Tema 2.1 Metabolismul PDF

Tema 2.1 Metabolismul Metabolismul, sau schimbul de substanțe și de energie, reprezintă totalitatea reacţiilor chimice care au loc într-un organism viu în vederea asigurării activității vitale. În urma acestor reacții, organismul obține energie și substanțe ce îi asigură creșterea, dezvoltarea,...

Tema 2.1 Metabolismul Metabolismul, sau schimbul de substanțe și de energie, reprezintă totalitatea reacţiilor chimice care au loc într-un organism viu în vederea asigurării activității vitale. În urma acestor reacții, organismul obține energie și substanțe ce îi asigură creșterea, dezvoltarea, reproducerea, adaptarea la condițiile mediului de viață etc. Metabolismul constă în două procese diametral opuse, dar strâns legate între ele: anabolism și catabolism. Catabolismul, sau metabolismul energetic, întrunește reacțiile chimice de descompunere a substanțelor macromoleculare în substanțe mai simple, cu degajare de energie. Anabolismul, sau metabolismul plastic, reunește reacțiile chimice de sinteză a substanțelor macromoleculare din substanțe simple. Funcțiile metabolismului: obținerea energiei pentru funcționarea organismului; obținerea materialului de construcție pentru creșterea și restabilirea organismului: sinteza proteinelor, lipidelor, glucidelor și a altor componenți celulari; depozitarea substanțelor nutritive de rezervă; evacuarea deșeurilor metabolice. Caracteristicile organismelor vii Excitabilitatea Adaptarea la condițiile mediului de viață Unitatea compoziției chimice Creșterea și dezvoltarea Schimbul de substanțe și de energie Reproducerea Ereditatea În schema de mai jos sunt prezentate caracteristicile principale ale organismelor vii. În continuare sunt expuse detaliat câteva dintre ele. Metabolism Anabolism Sinteză Molecule mici Molecule mici Consum de energie Catabolism Descompunere Molecule mari Molecule mari Degajare de energie 2.1. Metabolismul CAPITOLUL II CARACTERISTICI GENERALE ALE ORGANISMELOR 12 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Esenţa metabolismului energetic Schematic, metabolismul energetic se reprezintă astfel: Principalul substrat energetic al celulei îl constituie glucidele. Transformările acestora în vederea obţinerii energiei decurg în trei etape. În prima etapă – pregătitoare – polizaharidele sunt descompuse până la monomeri (de ex., glucoza). Toată energia produsă în această etapă se elimină sub formă de căldură. În cea de-a doua etapă a catabolismului – scindarea anaerobă – are loc descompunerea glucozei, în lipsa oxigenului, cu participarea fermenţilor, în două molecule de acid piruvic (C H O proces), numit glicoliză. 40% din energia eliberată în urma glicolizei se depozitează sub formă de legături macroergice (legături bogate în energie) ale compusului chimic numit adenozintrifosfat – ATP. Celelalte 60% din energie se dispersează sub formă de căldură. Pentru organismele aerobe este specifică cea de-a treia etapă a metabolismului energetic – scindarea aerobă completă sau respiraţia celulară. În procesele acestei etape, produsele formate în etapa a doua sunt descompuse în mitocondrii până la produse finale: CO şi H O.55% din energia degajată la respiraţia celulară se depozitează în 36 de molecule de ATP. Bilanţul energetic total al scindării unei molecule de glucoză în cele trei etape ale catabolismului sunt 38 de molecule de ATP (С Н + O 6O 6СO + 6Н O+ 38АТP). În caz de necesitate (la aportul insuficient de glucide cu hrana), în vederea obţinerii energiei, sunt supuse scindării proteinele şi lipidele. Astfel, la scindarea unei molecule de acid gras se sintetizează 51 de molecule de ATP. Esența metabolismului plastic Metabolismul plastic la organismele autotrofe Schematic, asimilaţia la autotrofi se reprezintă în felul următor: Substanţe anorganice (fotosinteză, chemosinteză) monomeri (sinteze biologice) macromoleculele corpului. O2 Degajare de energie Substanțe chimice complexe (hrana) Substanțe chimice simple Produse de descompunere Proteine Acizi grași Compuși ai azotului Lipide Glucoză CO2 Glucide Aminoacizi H2O 2.1. Metabolismul 13 Fotosinteza. Plantele verzi sintetizează substanţe organice din cele anorganice în prezenţa luminii solare, proces numit fotosinteză. Acest proces are loc în cloroplaste în două faze: de lumină şi de întuneric. În faza de lumină se realizează fotoliza apei (descompunerea apei sub acţiunea luminii), în urma căreia se formează ioni de hidrogen H+, se degajă oxigen şi se acumulează energie sub formă de ATP. În faza de întuneric, energia acumulată în faza de lumină este folosită pentru sinteza glucozei, din CO şi H+, printr-o serie de reacţii complexe cu participarea fermenţilor. Ecuaţia sumară a fotosintezei se prezintă astfel: 6СO + 6Н Ohν clorofilă С Н + O 6O (glucoza) Află mai multe Productivitatea culturilor agricole depinde de intensitatea fotosintezei, aflată sub influența factorilor externi și a celor interni. Condiții optime pentru fotosinteză sunt: 1. iluminarea suficientă obținută printr-o anumită densitate a semănăturilor; 2. sporirea conținutului de CO (în atmosferă sunt 0,03% de CO iar , fotosinteza decurge