Colegio San Felipe Neri

“La Fotosíntesis”

Tomás Nahuel González Quezada

Prof. Paloma

La fotosíntesis es un proceso por el cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química.

Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre procede de la fotosíntesis.

La fotosíntesis se realiza en dos etapas: una serie de reacciones que dependen de la luz y son independientes de la temperatura, y otra serie que dependen de la temperatura y son independientes de la luz.

La velocidad de la primera etapa, llamada reacción lumínica, aumenta con la intensidad luminosa pero no con la temperatura. En la segunda etapa, llamada reacción en la oscuridad, la velocidad aumenta con la temperatura, pero no con la intensidad luminosa.

Fase primaria o lumínica

La fase lumínica de la fotosíntesis es una etapa en la que se producen reacciones químicas con la ayuda de la luz solar y la clorofila.

La clorofila es un compuesto orgánico, formado por moléculas que contienen átomos de carbono, de hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y magnesio.

Estos elementos se organizan en una estructura especial: el átomo de magnesio se sitúa en el centro rodeado de todos los demás átomos.

La clorofila capta la luz solar, y provoca el rompimiento de la molécula de agua (H2O), separando el hidrógeno (H) del oxígeno (O); es decir, el enlace químico que mantiene unidos al hidrógeno y al oxígeno de la molécula de agua, se rompe por efecto de la luz.

El proceso genera oxígeno gaseoso que se libera al ambiente, y la energía no utilizada es almacenada en moléculas especiales llamadas ATP. En consecuencia, cada vez que la luz esté presente, se desencadenará en la planta el proceso descrito.

Molécula de Clorofila

Molécula de ATP

Fase secundaria u oscura

La fase oscura de la fotosíntesis es una etapa en la que no se necesita la luz, aunque también se realiza en su presencia. Ocurre en los cloroplastos y depende directamente de los productos obtenidos en la fase lumínica.

En esta fase, el hidrógeno formado en la fase anterior se suma al dióxido de carbono gaseoso (CO2) presente en el aire, dando como resultado la producción de compuestos orgánicos, principalmente carbohidratos; es decir, compuestos cuyas moléculas contienen carbono, hidrógeno y oxígeno.

Dicho proceso se desencadena gracias a una energía almacenada en moléculas de ATP que da como resultado el carbohidrato llamado glucosa (C6HI2O6), un tipo de compuesto similar al azúcar, y moléculas de agua como desecho.

Después de la formación de glucosa, ocurre una secuencia de otras reacciones químicas que dan lugar a la formación de almidón y varios carbohidratos más.

A partir de estos productos, la planta elabora lípidos y proteínas necesarios para la formación del tejido vegetal, lo que produce el crecimiento.

Cada uno de estos procesos no requiere de la participación de luz ni de la clorofila, y por ende se realiza durante el día y la noche. Por ejemplo, el almidón producido se mezcla con el agua presente en las hojas y es absorbido por unos tubitos minúsculos que existen en el tallo de la planta y, a través de éstos, es transportado hasta la raíz donde se almacena. Este almidón es utilizado para fabricar celulosa, el principal constituyente de la madera.

El resultado final, y el más trascendental, es que la planta guarda en su interior la energía que proviene del Sol.  Esta condición es la razón de la existencia del mundo vegetal porque constituye la base energética de los demás seres vivientes.

Por una parte, las plantas son para los animales fuente de alimentación, y, por otra, mantienen constante la cantidad necesaria de oxígeno en la atmósfera permitiendo que los seres vivos puedan obtener así la energía necesaria para sus actividades.

Si los químicos lograran reproducir la fotosíntesis por medios artificiales, se abriría la posibilidad de capturar energía solar a gran escala. En la actualidad se trabaja mucho en este tipo de investigación. Todavía no se ha logrado sintetizar una molécula artificial que se mantenga polarizada durante un tiempo suficiente para reaccionar de forma útil con otras moléculas, pero las perspectivas son prometedoras.

Importancia biológica de la fotosíntesis

La fotosíntesis es seguramente el proceso bioquímico más importante de la biósfera por varios motivos:

1. La síntesis de materia orgánica a partir de la materia inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos.

2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos

3. En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante.

4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora.

5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural.

6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis.

Se puede concluir que la diversidad de la vida existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.

Elementos para la vida

La naturaleza está conformada por elementos vivos y elementos no vivos o inertes.

Los elementos vivos se denominan factores bióticos: animales, vegetales, bacterias y hongos.

Los elementos no vivos o inertes se llaman factores abióticos: aire, suelo, agua y todas las condiciones del clima y de la luz.

