¿Qué Es La Fotosíntesis?

La fotosíntesis es el proceso utilizado por las plantas, algas y ciertas bacterias para aprovechar la energía de la luz solar y convertirla en energía química. Aquí, describimos los principios generales de la fotosíntesis y destacamos cómo los científicos están estudiando este proceso natural para ayudar a desarrollar combustibles limpios y fuentes de energía renovable.

tipos de fotosíntesis

Hay dos tipos de procesos fotosintéticos: fotosíntesis oxigénica y fotosíntesis anoxigénica., Los principios generales de la fotosíntesis anoxigénica y oxigénica son muy similares, pero la fotosíntesis oxigénica es la más común y se ve en plantas, algas y cianobacterias.

durante la fotosíntesis oxigénica, la energía de la luz transfiere electrones del agua (H2O) al dióxido de Carbono (CO2), para producir carbohidratos. En esta transferencia, el CO2 se «reduce», o recibe electrones, y el agua se» oxida», o pierde electrones. En última instancia, el oxígeno se produce junto con los carbohidratos.,

La fotosíntesis oxigénica funciona como un contrapeso a la respiración al tomar el dióxido de carbono producido por todos los organismos respiratorios y reintroducir oxígeno a la atmósfera.

por otro lado, la fotosíntesis anoxigénica utiliza donantes de electrones distintos del agua. El proceso ocurre típicamente en bacterias como las bacterias moradas y las bacterias verdes de azufre, que se encuentran principalmente en varios hábitats acuáticos.,

«la fotosíntesis Anoxigénica no produce oxígeno, de ahí el nombre», dijo David Baum, profesor de Botánica en la Universidad de Wisconsin — Madison. «Lo que se produce depende del donante de electrones. Por ejemplo, muchas bacterias utilizan el gas sulfuro de hidrógeno maloliente, produciendo azufre sólido como subproducto.»

aunque ambos tipos de fotosíntesis son asuntos complejos y de varios pasos, el proceso general puede resumirse cuidadosamente como una ecuación química.,

la fotosíntesis oxigénica se escribe de la siguiente manera:

6CO2 + 12H2O + energía de luz → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

aquí, seis moléculas de dióxido de Carbono (CO2) se combinan con 12 moléculas de agua (H2O) utilizando energía de luz. El resultado final es la formación de una sola molécula de carbohidratos (C6H12O6, o glucosa) junto con seis moléculas de oxígeno respirable y agua.,

de manera similar, las diversas reacciones de fotosíntesis anoxigénicas se pueden representar como una única fórmula generalizada:

CO2 + 2h2a + energía de luz → + 2A + H2O

la letra A en la ecuación es una variable y H2A representa el potencial donante de electrones., Por ejemplo, A puede representar azufre en el sulfuro de hidrógeno donante de electrones (H2S), explicaron Govindjee y John Whitmarsh, biólogos de plantas de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, en el libro «Concepts in Photobiology: Photosynthesis and Photomorphogenesis» (Narosa Publishers and Kluwer Academic, 1999).

las plantas necesitan energía de la luz solar para que se produzca la fotosíntesis. (Crédito de la imagen:)

el aparato fotosintético

los siguientes son componentes celulares esenciales para la fotosíntesis.,

Pigmentos

Pigmentos son moléculas que otorgar el color en las plantas, algas y bacterias, pero también son responsables de la eficacia de interceptación de la luz solar. Los pigmentos de diferentes colores absorben diferentes longitudes de onda de luz. A continuación se presentan los tres grupos principales.