mai eficient la un conținut de CO de până la 0,1%); 3. suficientă umiditate în sol (ofilirea plantelor reduce recolta cu 5-10%); 4. nutriție minerală adecvată. Cunoscând și creând condițiile necesare pentru sporirea intensității fotosintezei, poate fi sporită recolta culturilor agricole. Chemosinteza reprezintă sinteza substanțelor organice din cele anorganice, folosind energia chimică degajată în urma reacțiilor de oxidare a substanțelor, în primul rând a celor anorganice. Este cel mai vechi tip de nutriție autotrofă, caracteristic pentru marea majoritate a bacteriilor. Metabolismul plastic la organismele heterotrofe Heterotrofii sintetizează compuși organici complecși din produsele etapei pregătitoare a catabolismului. La această etapă, în tubul digestiv, sub acțiunea enzimelor, substanțele nutritive din hrană (proteinele, lipidele și glucidele) se descompun până la monomeri: proteinele în aminoacizi, lipidele în glicerol și acizi grași, glucidele în monozaharide. Din tractul digestiv, monomerii trec în sânge și limfă, care îi transportă Faza de lumină Are loc numai la lumină pe membranele tilacoidelor cloroplastelor. Energia se depozitează în urma sintezei de ATP. Din fotoliza apei rezultă O ce, se degajă în atmosferă sau este folosit pentru respirație. Faza de întuneric Reacțiile au loc în lipsa luminii în stroma cloroplastelor (ciclul Calvin). Energia ATP este folosită pentru fixarea CO în substanțe simple – monozaharide. În urma transformărilor ulterioare, se formează glucoza (C H Odin),care, prin polimerizare, se sintetizează polizaharide complexe și alte substanțe organice. Fazele fotosintezei 14 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor la toate celulele și organele. Din monozaharide, în ficat se sintetizează glicogenul – glucidul de rezervă al animalelor. Glicerolul și acizii grași sunt resintetizați sub formă de grăsimi specifice organismului. Aminoacizii sunt folosiți pentru sinteza proteinelor necesare organismului: hormoni, enzime, pigmenți, proteine transportatoare etc. Relațiile reciproce dintre catabolism și anabolism Procesele anabolice și cele catabolice sunt indisolubil legate între ele: toate reacţiile de sinteză au nevoie de energie și de materie primă, care sunt puse la dispoziţie de procesele catabolice. Acestea, la rândul lor, au loc doar cu participarea fermenţilor și hormonilor sintetizaţi în procesele anabolice. În organism, procesele anabolice și cele catabolice se află într-un echilibru dinamic. Astfel, în caz de foame, de alimentare insuficientă sau slab calorică prevalează procesele catabolice. Ca urmare, organismul consumă rezervele sale, ceea ce poate duce la epuizare, iar uneori și la deces. În perioada de creștere și de dezvoltare a organismului, la însănătoșire predomină procesele anabolice. Prevalarea anabolismului se poate solda cu obezitate. Află mai multe Pentru desfășurarea proceselor metabolice, un organism viu are nevoie de energie, de sursă de carbon pentru sinteza compușilor organici și de donori de electroni pentru desfășurarea reacțiilor de sinteză. Aceste trei componente determină tipul de metabolism. Clasificarea organismelor vii în funcție de tipul de metabolism este prezentată în tabelul de mai jos. Catabolism ATP Anabolism ATP Sursa de energie Donorul de electroni Sursa de carbon Tipul de metabolism Exemple Lumina solară – foto Substanțe organice – organo Substanțe organice – heterotrof Fotoorganoheterotrof Unele cianobacterii, halobacteriile Carbonul anorganic – autotrof Fotoorganoautotrof Unele bacterii purpurii Substanțe anorganice – lito Substanțe organice – heterotrof Fotolitoheterotrof Unele cianobacterii, bacterii verzi și purpurii Carbon anorganic – autotrof Fotolitoautotrof Plantele superioare, cianobacteriile, algele, bacteriile verzi Energia reacțiilor chimice – chemo Substanțe organice – organo Substanțe organice – heterotrof Chemoorganoheterotrof Animalele, ciupercile, majoritatea microorganismelor-reducători Carbon anorganic – autotrof Chemoorganoautotrof Oxidarea substanțelor ce se descompun greu, de ex. metilotrofe facultative care oxidează acidul formic Substanțe anorganice – lito Substanțe organice – heterotrof Chemolitoheterotrof Bacteriile de hidrogen Carbon anorganic – autotrof Chemolitoautotrof Ferobacteriile, sulfobacteriile, bacteriile nitrificatoare Clasificarea organismelor în funcție de tipul de metabolism 2.2. Reproducerea organismelor vii 15 1. Definiţi noţiunile: asimilaţie, dezasimilaţie, autotrof, heterotrof, autochemotrof. 2. Completaţi tabelul, copiindu-l în caiet. Metabolismul plastic la plante Criterii de comparare Metabolismul plastic la animale sursa de carbon eliminarea oxigenului prezenţa luminii 3. Citiți afirmaţiile de mai jos și selectați litera A dacă afirmaţia este corectă sau litera F dacă aceasta este falsă. Argumentați alegerea. A F La scindarea unei molecule de acid gras se sintetizează 51 de molecule de ATP. A F Monomerii proteinelor sunt aminoacizii. A F În timpul scindării anaerobe a glucozei se sintetizează 38 de molecule de ATP. A F Fotosinteza este o reacţie a metabolismului plastic la autotrofi. A F Oxigenul se elimină în urma fotolizei apei. 4. Găsiți intrusul și argumentați alegerea. ABC a) Sinteza proteinelor a) Criste a) Este necesară lumina b) Replicarea ADN-ului b) Ribozomi b) Are loc sinteza glucozei c) Fermentaţia alcoolică c) ADN inelar c) Fotoliza apei d) Sinteza lipidelor d) ADN liniar d) Se elimină oxigen 5. Stabiliți două asemănări şi trei deosebiri între respiraţia anaerobă (glicoliză) şi cea aerobă. 