Fotos�ntesis - Explicaci�n y definici�n de la fotos�ntesis

�Qu� es la fotos�ntesis?

La fotos�ntesis es el proceso natural por medio del cual algunos organismos vivos como plantas, algas y bacterias absorben y utilizan la energ�a lum�nica para convertirla en energ�a qu�mica 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 fotos�ntesis a todas las plantas y �rboles del planeta, pero tambi�n existen otros organismos como bacterias o algas capaces de desarrollar los procesos de fotos�ntesis los cuales les sirven de sustento durante su vida, por otro lado la fotos�ntesis es uno de los procesos naturales m�s importantes que ocurren alrededor del mundo gracias al cual existe la vida tal y como la conocemos, la fotos�ntesis 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 qu�micos que ocurren en la fotos�ntesis se absorbe di�xido de carbono y se emite ox�geno a la atm�sfera permitiendo que el resto de los seres vivos del planeta puedan respirar un aire limpio y rico en ox�geno.

La atm�sfera primigenia de nuestro planeta Tierra estaba compuesta por nitr�geno, amon�aco, vapor de agua, metano y di�xido de carbono entre otros compuestos, en dicha atm�sfera la presencia de ox�geno eran �nfima siendo inviable la existencia de la vida tal y como la conocemos, aproximadamente hace unos 2700 millones de a�os se desarrollaron a lo largo de todo el planeta las cianobacterias, las cianobacterias son organismos con la capacidad de realizar la fotos�ntesis emitiendo al exterior mol�culas de ox�geno, la expansi�n de estos microorganismos a lo largo de todo el planeta produjo un cambio en la composici�n de la atm�sfera terrestre dando paso a una ambiente rico en ox�geno por medio del cual millones de especies animales y vegetales pudieron desarrollarse y evolucionar dando paso a una explosi�n de vida que recorre todo el planeta Tierra.

Los organismos fotosint�ticos tienen la capacidad de utilizar la energ�a lum�nica emitida por el Sol para convertir el di�xido de carbono y el agua presente en su ambiente en alimento que les sirva de sustento y desarrollo, durante el proceso de la fotos�ntesis se emite al ambiente mol�culas de ox�geno resultantes de las reacciones qu�micas que ocurren internamente, este tipo de fotos�ntesis es conocida como fotos�ntesis oxig�nica, en el caso que no se emitiese ox�geno ser�an denominadas fotos�ntesis anoxig�nica o bacteriana, por ejemplo existen bacterias fotosint�ticas que emiten azufre al ambiente en vez de ox�geno provocando fen�menos de corrosi�n sobre las superficies que se alojan como en tuber�as o conductos.

Para que se produzca la fotos�ntesis es necesario que los organismos dispongan de unos pigmentos espec�ficos los cuales se encargar de absorber la luz en un rango espec�fico la cual ser� utilizada posteriormente, pigmentos como la clorofila, carotenoides, ficocianina o las bactereoclorifila son pigmentos fotosint�ticos. Las clorofilas presentes en las plantas absorben la luz azul y roja de espectro mientras que reflejan la luz verde, esta es la raz�n por lo que las plantas y organismos fotosint�ticos que contienen clorofila son de color verde.

La energ�a lum�nica que utilizan los organismos fotosint�ticos puede ser de origen natural como los rayos de luz del Sol o bien ser de origen artificial como la luz de l�mparas que emiten un espectro espec�fico de la luz, es este �ltimo punto es importante la selecci�n de la l�mpara a utilizar para que los organismos realicen la fotos�ntesis correctamente.

Etapas de la fotos�ntesis

En los siguientes p�rrafos explicaremos las distintas reacciones qu�micas y procesos que ocurren en la fotos�ntesis con el objeto de comprender como se transforma la energ�a del Sol en ox�geno y alimento, durante los siguientes p�rrafos encontrar�s diferentes mol�culas con nombres un tanto raros, no te preocupes lo importante es conocer que en cada reacci�n se genera una nueva mol�cula que interviene a lo largo de todo el proceso de la fotos�ntesis. Una vez hayas le�do todo el proceso entender�s que las plantas y dem�s organismos fotosint�ticos en su interior esconden aut�nticas f�bricas de alimentos.

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

• Fase lum�nica

• Fase oscura

Fase lum�nica

En esta primera fase los organismos fotosint�ticos absorben la luz solar mediante unos pigmentos espec�ficos, como las mol�culas de clorofila, que se encuentran en el interior de sus c�lulas, cuando un fot�n de luz impacta en la clorofila se rompe un enlace dando lugar a un electr�n libre, al mismo tiempo otros fotones de luz impactan en las mol�culas de agua rompiendo sus enlaces y dando origen a mol�culas de ox�geno, electrones e iones de hidr�geno.

Los electrones generados durante esta �ltima reacci�n conocida como fotolisis del agua, son atra�dos y ubicados r�pidamente por las mol�culas de clorofila las cuales perdieron inicialmente sus electrones y regenerando de esta forma la mol�cula inicial, por otro lado las mol�culas de ox�geno disociadas del agua son emitidas al ambiente quedando un conjunto de iones de hidr�geno que ser�n utilizados en procesos posteriores de la fotos�ntesis.

Los electrones liberados inicialmente por las mol�culas de clorofila son transportados a lo largo de una cadena de mol�culas hasta que alcanza una peque�a mol�culas denominada FAD, cuando el FAD acumula 2 electrones una mol�cula de NADP se acerca para combinar iones de hidr�geno presentes de la fotolisis del agua con los 2 electrones dando origen a la mol�cula NADPH2, por otro lado dentro del sistema fotol�tico existe un gran complejo enzim�tico llamado CF1 el cual se encarga de recolectar el exceso de iones hidr�genos presentes y que no han sido utilizados para formar el NADPH2, el CF1 utiliza la energ�a de los iones de hidr�geno para transformar el ADP en ATP terminando en este punto la fase lum�nica.

