INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA VEGETAL Isla La Tortuga, Venezuela

INTRODUCCIÓN A LA FISIOLOGÍA VEGETAL Prof. José A Véliz Lab. 500 Horas de consulta:

OBJETIVOS: Introducir el concepto de la fisiología vegetal Establecer la importancia de la fisiología vegetal Relacionar la fisiología vegetal con otras ramas de estudio de la Biología y de las Ciencias en general.

Historia de la biología * * -600. Pensamiento presocráticos * Aristóteles (384-322 a.C.) La Scala Naturae * 1624. Primeros experimentos sobre nutrición vegetal

La biología es una ciencia CIENCIA: latín scientia que significa “conocimiento”. Objetividad, Racionalidad, Sistematicidad, Generalidad, Falibilidad. Aplica el método científico para generar el conocimiento VULGAR TIPOS DE CONOCIMIENTOS CIENTÍFICO

FISIOLOGÍA VEGETAL: CONCEPTO La Fisiología vegetal es una rama de la biología, que establece parámetros cualitativos acerca de los procesos de regulación y control de las plantas. Postula leyes limitadas (no generales) aplicables a un determinado número de especies. Es una ciencia exacta que trata de comprender y explicar los fenómenos que ocurren dentro de las plantas. La Fisiología es una rama de la biología experimental

Historia y desarrollo del concepto. Siglo XVII: VITALISTAS vs. MECANICISTAS Francis Bacon (1561-1626), fundador de la ciencia experimental. Vitalismo: todos los organismos tienen un «espíritu vital», que los diferencia de lo no-vivo. Aplicó el Empirismo, doctrina filosófica en la cual «todo el conocimiento que adquiere el ser humano proviene de la experiencia y los sentidos». Escribió en 1620, Novum Organum, donde plasmó las bases del Método Científico. Francis Bacon *

Historia y desarrollo del concepto. Siglo XVII: VITALISTAS vs. MECANICISTAS René Descartes (1596-1650) Filósofo y matemático francés (Discurso del método y meditaciones metafísicas) Fundador del racionalismo moderno y estableció las bases mecanicistas para el estudio de la vida Señaló que “Los seres vivos funcionan como un mecanismo, muy complicado, que cumple con leyes físicas, donde los fenómenos se determinan unos a otros” (Mecanicismo). René Descartes *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Van Helmont (1577-1644), medico Belga, realizó el primer experimento del cual se tienen registros en fisiología vegetal. Cultivó un sauce en una maceta, al que solo regó con agua de lluvia. A los cinco años el árbol había crecido (74 g), y la tierra había disminuido su peso en 57 g. Concluyó que el árbol crecía a partir de las sustancias que procedían del agua y no del suelo. Su obra, con el titulo de Ortus medicinae, fue publicada póstumamente en 1648. Van Helmont (1577-1644) *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Stephen Hales (1677-1761) Naturalista, botánico y químico Inglés, que estudio varios gases, describió por primera vez fenómenos fisiológicos de modo cuantitativo Vegetable Staticks (1727): Pérdida de agua por evaporación Tasa de crecimiento de tallos y hojas. Variaciones de la fuerza radical distintas horas del día. Describió como las plantas usaban el aire para alimentarse. Stephen Hales (1677-1761) *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Stephen Hales (1677-1761) Estudió la estructura de las hojas y los estomas. Sugirió que las plantas son capaces de modificar la composición del aire y usó métodos cuantitativos para medir la presión radical y la transpiración. *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Joseph Priestley (1733-1804) Teólogo y químico inglés, demostró entre 1771-1777 la respiración en los vegetales y aisló el oxigeno. Realizó experimentos de combustión y respiración, sostenía que las plantas podían "purificar el aire que había sido contaminado por la combustión producida por las velas”. J. Priestley (1773-1804) *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Para demostrarlo: Quemó una vela en una campana cerrada hasta que la llama se apagó Introdujo un ratón y el ratón murió. Luego repitió el experimento y colocó una rama de menta en un vaso de vidrio conectada a la campana. Encontró que el aire en el interior no dañaba al ratón que recibía los gases producidos por la rama. Concluyó que las plantas liberan un tipo de aire que permite la combustión y revierte el proceso respiratorio de los animales. Experimento de Priestley para comprobar la fotosíntesis. (Strayer, L., 1981). *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Avances importantes en la química hacia finales del siglo 18 e inicios del 19 permitieron una mejor comprensión del funcionamiento de la fotosíntesis y la nutrición mineral. Descubrimiento de los gases y su importancia para las plantas Descubrimiento de la fotosíntesis