6. Realizaţi, folosind surse suplimentare, un microeseu la tema: „Rolul fotosintezei în evoluţia organismelor vii”. 7. Prezentați câte un exemplu de ciupercă şi de bacterie cu rol în fermentaţie. Numiți tipul de fermentaţie. Evaluare formativă Tema 2.2 Reproducerea organismelor Reproducerea este capacitatea organismelor vii de a da naştere unei noi generaţii, asigurând astfel existenţa în timp a vieţii pe Pământ. Se cunosc două tipuri de reproducere: asexuată şi sexuată. Reproducerea asexuată În cazul reproducerii asexuate, descendenţii provin de la un singur organism şi sunt absolut identici cu acesta. Generaţia provenită de la un părinte formează o clonă. Clonarea este răspândită pe larg la plante, bacterii, ciuperci, iar pe cale experimentală a fost realizată şi la unele animale (broaşte, oi, vaci). Se cunosc mai multe forme de reproducere asexuată: diviziunea, formarea sporilor, înmugurirea, înmulţirea vegetativă. 16 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor 1. Diviziunea este caracteristică organismelor unicelulare și constă în dividerea celulei-mamă în două sau mai multe celule-fiice. Diviziunea poate fi: a) simplă binară (la bacterii), b) mitotică binară (la protozoare, algele unicelulare) și c) multiplă – schizogonie (la tripanosome, plasmodium) (fig. 2.1). 2. Formarea sporilor. Sporii reprezintă o structură reproductivă unicelulară. În funcţie de specia căreia îi aparţin, sporii au forme şi dimensiuni caracteristice, iar durata vieţii lor variază de la câteva minute până la 25 de ani (la unele ciuperci). Formarea sporilor este caracteristică pentru bacterii, alge, ciuperci, muşchi, ferigi. Află mai multe Unele organisme unicelulare (bacteriile, algele, protozoarele ş.a.), în condiţii nefavorabile, se închistează, formând spori de rezistenţă. Acest tip de spori asigură supravieţuirea în condiţii nefavorabile, nu şi înmulţirea. După locul formării, deosebim exospori şi endospori. Endosporii iau naştere în interiorul unor organe speciale – sporange, sporii fiind numiţi sporangiospori. Exosporii se dezvoltă pe suprafaţa unor organe specializate, numite conidiofori, de unde şi denumirea lor de conidii. În funcţie de mobilitate, distingem spori mobili – zoospori, prevăzuţi cu cili sau cu flageli, şi spori imobili – aplanospori. 3. Înmugurirea. În cazul înmuguririi, noul individ se formează sub formă de excrescenţă pe corpul formei parentale. După ce atinge anumite dimensiuni, acesta se desprinde, devenind un organism de sine stătător. Înmugurirea este caracteristică nevertebratelor (hidra – fig. 2.2., steaua-de-mare), drojdiilor etc. 4. Înmulţirea vegetativă. La baza înmulţirii vegetative stă regenerarea – capacitatea organismelor de a-şi restabili părţile pierdute. Este răspândită în rândul plantelor şi se realizează prin fragmente de organe vegetative (butaşi) sau prin organe vegetative specializate (bulbi, tuberculi, rizomi). Aplicările înmulţirii vegetative. La înmulţirea plantelor de cultură se aplică pe larg următoarele metode artificiale de înmulţire vegetativă: marcotajul, butăşirea şi altoirea. Fig. 2.2. Înmugurirea la hidră Fig. 2.1. Înmulţire prin diviziunea mitotică binară a parameciului 2.2. Reproducerea organismelor vii 17 Marcotajul este folosit la înmulţirea agrişului (fig. 2.3-1), coacăzului, viţei-de-vie, zmeurului ş.a. În acest scop, o ramură mai lungă a plantei se apleacă la pământ şi se acoperă cu sol umed. Într-o perioadă de vegetaţie, pe această porţiune a ramurii se dezvoltă rădăcini adventive. Separând ramura de plantamamă şi plantând-o în alt loc, obţinem o nouă plantă. Butăşirea se foloseşte la înmulţirea zmeurului, liliacului, iasomiei, coacăzului etc. Pentru aceasta se pregătesc butaşi de rădăcină, tulpină (fig. 2.3-2), frunză, care se plantează în sol umed. Altoirea constă în unirea altoiului cu portaltoiul. Se aplică pentru înmulţirea unor soiuri cu productivitate înaltă, rezistente la ger, la boli. În cazul viţei-devie şi al pomilor fructiferi, portaltoiul este o plantă tânără, crescută din sămânţa strămoşilor sălbatici. Sistemul radicular al portaltoiului este viguros, mai puţin pretenţios faţă de sol, mai rezistent la ger. Drept altoi poate servi un butaş sau un mugure-ochi al pomului fructifer pe care dorim să-l înmulţim. De exemplu, putem obţine un cireş de cultură altoind un ochi sau un butaş al unui cireş de un anumit soi pe un puiet de cireş sălbatic. Se cunosc mai multe tipuri de altoire. Descriem câteva dintre ele. Altoirea cu butaş (fig. 2.4-1) se face primăvara, până la dezvoltarea mugurilor. Altoiul se uneşte cu tulpina portaltoiului şi locul unirii se leagă strâns. În funcţie de modul de unire a portaltoiului cu butaşul, altoirea poate fi terminală, în