Fotosíntesis - Explicación y definición de la fotosíntesis

¿Qué es la fotosíntesis?

La fotosíntesis es el proceso natural por medio del cual algunos organismos vivos como plantas, algas y bacterias absorben y utilizan la energía lumínica para convertirla en energía química en forma de carbohidratos los cuales son utilizados como medio de alimento y sustento que les permite crecer y vivir.

Por norma general asociamos la fotosíntesis a todas las plantas y árboles del planeta, pero también existen otros organismos como bacterias o algas capaces de desarrollar los procesos de fotosíntesis los cuales les sirven de sustento durante su vida, por otro lado la fotosíntesis es uno de los procesos naturales más importantes que ocurren alrededor del mundo gracias al cual existe la vida tal y como la conocemos, la fotosíntesis es de vital importancia tanto para las plantas como para el resto de los organismos que viven en nuestro planeta dado a que aparte de ser el mecanismo por medio del cual multitud de plantas, algas y bacterias generan su alimento, durante los procesos químicos que ocurren en la fotosíntesis se absorbe dióxido de carbono y se emite oxígeno a la atmósfera permitiendo que el resto de los seres vivos del planeta puedan respirar un aire limpio y rico en oxígeno.

La atmósfera primigenia de nuestro planeta Tierra estaba compuesta por nitrógeno, amoníaco, vapor de agua, metano y dióxido de carbono entre otros compuestos, en dicha atmósfera la presencia de oxígeno eran ínfima siendo inviable la existencia de la vida tal y como la conocemos, aproximadamente hace unos 2700 millones de años se desarrollaron a lo largo de todo el planeta las cianobacterias, las cianobacterias son organismos con la capacidad de realizar la fotosíntesis emitiendo al exterior moléculas de oxígeno, la expansión de estos microorganismos a lo largo de todo el planeta produjo un cambio en la composición de la atmósfera terrestre dando paso a una ambiente rico en oxígeno por medio del cual millones de especies animales y vegetales pudieron desarrollarse y evolucionar dando paso a una explosión de vida que recorre todo el planeta Tierra.

Los organismos fotosintéticos tienen la capacidad de utilizar la energía lumínica emitida por el Sol para convertir el dióxido de carbono y el agua presente en su ambiente en alimento que les sirva de sustento y desarrollo, durante el proceso de la fotosíntesis se emite al ambiente moléculas de oxígeno resultantes de las reacciones químicas que ocurren internamente, este tipo de fotosíntesis es conocida como fotosíntesis oxigénica, en el caso que no se emitiese oxígeno serían denominadas fotosíntesis anoxigénica o bacteriana, por ejemplo existen bacterias fotosintéticas que emiten azufre al ambiente en vez de oxígeno provocando fenómenos de corrosión sobre las superficies que se alojan como en tuberías o conductos.

Para que se produzca la fotosíntesis es necesario que los organismos dispongan de unos pigmentos específicos los cuales se encargar de absorber la luz en un rango específico la cual será utilizada posteriormente, pigmentos como la clorofila, carotenoides, ficocianina o las bactereoclorifila son pigmentos fotosintéticos. Las clorofilas presentes en las plantas absorben la luz azul y roja de espectro mientras que reflejan la luz verde, esta es la razón por lo que las plantas y organismos fotosintéticos que contienen clorofila son de color verde.

La energía lumínica que utilizan los organismos fotosintéticos puede ser de origen natural como los rayos de luz del Sol o bien ser de origen artificial como la luz de lámparas que emiten un espectro específico de la luz, es este último punto es importante la selección de la lámpara a utilizar para que los organismos realicen la fotosíntesis correctamente.

Etapas de la fotosíntesis

En los siguientes párrafos explicaremos las distintas reacciones químicas y procesos que ocurren en la fotosíntesis con el objeto de comprender como se transforma la energía del Sol en oxígeno y alimento, durante los siguientes párrafos encontrarás diferentes moléculas con nombres un tanto raros, no te preocupes lo importante es conocer que en cada reacción se genera una nueva molécula que interviene a lo largo de todo el proceso de la fotosíntesis. Una vez hayas leído todo el proceso entenderás que las plantas y demás organismos fotosintéticos en su interior esconden auténticas fábricas de alimentos.

El proceso de la fotosíntesis se divide en 2 fases o etapas claramente diferenciadas una de la otra:

• Fase lumínica

• Fase oscura

Fase lumínica

En esta primera fase los organismos fotosintéticos absorben la luz solar mediante unos pigmentos específicos, como las moléculas de clorofila, que se encuentran en el interior de sus células, cuando un fotón de luz impacta en la clorofila se rompe un enlace dando lugar a un electrón libre, al mismo tiempo otros fotones de luz impactan en las moléculas de agua rompiendo sus enlaces y dando origen a moléculas de oxígeno, electrones e iones de hidrógeno.

Los electrones generados durante esta última reacción conocida como fotolisis del agua, son atraídos y ubicados rápidamente por las moléculas de clorofila las cuales perdieron inicialmente sus electrones y regenerando de esta forma la molécula inicial, por otro lado las moléculas de oxígeno disociadas del agua son emitidas al ambiente quedando un conjunto de iones de hidrógeno que serán utilizados en procesos posteriores de la fotosíntesis.

