Biologie Clasa a X-a - Manual PDF

BIOLOGIE Ion Ungureanu · Ana Postolache-Călugăru · Ion Melian CLASA a X-a MINISTERUL EDUCAȚIEI, CULTURII ȘI CERCETĂRII Ion Ungureanu · Ana Postolache-Călugăru · Ion Melian BIOLOGIE CLASA a X-a Profil real/umanist Casa editorial-poligrafică „Bons Offices”, 2020 CZU 57(075.3) U 52 Acest manual este proprietatea Ministerului Educației, Culturii și Cercetării. Manualul școlar a fost elaborat în conformitate cu prevederile Curriculumului la disciplină, aprobat prin ordinul Ministerului Educaţiei, Culturii și Cercetării nr. 906 din 17 iulie 2019. Manualul a fost aprobat spre editare prin ordinul Ministerului Educației, Culturii și Cercetării nr. 1048 din 28 septembrie 2020. Autori: Ion Ungureanu, doctor conferenţiar, USMF „Nicolae Testemiţanu”; Ana Postolache-Călugăru, profesoară de biologie, grad didactic superior; Ion Melian, doctor conferenţiar, USM. Comisia de evaluare: Aprobată prin Ordinul Ministerului Educației, Culturii și Cercetării nr. 420 din 29.04. 2020 Coordonator: Buruian Eugenia, grad didactic unu, LT „Mihail Sadoveanu”, Hâncești Codreanu Svetlana, dr., grad didactic superior, LT „Gheorghe Asachi”, Chișinău, director, Inst. de Microbiologie și Biotehnologie Cucer Angela, grad didactic superior, LT „B.P. Hasdeu”, Bălți Placinta Daniela, grad didactic unu, UST, LT „Alecu Russo”, s. Cojușna, Strășeni Pulbere Ala, grad didactic superior, LT „Ion Creangă”, Chișinău Descrierea CIP a Camerei Naţionale a Cărţii Ungureanu, Ion. Biologie : Clasa a 10-a : Profil real/umanist / Ion Ungureanu, Ana Postolache-Călugăru, Ion Melian; comisia de evaluare: Buruian Eugenia (coordonator) [et al.]; Ministerul Educației, Culturii și Cercetării. – [Chişinău] : Bons Offices, 2020. – 176 p. : fig., tab. Proprietate a Min. Educației, Culturii și Cercet. – 21484 ex. ISBN 978-9975-87-725-1. 57(075.3) U 52 Editură şi tipar: Casa editorial-poligrafică Bons Offices, str. Feredeului 4/6, mun. Chişinău, MD-2005; tel.: 022-500-895 Redactor: Fulga Poiată Machetare computerizată şi copertă: Iancu Voinovan Concepţie grafică şi imagini: Eugen Catruc, Andrei Dănilă, Sorin Ivasişin, Olga Cebanu © Ion Ungureanu, Ana Postolache-Călugăru, Ion Melian, 2020 © Casa editorial-poligrafică Bons Offices, 2020 CAPITOLUL I BIOLOGIA CA ȘTIINȚĂ Tema 1.1 Biologia – știinţa despre viaţă Biologia (din limba greacă: bios – „viaţă” şi „logos” – „ştiinţă”) reprezintă totalita- tea ştiinţelor despre organismele vii. Termenul biologie a fost propus în anul 1802 de naturalistul francez J.-B. Lamarck şi, în paralel, de botanistul german G.R. Treviranus. Obiectul de studiu al biologiei este totalitatea manifestărilor vieţii: structura şi funcţiile organismelor vii şi ale comunităţilor lor naturale, originea şi evoluţia lor, legăturile dintre organismele vii şi ale acestora cu natura nevie. Sarcinile biologiei se rezumă la studierea legităţilor biologice, dezvăluirea esenţei vieţii şi a manifestărilor ei în vederea cunoaşterii şi dirijării lor. Metode de cercetare științifică în biologie. Pentru a obține date și fap- te științifice și a face, în cele din urmă, descoperiri științifice, savanții biologi aplică diferite metode de cercetare. Metoda de cercetare este un ansamblu de procedee și de operații (cu folosirea diferitor materiale, utilaje, aparataje, unelte, ustensile etc.) aplicate pentru atingerea scopului cercetării. Până în prezent, în biologie sunt aplicate câteva metode generale de cercetare: descriptivă, comparativă, istorică și experimentală. Metoda descriptivă este cea mai veche și se bazează pe observațiile cercetăto- rului făcute cu ajutorul simțurilor: văzul, auzul, gustul, mirosul. Ea constă în descri- erea organismelor și a organelor acestora. Odată cu apariția microscopului, studiile prin metoda descriptivă s-au aprofundat la nivel de țesuturi, celulă, organitele ei etc. Această metodă este aplicată până în prezent, de exemplu la descrierea speciilor noi. Metoda comparativă e aplicată din sec. XVIII și se bazează pe cercetarea asemănărilor și a deosebirilor dintre organisme, începând cu stadiul embrionar. Această metodă a fost folosită la elaborarea teoriei celulare de către M. Schleiden (1804-1881) și T. Schwann (1810-1882). Cu ajutorul metodei comparative se determină asemănările sau deosebirile dintre celule, țesuturi, specii, soiuri, rase etc. În combinare cu metoda descriptivă, permite soluționarea numeroaselor pro- bleme de sistematică, de anatomie, de selecție etc. C. Linné (1707-1778), folosind aceste două metode, a întocmit sistematica plantelor și a animalelor, care stă la baza sistematicii contemporane. Metoda istorică este bazată pe comentariile și explicațiile legăturii dintre fapte, fenomene și rezultatul lor istoric. Cu ajutorul acesteia, Ch. Darwin (1809- 1882) a elaborat teoria evoluției organismelor, inclusiv a omului. Metoda ne aju- tă să tălmăcim și să înțelegem evoluția și dezvoltarea lumii organice, cataclismele istorice din existența biosferei etc. 1.1. Biologia – ştiinţa despre viaţă 3 Metoda experimentală constă în crearea condițiilor artificiale controlate (sau modelate) pentru studiul schimbărilor din organisme, provocate de aceste condiții. Experimentul a fost aplicat încă de W. Harvey (1578-1657) în studiul circulației sângelui, iar G. Mendel (1822-1884) l-a folosit în cercetările legate de ereditatea și de variabilitatea organismelor. Pe baza metodelor descrise, în compartimentele biologiei (fiziologie, microbi- ologie, virusologie, biochimie, genetică etc.) sunt elaborate numeroase metode de cercetare (numite și procedee de lucru, protocoale), perfecționate în baza reali- zărilor moderne ale progresului tehnic și științific. Din istoria biologiei. Apariţia biologiei ca ştiinţă este legată de Egiptul antic şi de Grecia antică. Cunoştinţele biologice din acea perioadă se rezumau la descrierea plantelor şi a animalelor. În Evul Mediu, dezvoltarea biologiei a fost determinată de medicină. Întrucât necropsiile erau interzise, anatomia omului era studiată pe baza disecţiei porcilor şi a maimuţelor, ceea ce nu a contribuit însă la dezvoltarea medicinei. În această perioadă apar şi primele descrieri ale plantelor medicinale, folosite pe larg în tra- tarea diferitor afecţiuni. În epoca Renaşterii este făcută prima încercare de clasificare a plantelor în funcţie de structura seminţelor, a florilor şi a fructelor. Anularea interdicţiei necropsiilor a dus la una dintre cele mai mari descoperiri ale sec. al XVII-lea: învăţătura lui W. Harvey despre circulaţia sângelui în organismul uman. A urmat descoperirea celulei şi a majorităţii organitelor celulare de către o pleiadă de microscopişti (R. Hooke, A. van Leeuwenhoek, A. Malpighi ş.a.). În sec. al XVIII-lea, C. Linné publică lucrarea sa fundamentală, „Sistemul naturii”, în care propune o clasificare a lumii vii în baza unor criterii artificiale (de ex.: numărul de stamine), acest sistem fiind considerat artificial. Mai târziu, J.