despicătură, prin apropiere, sub scoarţă. Altoirea cu mugure-ochi (fig. 2.4-2). În a doua jumătate a verii, de pe pomul fructifer se taie o ramură de un an. Se înlătură frunzele, lăsându-se doar peţiolul, şi se taie muguri cu un strat subţire de scoarţă. Pe tulpina portaltoiului, cu un cuţit ascuţit, scoarţa se secţionează în forma literei T şi se îndepărtează. Sub scoarţă se introduce un mugure de altoi. Locul altoirii se leagă Fig. 2.3. Diferite tipuri de înmulţire vegetativă la agriş: 1 – marcotaj; 2 – butăşire 1 2 Fig. 2.4. Diferite tipuri de altoire: 1 – altoirea cu butaş: a) terminală; b) în despicătură; 2 – altoirea cu mugure-ochi 1 2 ab 18 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor strâns, lăsând peţiolul liber. Dacă altoirea a fost efectuată corect, atunci peste 2-3 săptămâni altoiul concreşte cu portaltoiul, iar în primăvara următoare din mugure se va dezvolta un lăstar. Peste 2-3 ani lăstarul se va transforma într‑un copăcel roditor. Înmulţirea plantelor prin cultura ţesuturilor. În prezent, se cresc plante din celule introduse într-un mediu nutritiv special. Această metodă de înmulţire a plantelor, numită cultura ţesuturilor, este aplicată la orhidee, cartof, morcov (fig. 2.5), ginseng etc. Ea are mai multe avantaje: materialul săditor obţinut pe această cale este steril (nu este infectat cu diferite microorganisme patogene); pe această cale un soi nou poate fi înmulţit efectiv şi în scurt timp. Reproducerea sexuată Reproducerea sexuată a animalelor presupune participarea a doi indivizi de sex opus: femelă şi mascul. Aceştia dispun de organe sexuale (ovare la femele şi testicule la masculi), în care se produc celule sexuale (gameţi): ovarele produc ovule, iar testiculele – spermatozoizi. Procesul de contopire a celulelor sexuale este numit fecundaţie. Aceasta poate fi externă – celulele sexuale sunt eliminate de ambele sexe în mediul extern, de obicei în apă, unde se şi unesc (la peşti, broaşte), sau internă – contopirea celulelor sexuale are loc în corpul femelei (la insecte, păsări, reptile, mamifere). Din fecundație rezultă zigotul. În cazul fecundaţiei interne, acesta se poate dezvolta în afara corpului mamei (animale ovipare – ele depun ouă, din care, în timpul clocirii, se dezvoltă un nou organism) sau în corpul mamei (animalele vivipare nasc pui vii). Află mai multe În natură se întâlnesc şi specii ovovivipare (salamandra-de-munte, şarpele-orb, şopârla-de-munte ş.a.), la care oul rămâne în corpul femelei până la dezvoltarea embrionului. Puiul iese din ou imediat după expulzarea acestuia din corpul femelei. Un tip particular de reproducere sexuată este partenogeneza – dezvoltarea unui nou organism din ovul nefecundat. Se întâlneşte la albine, furnici, dafnii etc. Reproducerea sexuată a plantelor constă, de asemenea, în formarea şi contopirea celulelor sexuale. Celula sexuală feminină este oosfera, iar cea masculină – spermatozoidul (la muşchi şi la ferigi) sau spermatia (la gimnosperme şi angiosperme). Dezvoltarea celulelor sexuale are loc în organe sexuale specializate. Fig. 2.5. Înmulţirea morcovului prin cultura ţesuturilor secţiune longitudinală prin rizocarpul de morcov secţiune transversală plantă adultă 2 mg de fragmente cultivarea fragmentelor pe medii nutritive 2.2. Reproducerea organismelor vii 19 Oosfera la muşchi şi ferigi se formează în arhegoane, iar la angiosperme – în sacul embrionar al ovulului florii (fig. 2.6). Spermatozoizii se formează în anteridii, iar spermatiile – în grăunciorul de polen. Din zigotul muşchilor şi al ferigilor se dezvoltă sporofitul (generaţia care produce spori), iar din cel al gimnospermelor şi angiospermelor – sămânţa, care la angiosperme este protejată de fruct. 1. Definiţi noţiunile: fecundaţie, zigot, oosferă, ovul, spermatozoid, spermatie. 2. Asociaţi noţiunile din coloana A cu cele din coloana B: AB a) animale vivipare _____________ 1. Şarpe-orb b) animale ovipare _____________ 2. Balenă c) animale ovovivipare __________ 3. Pinguin d) partenogeneză ______________ 4. Trântorul la albină 5. Femela la dafnie 6. Şopârla-comună 3. Reprezentați sub formă de schemă tipurile de fecundație la animale. Completați schema cu câte un exemplu pentru fiecare tip de fecundație. 4. Vizualizați informaţia stocată în secvenţa video. – Identificați tipurile de înmulţire naturală și de inmulţire artificială la plante. – Explicați esenţa reproducerii sexuate în cultivarea plantelor de cultură. – Propuneți (pe un poster) o tehnologie mai avantajoasă de cultivare a unei specii de plante de cultură. 5. Găsiți intrusul. Argumentați alegerea. ABC a) Spori a) Rizomi a) Oosferă b) Înmugurire b) Rizocarpi b) Spermatozoizi c) Fecundaţie c) Butaşi c) Spermatii d) Diviziune simplă binară d) Bulbi d) Arhegoane 6. Comparaţi reproducerea asexuată cu cea sexuată, enumerând două asemănări şi trei deosebiri. 7. Studiu de caz. Un floricultor a primit oferta de a amenaja un răzor cu flori pe un sector de 10 m2. Dorința comandatarului era ca pe tot parcursul anului pe răzor să fie plante înflorite. a) Propuneți o formă potrivită a răzorului. b) Identificați ce specii, soiuri de plante decorative trebuie sădite. c) Numiți tipurile de înmulțire a plantelor propuse. d) Proiectați pe un poster planul de sădire a plantelor propuse. e) Repartizați plantele pe răzor conform regulilor de combinare a culorilor. 