La interacción que se produce entre los factores bióticos y abióticos forma la biósfera (incluye la hidrósfera, la

atmósfera y la geósfera) que es la parte de la tierra donde se desarrolla la vida.

De todos los seres vivos, los fundamentales y que representan la fuente de materia y energía son los vegetales clorofilados (tienen clorofila), ya que ellos son los únicos capaces de fabricar su propio alimento.

¿Cómo lo hacen?

A través de un proceso llamado fotosíntesis que utiliza el dióxido de Carbono atmosférico (elemento inerte o abiótico) como una de sus principales materia primas.

Al tener esta capacidad, a los vegetales se les denomina autótrofos; es decir, organismos capaces de fabricar su propio alimento.

La fotosíntesis es, entonces, un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía del sol en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre —la zona del planeta en la cual hay vida— procede de la fotosíntesis.

Aumento de las emanaciones de dióxido de carbono (CO2)

Las investigaciones científicas indican que, aparentemente, la cantidad de dióxido de

La industrialización y el aumento del CO2.

carbono (CO2) atmosférico había permanecido estable durante siglos, en proporción de unas 280 ppm (partes por millón).

En los últimos años, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera ha presentado un aumento. Se ha pasado de unas 280 ppm en la era preindustrial a unas 390 ppm en 2009 (aun cuando su concentración global en la atmósfera es de apenas 0,039 por ciento),  a causa del uso indiscriminado de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados).

Lo significativo de este cambio es que pudiera provocar un aumento de la temperatura de la Tierra a través del proceso conocido como efecto invernadero.

El CO2 atmosférico tiende a impedir el enfriamiento normal de la Tierra, absorbiendo las radiaciones que usualmente ésta emite y que escapan al espacio exterior. Como el calor que escapa es menor, la temperatura global de la Tierra aumenta.

Un calentamiento global de la atmósfera tendría graves efectos sobre el medio ambiente. Aceleraría la fusión de los casquetes polares, haría subir el nivel de los mares, cambiaría el clima, alteraría la vegetación natural y afectaría las cosechas.

Estos cambios, a su vez, tendrían un enorme impacto sobre la civilización humana. Desde 1850 hasta el presente (2009) se ha producido un aumento en la temperatura global de cerca de 1º C.

Algunos científicos rechazan las teorías del calentamiento, atribuyendo la subida de la temperatura a fluctuaciones normales del clima global. Sin embargo, otros predicen que el aumento de la concentración en la atmósfera de CO2 y otros "gases invernadero" hará que las temperaturas continúen subiendo.

Las estimaciones van de 2º a 6º C para mediados del siglo XXI.

¿Cómo se combate este aumento de dióxido de carbono en el medio ambiente?

Aquí es donde entra en escena la fotosíntesis.

Operacionalmente, la fotosíntesis se inicia en la clorofila (sin ella, no hay fotosíntesis); luego deben concurrir las consideradas materias primas: el agua (H2O) (llevada a las hojas desde la raíz), y el anhídrido carbónico o dióxido de carbono (CO2), aportado en abundancia en la atmósfera terrestre.

Por ejemplo, un árbol centenario puede llegar a tener 200.000 hojas y aunque su contenido total de clorofila no llegue a los 200 gramos, en un día soleado es capaz de asimilar 9.400 litros de dióxido de carbono, producir 12 Kg de hidratos de carbono y liberar la misma cantidad de oxígeno que el dióxido de carbono asimilado.

Expuesta al sol, la hoja con clorofila capta de éste su luz en forma de energía lumínica, la cual provoca la reacción de las moléculas de agua (H2O) separándolas en hidrógeno (H+ o ion hidrógeno) y oxígeno (O) y acumulando como moléculas ATP la energía liberada (en forma de electrones).

El hidrógeno (ión hidrógeno o protones de hidrógeno ya que han perdido su electrón) del agua es almacenado en la planta y el oxígeno (producto de la separación de las moléculas de agua) es expulsado al exterior como material de desecho de la fotosíntesis (desecho muy bienvenido por los seres vivos que lo usan para respirar).

Luego, el ion hidrógeno se unirá al CO2 que la planta toma del aire (atmósfera) y comienza a ocurrir una serie de reacciones químicas, en las cuales se van formando compuestos hasta llegar a formar la glucosa que es un

Hojas verdes: verdadero laboratorio fotosintético.

compuesto orgánico; es decir, está formado por C, H, O. La glucosa se forma gracias a la energía que aporta la molécula de ATP.