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL El descubrimiento de los gases amplio los conocimientos sobre la fotosíntesis y la respiración. Rutherford (1772): descubrió el nitrógeno. Las plantas utilizan el N para elaborar aminoácidos. Sheele (1773) y Priestley (1774) descubrieron el oxigeno. Las plantas al respirar absorben O2 y liberan CO2 Black (1777) descubrió el dióxido de carbono. Las plantas absorben CO2 *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Lavoiser (1743-1794, químico francés) Estableció las bases de la química moderna y la ley de la conservación de la materia. Se le debe la nomenclatura química, el conocimiento de la composición del aire y el descubrimiento del papel del oxigeno en la respiración. En 1774, dedujo que el aire está formado por dos gases: nitrógeno y el gas descubierto por Priestley, al que llamó oxígeno Métodos para estudiar la modificación del aire por parte de las plantas Lavoisier, fue guillotinado el 8 de mayo de 1794 durante la Revolución Francesa. (Al juez que presidía el caso se le atribuye el haber dicho. “La República no tiene necesidad de sabios”. *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL J. Ingenhousz (1730-1799) confirmó el trabajo de Priestley con una importante adición. Encontró que la purificación solamente ocurre en la luz solar y descubrió la fotosíntesis. En 1779 hizo tres grandes aportes: Demostró la respiración en las plantas. “Las plantas en la sombra o en la oscuridad expelen aire impuro (CO2) tanto en las partes verdes como en las no verdes”. Demostró que la “materia verde” es necesaria para el crecimiento y que las partes no verdes siempre consumen oxigeno. Demostró que la luz es esencial para el crecimiento vegetal y también para la liberación de oxigeno. *

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Jean Senebier, botánico y naturalista suizo, en 1782, confirmó que la luz, mas que el calor solar, era necesaria para el funcionamiento de las plantas. También descubrió que las plantas requieren luz para el desarrollo de la fotosíntesis y que estas usaban CO2 disuelto en agua para “alimentarse”. Demostró que fragmentos y extractos de hojas eran capaces de liberar O2 y sugirió que el O2 liberado procedía del CO2 (hoy se sabe que procede del agua).

NACIMIENTO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Claude Bertholett (1748-1822), químico francés, sostenían que el O2 liberado en la fotosíntesis procedía de las moléculas de agua y que el dióxido de carbono era fijado por el hidrógeno del agua. Pelletier (1788-1842, químico francés) y Caventou (farmacéutico francés, 1795-1877). En 1817 aislaron la clorofila y en 1820 aislaron la quinina. *

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Siglo 19. R. Mayer (1814-1878) físico y medico alemán, enunció en 1845 que las plantas transforman la energía de la luz solar en energía química, negó el principio vital y afirmó la unidad de la energía al decir: “En realidad, sólo existe una fuerza que en eternos ciclos circula por la naturaleza viva y muerta”. Engelman (1880-1883) realizó experimentos demostrando la relación directa entre la liberación de oxígeno y los cloroplastos, así como la correspondencia entre el espectro de acción de la fotosíntesis y el espectro de absorción de la clorofila. *

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL Siglo 18 FISIOLOGÍA VEGETAL Y EL ESTUDIO DE LA NUTRICIÓN VEGETAL.

