Biología I
Objetivos de aprendizaje
Al finalizar esta sección, serás capaz de:
- Resumir el proceso de la fotosíntesis
- Explicar la relevancia de la fotosíntesis para otros seres vivos
- Identificar los reactivos y productos de la fotosíntesis
- Describir las principales estructuras que intervienen en la fotosíntesis
Todos los organismos vivos de la Tierra están formados por una o más células. Cada célula funciona con la energía química que se encuentra principalmente en las moléculas de carbohidratos (alimentos), y la mayoría de estas moléculas se producen mediante un proceso: la fotosíntesis. A través de la fotosíntesis, algunos organismos convierten la energía solar (luz del sol) en energía química, que luego se utiliza para construir moléculas de hidratos de carbono. La energía utilizada para mantener unidas estas moléculas se libera cuando un organismo descompone los alimentos. Las células utilizan entonces esta energía para realizar un trabajo, como la respiración celular.
La energía que se aprovecha de la fotosíntesis entra en los ecosistemas de nuestro planeta continuamente y se transfiere de un organismo a otro. Por lo tanto, directa o indirectamente, el proceso de fotosíntesis proporciona la mayor parte de la energía que necesitan los seres vivos de la Tierra.
La fotosíntesis también da lugar a la liberación de oxígeno a la atmósfera. En resumen, para comer y respirar, los seres humanos dependen casi por completo de los organismos que realizan la fotosíntesis.
Concepto en acción
Aprende más sobre la fotosíntesis.
Dependencia solar y producción de alimentos
Algunos organismos pueden realizar la fotosíntesis, mientras que otros no. Un autótrofo es un organismo que puede producir su propio alimento. Las raíces griegas de la palabra autótrofo significan «propio» (auto) «alimentador» (troph). Las plantas son los autótrofos más conocidos, pero existen otros, como ciertos tipos de bacterias y algas (Figura 1). Las algas oceánicas aportan enormes cantidades de alimento y oxígeno a las cadenas alimentarias mundiales. Las plantas también son fotoautótrofas, un tipo de autótrofo que utiliza la luz solar y el carbono del dióxido de carbono para sintetizar energía química en forma de carbohidratos. Todos los organismos que realizan la fotosíntesis requieren luz solar.
Figura 1. (a) Las plantas, (b) las algas y (c) ciertas bacterias, llamadas cianobacterias, son fotoautótrofos que pueden realizar la fotosíntesis. Las algas pueden crecer en áreas enormes en el agua, a veces cubriendo completamente la superficie. (crédito a: Steve Hillebrand, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE.UU.; crédito b: «eutrofización&hipoxia»/Flickr; crédito c: NASA; datos de la barra de escala de Matt Russell)
Figura 2. La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos procedentes de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que se come a estos ciervos está obteniendo la energía que se originó en la vegetación fotosintética que los ciervos consumieron. (crédito: Steve VanRiper, U.S. Fish and Wildlife Service)
Biología en acción
Fotosíntesis en el supermercado
Figura 3. La fotosíntesis es el origen de los productos que componen los principales elementos de la dieta humana. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)
Las principales tiendas de comestibles de Estados Unidos están organizadas en departamentos, como lácteos, carnes, productos agrícolas, pan, cereales, etc. Cada pasillo contiene cientos, si no miles, de productos diferentes para que los clientes los compren y consuman (Figura 3).
Aunque hay una gran variedad, cada artículo se vincula a la fotosíntesis. Las carnes y los productos lácteos se relacionan con la fotosíntesis porque los animales fueron alimentados con alimentos de origen vegetal. Los panes, cereales y pastas proceden en gran medida de los granos, que son las semillas de las plantas fotosintéticas. ¿Y los postres y las bebidas? Todos estos productos contienen azúcar, la molécula básica de los carbohidratos que se produce directamente a partir de la fotosíntesis. La conexión de la fotosíntesis se aplica a todas las comidas y a todos los alimentos que una persona consume.
Estructuras principales y resumen de la fotosíntesis
La fotosíntesis requiere luz solar, dióxido de carbono y agua como reactivos iniciales (Figura 4). Una vez completado el proceso, la fotosíntesis libera oxígeno y produce moléculas de hidratos de carbono, generalmente glucosa. Estas moléculas de azúcar contienen la energía que los seres vivos necesitan para sobrevivir.
Figura 4. La fotosíntesis utiliza la energía solar, el dióxido de carbono y el agua para liberar oxígeno y producir moléculas de azúcar que almacenan energía.
Las complejas reacciones de la fotosíntesis pueden resumirse mediante la ecuación química que se muestra en la figura 5.
Figura 5. El proceso de la fotosíntesis puede representarse mediante una ecuación, en la que el dióxido de carbono y el agua producen azúcar y oxígeno utilizando la energía de la luz solar.
Aunque la ecuación parece sencilla, los numerosos pasos que tienen lugar durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos, al igual que la reacción que resume la respiración celular representaba muchas reacciones individuales. Antes de aprender los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras físicas implicadas.
En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar principalmente en las hojas, que están formadas por muchas capas de células y tienen las caras superior e inferior diferenciadas. El proceso de fotosíntesis no se produce en las capas superficiales de la hoja, sino en una capa intermedia llamada mesófilo (Figura 6). El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de unas pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas.