-B. Lamarck promovează ideea evoluţiei lumii vii, pe care o explică greşit prin tendinţa spre perfecţiune a viului. M.J. Schleiden şi Th. Schwann formulează teo- ria celulară, completată ulterior de R. Virchow. În sec. al XIX-lea, ştiinţele biologice înregistrează succese remarcabile. Au fost stabilite particularităţile nutriţiei plantelor, a fost studiată activitatea creierului, au fost descoperite virusurile, bacteriile chemosintetizatoare. Cele mai mari descope- riri ale sec. al XIX-lea au fost teoria evoluţiei lumii vii, expusă de Ch. Darwin, şi legităţile transmiterii caracterelor ereditare elaborate de G. Mendel pe baza experimentelor efectuate pe mazăre. În sec. al XX-lea, genetica a cunoscut o dezvoltare rapidă, fiind formulate teo- riile de bază ale acesteia: teoria mutaţiilor şi teoria cromozomială a eredităţii. Au fost introduse noţiunile de genă, genotip, fenotip. A fost determinată struc- tura ADN-ului. Renumitul savant rus I. Pavlov a elaborat învăţătura despre ac- tivitatea nervoasă superioară la om, iar B. Vernadscki – învăţătura despre biosferă. Au fost puse bazele ecologiei, a fost descifrat mecanismul fotosintezei ş.a. 4 Capitolul I. Biologia ca știință Diversitatea ştiinţelor biologice. Sistemul ştiinţelor biologice este des- tul de complex, datorită diversităţii manifestărilor vieţii, varietăţii formelor, me- todelor şi scopurilor investigării obiectelor vii, nivelurilor de organizare. Astfel, ştiinţele biologice se clasifică în funcţie de mai multe criterii, printre care: a) obiectul cercetării: botanica – ştiinţa despre plante, zoologia – ştiinţa despre animale, micologia – ştiinţa despre ciuperci, algologia (ficologia) – şti- inţa despre alge etc. În cadrul acestor ştiinţe s-au conturat discipline mai înguste. Astfel, ramuri ale botanicii sunt briologia – ştiinţa despre muşchi, dendrologia – ştiinţa despre plantele lemnoase etc. Compartimente ale zoologiei sunt: entomolo- gia – ştiinţa despre insecte, ihtiologia – ştiinţa despre peşti, herpetologia – şti- inţa despre reptile şi, prin extindere, despre amfibii, ornitologia – ştiinţa despre păsări, mamalogia – ştiinţa despre mamifere etc. Pentru o studiere mai detaliată a grupelor de organisme bogate în specii (de ex.: a insectelor), au fost structura- te compartimente şi mai restrânse: coleoptologia – ştiinţa despre gândaci, lepi- dopterologia – ştiinţa despre fluturi, mirmecologia – ştiinţa despre furnici etc.; b) proprietăţile şi manifestările viului: anatomia studiază structura inter- nă a organismelor, morfologia – structura externă, fiziologia – activitatea vitală a organismelor, ecologia – relaţiile cu factorii mediului de viaţă etc.; c) nivelul de organizare a viului: biologia moleculară investighează manifestările viului la nivel molecular, citologia – stiinţa despre celulă, histolo- gia – stiinţa despre ţesuturi, organologia – stiinţa despre organe, biologia po- pulaţional-specifică studiază populaţiile ca parte componentă a oricărei specii, biocenologia abordează nivelurile superioare ale vieţii, inclusiv biosfera etc.; d) domeniul activităţii practice a omului în care sunt folosite cunoştinţe- le biologice: biotehnologia – totalitatea metodelor industriale ce permit folosirea eficientă a organismelor vii sau a unor părţi ale acestora pentru obţinerea unor produse valoroase (antibiotice, vitamine, hormoni etc.), a preparatelor pentru protecţia plantelor contra bolilor şi vătămătorilor şi de combatere a poluării me- diului; agrobiologia – complexul de ştiinţe despre cultivarea plantelor agricole; selecţia – ştiinţa despre metodele de creare a noi soiuri de plante şi rase de ani- male, tulpini de microorganisme cu însuşiri necesare omului etc. Domenii prioritare ale biologiei contemporane sunt genetica, biotehnologia şi ecologia. Ele au o influenţă deosebită asupra dezvoltării societăţii umane, de- terminând schimbări considerabile în medicină (terapia genică) şi agricultură (clonarea şi obţinerea organismelor transgenice). Cunoaşterea principiilor ecolo- gice ştiinţifice permite asigurarea protecţiei mediului înconjurător. Până nu demult, capacităţile regenerative ale naturii erau considerate nelimitate. Realitatea demonstrează însă contrariul. Necunoaşterea sau ignorarea legilor natu- rii se soldează cu catastrofe globale, care pun în pericol existenţa vieţii pe Terra. De fiecare dintre noi depinde astăzi viitorul planetei noastre, de aceea cunoştinţele biologice devin tot mai necesare. 1.1. Biologia – ştiinţa despre viaţă 5 Printre cele mai importante descoperiri în domeniul biologiei se numără: stabili- rea structurii moleculare a ADN-ului și a rolului acestuia în transmiterea informației în lumea vie; descifrarea codului genetic; descoperirea structurii genei și a reglării genetice a sintezei proteinelor; formularea teoriei celulare; determinarea legităților eredității și variabilității; elaborarea principiilor sistematicii moderne și a teoriei evoluționiste. Toate aceste descoperiri au contribuit la fundamentarea unor domenii de mare interes pentru viaţa omului: a medicinei, care, prin lupta cu bolile, a crescut speranţa de viaţă a omului peste vârsta de 70 de ani; a agriculturii, care hrăneşte omenirea; a protecţiei naturii, a bioenergiei, a cosmologiei etc. Evaluare formativă 1. Identificaţi, pe baza textului, etapele dezvoltării biologiei: a) Antichitate; b) Evul Mediu; c) epoca Renaşterii; d) sec. XVIII; e) sec. XIX; f ) sec. XX, XXI. 2. Argumentaţi: a) de ce la începutul sec. al XVII-lea a apărut necesitatea sistematizării plantelor şi a animalelor; b) de ce sistemul de clasificare a lumii vii propus de C. Linné este considerat „artifi- cial"; c) de ce ideea evoluției lumii propusă de J.-B. Lamarck era greşită. 3. Completaţi tabelul, copiindu-l în caiet. Nr. d/o Denumirea disciplinei biologice Obiectul de studiu 4. Explicaţi etimologia următorilor termeni: micologie, entomologie, zoologie, briologie, algologie, dendrologie. 5. Aduceţi cel puţin trei argumente ce denotă rolul cunoaşterii legităţilor naturii în evitarea catastrofelor globale. 6. Propuneți metode de cercetare: 1) descriptive; 2) comparative; 3) complexe; 4) istorice; 5) experimentale pentru studiul: a) plantelor; b) animalelor; c) omului și numerotați-le (de exemplu, 1a, 3b, 4c). Tema 1.2 Importanţa biologiei ca ştiinţă Biologia asigură cunoaşterea dezvoltării istorice a lumii organice, a legităţilor privind structura şi funcţionarea organismelor vii, a relaţiilor dintre ele, a stabili- tăţii şi a dinamicii lor. Ea joacă un rol important în formarea tabloului ştiinţific al lumii şi în dezvoltarea altor ştiinţe – chimia, fizica, medicina etc. Rolul aplicativ al cunoştinţelor biologice. Rezultatele cercetărilor bi- ologice sunt aplicate pe larg în multe domenii. În domeniul medicinei, dezvolta- rea ingineriei genetice a deschis perspective largi pentru producerea compuşilor biologic activi şi a preparatelor farmaceutice. Sintetizarea în condiţii de laborator a genelor responsabile de producerea unor hormoni (insulină, hormonul de creş- tere) şi introducerea lor în genomul unor bacterii au permis obţinerea acestora pe scară industrială. 