Junto con la glucosa la reacción entre el dióxido de carbono y los iones hidrógeno libera moléculas de nueva agua que se forman con hidrógenos sobrantes del agua aportada desde las raíces unidos a oxígenos sobrantes del CO2.

Ya presente la glucosa, ésta participa en una serie de reacciones que llevan a la formación del almidón. Este también es un compuesto orgánico. El almidón baja por unos conductos especiales hacia la raíz, donde se almacena.

Es muy importante no confundir el proceso de fotosíntesis de la planta con la respiración de la misma. En este último proceso, la planta realiza una acción inversa, ya que toma oxígeno del aire y expulsa dióxido de carbono, todo esto en forma simultánea con la fotosíntesis durante el día. En la noche, la planta sólo respira.

El ingenioso truco de la naturaleza

La fotosíntesis es un proceso cuya finalidad fue ya intuida por Van Helmont a principios del siglo XVII. Sin embargo, la comprensión de su

base molecular, imprescindible para poder ser imitada artificialmente con el fin de obtener energía, sólo empezó a lograrse durante la segunda mitad del siglo XX.

Los libros de Ciencias Naturales generalmente definen la fotosíntesis como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO2) y agua, gracias a la luz solar, según la reacción global:

Las materias primas para producir glucosa.

Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar, liberándose oxígeno gaseoso, y obteniéndose iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para reducir el CO2 (ganando electrones) hasta glucosa en las etapas siguientes de la fotosíntesis:

La reacción química de la fotosíntesis es la siguiente:

Como podemos ver en la fórmula, seis moléculas de dióxido de carbono más doce moléculas de agua, en presencia de luz solar y de clorofila, producen una molécula de glucosa, seis moléculas de agua y seis moléculas de oxígeno, este último liberado hacia la atmósfera.

Las hojas captan la energía lumínica del sol gracias a la clorofila, pigmento verde que está en los tilacoides de los cloroplastos de las células.

El dióxido de carbono de la atmósfera penetra por los estomas (poros) de las hojas.

Las raíces absorben agua y sales minerales (savia bruta) que llegan a las hojas a través del tallo.

El hidrógeno del agua (separado del oxígeno) se combina con el dióxido de carbono y originan glucosa y nuevas moléculas de agua, en tanto el oxígeno derivado del agua que llegó desde las raíces se libera hacia la atmósfera.

Las plantas aprovechan la glucosa como alimento y guardan una parte como reserva

Esquema de la fotosíntesis

Para realizar la fotosíntesis una planta requiere de varios elementos que se encuentran en el medio abiótico.

Estos son:

Luz solar. Proviene del Sol y la planta la puede captar por sus hojas. En ellas tiene un pigmento de color verde llamado clorofila, que se encuentra en el interior de una estructura llamada cloroplastos (las células de los vegetales son las únicas que poseen cloroplastos).

La clorofila se encuentra esencialmente en hojas y tallos tiernos.

Anhídrido carbónico o dióxido de Carbono (CO2). Gas presente en la atmósfera. Es una sustancia inorgánica y el vegetal puede incorporarla al interior de sus células desde la atmósfera, por medio de una especie de poros llamados estomas.

Agua. Sustancia también inorgánica presente en la tierra. El vegetal la obtiene desde el suelo a través de sus raíces. El agua, al pasar a la raíz, asciende hasta las hojas por unos conductos especiales llamados vasos conductores.

La fotosíntesis consta de dos etapas o fases: la fase inicial o lumínica, y la fase secundaria u oscura.

La glucosa fotosintetizadaPara sintetizar esta molécula de glucosa (C6H12O6), el laboratorio de fotosíntesis (la hoja verde) utilizó seis moléculas de dióxido de carbono (6CO2, formadas por seis átomos de carbono y doce de oxígeno) y doce moléculas de

Desde las raíces hasta las hojas.

agua (12H2O formadas por 24 átomos de hidrógeno y doce de oxígeno).

Esta molécula de glucosa  (C6H12O6) se formó con los seis átomos de carbono (6C) del 6CO2  y con solo seis de los doce oxígenos (6O2) que formaban los 6CO2, y sobran otros seis oxígenos, y como usa solo doce hidrógenos (H12) de los 24 (12H2) que aportan las doce moléculas de agua, sobran otros doce hidrógenos (6H2), con ellos se arman seis moléculas nuevas de agua (6H2O) la cual se expulsa por las hojas.

De las 12 moléculas de agua que llegaron desde las raíces sobran seis oxígenos, los que son liberados al ambiente en forma gaseosa.