onda de aproximadamente 400-700 nm, absorvendo principalmente as cores azul e vermelha. Compostos químicos coloridos, chamados pigmentos fotossintéticos (assimilativos), desempenham um papel fundamental nesse processo. Eles são encontrados em maior quantidade em plantas que preferem sombra do que em plantas fotófilas.
Existem três grupos principais de pigmentos:
Clorofilas – que absorvem as cores azul e vermelha. Os pigmentos verdes se dissolvem em solventes orgânicos e gorduras, mas são insolúveis em água.
Cada molécula de clorofila é composta de feoporofirina, um derivado da porfirina. Uma posição central é ocupada por um átomo de magnésio, que se liga aos átomos de nitrogênio de cada anel. Os corantes verdes absorvem luz visível na faixa de 370-760 nm, cada um com seu próprio espectro de absorção característico, com dois picos – um na faixa do vermelho e outro na faixa do azul-violeta.
Os carotenoides (por exemplo, β-caroteno) são pigmentos acessórios amarelos ou alaranjados encontrados em todos os fotoautótrofos. Eles absorvem luz da região azul-violeta do espectro e a transferem para a molécula de clorofila. Além disso, protegem os fotossistemas do excesso de energia luminosa incidente, que absorvem ou redirecionam para outros processos fisiológicos. Também protegem a célula de espécies reativas de oxigênio (atividade antioxidante). Os carotenoides são tetraterpenos (terpenoides de 40 carbonos). São fotolábeis, ou seja, sofrem alterações na presença de luz. Ocorrem em concentrações menores que a clorofila.
As ficobilinas (por exemplo, ficocianina, ficoeritrina) são pigmentos acessórios encontrados em algas vermelhas e cianobactérias. São os únicos pigmentos fotossintéticos associados a proteínas solúveis em água. Capturam energia luminosa na faixa de 450-600 nm e a transferem para a clorofila. Essa é uma adaptação à vida em grandes profundidades.
FONTES:
- Claudia Girnth-Diamba e Bjørn Fahnøe; Observação da fotossíntese em plantas aquáticas
- Lubert Stryer "Biochemia", tradução coletiva editada por Jacek Augustyniak e Jan Michejda a partir da quarta edição americana;
- Ewa Pyłka-Gutowska "Biologia. Vademecum para graduados do ensino médio"; Editora "Oświata";
- Henryk Wiśniewski "Biologia para o terceiro ano do ensino secundário geral com um perfil básico e biológico-químico",
- Fotossíntese Adam Kuzdraliński