6 Capitolul I. Biologia ca știință În prezent se studiază posibilitatea utilizării organelor porcului pentru trans- plantare, acestea având multe trăsături comune cu ale omului. Pentru ca organis- mul să nu le respingă, savanţii experimentează introducerea genelor umane în cromozomii porcilor clonaţi. Se fac cercetări de obţinere a organismelor transgenice (sau modificate genetic) – animale ce poartă genele altor specii de animale. Savanţii presupun că aplicarea acestui procedeu va permite elaborarea unor noi metode de tratare a unor afecţiuni precum cancerul şi diabetul. De curând, la Edinburg (SUA), în laboratorul în care a fost obţinută prima oaie clonată, au fost obţinute găini transgenice care produc ouă ce conţin o proteină din care se pot prepara medicamente pentru tratamentul cance- rului şi al altor maladii grave. Află mai multe Printre primele animale modificate genetic se numără şoarecii, în al căror genom a fost introdusă gena creşterii de la şobolan. Şoarecii transgenici au atins dimensiuni cu mult mai mari decât ani- malele de control. În SUA a fost obţinută prima maimuţă transgenică dintr-un ovul în care a fost „altoită” gena unei meduze. Succesele înregistrate în mai multe domenii ale biologiei au făcut posibilă uti- lizarea celulelor stem (celule care nu-şi pierd capacitatea de dividere, din ele di- ferenţiindu-se celulele altor ţesuturi) pentru cultivarea in vitro a predecesorilor celor mai diferite celule (cardiace, nervoase, hepatice, imune etc.). Acestea pot fi transplantate persoanelor grav bolnave în locul organelor provenite de la un do- nator. În prezent, această tehnologie este aplicată cu succes în tratamentul unor boli cardiovasculare grave. Se experimentează utilizarea celulelor stem în tratarea unor afecţiuni ale sistemului nervos. Un alt domeniu de utilizare pe larg a realizărilor ştiinţei biologice este agri- cultura. Astfel, una dintre cele mai acute probleme ale contemporaneităţii – asi- gurarea populaţiei cu produse alimentare – poate fi soluţionată de fitotehnie şi de zootehnie în baza realizărilor geneticii şi ale selecţiei. Cunoaşterea legilor eredităţii şi ale variabilităţii a permis crearea unor soiuri de plante agricole şi rase de anima- le agricole cu o productivitate înaltă. La creşterea producţiei agricole contribuie şi plantele transgenice. Ele sunt rezistente la virusuri, pesticide, boli şi dăunători. Prin introducerea genelor unor peşti din mările nordice în genomul roşiei şi al căpşunului s-au obţinut plante transgenice rezistente la ger. Introducerea unor gene active din veninul şerpilor în genomul porumbului a sporit rezistenţa acestuia la dăunători. Produsele alimentare obţinute din astfel de culturi au calităţi gustative supe- rioare şi se păstrează mai bine. În prezent, prin transferul de gene se urmăreşte obţinerea unor soiuri: înalt productive; care rodesc de câteva ori pe an; 1.2. Importanţa biologiei ca ştiinţă 7 rezistente în condiţii climaterice nefavorabile; toxice pentru unii dăunători (de ex.: soiuri de cartofi ale căror frunze sunt toxice pentru gândacul-de-Colorado şi larvele lui); capabile să sintetizeze unele proteine de origine animală (de ex.: în China a fost obţinut un soi de tutun ce sintetizează lactoferină umană). Află mai multe Unii savanţi consideră că produsele transgenice prezintă un potenţial pericol pentru sănătatea omului. În lipsa unor dovezi ştiinţifice, deocamdată rămâne la latitudinea fiecăruia să le consume sau nu. Conform normelor internaţionale, este obligatorie specificarea pe ambalajul produsului a conţinutului de organisme transgenice. Cunoştinţele biologice se aplică şi în domeniul tehnic. Utilizarea în industrie, în construcţia de maşini, de nave maritime şi de avioane a principiilor de organi- zare şi de funcţionare a fiinţelor vii (bionica) reprezintă o pârghie importantă a progresului tehnic. Ecologia contribuie la soluţionarea problemelor de protecţie a naturii, de folo- sire raţională a resurselor naturale. Ea prevede depistarea şi înlăturarea urmărilor poluării antropice a naturii, determinarea regimurilor de utilizare raţională a re- surselor biosferei. Sarcina actuală a ecologiei constă în protecţia biosferei, conser- varea biodiversităţii şi asigurarea capacităţii ei de autoregenerare. Rolul cercetărilor biologice fundamentale. Se vehiculează ideea că biologia ar trebui să se ocupe doar de cercetări aplicative, care ar facilita soluţio narea unor probleme practice concrete. Dezvoltarea ştiinţelor aplicative are o importanţă indiscutabilă, însă cercetările fundamentale (evoluționismul, meca- nismele adaptării, regenerarea țesuturilor, metabolismul etc.) nu pot fi neglijate. Cunoştinţele obţinute în cercetările fundamentale pot părea inutile pentru viaţa cotidiană a omului, însă ele permit înţelegerea legilor după care se dezvoltă lumea din jurul nostru şi, mai devreme sau mai târziu, îşi vor găsi aplicarea. Evaluare formativă 1. Definiţi noţiunile: celule stem, bionică, organisme modificate genetic (transgenice). 2. Alcătuiţi fraze cu termenii: a) inginerie genetică; b) clonare; c) fitotehnie; d) zootehnie; e) bionică. 3. Alcătuiţi o schemă ce ar reprezenta obţinerea în condiţii de laborator a hormonilor (insu- lina), utilizând bacteriile transgenice. 4. Expuneţi-vă părerea, în 5-6 fraze, despre viitorul utilizării celulelor stem în medicină. 5. Scrieţi, folosind surse informaţionale suplimentare, un eseu cu tema: „Organisme transge- nice – prezent şi viitor”. 8 Capitolul I. Biologia ca știință Tema 1.3 Dezvoltarea ştiinţelor biologice în Republica Moldova În Republica Moldova, cercetările științifice în domeniul biologiei se efectuează în institutele academice de profil biologic, precum și în centrele și laboratoarele științifice universitare. Actualmente cercetările se fac în baza proiectelor științifice ale Programului de Stat, tematica având direcțiile strategice: sănătatea, agricul- tura durabilă, securitatea alimentară, mediul și schimbările climatice. Institutul de Microbiologie şi Biotehnologie Proiect: Potențialul microbiologic în degradarea deșeurilor din plastic ne- reciclabil. Obiectivele principale ale proiectului: (1) screeningul solurilor autohto- ne după capacitatea de a biodegrada deșeurile din plastic (polietilena); (2) studierea condițiilor ce favorizează degradarea microbiologică a plasticului; (3) obținerea și/ sau izolarea tulpinilor și a consorțiilor de microorganisme cu un potențial sporit față de bioconversia plasticului; (4) elaborarea procedeelor de prelucrare microbiologică a deșeurilor din plastic și de remediere a mediului poluat cu aceste deșeuri. Institutul de Genetică, Fiziologie și Protecție a Plantelor Proiect: Crearea și implementarea soiurilor de plante medicinale și aromati- ce cu productivitate înaltă, rezistente la secetă, iernare, boli, ce ar asigura dezvol- tarea sustenabilă a agriculturii, ar garanta produse de calitate superioară desti- nate industriei de parfumerie, cosmetică, farmaceutică și alimentară. Obiective: implementarea soiurilor Salvia sclarea, Lavandula angustifolia, Origanum vulga- re, Hyssopus officinalis, Cassia acutifolia, Salvia hispanica, Sesamum indicum. Institutul de Zoologie Proiect: Schimbări evolutive ale faunei terestre economic importante, ale spe- ciilor rare și protejate în condițiile modificărilor antropice și climatice. Obiective: elaborarea pronosticurilor efectivului animalelor economic importante (specii dăună- toare, specii reglatoare) și implementarea măsurilor biotehnice în fondurile cinegetice. Grădina Botanică Națională Proiect: Introducerea și elaborarea tehnologiilor de multiplicare și cul- tivare prin tehnici convenționale și culturi in vitro a speciilor de plante lem- noase noi. Obiective: optimizarea tehnologiilor de înmulțire in vitro pentru noi specii de arbuști fructiferi și ornamentali, precum și obținerea materialului săditor de înaltă calitate, adecvat condițiilor pedoclimatice din ţara noastră. Institutul Științifico-Practic de Horticultură de Tehnologie Alimentară Proiect: Utilizarea metodelor genetice și a biotehnologiilor moderne în scopul creării, dezvoltării și implementării în producere a soiurilor culturi- lor pomicole, portaltoaielor și culturilor bacifere cu potențial biologic sporit. Obiective: diversificarea sortimentului pomicol pentru a spori competitivitatea producătorilor de fructe și de material săditor pomicol pe piața externă, a comple- ta fondul genetic pomicol autohton cu soiuri valoroase. 