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL FISIOLOGÍA VEGETAL Y EL ESTUDIO DE LA NUTRICIÓN VEGETAL. De Saussure (1767-1845), químico y fisiólogo vegetal, aprovecho las clásicas experiencias de Lavoisier sobre respiración para estudiar tanto la fotosíntesis como la absorción de nutrientes, determinando que las plantas toman el nitrógeno del suelo y no del aire. De Saussere en 1804 estudió las reacciones cuantitativas entre el CO2 absorbido por la planta y la cantidad de materia orgánica y O2 producido, concluyendo que las plantas consumían agua durante la incorporación de CO2. Encontró que la absorción de minerales no era proporcional con la absorción de agua y que los solutos no eran absorbidos en la misma proporción sugiriendo permeabilidad diferencial en las raíces. Además De Saussere introdujo nuevas técnicas y métodos cuidadosos que le convirtieron en uno de los pioneros en el análisis elemental de las plantas. *

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL FISIOLOGÍA VEGETAL Y EL ESTUDIO DE LA NUTRICIÓN VEGETAL. S. Sprengel (1787-1859) enunció: “que un suelo puede ser improductivo por la ausencia exclusiva de un elemento esencial” (ley del mínimo), J. B. Boussingault (1802-1887) (químico y agrónomo francés, que acompaño a Bolívar en las campañas independista americana) en Francia, estudió: El efecto de la fertilización de los suelos y el rendimiento de los cultivos y descubrió la capacidad de las leguminosas de fijar el nitrógeno atmosférico. *

Siglo 19. Vario

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL EL ESTUDIO DEL CRECIMIENTO Y LAS HORMONAS VEGETALES Al iniciarse el siglo 19 se tenían datos dispersos sobre la vida de la planta, pero no podían integrarse en una visión general. La unidad interna de la biología vino a mediados del siglo con la teoría celular propuesta por Mathias Schleiden (1804-1881) y Theodor Shwann (1810-1882) en 1839* y la teoría de la evolución (Darwin, 1859). * Las investigaciones de ambos científicos definieron un marco general para el estudio del mundo natural y el funcionamiento general de las células.

DESARROLLO DE LA BOTÁNICA EXPERIMENTAL EL ESTUDIO DEL CRECIMIENTO Y LAS HORMONAS VEGETALES En 1847 Schwann, concluyó que cada célula vegetal tenía la capacidad de producir plantas completas al suministrarle las condiciones similares a la planta madre (Totipotencia). Por otra parte en 1880, Julius von Sachs enunciaba la primera teoría de las sustancias (hormonas) que controlaban el crecimiento en las plantas, También demostró que las plantas podían crecer y desarrollarse en soluciones nutritivas, carentes de suelo, iniciando así la hidroponía En el siglo XX se ha llegado a conocer, a través de la genética fisiológica, cómo se transforma la información genética en un modo de ser.

BOTÁNICA EXPERIMENTAL: ACTUALIDAD FOTOSINTESIS Y METABOLISMO Los esfuerzos realizados durante más de un siglo por De Candolle, Willstater, Warburg, Blackman, Arnon, Calvin, etc., se encargaron de demostrar y entender como la planta captura la energía luminosa y la transforma. Simultáneamente Krebs, Green, Lehninger etc, explicaron posteriormente cómo la energía es liberada y utilizada para efectuar trabajos metabólicos.

Fisiología Vegetal: ACTUALIDAD La fisiología vegetal considera a la planta como un mecanismo, si bien muy complicado, en el que se cumplen las leyes físicas y donde los fenómenos se determinan unos a otros. En fisiología vegetal los avances se hacen por experimentación, sin despreciar el valor de las hipótesis bien construidas y explica la importancia de esta ciencia por "el poder que da al hombre sobre la naturaleza" (Bacon). Los conocimientos en ciencias naturales se adquieren por la observación critica de los hechos. La naturaleza establece cómo se determinan y concatenan los fenómenos, integrándose en un gran proceso orgánico. “en la naturaleza sólo existen hechos dados; la integración de los fenómenos, la jerarquización e integración en un todo armónico es producto de la mente del científico”. La ciencia es el resultado de la aplicación del método científico -cartesiano en su origen- a la observación racional de los hechos. Sin embargo, conocimiento se fundamenta en el hecho, en el fenómeno observado, donde, por ello son necesarias sesiones de laboratorio donde se pongan en practica algunas de las técnicas de la fisiología vegetal experimental.