  • clorofilas: estos pigmentos de color verde son capaces de atrapar la luz azul y roja. Las clorofilas tienen tres subtipos, llamados clorofila a, clorofila b y clorofila C., Según Eugene Rabinowitch y Govindjee en su libro «Photosynthesis» (Wiley, 1969), la clorofila a se encuentra en todas las plantas fotosintéticas. También hay una variante bacteriana acertadamente llamada bacterioclorofila, que absorbe la luz infrarroja. Este pigmento se ve principalmente en las bacterias moradas y verdes, que realizan la fotosíntesis anoxigénica.
  • carotenoides: estos pigmentos de color rojo, naranja o amarillo absorben la luz verde azulada. Ejemplos de carotenoides son la xantofila (amarillo) y el caroteno (naranja), de los cuales las zanahorias obtienen su color.,
  • Ficobilinas: estos pigmentos rojos o azules absorben longitudes de onda de luz que no son tan bien absorbidas por las clorofilas y los carotenoides. Se ven en cianobacterias y algas rojas.

los Cloroplastos

Fotosintética de los organismos eucariotas contienen orgánulos llamados cloroplastos en su citoplasma., Los plastidos de membrana doble en plantas y algas se conocen como plastidos primarios, mientras que la variedad de membrana múltiple que se encuentra en el plancton se llama plastidos secundarios, según un artículo en la revista Nature Education de Cheong Xin Chan y Debashish Bhattacharya, investigadores de la Universidad de Rutgers en Nueva Jersey.

Los Plastidos generalmente contienen pigmentos o pueden almacenar nutrientes., Los leucoplastos incoloros y no pigmentados almacenan grasas y almidón, mientras que los cromoplastos contienen carotenoides y los cloroplastos contienen clorofila, como se explica en el libro de Geoffrey Cooper, «The Cell: A Molecular Approach» (Sinauer Associates, 2000).

La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos; específicamente, en las regiones grana y estroma. El grana es la parte más interna del orgánulo; una colección de membranas en forma de disco, apiladas en columnas como placas. Los discos individuales se llaman tilacoides. Es aquí donde tiene lugar la transferencia de electrones., Los espacios vacíos entre columnas de grana constituyen el estroma.

los cloroplastos son similares a las mitocondrias, los centros de energía de las células, en que tienen su propio genoma, o colección de genes, contenidos dentro del ADN circular. Estos genes codifican proteínas esenciales para el orgánulo y para la fotosíntesis. Al igual que las mitocondrias, también se cree que los cloroplastos se originaron a partir de células bacterianas primitivas a través del proceso de endosimbiosis.,

«Los Plastidos se originaron a partir de bacterias fotosintéticas engullidas que fueron adquiridas por una célula eucariótica unicelular hace más de mil millones de años», dijo Baum a Live Science. Baum explicó que el análisis de los genes del cloroplasto muestra que una vez fue miembro del grupo de las cianobacterias, «el único grupo de bacterias que puede lograr la fotosíntesis oxigénica.,»

en su artículo de 2010, Chan y Bhattacharya señalan que la formación de plastidos secundarios no puede explicarse bien por la endosimbiosis de cianobacterias, y que los orígenes de esta clase de plastidos siguen siendo un tema de debate.

Antenas

Las moléculas de pigmento están asociadas con proteínas, lo que les permite la flexibilidad para moverse hacia la luz y hacia el otro. Una gran colección de 100 a 5,000 moléculas de pigmento constituyen «antenas», según un artículo de Wim Vermaas, profesor de la Universidad Estatal de Arizona., Estas estructuras capturan efectivamente la energía de la luz del sol, en forma de fotones.

en última instancia, la energía de la luz debe transferirse a un complejo de pigmento-proteína que pueda convertirla en energía química, en forma de electrones. En las plantas, por ejemplo, la energía de la luz se transfiere a los pigmentos de clorofila. La conversión a energía química se logra cuando un pigmento de clorofila expulsa un electrón, que luego puede pasar a un recipiente apropiado.,

centros de reacción

Los pigmentos y proteínas, que convierten la energía de la luz en energía química y comienzan el proceso de transferencia de electrones, se conocen como Centros de reacción.

el proceso fotosintético

Las reacciones de la fotosíntesis de las plantas se dividen en las que requieren la presencia de luz solar y las que no. Ambos tipos de reacciones tienen lugar en cloroplastos: reacciones dependientes de la luz en el tilacoide y reacciones independientes de la luz en el estroma.,

reacciones dependientes de la luz (también llamadas reacciones de luz): cuando un fotón de luz golpea el Centro de reacción, una molécula de pigmento como la clorofila libera un electrón.