En resumen durante la fase lum�nica los sistemas fotosint�ticos gracias a la acci�n energ�tica de los fotones de luz han generado mol�culas de NADPH2 y mol�culas ATP las cuales ser�n utilizadas durante la fase oscura, por otro lado se ha emitido a la atm�sfera mol�culas de ox�geno como subproducto de las reacciones que han ocurrido en esta fase.

Dado a que en esta fase de la fotos�ntesis es necesario el aporte de energ�a luminosa las reacciones indicadas anteriormente junto con los productos y compuestos generados s�lo se producir�n durante el d�a o cuando incida luz artificial sobre el organismo fotosint�tico.

Fase oscura

En funci�n del tipo de organismo fotosint�tico durante esta fase puede generarse compuestos de carbono, compuesto de nitr�geno o compuestos de azufre, a continuaci�n explicaremos el ciclo de s�ntesis de compuestos de carbono tambi�n conocido como ciclo de Calvin.

En esta segunda fase de la fotos�ntesis las mol�culas de ATP generadas en la fase lum�nica reaccionan con una mol�cula conocida como RuP convirti�ndose en RuDP, durante esta reacci�n la mol�cula de ATP se transforma a su estado original ADP el cual vuelve a la fase luminosa para recolectar iones de hidr�geno volvi�ndose a convertir en ATP y cerrando el ciclo completo.

El di�xido de carbono absorbido del ambiente reacciona con la nueva mol�cula RuDP dando origen a 2 nuevas mol�culas conocidas como PGA, en ese instante otras mol�culas de ATP reaccionan con las nuevas PGA dando como resultado mol�culas de DPGA y otra vez mol�culas ADP que vuelven a la fase lum�nica.

En la siguiente reacci�n el otro compuesto generado durante la fase lum�nica el NADPH2 junto con un conjunto de enzimas reaccionan con el DPGA dando origen a una mol�cula de PGAL y a otra mol�cula de DHAP, finalmente ambas mol�culas se unen dando lugar a una mol�cula de glucosa o de almid�n las cuales constituyen el alimento b�sico del organismo.

Por otro lado gran parte de mol�culas de PGAL reaccionan con otras mol�culas de PGAL dando origen de nuevo a RuDP que ser� 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 lum�nica son utilizados y combinados con el di�xido de carbono absorbido en el ambiente para sintetizar hidratos de carbono como la glucosa o el almid�n los cuales constituyen el alimento que sustenta y desarrolla la vida del organismo fotosint�tico.

La fase oscura recibe esta denominaci�n dado a que no es necesario el aporte de energ�a luminosa para que ocurra el conjunto de reacciones qu�micas que producen el alimento, es importante recalcar que dicha fase ocurre tanto de d�a como de noche.

Fotos�ntesis artificial

Actualmente gran cantidad de instituciones y cient�ficos de todo el planeta est�n invirtiendo tiempo, esfuerzo y dinero en utilizar los principios de la fotos�ntesis para generar energ�a electroqu�mica a partir de la luz solar de manera econ�mica, limpia y eficiente. La fotos�ntesis artificial consiste en desarrollar sistemas artificiales capaces de utilizar el di�xido de carbono presente en el ambiente junto con el agua y la luz solar para generar ox�geno y compuestos qu�micos basados en la qu�mica org�nica del carbono.

El desarrollo y uso de sistemas fotosint�ticos artificiales nos proporcionar�a enorme ventajas tanto econ�micas como medioambientales, por ejemplo el uso de tecnolog�as que imiten a la fotos�ntesis permitir�a reducir la tasa de CO2 presente en nuestra atm�sfera a consecuencia del uso intensivo de los combustibles f�siles como el carb�n, el gas natural o el petr�leo permiti�ndonos reducir el temido efecto invernadero.

Gracias a la fotos�ntesis artificial podr�amos producir ox�geno, hidr�geno o azufre as� como otros compuestos qu�micos como az�cares o alcoholes de manera eficiente y econ�mica, plantar�amos aut�nticos bosques en las terrazas de nuestros hogares mediante dispositivos fotosint�ticos que almacenasen y transformasen la energ�a solar en energ�a qu�mica que posteriormente utilizar�amos para satisfacer nuestras necesidades energ�ticas.

En el a�o 2011 un equipo de cient�ficos estadounidenses presentaron a la comunidad cient�fica el desarrollo de la primera hoja artificial que realizaba el proceso de fotolisis del agua mediante el aporte de energ�a luminosa, cuando la hoja artificial se sumerg�a en agua y se expon�a a la luz solar por un lado se generaba hidr�geno y por otro ox�geno, tal y como ocurre en el proceso de la fotos�ntesis natural.

En el a�o 2014 un equipo de cient�ficos del instituto tecnol�gico de Massachusetts (MIT) lograron con �xito utilizar nanotecnolog�a insertado nanotubos de carbono al interior del cloroplasto consiguiendo incrementar hasta un 30% la eficiencia de captura de energ�a luminosa que es utilizada durante el proceso de la fotos�ntesis, por otro lado han conseguido que la propia planta detecte �xido n�trico presente en el ambiente convirti�ndola en el primer sensor vegetal.

Sin duda estos �ltimos avances y descubrimientos permitir�n en pocos a�os disponer de una tecnolog�a fotosint�tica artificial a gran escala, limpia, econ�mica, eficiente y respetuosa con el medioambiente.

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