1.3. Dezvoltarea ştiinţelor biologice în Republica Moldova 9 Universitatea de Stat din Moldova Proiect: Identificarea, evaluarea și perfecționarea unor noi procedee de spo- rire a ratei de creștere a peștilor, de diminuare a impactului maladiilor și de îmbunătățire a valorificării furajelor în cadrul instalațiilor piscicole de tip închis, alimentate cu apă circulantă. Obiective: elaborarea unor teste rapide, eficiente, ief- tine și specifice de diagnostic și de control al stărilor patologice la pești, dezvoltarea unor noi tratamente, îmbunătățirea nutriției peștilor și dezvoltarea unor noi furaje. Universitatea de Stat de Medicină și Farmacie „Nicolae Testemițanu” – Centrul Științific de Cercetare a Plantelor Medicinale. Proiect: Studiul biologic și fitochimic al plantelor medicinale cu acțiune antioxidantă, antimicro- biană și hepatoprotectoare. Obiective: Identificarea noilor surse de medicamente cu acțiunile menționate prin valorificarea unor specii de plante medicinale cu potențial terapeutic valoros: Agrimonia eupatoria, Cichorium intybus, Cynara scolymus, Hype- ricum perforatum, Rubus sp. sp., Hyssopus officinalis, specii și soiuri de Mentha etc. – Laboratorul de genetică. Proiect: Pilotarea aplicării principiilor medici- nei personalizate în conduita pacienților cu boli cronice netransmisibile. Obiecti- ve: pilotarea intervențiilor de diagnosticare și de tratament personalizat în conduita clinică a pacienților cu cele mai răspândite boli cronice netransmisibile din republică (hipertensiune arterială, diabet zaharat, dislipidemie, cardiopatie ischemică). Universitatea Agrară de Stat din Moldova Proiect: Adaptarea tehnologiilor durabile și ecologice de producere a fruc- telor sub aspect cantitativ și calitativ în funcție de integritatea sistemului de cul- tură și de schimbările climatice. Obiective: evaluarea potențialului agrobiologic al unor soiuri de cais, prun, cireș, măr, nuc, zmeur și mur în contextul actualelor modificări climatice cu scopul stabilirii unor sortimente și tehnologii de cultură care să permită realizarea unor ecosisteme durabile și competitive. Universitatea Tehnică a Moldovei Proiect: Ameliorarea calității și a siguranței alimentelor prin biotehnologie și inginerie alimentară. Obiective: diminuarea riscurilor bolilor netransmisibile și nutriționale (diabet zaharat, obezitate) prin elucidarea riscurilor contaminării chimice, biochimice, microbiologice de-a lungul lanțului alimentar. Evaluare formativă 1. Definiţi noţiunile: ştiinţă, savant, simpozion, laborator ştiinţific, invenţie, raţionalizare. 2. Numiţi institutele academice, laboratoarele şi centrele ştiinţifice universitare cu profil bio- logic din Republica Moldova şi domeniile lor de activitate. 3. Identificaţi, din surse suplimentare, informaţii despre succesele savanţilor biologi din republică. 4. Argumentaţi, prin exemple concrete, necesitatea dezvoltării ştiinţelor biologice în republică. 5. Expuneţi-vă, în 5-6 enunţuri, părerea despre dezvoltarea ştiinţelor biologice în republică. 6. Propuneţi unele proiecte în care se pot implica liceenii pentru a face investigaţii în dome- niul biologiei. 10 Capitolul I. Biologia ca știință CAPITOLUL II CARACTERISTICI GENERALE ALE ORGANISMELOR În schema de mai jos sunt prezentate caracteristicile principale ale organisme- lor vii. În continuare sunt expuse detaliat câteva dintre ele. Unitatea compoziției chimice Schimbul de substanțe și de energie Creșterea și Caracteristicile Adaptarea la condițiile dezvoltarea organismelor vii mediului de viață Reproducerea Ereditatea Excitabilitatea Tema 2.1 Metabolismul Metabolismul, sau schim- Metabolism bul de substanțe și de ener- gie, reprezintă totalitatea reac- Anabolism Catabolism ţiilor chimice care au loc într-un organism viu în vederea asigură- Sinteză Descompunere rii activității vitale. În urma aces- tor reacții, organismul obține Molecule Molecule Molecule Molecule energie și substanțe ce îi asigură mici mari mici mari creșterea, dezvoltarea, repro- ducerea, adaptarea la condițiile Consum de energie Degajare de energie mediului de viață etc. Metabolis- mul constă în două procese dia- metral 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 organis- mului: sinteza proteinelor, lipidelor, glucidelor și a altor componenți celulari; depozitarea substanțelor nutritive de rezervă; evacuarea deșeurilor metabolice. 2.1. Metabolismul 11 Esenţa metabolismului energetic Schematic, metabolismul energetic se reprezintă astfel: Proteine Substanțe chimice O2 Lipide complexe (hrana) Glucide Acizi grași Degajare Substanțe Glucoză de energie chimice simple Aminoacizi Compuși ai azotului Produse de descompunere CO2 H2O Principalul substrat energetic al celulei îl constituie glucidele. Transformările acestora în vederea obţinerii energiei decurg în trei etape. În prima etapă – pre- gătitoare – 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 descompu- nerea glucozei, în lipsa oxigenului, cu participarea fermenţilor, în două molecule de acid piruvic (C₃H₄O₃), 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: CO₂ şi H₂O. 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 cata- bolismului sunt 38 de molecule de ATP (С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ → 6СO₂ + 6Н₂O + 38АТP). În caz de necesitate (la aportul insuficient de glucide cu hrana), în vederea obţi- nerii 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: (fotosinteză, chemosinteză) (sinteze biologice) Substanţe anorganice monomeri macromoleculele corpului. 12 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Fotosinteza. Plantele verzi sintetizează substanţe organice din cele anorga- nice 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 for- mează 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 CO₂ şi H+, printr-o serie de reacţii complexe cu parti- ciparea fermenţilor. Ecuaţia sumară a fotosintezei se prezintă astfel: hν 6СO₂ + 6Н₂O clorofilă С₆Н₁₂O₆ + 6O₂ (glucoza) Fazele fotosintezei Faza de lumină Faza de întuneric Are loc numai la lumină pe membranele Reacțiile au loc în lipsa luminii în stroma tilacoidelor cloroplastelor. cloroplastelor (ciclul Calvin). Energia se depozitează în urma Energia ATP este folosită pentru fixarea CO₂ în sintezei de ATP. Din fotoliza substanțe simple – monozaharide. În urma transformă- apei rezultă O₂, ce se degajă în rilor ulterioare, se formează glucoza (C₆H₁₂O₆), din care, atmosferă sau este folosit pentru prin polimerizare, se sintetizează polizaharide complexe respirație. și alte substanțe organice. Află mai multe Productivitatea culturilor agricole depinde de intensitatea fotosintezei, aflată sub influența facto- rilor externi și a celor interni. Condiții optime pentru fotosinteză sunt: 1. iluminarea suficientă obținută printr-o anumită densitate a semănăturilor; 2. sporirea conținutului de CO₂ (în atmosferă sunt 0,03% de CO₂, iar fotosinteza decurge mai efi- cient la un conținut de CO₂ 