«El truco para hacer un trabajo útil es evitar que ese electrón encuentre su camino de regreso a su hogar original», dijo Baum a Live Science. «Esto no se evita fácilmente, porque la clorofila ahora tiene un ‘agujero de electrones’ que tiende a tirar de los electrones cercanos.,»

el electrón liberado logra escapar viajando a través de una cadena de transporte de electrones, que genera la energía necesaria para producir ATP (trifosfato de adenosina, una fuente de energía química para las células) y NADPH. El» agujero de electrones » en el pigmento clorofila original se llena tomando un electrón del agua. Como resultado, el oxígeno se libera a la atmósfera.

reacciones independientes de la luz (también llamadas reacciones oscuras y conocidas como el ciclo de Calvin): las reacciones de luz producen ATP y NADPH, que son las ricas fuentes de energía que impulsan las reacciones oscuras., Tres pasos de reacción química conforman el ciclo de Calvin: fijación de carbono, reducción y regeneración. Estas reacciones utilizan agua y catalizadores. Los átomos de carbono del dióxido de carbono son «fijos», cuando se construyen en moléculas orgánicas que en última instancia forman azúcares de tres carbonos. Estos azúcares se utilizan para producir glucosa o se reciclan para iniciar de nuevo el ciclo de Calvin.

esta foto satelital de junio de 2010 muestra estanques que crecen algas en el sur de California., (Crédito de la imagen: PNNL, QuickBird satellite)

fotosíntesis en el futuro

los organismos fotosintéticos son un posible medio para generar combustibles de combustión limpia como el hidrógeno o incluso el metano. Recientemente, un grupo de investigación de la Universidad de Turku en Finlandia, aprovechó la capacidad de las algas verdes para producir hidrógeno., Las algas verdes pueden producir hidrógeno durante unos segundos si primero se exponen a condiciones oscuras y anaeróbicas (sin oxígeno) y luego se exponen a la luz.el equipo ideó una manera de extender la producción de hidrógeno de las algas verdes por hasta tres días, como se informó en su estudio de 2018 Publicado en la revista Energy & Environmental Science.

Los científicos también han hecho avances en el campo de la fotosíntesis artificial., Por ejemplo, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, desarrolló un sistema artificial para capturar dióxido de carbono utilizando nanohilos, o alambres que tienen unas mil millonésimas de metro de diámetro. Los cables se alimentan en un sistema de microbios que reducen el dióxido de carbono en combustibles o polímeros mediante el uso de energía de la luz solar. El equipo publicó su diseño en 2015 en la revista Nano Letters.,

en 2016, miembros de este mismo grupo publicaron un estudio en la revista Science que describió otro sistema fotosintético artificial en el que se utilizaron bacterias especialmente diseñadas para crear combustibles líquidos utilizando luz solar, agua y dióxido de carbono. En general, las plantas solo son capaces de aprovechar alrededor del uno por ciento de la energía solar y utilizarla para producir compuestos orgánicos durante la fotosíntesis. En contraste, el sistema artificial de los investigadores fue capaz de aprovechar el 10 por ciento de la energía solar para producir compuestos orgánicos.,

La investigación continua de los procesos naturales, como la fotosíntesis, ayuda a los científicos a desarrollar nuevas formas de utilizar diversas fuentes de energía renovable. Dado que la luz solar, las plantas y las bacterias son omnipresentes, aprovechar el poder de la fotosíntesis es un paso lógico para crear combustibles de combustión limpia y neutros en carbono.

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