8. Calculați numărul de semințe ce se pot forma în inflorescența unei plante dacă știm următoarele: a) inflorescența este formată din 7 flori; b) în ovarul fiecărei flori se dezvoltă 10 ovule, dar numai 60% dintre ele vor da naștere semințelor; c) identificați și argumentați 3 cauze ale infertilității a 30% dintre ovule. Evaluare formativă 20 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Transformările suportate de un organism de la stadiul de zigot până la moarte reprezintă dezvoltarea sa individuală, numită şi ontogeneză. Pe parcursul ontogenezei, organismul este supus proceselor de creştere şi dezvoltare. Prin creştere se subînţeleg schimbările cantitative suportate de organism, iar prin dezvoltare – schimbările calitative (diferenţierea ţesuturilor, organelor, maturizarea sexuală etc.). Aceste două procese decurg concomitent: pe măsura măririi masei corpului se intensifică procesele de diferenţiere. În ontogeneza unui organism se disting două perioade: embrionară şi postembrionară. Dezvoltarea individuală a plantelor cu flori Perioada embrionară de dezvoltare a plantelor cu flori Această perioadă începe odată cu diviziunea mitotică a zigotului în progresie geometrică (fig. 2.6): fiecare din cele două celule rezultate din prima diviziune mitotică se supune, la rândul ei, diviziunii mitotice, apoi urmează diviziunea fiecărei celule rezultate din această diviziune ş.a.m.d. Creşterea masei celulare este urmată de diferenţierea celulelor în ţesuturi, din care se formează părţile componente ale embrionului: muguraşul, tulpiniţa, rădăciniţa, cotiledonul. Perioada embrionară la plantele cu flori se încheie cu formarea seminţei, adăpostită de fruct. Perioada postembrionară de dezvoltare a plantelor cu flori În dezvoltarea postembrionară a plantelor cu flori se disting trei stadii: 1) juvenil (pregenerativ sau virginal) – de la germinarea seminţei până la prima înflorire, numit şi stadiul de plantulă; 2) maturitate (generativ) – de la prima până la ultima înflorire; 3) îmbătrânire (senil sau postgenerativ) – de la ultima înflorire până la moarte. Fig. 2.6. Perioada embrionară la plantele cu flori ovar sac embrionar ovul zigot cotiledoane muguraş rădăciniţă sămânţă 2.3. Creşterea şi dezvoltarea organismelor Creșterea și dezvoltarea organismelor Tema 2.3 2.3. Creşterea şi dezvoltarea organismelor 21 Fig. 2.7. Ciclul vital la fasole Schimbările externe suportate de o plantă pe parcursul dezvoltării ei din sămânţă sunt desemnate ca faze de dezvoltare. În dezvoltarea postembrionară a unei plante lemnoase se disting următoarele faze: germinarea seminţei apariţia frunzelor dezvoltarea lăstarilor floriferi înflorirea formarea fructelor maturizarea seminţelor Totalitatea fazelor de dezvoltare postembrionară alcătuieşte un ciclu de dezvoltare, numit şi ciclu vital. Ciclul de dezvoltare al unei plante cu flori se poate realiza într-un an, astfel de plante fiind numite anuale (porumbul, grâul, fasolea – fig. 2.7. – etc.). La ceapă, sfeclă, morcov, varză, acesta cuprinde doi ani, seminţele dezvoltându-se în al doilea an de viaţă. Astfel de plante sunt numite bienale. La arbori, arbuşti, multe plante ierboase (pirul, păpădia, bujorul etc.), ciclul de dezvoltare durează mai mulţi ani, ele fiind numite plante perene. Se întâlnesc şi plante efemeroide – plante perene cu perioada de vegetaţie scurtă (ghiocelul, vioreaua). Dezvoltarea individuală a animalelor Perioada embrionară de dezvoltare a animalelor Formarea embrionului la animale decurge în trei etape (fig. 2.8): segmentarea, gastrulaţia şi organogeneza. Segmentarea constă în diviziunea mitotică în progresie geometrică a zigotului. Celulele rezultate formează mai întâi morula (acumulare de celule sub formă de mură), apoi o blastulă (embrion unistratificat), care constă dintr-o cavitate (blastocel) delimitată de un strat de celule (blastoderm). Gastrulaţia este procesul de formare a embrionului bistratificat sau tristratificat (gastrulă). La spongieri şi celenterate, gastrula este formată din două straturi de celule (foiţe embrionare): ectoderm şi endoderm. Astfel de animale sunt numite diblasterice. La celelalte animale, în gastrulă apare şi cel de-al treilea strat – mezodermul. Aceste animale sunt triblasterice. În etapa de organogeneză, în urma diferenţierii structurale şi funcţionale a celulelor foiţelor embrionare, se formează organele embrionului. Fig. 2.8. Perioada embrionară la animale zigot morulă blastulă în secţiune gastrulă blastocel blastoderm ectoderm endoderm mezoderm blastopor 22 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Fig. 2.9. Metamorfoza incompletă la broască Fig. 2.10. Metamorfoza completă la fluture larvă (omidă) pupă adult ouă fertilizate (mărit) larvă larvă adult imago ouă fertilizate embrion (mărit) larvă (mormoloc) Perioada embrionară se încheie prin apariţia puiului (reptile, păsări, mamifere) sau a larvei (insecte, viermi, peşti ş.a.). Durata