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, carac- teristic pentru marea majoritate a bacteriilor. Metabolismul plastic la organismele heterotrofe Heterotrofii sintetizează compuși organici complecși din produsele etapei pregă- titoare 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 2.1. Metabolismul 13 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 indi- Catabolism ATP solubil 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 fermenţi- Anabolism ATP lor și hormonilor sintetizaţi în procesele anabolice. În organism, procesele anabolice și cele catabolice se află într-un echilibru di- namic. Astfel, în caz de foame, de alimentare insuficientă sau slab calorică preva- lează 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 dezvol- tare 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. Clasificarea organismelor în funcție de tipul de metabolism Sursa de Donorul de Sursa de Tipul de Exemple energie electroni carbon metabolism Substanțe organi- Fotoorganohete- Substanțe Unele cianobacterii, halobacteriile ce – heterotrof rotrof organice – organo Carbonul anorga- Fotoorganoau- Lumina Unele bacterii purpurii nic – autotrof totrof solară – foto Substanțe organi- Unele cianobacterii, bacterii verzi și Substanțe Fotolitoheterotrof ce – heterotrof purpurii anorganice – lito Carbon anorga- Plantele superioare, cianobacteriile, Fotolitoautotrof nic – autotrof algele, bacteriile verzi Substanțe organi- Chemoorganohe- Animalele, ciupercile, majoritatea Substanțe ce – heterotrof terotrof microorganismelor-reducători organice – Oxidarea substanțelor ce se descom- Energia organo Carbon anorga- Chemoorganoau- pun greu, de ex. metilotrofe faculta- reacțiilor nic – autotrof totrof tive care oxidează acidul formic chimice – chemo Substanțe Substanțe organi- Chemolitohete- Bacteriile de hidrogen ce – heterotrof rotrof anorganice – lito Carbon anorga- Ferobacteriile, sulfobacteriile, bacte- Chemolitoautotrof nic – autotrof riile nitrificatoare 14 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Evaluare formativă 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. A B C 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 evolu- ţia organismelor vii”. 7. Prezentați câte un exemplu de ciupercă şi de bacterie cu rol în fermentaţie. Numiți tipul de fermentaţie. 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, înmugu- rirea, înmulţirea vegetativă. 2.2. Reproducerea organismelor vii 15 1. Diviziunea este caracteristică or- ganismelor unicelulare și constă în di- viderea celulei-mamă în două sau mai multe celule-fiice. Diviziunea poate fi: a) simplă binară (la bacterii), b) mito- tică binară (la protozoare, algele unice- lulare) și c) multiplă – schizogonie (la tripanosome, plasmodium) (fig. 2.1). 2. Formarea sporilor. Sporii re- Fig. 2.1. Înmulţire prin diviziunea mitotică binară a prezintă o structură reproductivă uni- parameciului celulară. 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 în- chistează, formând spori de rezistenţă. Acest tip de spori asigură supravieţuirea în condiţii nefa- vorabile, nu şi înmulţirea. După locul formării, deosebim exo- spori şi endospori. Endosporii iau naştere în interiorul unor organe spe- ciale – sporange, sporii fiind numiţi sporangiospori. Exosporii se dezvoltă pe suprafaţa unor organe specializate, numite conidiofori, de unde şi denu- mirea lor de conidii. În funcţie de mo- bilitate, distingem spori mobili – zo- Fig. 2.2. Înmugurirea la hidră ospori, 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, aces- ta se desprinde, devenind un organism de sine stătător. Înmugurirea este caracte- ristică nevertebratelor (hidra – fig. 2.2., steaua-de-mare), drojdiilor etc. 4. Înmulţirea vegetativă. La baza înmulţirii vegetative stă regenerarea – ca- pacitatea 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. 16 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Marcotajul este folosit la înmulţi- rea agrişului (fig. 2.3-1), coacăzului, vi- ţei-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 1 porţiune a ramurii se dezvoltă rădăcini adventive. Separând ramura de planta- mamă şi plantând-o în alt loc, obţinem o nouă plantă. Butăşirea se foloseşte la înmulţi- 2 rea zmeurului, liliacului, iasomiei, coa- căzului etc. Pentru aceasta se pregătesc Fig. 2.3. Diferite tipuri de înmulţire vegetativă la butaşi de rădăcină, tulpină (fig. 2.3-2), agriş: 1 – marcotaj; 2 – butăşire frunză, care se plantează în sol umed. Altoirea constă în unirea altoiului cu portaltoiul. Se aplică pentru înmulţi- rea unor soiuri cu productivitate înaltă, rezistente la ger, la boli. În cazul viţei-de- vie 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 mugu- rilor. 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 ju- mătate a verii, de pe pomul 1 fructifer se taie o ramură de un an. Se înlătură frunze- le, lăsându-se doar peţio- a b lul, şi se taie muguri cu un strat subţire de scoarţă. Pe tulpina portaltoiului, cu un 2 cuţit ascuţit, scoarţa se sec- ţionează în forma literei T şi se îndepărtează. Sub scoarţă Fig. 2.4. Diferite tipuri de altoire: se introduce un mugure de 1 – altoirea cu butaş: a) terminală; b) în despicătură; altoi. Locul altoirii se leagă 2 – altoirea cu mugure-ochi 2.2. Reproducerea organismelor vii 17 strâns, lăsând peţiolul liber. secţiune longitudinală prin Dacă altoirea a fost efectuată rizocarpul de morcov plantă adultă corect, atunci peste 2-3 săp- tămâni altoiul concreşte cu secţiune transversală portaltoiul, iar în primăvara următoare din mugure se va 2 mg de dezvolta un lăstar. Peste 2-3 fragmente ani lăstarul se va transforma într‑un copăcel roditor. Înmulţirea plantelor cultivarea fragmentelor prin cultura ţesuturilor. pe medii nutritive În prezent, se cresc plante Fig. 2.5. Înmulţirea morcovului prin cultura ţesuturilor 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 in- divizi 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 feme- lei (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-mun- te 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 mascu- lină – spermatozoidul (la muşchi şi la ferigi) sau spermatia (la gimnosperme şi angiosperme). Dezvoltarea celulelor sexuale are loc în organe sexuale specializate. 18 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Oosfera la muşchi şi ferigi se formează în arhegoane, iar la angiosperme – în sa- cul embrionar al ovulului florii (fig. 2.6). Spermatozoizii se formează în anteri- dii, iar spermatiile – în grăunciorul de polen. Din zigotul muşchilor şi al ferigilor se dezvoltă sporofitul (generaţia care produce spori), iar din cel al gimnosperme- lor şi angiospermelor – sămânţa, care la angiosperme este protejată de fruct. Evaluare formativă 1. Definiţi noţiunile: fecundaţie, zigot, oosferă, ovul, spermatozoid, spermatie. 2. Asociaţi noţiunile din coloana A cu cele din coloana B: A B 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. A B C 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 de- osebiri. 7. Studiu de caz. Un floricultor a primit oferta de a amenaja un răzor cu flori pe un sector de 10 m2. Dorința coman- datarului 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 ur- mătoarele: 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. 