Los electrones liberados inicialmente por las moléculas de clorofila son transportados a lo largo de una cadena de moléculas hasta que alcanza una pequeña moléculas denominada FAD, cuando el FAD acumula 2 electrones una molécula de NADP se acerca para combinar iones de hidrógeno presentes de la fotolisis del agua con los 2 electrones dando origen a la molécula NADPH2, por otro lado dentro del sistema fotolítico existe un gran complejo enzimático llamado CF1 el cual se encarga de recolectar el exceso de iones hidrógenos presentes y que no han sido utilizados para formar el NADPH2, el CF1 utiliza la energía de los iones de hidrógeno para transformar el ADP en ATP terminando en este punto la fase lumínica.

En resumen durante la fase lumínica los sistemas fotosintéticos gracias a la acción energética de los fotones de luz han generado moléculas de NADPH2 y moléculas ATP las cuales serán utilizadas durante la fase oscura, por otro lado se ha emitido a la atmósfera moléculas de oxígeno como subproducto de las reacciones que han ocurrido en esta fase.

Dado a que en esta fase de la fotosíntesis es necesario el aporte de energía luminosa las reacciones indicadas anteriormente junto con los productos y compuestos generados sólo se producirán durante el día o cuando incida luz artificial sobre el organismo fotosintético.

Fase oscura

En función del tipo de organismo fotosintético durante esta fase puede generarse compuestos de carbono, compuesto de nitrógeno o compuestos de azufre, a continuación explicaremos el ciclo de síntesis de compuestos de carbono también conocido como ciclo de Calvin.

En esta segunda fase de la fotosíntesis las moléculas de ATP generadas en la fase lumínica reaccionan con una molécula conocida como RuP convirtiéndose en RuDP, durante esta reacción la molécula de ATP se transforma a su estado original ADP el cual vuelve a la fase luminosa para recolectar iones de hidrógeno volviéndose a convertir en ATP y cerrando el ciclo completo.

El dióxido de carbono absorbido del ambiente reacciona con la nueva molécula RuDP dando origen a 2 nuevas moléculas conocidas como PGA, en ese instante otras moléculas de ATP reaccionan con las nuevas PGA dando como resultado moléculas de DPGA y otra vez moléculas ADP que vuelven a la fase lumínica.

En la siguiente reacción el otro compuesto generado durante la fase lumínica el NADPH2 junto con un conjunto de enzimas reaccionan con el DPGA dando origen a una molécula de PGAL y a otra molécula de DHAP, finalmente ambas moléculas se unen dando lugar a una molécula de glucosa o de almidón las cuales constituyen el alimento básico del organismo.

Por otro lado gran parte de moléculas de PGAL reaccionan con otras moléculas de PGAL dando origen de nuevo a RuDP que será de nuevo utilizado en las primeras reacciones de la fase oscura completando el ciclo completo.

En resumen durante la fase oscura los compuestos desarrollados en la fase lumínica son utilizados y combinados con el dióxido de carbono absorbido en el ambiente para sintetizar hidratos de carbono como la glucosa o el almidón los cuales constituyen el alimento que sustenta y desarrolla la vida del organismo fotosintético.

La fase oscura recibe esta denominación dado a que no es necesario el aporte de energía luminosa para que ocurra el conjunto de reacciones químicas que producen el alimento, es importante recalcar que dicha fase ocurre tanto de día como de noche.

Fotosíntesis artificial

Actualmente gran cantidad de instituciones y científicos de todo el planeta están invirtiendo tiempo, esfuerzo y dinero en utilizar los principios de la fotosíntesis para generar energía electroquímica a partir de la luz solar de manera económica, limpia y eficiente. La fotosíntesis artificial consiste en desarrollar sistemas artificiales capaces de utilizar el dióxido de carbono presente en el ambiente junto con el agua y la luz solar para generar oxígeno y compuestos químicos basados en la química orgánica del carbono.

El desarrollo y uso de sistemas fotosintéticos artificiales nos proporcionaría enorme ventajas tanto económicas como medioambientales, por ejemplo el uso de tecnologías que imiten a la fotosíntesis permitiría reducir la tasa de CO2 presente en nuestra atmósfera a consecuencia del uso intensivo de los combustibles fósiles como el carbón, el gas natural o el petróleo permitiéndonos reducir el temido efecto invernadero.

Gracias a la fotosíntesis artificial podríamos producir oxígeno, hidrógeno o azufre así como otros compuestos químicos como azúcares o alcoholes de manera eficiente y económica, plantaríamos auténticos bosques en las terrazas de nuestros hogares mediante dispositivos fotosintéticos que almacenasen y transformasen la energía solar en energía química que posteriormente utilizaríamos para satisfacer nuestras necesidades energéticas.

En el año 2011 un equipo de científicos estadounidenses presentaron a la comunidad científica el desarrollo de la primera hoja artificial que realizaba el proceso de fotolisis del agua mediante el aporte de energía luminosa, cuando la hoja artificial se sumergía en agua y se exponía a la luz solar por un lado se generaba hidrógeno y por otro oxígeno, tal y como ocurre en el proceso de la fotosíntesis natural.

En el año 2014 un equipo de científicos del instituto tecnológico de Massachusetts (MIT) lograron con éxito utilizar nanotecnología insertado nanotubos de carbono al interior del cloroplasto consiguiendo incrementar hasta un 30% la eficiencia de captura de energía luminosa que es utilizada durante el proceso de la fotosíntesis, por otro lado han conseguido que la propia planta detecte óxido nítrico presente en el ambiente convirtiéndola en el primer sensor vegetal.

Sin duda estos últimos avances y descubrimientos permitirán en pocos años disponer de una tecnología fotosintética artificial a gran escala, limpia, económica, eficiente y respetuosa con el medioambiente.