perioadei embrionare, numită gestaţie, variază de la o specie la alta. La găină este de 21 de zile, la hârciog – 16 zile, la pescăruş – 60 de zile, la elefant – 660 de zile, la om – 276 de zile. Perioada postembrionară de dezvoltare a animalelor Din momentul naşterii sau ieşirii embrionului din ou începe perioada postembrionară de dezvoltare, care cuprinde trei stadii: 1) juvenil – de la naştere sau ieşirea din ou până la atingerea maturităţii sexuale; 2) maturitate – stadiul reproducerii active; 3) îmbătrânire – de la încetarea reproducerii până la moartea naturală. I. Stadiul juvenil de dezvoltare a animalelor. Dezvoltarea animalelor în acest stadiu poate fi directă sau indirectă. În cazul dezvoltării directe (reptile, păsări, mamifere), puiul născut sau ieşit din ou are toate organele caracteristice animalului adult. La aceste animale, stadiul juvenil se reduce la creşterea în dimensiuni. La insecte, crustacee, broaşte, peşti, din ou iese larva, de obicei, mai simplu organizată decât indivizii adulţi ai aceleiaşi specii. Acest tip de dezvoltare este numit indirect sau prin metamorfoză. Metamorfoza poate fi incompletă sau completă. În cazul metamorfozei incomplete, larva se hrăneşte intens, creşte, organele larvare fiind substituite de organe specifice adulţilor. Acest tip de metamorfoză este caracteristic peştilor, broaştelor (fig. 2.9), anumitor insecte. În cazul metamorfozei complete (fluturi, albine, viespi etc.), larva ieşită din ou, după o perioadă de nutriţie intensă, trece în stadiul imobil de pupă, numit şi nimfă. Pe durata acestui stadiu, organele larvare sunt înlocuite de organe specifice adulţilor. Din pupă iese individul adult – imago (fig. 2.10). II. Stadiul maturităţii presupune o durată de la 2-3 ore la insectele efemere până la câteva zeci de ani la papagali, şopârle, mamifere ș.a. Viteza de reproducere şi numărul de urmaşi, de asemenea, sunt diferite. De exemplu, afidele dau 12 generaţii pe an, depunând într-o pontă până la 300 de ouă. 2.3. Creşterea şi dezvoltarea organismelor 23 III. Stadiul de îmbătrânire. Durata vieţii indivizilor este programată genetic, de aceea la un moment dat începe îmbătrânirea, ce se caracterizează prin stingerea tuturor funcţiilor organismului, reducerea sensibilităţii organelor de simţ ş.a. Durata vieţii animalelor din diferite grupe sistematice oscilează în limite mari – de la câteva zile la unele insecte până la 100 de ani la elefant. 1. Definiţi următorii termeni: ontogeneză, creştere, dezvoltare, plante anuale, plante bienale, plante perene, plante efemeroide, filogeneză, fază de dezvoltare, ciclu de dezvoltare. 2. Grupați animalele enumerate mai jos în trei coloane, după un anumit criteriu: 1) crocodil; 2) albină; 3) broască; 4) peşti; 5) lăcustă; 6) gândac-de-mai; 7) balenă; 8) rândunică. 3. Activitate practică a) Puneți la germinat în trei cutii Petri, tapetate cu hârtie de filtru umezită, câte 10 seminţe de ovăz (sau altă plantă). b) Puneți cutiile Petri la întuneric, la temperaturi diferite: 5-10 °C (în frigider); 20-25 °C (cameră) și 30-35 °C (termostat). Umeziţi periodic seminţele din cele trei cutii cu aceeaşi cantitate de apă. c) La fiecare trei zile, măsuraţi lungimea rădăcinilor şi tulpinilor plantulelor răsărite din toate cele trei cutii Petri. d) Notați datele într-un tabel. e) Determinați: – influenţa temperaturii asupra creşterii plantulelor; – corelaţia dintre temperatură şi umiditate în procesul de germinare a semințelor; – cele mai favorabile condiţii pentru germinarea seminţelor. 4. Prezentați într-o schemă tipurile de dezvoltare postembrionară la insecte. a) Completați schema cu câte un exemplu de insecte pentru fiecare tip de dezvoltare. b) Comparați după trei criterii tipurile de dezvoltare postembrionară la insecte. c) Numiți tipul de dezvoltare postembrionară mai evoluat, prezentând cel puțin două argumente. 5. Asociaţi noţiunile din cele două coloane. AB a) plante anuale 1. Organele vegetative se formează într-un an. b) plante bienale 2. Organele vegetative există mai mulţi ani. c) plante efemeroide 3. Organele generative se formează în fiecare an. d) plante perene 4. Organele generative se formează în al doilea an, apoi planta moare. 5. Perioada de vegetaţie e foarte scurtă. 6. Organele vegetative şi cele generative se formează într-un an, apoi planta moare. 7. Vişin 8. Morcov 9. Mazăre 10. Ghiocel 6. Studiu de caz. Livada bunicului a fost atacată de fluturele-mărului. Acest fluture iernează în stadiul de pupă (nimfă) în crăpăturile din scoarţa copacilor de măr. În luna mai, din pupă apare fluturele. Acesta trăieşte doar 12 zile și după depunerea ouălor moare. Omizile ieşite din ouă „călătoresc” timp de câteva ore în căutarea unui fruct de măr, pe care îl folosesc ca sursă de hrană şi adăpost. a) Având în vedere particularităţile de dezvoltare a fluturelui, sfătuiţi-l pe bunic când să stropească pomii din livadă pentru a-i proteja de acest dăunător. b) Numiți tipul de dezvoltare postembrionară a acestui fluture. Evaluare formativă 24 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Excitabilitatea este proprietatea fundamentală a organismelor