2.2. Reproducerea organismelor vii 19 Tema 2.3 Creşterea şi dezvoltarea organismelor Transformările suportate de un organism de la stadiul de zigot până la moarte reprezintă dezvoltarea sa individuală, numită şi ontogeneză. Pe parcursul onto- genezei, 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 mi- totică 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 embrio- nară 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. sac embrionar ovar cotiledoane muguraş rădăciniţă sămânţă ovul zigot Fig. 2.6. Perioada embrionară la plantele cu flori 20 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Fig. 2.7. Ciclul vital la fasole Schimbările externe suportate de o plantă pe parcursul dezvoltării ei din să- mânţă 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 dezvol- tare, 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 dezvol- tându-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 du- rează mai mulţi ani, ele fiind numite plante perene. Se întâlnesc şi plante efemeroi- de – 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 pro- gresie geometrică a zigotului. Celulele rezultate formează mai întâi morula (acu- mulare 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 – me- zodermul. Aceste animale sunt triblasterice. În etapa de organogeneză, în urma diferenţierii structurale şi funcţionale a celulelor foiţelor embrionare, se formează organele embrionului. blastocel blastoderm ectoderm endoderm mezoderm blastopor zigot morulă blastulă în secţiune gastrulă Fig. 2.8. Perioada embrionară la animale 2.3. Creşterea şi dezvoltarea organismelor 21 Perioada embrionară se încheie prin apariţia puiului (reptile, păsări, mamifere) sau a larvei (insecte, viermi, peşti ş.a.). Durata perioadei embrionare, numită ges- taţie, 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 postem- brionară 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 di- mensiuni. 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, creş- te, organele larvare fiind substituite de organe specifice adulţilor. Acest tip de me- tamorfoză este caracteristic peştilor, broaştelor (fig. 2.9), anumitor insecte. În ca- zul 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 ge- neraţii pe an, depunând într-o pontă până la 300 de ouă. larvă ouă adult fertilizate (mărit) larvă (omidă) larvă (mormoloc) adult imago larvă embrion (mărit) ouă fertilizate pupă Fig. 2.9. Metamorfoza incompletă la broască Fig. 2.10. Metamorfoza completă la fluture 22 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor III. Stadiul de îmbătrânire. Durata vieţii indivizilor este programată gene- tic, de aceea la un moment dat începe îmbătrânirea, ce se caracterizează prin stin- gerea 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. Evaluare formativă 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. A B 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. 2.3. Creşterea şi dezvoltarea organismelor 23 Tema 2.4 Excitabilitatea organismelor Excitabilitatea este proprietatea fundamentală a organismelor vii de a recepţi- ona influenţele externe şi de a răspunde la ele printr-o stare de modificare internă. Este o formă de reacţie înnăscută, nediferenţiată, nespecializată a întregului orga- nism, 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 or- ganelor 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 ma- nifestă 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 exci- tantului, 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 gra- vitaţie 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 întin- dere 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 pa- ralel cu direcţia de acţiune a forţei de gravitaţie a Fig 2.11. Ortogeotropism pozitiv la tulpină 24 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor 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 pă- trunde 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 lumi- nă. 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 ţesutu- rile 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 po- zitiv, iar spre aerul uscat – hidrotropism negativ. Hidrotropismul pozitiv este caracteristic rădăcinilor, rizoizilor ferigilor, tu- burilor polenice, hifelor ciupercilor etc. Nastiile sunt mişcări neorientate ale orga- nelor plantelor, condiţionate de modificarea în timp a intensităţii excitantului. În funcţie de ti- pul excitantului, se disting: fotonastii, termo- nastii, mecanonastii, seismonastii etc. Fotonastiile sunt generate de schimbarea intensităţii luminii şi au loc, de regulă, dimi- 1 neaţa şi seara. De exemplu, florile de in, de pă- pădie se deschid dimineaţa şi se închid seara. Deschiderea florilor este determinată de mo- dificarea 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 2 transmite de la o frunză la alta şi în scurt timp Fig. 2.12. Seismonastia la frunzele de toate se camuflează. Astfel frunzele se prote- mimoză: 1 – frunza în stare normală; jează de vânturi puternice şi ploi torenţiale. 2 – frunza după scuturare 2.4. Excitabilitatea organismelor vii 25 Excitabilitatea la animale Pentru animale sunt caracteristice reacţii mai precise, mai rapide şi mai variate la acţiunea excitantului, asigu- rate de prezenţa sistemului nervos (fig. 2.13). În organele acestuia are loc ana- liza, sinteza, compararea informaţiei captate de receptori (fotoreceptori, che- moreceptori, mecanoreceptori, termo- receptori etc.) şi formarea răspunsului Fig. 2.13. Mecanismul activităţii reflexe la om transmis organului efector: muşchilor, glandelor endocrine. Calitatea răspunsului depinde de nivelul de dezvoltare a sis- temului 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 sis- tem nervos – difuz –, de aceea reacţionează la fel la toţi excitanţii – se face ghem. Evaluare formativă 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 miş- care 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 plan- tele 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. 26 Capitolul II. Caracteristici generale ale organismelor Evaluare sumativă la capitolul II 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: A B a) Rădăcina principală 1. Plagiofototropism b) Ramificările rădăcinii 2. Hidrotropism pozitiv c) Tulpina principală 3. Ortogeotropism pozitiv d) Ramificările tulpinii 4. Ortogeotropism negativ e) Frunzele 5. Ortofototropism pozitiv f ) Rizomii 6. Ortofototropism negativ 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? 