En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis tiene lugar dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. En las plantas, las células que contienen cloroplastos existen en el mesófilo. Los cloroplastos tienen una doble membrana (interna y externa). Dentro del cloroplasto hay una tercera membrana que forma estructuras apiladas en forma de disco llamadas tilacoides. Incrustadas en la membrana de los tilacoides se encuentran las moléculas de clorofila, un pigmento (una molécula que absorbe la luz) a través del cual se inicia todo el proceso de la fotosíntesis. La clorofila es la responsable del color verde de las plantas. La membrana tilacoide encierra un espacio interno llamado espacio tilacoide. En la fotosíntesis intervienen también otros tipos de pigmentos, pero la clorofila es, con mucho, el más importante. Como se muestra en la figura 6, una pila de tilacoides se denomina granum, y el espacio que rodea al granum se llama estroma (no confundir con los estomas, las aberturas de las hojas).
Conexión con el arte
Figura 6. No todas las células de una hoja realizan la fotosíntesis. Las células de la capa media de una hoja tienen cloroplastos, que contienen el aparato fotosintético. (crédito «hoja»: modificación del trabajo de Cory Zanker)
En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?
Las dos partes de la fotosíntesis
La fotosíntesis tiene lugar en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvin. En las reacciones dependientes de la luz, que tienen lugar en la membrana del tilacoide, la clorofila absorbe la energía de la luz solar y luego la convierte en energía química con el uso de agua. Las reacciones dependientes de la luz liberan oxígeno de la hidrólisis del agua como subproducto. En el ciclo de Calvin, que tiene lugar en el estroma, la energía química derivada de las reacciones dependientes de la luz impulsa tanto la captura de carbono en las moléculas de dióxido de carbono como el posterior ensamblaje de las moléculas de azúcar. Las dos reacciones utilizan moléculas portadoras para transportar la energía de una a otra. Los portadores que trasladan la energía de las reacciones dependientes de la luz a las reacciones del ciclo de Calvin pueden considerarse «llenos» porque aportan energía. Después de liberar la energía, los transportadores de energía «vacíos» vuelven a las reacciones dependientes de la luz para obtener más energía.
Resumen de la sección
El proceso de la fotosíntesis transformó la vida en la Tierra. Al aprovechar la energía del sol, la fotosíntesis permitió a los seres vivos acceder a enormes cantidades de energía. Gracias a la fotosíntesis, los seres vivos accedieron a suficiente energía, lo que les permitió evolucionar nuevas estructuras y lograr la biodiversidad que se aprecia hoy en día.
Sólo ciertos organismos, llamados autótrofos, pueden realizar la fotosíntesis; requieren la presencia de clorofila, un pigmento especializado que puede absorber la luz y convertir la energía luminosa en energía química. La fotosíntesis utiliza el dióxido de carbono y el agua para ensamblar moléculas de carbohidratos (generalmente glucosa) y libera oxígeno en el aire. Los autótrofos eucariotas, como las plantas y las algas, tienen unos orgánulos llamados cloroplastos en los que se realiza la fotosíntesis.
Preguntas adicionales de autocomprobación
1. En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?
2. ¿Cuál es el propósito general de las reacciones de la luz en la fotosíntesis?
3. ¿Por qué los carnívoros, como los leones, dependen de la fotosíntesis para sobrevivir?
Respuestas
1. La fotosíntesis es un proceso que se lleva a cabo en el interior de las plantas. Los niveles de dióxido de carbono (un reactivo) disminuirán y los niveles de oxígeno (un producto) aumentarán. Como resultado, el ritmo de la fotosíntesis disminuirá.
2. Para convertir la energía solar en energía química que las células puedan utilizar para realizar trabajo.
3. Porque los leones se alimentan de animales que comen plantas.
Glosario
autótrofo: organismo capaz de producir su propio alimento
clorofila: el pigmento verde que capta la energía lumínica que impulsa las reacciones de la fotosíntesis
cloroplasto: el orgánulo donde se realiza la fotosíntesis
granito: una pila de tilacoides situada en el interior de un cloroplasto
heterótrofo: un organismo que consume otros organismos para alimentarse
Reacción dependiente de la luz: la primera etapa de la fotosíntesis en la que se absorbe la luz visible para formar dos moléculas portadoras de energía (ATP y NADPH)
mesofila: la capa intermedia de las células de una hoja
fotoautótrofo: un organismo capaz de sintetizar sus propias moléculas alimenticias (almacenando energía), utilizando la energía de la luz
pigmento: molécula capaz de absorber la energía de la luz
estoma: la abertura que regula el intercambio de gases y la regulación del agua entre las hojas y el medio ambiente; plural: estomas
estroma: el espacio lleno de líquido que rodea la grana en el interior de un cloroplasto donde tienen lugar las reacciones del ciclo de Calvin de la fotosíntesis
tilakoide: estructura membranosa en forma de disco en el interior de un cloroplasto donde tienen lugar las reacciones dependientes de la luz de la fotosíntesis mediante la clorofila incrustada en las membranas