vii de a recepţiona influenţele externe şi de a răspunde la ele printr-o stare de modificare internă. Este o formă de reacţie înnăscută, nediferenţiată, nespecializată a întregului organism, care este în acelaşi timp analizor şi executor, orientată preponderent spre apărare faţă de acţiunile nocive. Excitabilitatea are însă un caracter selectiv. De exemplu, floarea-soarelui răspunde la lumină, întorcându-se mereu spre Soare, dar ea nu este influenţată de undele a căror lungime este mai mare decât aceea caracteristică luminii solare. Factorii care provoacă reacţia organismului sau a organelor lui sunt numiţi excitanţi. Printre aceştia se numără lumina, temperatura, sunetul, acţiunile mecanice, diferite substanţe etc. Excitabilitatea la plante Plantele nu au organe specializate în recepţionarea excitaţiilor, acestea fiind percepute de citoplasma celulelor. Drept urmare, excitabilitatea plantelor se manifestă prin mişcări ale anumitor organe, numite tropisme şi nastii. Tropismele reprezintă o reacţie activă a plantelor la excitant prin schimbarea direcţiei de creştere sau a poziţiei anumitor organe. Aceste mişcări se datorează creşterii inegale a celulelor de pe părţile opuse ale organelor supuse acţiunii excitantului, determinată de acţiunea hormonilor. În funcţie de natura excitantului, deosebim: geotropisme, fototropisme, hidrotropisme, chimiotropisme etc. Geotropismele sunt reacţii ale organelor plantei faţă de direcţia forţei de gravitaţie a Pământului. Datorită geotropismului, la germinarea seminţelor, tulpinile plantelor ies din sol şi se menţin în poziţie verticală chiar şi pe terenuri înclinate, iar cele culcate la pământ din anumite motive (de ex., pătulirea gramineelor după furtună, ploi torenţiale) revin la poziţia verticală (fig. 2.11). Această revenire este posibilă datorită creşterii mai intense prin întindere a celulelor de pe partea inferioară, întinsă la pământ, decât pe cea superioară. Rădăcina principală şi tulpina principală sunt orientate în sens opus una faţă de cealaltă, dar paralel cu direcţia de acţiune a forţei de gravitaţie a 2.4. Excitabilitatea organismelor vii Fig 2.11. Ortogeotropism pozitiv la tulpină Tema 2.4 Excitabilitatea organismelor 2.4. Excitabilitatea organismelor vii 25 Pământului, deci sunt organe ortogeotrope. Rădăcina principală este un organ ortogeotrop pozitiv, deoarece se orientează în direcţia acestei forţe, iar tulpina principală – ortogeotrop negativ, fiind orientată în sens opus. Fototropismul reprezintă reacţia organelor plantei la direcţia şi sensul razelor de lumină. De exemplu, dacă o plantă se va afla într-o cameră în care lumina pătrunde printr-un geam mic, în scurt timp tulpina acesteia se va curba spre geam, iar frunzele se vor aşeza perpendicular (sau oblic) faţă de direcţia razelor de lumină. În acest caz, tulpina este ortofototropă. De regulă, tulpinile principale sunt pozitiv ortofototrope, iar rădăcinile principale – negativ ortofototrope. Organe plagiofototrope sunt frunzele ce execută torsiuni şi curburi la nivelul peţiolului, orientând limbul perpendicular pe razele de lumină. La baza fototropismului stă creşterea mai intensă a celulelor prin întindere pe partea opusă luminii, ceea ce duce la curbarea spre lumină a organului sensibil la acest excitant. Cauza acestei creşteri inegale a celulelor este repartizarea asimetrică a hormonilor între ţesuturile iluminate şi cele umbrite. Fototropismul are o importanţă mare pentru plante, orientând frunzele spre lumina de intensitate optimă. Hidrotropismele sunt orientări ale organelor plantelor sub influenţa surselor de apă. Dacă curburile sunt orientate spre aerul umed, avem un hidrotropism pozitiv, iar spre aerul uscat – hidrotropism negativ. Hidrotropismul pozitiv este caracteristic rădăcinilor, rizoizilor ferigilor, tuburilor polenice, hifelor ciupercilor etc. Nastiile sunt mişcări neorientate ale organelor plantelor, condiţionate de modificarea în timp a intensităţii excitantului. În funcţie de tipul excitantului, se disting: fotonastii, termonastii, mecanonastii, seismonastii etc. Fotonastiile sunt generate de schimbarea intensităţii luminii şi au loc, de regulă, dimineaţa şi seara. De exemplu, florile de in, de păpădie se deschid dimineaţa şi se închid seara. Deschiderea florilor este determinată de modificarea intensităţii creşterii celulelor de pe partea superioară şi inferioară a petalelor sub acţiunea intensităţii diferite a luminii. Pierderea turgescenţei celulelor stă la baza seismonastiei frunzelor de mimoză – la atingere, timp de 0,08 s, peţiolul se lasă în jos, iar foliolele se strâng (fig. 2.12). Excitaţia se transmite de la o frunză la alta şi în scurt timp toate se camuflează. Astfel frunzele se protejează de vânturi puternice şi ploi torenţiale. 