2.4. Excitabilitatea organismelor vii 27 CAPITOLUL III CELULA – UNITATE MORFOFUNCȚIONALĂ A ORGANISMELOR Viața pe planeta noastră este foarte variată. Dar oricât de mare ar fi această diversi- tate, la baza ei stă celula. În afara celulei, viață pe Terra nu a fost găsită, unica excepție fiind virusurile. Celula este cea mai mică unitate structurală și funcțională a materiei vii, căreia îi sunt caracteristice toate proprietățile viului – schimbul de substanțe și de energie, creșterea și dezvoltarea, reproducerea, excitabilitatea ș.a. În celule au loc cele mai complicate procese biochimice care asigură toată activitatea vitală a organismului. În funcție de numărul celulelor din care este format corpul, deosebim organisme uni- celulare și organisme pluricelulare. Organismele unicelulare reprezintă celule aparte ce duc un mod de viață de sine stătător, iar celulele dintr-un organism pluricelular, îndeplinind diferite funcții, capătă anumite particularități structurale. Celula a fost descoperită în anul 1665 de cercetătorul englez R. Hoocke. Mai târziu, cercetătorul italian M. Malpighi (1675) şi cel englez N. Grew (1682) au confirmat structura celulară a plantelor. În 1674, microscopistul olandez A. van Leeunwenhoek descoperă organismele unicelulare. Perfecţionarea tehnicii microscopice a permis descoperirea organitelor celulare. Sistematizând cunoştinţele acumulate despre structura celulei, cercetătorii germani M. Schleiden şi Th. Schwann au formulat teoria celulară, dezvoltată ulterior de biologul şi medicul german R. Virchow. Astăzi, postulatele de bază ale teoriei celulare se formulează astfel: Celula este unitatea structurală, funcţională şi de dezvoltare a tuturor or- ganismelor vii. Celulele tuturor organismelor vii au structură şi compoziţie chimică ase- mănătoare. Celulele se înmulţesc numai prin diviziune. Într-un organism pluricelular, celulele sunt specializate după funcţii, for- mând ţesuturi. Tema 3.1 Compoziţia chimică a celulei Compoziția chimică a celulei Substanțe organice Substanțe anorganice Proteine Lipide Glucide Acizi nucleici Apă Săruri minerale 10-20, până la 50% 1-5% 0,2-2% 1-2% 70-80% 1-1,5% 28 Capitolul III. Celula – unitate morfofuncțională a organismelor Compoziţia anorganică a celulei Apa este cel mai răspândit compus anorganic din celulele majorităţii organis- melor. Cea mai mare parte a apei (95%) este prezentă în celule în stare liberă – în spațiile intercelulare, în vacuole, în cavitățile organelor – şi doar o mică parte (4- 5%) sub formă legată – în componența unor structuri celulare. Funcţiile biologice ale apei: transportă substanţele; reglează temperatura celulei; solvent pentru substanţele ce pătrund sau sunt evacuate din celulă; mediu pentru majoritatea reacțiilor din celule; determină forma și volumul celulei. Sărurile minerale sunt prezente în celulă sub formă de cationi (K+, Na+, Ca , Mg2+, NH+ etc.) şi anioni (Cl–, HPO2–, HCO–, NO– etc.). 2+ Funcţiile biologice ale ionilor anorganici: bioelectrică, ce ţine de apariţia diferenţei de potenţial la nivelul membranei celulare: în celulă prevalează ionii de K+, iar în afara ei – ionii de Cl– şi de Na+ ; structurală: intră în compoziţia proteinelor, acizilor nucleici, clorofilei, hemo- globinei ş.a.; reglatoare: se leagă de fermenţi, influenţând activitatea acestora; de transport al electronilor sau al unor molecule simple. De exemplu, cati- onii de Fe²+ din hemoglobină fixează oxigenul, asigurând transportarea lui în corpul omului și al animalelor. Compoziţia organică a celulei Celulele conţin un sortiment bogat de compuşi organici: glucide, proteine, li- pide, acizi nucleici etc. Baza compuşilor organici o constituie atomii de carbon. Aceştia se pot lega între ei, precum şi cu alţi atomi sau grupe de atomi. În funcţie de masa moleculară şi structură, deosebim compuşi organici cu masa moleculară joasă – monomeri – şi compuşi cu masa moleculară înaltă – polimeri. Polimerii sunt constituiţi din mai mulţi monomeri identici sau diferiţi (fig. 3.1). Glucidele mai sunt numite zaha- ruri, hidraţi de carbon, carbohidraţi. În celulele animale, conţinutul lor este Monomeri de 1-5%, iar în cele vegetale ajunge până la 70%. Se disting trei clase de glucide: monozaharide, oligozaharide Polimer din monomeri identici şi polizaharide (fig. 3.2). Monozaharidele sunt ușor solubile în apă și au gust dulce. În natură sunt mai răspândite hexozele (glucoza, fruc- toza, galactoza etc.) şi pentozele (ribo- Polimer din monomeri diferiţi za, dezoxiriboza). Fig. 3.1. Structura monomerilor şi polimerilor 3.1. Compoziţia chimică a celulei 29 Oligozaharidele, numite şi diza- haride, de asemenea se dizolvă bine în monozaharide apă și au gust dulce. Rezultă din unirea dizaharide a două monozaharide. Cele mai cunos- cute sunt: zaharoza, care constă din polizaharide glucoză şi fructoză, și maltoza, compu- să din două molecule de glucoză. Fig. 3.2. Structura glucidelor Polizaharidele sunt formate din mai multe molecule de monozaharide. Nu se dizolvă în apă şi nu au gust dulce. Cele mai răspândite polizaharide sunt amidonul, glicogenul, celuloza, chitina etc. Funcţiile biologice ale glucidelor: energetică: la scindarea unui gram de glucide se eliberează 17,6 kJ; structurală: celuloza este componentul peretelui celular al celulei vegetale, chitina – al cuticulei artropodelor şi peretelui celular al ciupercilor; sintetică: pentozele participă la sinteza acizilor nucleici, la fotosinteză. Proteinele sunt polimeri ai căror monomeri sunt aminoacizii – compuşi or- ganici care conţin două grupe funcţionale: aminică (–NH2) şi carboxil (–COOH). Aminoacizii se unesc prin legături peptidice formate între aceste grupe. Numărul de aminoacizi uniţi într-o moleculă de proteină oscilează de la câteva zeci până la câteva mii (fig. 3.3). Fig. 3.3. Schema structurii proteinelor Află mai multe Cei 20 de aminoacizi din compoziţia proteinelor sunt numiţi proteinogeni. Plantele îi sintetizează din produsele primare ale fotosintezei. Animalele şi omul nu pot sintetiza unii din aceşti amino- acizi, primindu-i cu hrana. Astfel de aminoacizi sunt numiţi indispensabili. Printre ei se numără: lizina, valina, leucina. Se disting patru niveluri de organizare spaţială a proteinelor (fig. 3.4): structura primară (fig. 3.4-1) redă succesiunea aminoacizilor în lanţul pepti- dic şi se prezintă sub formă de catenă liniară; este unică pentru orice proteină, determinându-i dimensiunile şi funcţiile; structura secundară este asigurată de legăturile de hidrogen dinte atomul de oxigen al grupei carboxil și atomul de azot al grupei aminice; ea garantează forma spațială a lanțului polipeptidic; la unele proteine (cheratina unghiilor, părului) poate avea forma de helix (fig. 3.4-2a), la altele (fibroina pânzei de păianjen) – pliată (fig. 3.4-2b); 30 Capitolul III. Celula – unitate morfofuncțională a organismelor structura terţiară (fig. 3.4-3) corespunde aranjării lanțului polipeptidic în spațiul tridimensional, rezultând proteine globulare (fermenţii) şi fibrilare (mi- ozina, actina); structura cuaternară (fig. 3.4-4) este caracteristică proteinelor formate din două sau mai multe catene polipeptidice, de ex. hemoglobina. 2b 5 4 4 1 3 2a 1 2 3 Fig. 3.4. Nivelurile de organizare spaţială a proteinelor: 1 – primară; 2 – secundară (2a – helix; 2b – pliată); 3 – terţiară; 4 – cuaternară Află mai multe Sub influenţa diferitor factori fizici şi chimici (temperaturi înalte, iradiere, acţiunea alcoolului, acetonei, acizilor etc.) se schimbă structura terţiară şi cea cuaternară a proteinelor, în urma des- facerii legăturilor de hidrogen. Acest proces, numit denaturare, este însoţit de dereglarea formei şi a dimensiunilor moleculei, de pierderea proprietăţilor etc. Denaturarea este parţial reversi- bilă: la revenirea la condiţii normale ale mediului, dacă structura primară nu este distrusă, se autorestabilește structura naturală a proteinei, proces numit renaturare (fig. 3.5). Denaturarea proteinelor, ce are loc la tratarea termică a produselor, facilitează asimilarea lor (de exemplu, oul fiert se asimilează mai repede decât cel crud). Însă tratarea termică excesivă (prăjirea) denaturea- ză prea mult proteinele, ceea ce îngreunează accesul fermenților prin crusta compactă formată la suprafața produsului. Fig. 3.5. Reversibilitatea procesului de denaturare 3.1. Compoziţia chimică a celulei 31 Funcţiile biologice ale proteinelor: structurală: intră în compoziţia membranelor biologice, predomină în