Postulados básicos El funcionamiento de las plantas puede ser entendido a partir de principios físico - químicos. La célula es la unidad fundamental de la vida, todos los organismos están constituidos por células. Las células solo surgen a partir de otras preexistentes. Hay dos tipos de células las procarióticas y las eucarióticas. Las células se caracterizan por la acumulación de macromoléculas informacionales. Las células se organizan en tejidos y órganos. Los organismos vivos son estructuras autogeneradoras. Los organismos interactúan con su medio ambiente y con otros organismos. La estructura y la función están estrechamente relacionados.

Principios unificadores en fisiología vegetal: Las plantas no se mueven, esto las ha hecho evolucionar en una forma de vida con crecimiento indeterminado que las capacita para competir mejor por la luz, agua y nutrientes. Las plantas terrestres están estructuralmente capacitadas para crecer hacia la luz en contra de la fuerza de gravedad. Las plantas terrestres pierden agua continuamente por evaporación y han evolucionado para evitar la desecación. Las plantas tienen mecanismos para mover el agua y los minerales del suelo a los sitios donde realiza la fotosíntesis y el crecimiento y mecanismos para movilizar los productos de la fotosíntesis a órganos y tejidos no fotosintetizadores.

La fisiología vegetal y sus campos de estudio La fisiología vegetal es una ciencia multidisciplinaria que integra conocimientos de diversas ciencias como la biofísica, la bioquímica, la edafología, la genética y la bioingeniería Los aspectos estudiados por la fisiología vegetal están: Relaciones entre órganos  tejidoscélulas organelos vegetales y las relaciones reciprocas e internas de cada compartimiento celular. Relaciones entre los sistemas suelo agua atmósfera Fenómenos asociados al transporte de agua dentro de la planta Fenómenos asociados al transporte de nutrientes.

La fisiología vegetal y sus campos de estudio Transformaciones bioquímicas: Energéticas: las que tienen que ver con la fotosíntesis y el metabolismo. Síntesis: relacionadas con la transformación y utilización de biomoléculas importantes del metabolismo primario como los carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos y de los metabolitos secundarios. Procesos de desarrollo, crecimiento y diferenciación: que implican el conocimiento de mecanismos responsables de la morfogénesis, regulación genética y ambiental de procesos, fitohormonas, floración y fructificación, germinación y senescencia. Fisiología ecológica o Ecofisiología. Estudia a la planta en un contexto bioquímico-fisiológico-ecológico. Aplicaciones practicas en el mejoramiento vegetal, genética, cultivo de tejidos, biotecnología vegetal Fisiología de la planta enferma.

Aplicaciones de la fisiología vegetal La utilización racional de las plantas, en la agricultura o en la industria, se basa en el conocimiento de sus procesos fisiológicos. La fisiología de las algas tiene aplicaciones en la industria de fermentación, para la producción de compuestos orgánicos: abono, gomas, agar , suplementos alimenticios. El conocimiento de la fisiología de los vegetales superiores es necesario para Mejor utilización del potencial de producción de los cultivos Llevar a cabo la agricultura con técnicas modernas: Uso de hormonas en horticultura y floricultura, y Uso de herbicidas selectivos. Modificación de técnicas con base en el conocimiento de la fisiología de los cultivos. como el uso de quelatos, fertilización foliar, riego por goteo, etcétera.

Aplicaciones de la fisiología vegetal Producción de alimentos Producción comercial en invernaderos con clima y luz controlados Producción comercial en soluciones nutritivas (hidroponía) ya ocurre en floricultura y parcialmente, en horticultura. La genética: No se podría planear un programa de cruzamientos con miras a obtener variedades mejores sin un conocimiento básico, aunque fuese somero, de cómo viven las plantas. Fitopatología: Tampoco sería posible llevar a cabo programas de combate de las enfermedades sin conocer la fisiología de la planta enferma.