1 2 Fig. 2.12. Seismonastia la frunzele de mimoză: 1 – frunza în stare normală; 2 – frunza după scuturare 26 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Excitabilitatea la animale Pentru animale sunt caracteristice reacţii mai precise, mai rapide şi mai variate la acţiunea excitantului, asigurate de prezenţa sistemului nervos (fig. 2.13). În organele acestuia are loc analiza, sinteza, compararea informaţiei captate de receptori (fotoreceptori, chemoreceptori, mecanoreceptori, termoreceptori etc.) şi formarea răspunsului transmis organului efector: muşchilor, glandelor endocrine. Calitatea răspunsului depinde de nivelul de dezvoltare a sistemului nervos. Cu cât acesta este mai dezvoltat, cu atât răspunsurile sunt mai prompte şi mai variate, ceea ce le asigură animalelor o adaptare mai adecvată la condiţiile de viaţă. De exemplu, hidra este înzestrată cu cel mai primitiv tip de sistem nervos – difuz –, de aceea reacţionează la fel la toţi excitanţii – se face ghem. Fig. 2.13. Mecanismul activităţii reflexe la om 1. Definiţi noţiunile: excitabilitate, excitant, tropism, nastie, receptor. 2. În baza unor exemple concrete, argumentaţi rolul excitabilităţii în adaptarea organismelor la factorii de mediu. 3. Alegeţi A dacă afirmaţia este adevărată şi F dacă aceasta este falsă. Argumentați alegerea. A F Rădăcina este un organ ortogeotrop pozitiv, deoarece se orientează în direcţia forţei de gravitaţie a Pământului. A F Frunzele sunt organe plagiofototrope, deoarece îşi orientează limbul perpendicular pe razele de lumină. A F Închiderea şi deschiderea florilor de păpădie este o fotonastie, deoarece reprezintă o mişcare neorientată a organelor plantei la schimbarea intensităţii luminii. A F Tulpina este un organ ortogeotrop pozitiv, deoarece se orientează în direcţia forţei de gravitaţie a Pământului. 4. Comparați formele de excitabilitate la plante și completați schema. Tropisme Criterii Nastii 1. Excitantul 2. Tipul de mişcare 3. Exemple 5. Propuneți câte un experiment de evidenţiere a fototropismelor şi geotropismelor la plantele de cameră. 6. Studiu de caz. În grădinile publice din marile orașe europene (Paris, Londra, Geneva), puncte de atracţie sunt ceasurile florale. Astfel de ceasuri au devenit posibile datorită proprietății florilor unor plante de a se deschide și închide la anumite ore, în funcție de condițiile climaterice locale. a) Numiți procesul fiziologic care duce la deschiderea florilor la o anumită oră. b) Observaţi la ce oră se deschid florile la cel puţin trei plante. c) Prezentați două argumente pentru importanţa biologică a deschiderii florilor la diferite ore. Evaluare formativă 2.4. Excitabilitatea organismelor vii 27 1. Definiţi următoarele noţiuni: metabolism, înmugurire, spor, altoire, excitabilitate, reproducere. 2. Explicați: a) lanțul logic: zigot morulă blastulă gastrulă cu trei foiţe embrionare organogeneză; b) particularitățile animalelor diblasterice şi triblasterice. 3. Stabiliţi care din formele excitabilităţii din coloana B sunt caracteristice organelor plantei din coloana A: B 1. Plagiofototropism 2. Hidrotropism pozitiv 3. Ortogeotropism pozitiv 4. Ortogeotropism negativ 5. Ortofototropism pozitiv 6. Ortofototropism negativ A a) Rădăcina principală b) Ramificările rădăcinii c) Tulpina principală d) Ramificările tulpinii e) Frunzele f ) Rizomii 4. Alegeţi A dacă afirmaţia este adevărată şi F dacă aceasta este falsă. Argumentați alegerea. A F Obiectul de studiu al citologiei îl constituie ţesuturile vegetale şi cele animale. A F Gametofitul reprezintă generaţia care produce spori. A F Animalele vivipare nasc pui vii. A F Organismele fototrofe sintetizează compuşii organici cu ajutorul energiei Soarelui. A F La plante, excitaţiile sunt recepţionate de citoplasmă. A F Grăunciorul de polen este specific doar angiospermelor. A F Conidiile se dezvoltă în sporangi. A F Tuberculul este organul de înmulţire vegetativă al cartofului. 5. Alcătuiți triade cu noţiunile enumerate (unele noţiuni pot fi folosite de mai multe ori): Etapa metabolismului substanţă organică organit celular Anabolism, catabolism, replicarea ADN, nucleu, sinteza proteinelor, sinteza glucozei, ribozomi, fotosinteză, cloroplaste, sinteza ARN, sinteza ATP, mitocondrii. 6. Studiu de caz. a) Unui cobai i s-au introdus în hrană aminoacizi marcaţi în scopul urmăririi traseului acestora în corpul animalului. Peste trei zile, 65% din aminoacizii marcaţi au fost descoperiţi în proteinele din organismul cobaiului, iar 35% au fost eliminaţi sub formă de produse metabolice. – Care sunt tipurile de alimente ce furnizează acizi aminici la sfârşitul digestiei? – Explicaţi de ce un mare procentaj de aminoacizi se regăsesc în proteinele din organismul cobaiului. – În ce stadiu al dezvoltării postembrionare se află cobaiul? b) O familie a decis să cumpere o casă cu teren de 6 ari. – Propuneți 7 specii de plante de cultură pe care le poate cultiva familia. Numiți tipul de înmulţire şi durata vieţii acestor specii. Completați tabelul, copiindu-l în caiet. Specia, soiul Tipul de înmulţire Durata vieţii c) Propuneți pe un poster planul de repartizare raţională a plantelor de cultură pe un teren de 6 ari. 7. Calculați. Timp de o zi, o buburuză devorează 100 de afide. Buburuza femelă depune în timpul verii circa 1000 de ouă, iar fiecare larvă până la împupare (circa 40 de zile) distruge în jur de 1000 de afide. Ce cantitate de afide devorează pe durata verii (90 de zile) o pereche de buburuze și urmașii lor?