com- poziţia tendoanelor, ligamentelor, muşchilor, părului şi unghiilor; catalitică: fermenţii, catalizatorii biologici, sunt proteine; de transport: leagă şi transportă diferite substanţe (de exemplu, albuminele din sânge transportă acizii graşi, globulinele – ionii metalelor şi hormoni); de protecţie: imunoglobulinele (anticorpii) sângelui asigură protecţia imună a organismului, fibrinogenul şi trombina participă la coagularea sângelui, pre- venind hemoragiile; reglatoare: proteinele-hormoni participă la reglarea activităţii celulare; energetică: la scindarea unui gram de proteine se eliberează 17,6 kJ. Lipidele. Majoritatea lipidelor rezultă din unirea acizilor graşi cu glicerolul (fig. 3.6). Funcţiile biologice ale lipidelor: structurală: împreună cu protei- O nele formează membranele biolo- gice; H₂C — O — C — R₁ energetică: la oxidarea unui gram de lipide se degajă 38,9 kJ; de protecţie şi termoizolare: acu- O Glicerol mulându-se în ţesutul adipos sub- HC — O — C — R₂ cutanat şi în jurul unor organe, stratul de grăsime le protejează de leziuni mecanice; datorită conducti- O bilităţii termice joase, stratul de gră- sime previne pierderile de căldură; H₂C — O — C — R₃ sursă de apă metabolică pentru acizi grași animale: la oxidarea a 100 g de li- pide se formează aproximativ 105 g Fig. 3.6. Schema structurii lipidelor de apă. Acizii nucleici. Reprezintă po- limeri ai căror monomeri sunt nucleotidele. O nucleotidă este formată din trei componente: o bază azotată (A – adenina, G – guanina, C – citozina, T – ti- midina, U – uracilul), un glucid (riboza sau dezoxiriboza) şi un radical de acid fosforic. Nucleotidele se unesc formând catene polipeptidice de diferite lungimi. Se cunosc două tipuri de acizi nucleici: dezoxiribonucleic (ADN) şi ribonucleic (ARN). ADN-ul se află în nucleu şi, în cantităţi mici, în mitocondrii şi în plastide. O nucleotidă de ADN cuprinde o bază azotată (A, G, C sau T), glucidul dezoxiriboza şi un radical de acid fosforic. Nucleotidele se unesc în două catene polipeptidice, răsucite în spirală, care se menţin legate prin intermediul legăturilor de hidrogen 32 Capitolul III. Celula – unitate morfofuncțională a organismelor dintre bazele azotate ale celor două ca- tene (fig. 3.7, 3.8). 5' 3' Rolul biologic al ADN-ului: C G deţine informaţia codificată despre caracterele specifice ale organismului; T A decodifică informația ereditară prin sinteza de proteine specifice, care G C vor forma caracterele morfologice şi funcţionale ale organismului; A T transmite informaţia ereditară ge- neraţiilor de celule şi organisme. C G ARN-ul se află în nucleu, citoplas- mă, ribozomi, mitocondrii și plastide. A T Constă dintr-o catenă formată din nu- 3' 5' cleotide, care conţin glucidul riboza, trei Fig. 3.7. Unirea nucleotidelor în molecula de ADN baze azotate – A, G şi C sunt aceleaşi ca şi la ADN, iar timidina este înlocuită de uracil –, și un radical de acid fosforic. Se cunosc trei tipuri de ARN: ribozomal, de transport şi mesager. Rolul biologic al ARN-ului: ARN ribozomal participă la biosin- teza proteinelor; ARN de transport asigură deplasa- rea aminoacizilor spre locul de sinte- ză a proteinelor; ARN mesager transmite informaţia despre structura proteinelor din nu- cleu spre ribozomi. ATP-ul (adenozintrifosfatul) este un nucleotid alcătuit din baza azo- tată adenina, glucidul riboza şi trei radicali de acid fosforic. Se află în cito- plasmă, mitocondrii, plastide și nucleu (fig. 3.9). Este un compus instabil. Le- găturile dintre radicalii de acid fosforic Fig. 3.8. Modelul spaţial al moleculei de ADN (două la număr) sunt numite macroer- gice, deoarece la ruperea unei astfel de adenina legături se degajă 40 kJ, de 10 ori mai riboza mult decât în alte legături chimice. ATP este o sursă universală de energie în or- ganismele vii. Fig. 3.9. Structura ATP-ului 3.1. Compoziţia chimică a celulei 33 Află mai multe Organismele vii constau în principal (98% din masă) din patru elemente chimice – oxigen, car- bon, hidrogen și azot. În scoarța terestră, aceste elemente alcătuiesc doar 50%. Dar și în scoarța terestră, și în organismele vii prevalează oxigenul. Celelalte trei elemente chimice (C, H și N), in- dispensabile pentru sinteza substanțelor organice, constituie peste 28% din compoziția organis- melor, iar în scoarța terestră conținutul lor sumar este sub 1,5%. Pe de altă parte, unele elemente chimice sunt răspândite pe larg în scoarța terestră (siliciu, aluminiu, fier), iar organismele vii le conțin în cantități foarte mici. Așadar, organismele vii constau din aceleași elemente chimice ca și obiectele naturii nevii, numai că într-un raport diferit. Pentru organismele vii sursele primare ale acestor elemente sunt substanțele din compoziția atmosferei, hidrosferei și litosferei – H2O, СО2, О2, N2, diferiți ioni ș.a. Întoarcerea elementelor chimice în mediul ambiant are loc în procesul activității vitale a organismelor (respirația, excreția) și după moartea lor. Prezența acelorași elemente chimice și circuitul lor între mediul ambiant și organisme demonstrează unitatea și interdependența dintre natura vie și cea nevie. 7,5% 10% 3,4% 4,7% Aluminiu 9,2% 18% Hidrogen 7% Calciu Fier Altele Carbon Altele 25,7% 49,5% Siliciu Oxigen 65% Oxigen Scoarța terestră Corpul uman Evaluare formativă 1. Definiţi următoarele noţiuni: celulă, monomer, polimer, legătură macroergică, polizaharid, ami- noacid. 2. a) Scrieți în coloane separate monomerii şi polimerii corespunzători din următorul şir: proteine, aminoacizi, glucoză, celuloză, amidon, glicogen, fosfolipide, acizi nucleici, nucleotide. b) Indicaţi prin săgeţi corespunderea dintre: acizi graşi, glicerol şi acid fosforic. 3. Explicați schema. Argumentați de ce proteinele sunt indispensabile pentru organism. ADN (genă) ARNm proteină caracter 4. Analizaţi postulatele de bază ale teoriei celulare. 5. Comparaţi cele două tipuri de acizi nucleici după algoritmul: a) numărul de catene; b) bazele azotate, c) glucidul; d) funcţiile; e) localizarea. 6. Propuneţi o schemă ce ar reprezenta compoziţia chimică a celulei. 7. Calculați: a) cantitatea de apă din plasma unui urs care cântăreşte 400 kg, ştiind că: – volumul de sânge reprezintă 8% din masa corpului; – plasmei îi revin 55% din volumul sângelui; – apa constituie 90% din plasmă. b) cantitatea de apă eliminată de două plante prin transpiraţie într-o zi de vară, la amiază, ştiind că: – o plantă absoarbe circa 50 ml apă/h; – a doua plantă absoarbe 75% din cantitatea de apă absorbită de prima plantă. 34 Capitolul III. Celula – unitate morfofuncțională a organismelor Tema 3.2 Structura celulei Există două nivele de organizare celulară: celula eucariotă și celula proca- riotă. Deosebirea principală dintre acestea este lipsa nucleului ca atare la celula procariotă și prezența unui nucleu bine conturat la cea eucariotă. Celula procari- otă, apărută acum aproximativ 3,5 miliarde de ani, este specifică organismelor unicelulare (bacterii, alge verzi-albastre). Cea eucariotă, mai tânără, numărând doar 1,5 miliarde de ani, este unitatea structurală și funcțională a organismelor pluricelulare (ciuperci, plante și animale) şi a celor unicelulare de tipul protozoa- relor, drojdiilor, algelor ş.a. Deosebirile dintre celula procariotă și eucariotă Caractere de comparație

Biologie Clasa a X-a - Manual PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue