Fijación de carbono para niños
La fijación de carbono es un proceso vital en la Tierra. Es cuando los seres vivos transforman el dióxido de carbono (un gas inorgánico) en compuestos orgánicos. Piensa en ello como tomar un ingrediente simple y convertirlo en algo más complejo y útil para la vida.
El ejemplo más conocido de fijación de carbono ocurre durante la fotosíntesis, especialmente en su "fase oscura". Pero también existe otro proceso llamado quimiosíntesis, que fija carbono sin necesidad de luz.
Los organismos que pueden fijar carbono por sí mismos se llaman autótrofos. Hay dos tipos principales:
- Los fotoautótrofos usan la energía de la luz para crear sus compuestos orgánicos.
- Los litoautótrofos usan la energía de reacciones químicas inorgánicas.
Por otro lado, los heterótrofos son organismos que no pueden fijar carbono. Ellos obtienen el carbono que necesitan comiendo los compuestos orgánicos que los autótrofos ya han creado. Usan estos compuestos para obtener energía y para construir sus propias estructuras corporales.
Cuando hablamos de "carbono fijado", "carbono reducido" o "carbono orgánico", nos referimos a lo mismo: el carbono que ya ha sido transformado en parte de una molécula viva.
Contenido
¿Cuánto carbono se fija en la Tierra?
Se calcula que la fotosíntesis convierte alrededor de 258 mil millones de toneladas de dióxido de carbono cada año. ¡Es una cantidad enorme! La mayor parte de esta fijación ocurre en los océanos, especialmente en lugares donde hay muchos nutrientes y abundancia de fitoplancton (pequeños organismos vegetales marinos).
La cantidad total de dióxido de carbono que se fija es aún mayor de lo que parece. Esto se debe a que aproximadamente el 40% de ese carbono fijado se usa diariamente en la respiración celular de los propios organismos que lo fijaron.
Una enzima muy importante en este proceso es la RuBisCO. Se cree que es la proteína más abundante en la Tierra, lo que nos da una idea de lo fundamental que es para la vida.
¿Cómo se fija el carbono? Vías principales
Hasta el año 2011, los científicos conocían seis maneras principales en que los autótrofos fijan el carbono. La más famosa es el ciclo de Calvin. Este ciclo ocurre en los cloroplastos de las plantas, algas y cianobacterias. También hay otras formas de fijación de carbono, como la que realizan algunas proteobacterias en un tipo de fotosíntesis que no produce oxígeno.
La fotosíntesis: el proceso que produce oxígeno
En la fotosíntesis, la energía de la luz es la que impulsa la fijación del carbono. La fotosíntesis que produce oxígeno (llamada fotosíntesis oxigénica) la realizan plantas, algas y cianobacterias. Estos organismos son los "productores primarios" y tienen un pigmento verde llamado clorofila. Ellos usan el ciclo de Calvin para fijar el carbono.
Así funciona el proceso:
- Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, la planta absorbe la luz del sol. Usa agua como fuente de electrones y libera oxígeno al ambiente. Al mismo tiempo, produce energía química que se guarda en moléculas como el ATP y el NADPH.
- Estas moléculas de ATP y NADPH se usan en la fase oscura para fijar el carbono del dióxido de carbono y crear azúcares.
El ciclo de Calvin toma el carbono del dióxido de carbono para formar azúcares simples llamados triosas fosfato (TP), como el gliceraldehído 3-fosfato (GAP) y la dihidroxiacetona fosfato (DHAP).
La fotosíntesis oxigénica apareció en la Tierra hace mucho tiempo, entre 3.500 y 2.300 millones de años, primero en las cianobacterias.
RuBisCO: la enzima clave en la fijación de carbono
La enzima principal que realiza la fijación del carbono en el ciclo de Calvin se llama RuBisCO. En el centro de esta enzima, una molécula de azúcar de 5 carbonos (llamada ribulosa 1,5-bisfosfato) se une con una molécula de dióxido de carbono.
Esta unión crea un azúcar inestable de 6 carbonos. Este azúcar se rompe rápidamente en dos moléculas de 3 carbonos, llamadas 3-fosfoglicerato. El 3-fosfoglicerato es el primer producto estable que contiene el carbono fijado. Por eso, a las plantas que fijan el carbono directamente en el ciclo de Calvin se les llama plantas C3, porque este compuesto tiene 3 carbonos.
RuBisCO y la fotorrespiración: un desafío para las plantas
La enzima RuBisCO tiene una característica especial: además de fijar dióxido de carbono, a veces también puede unirse al oxígeno. Cuando esto sucede, no se fija carbono y se produce un proceso llamado fotorrespiración.
La fotorrespiración consume energía y reduce la eficiencia de la fotosíntesis. Esto ocurre más a menudo cuando hay poco dióxido de carbono, mucho oxígeno y altas temperaturas en el cloroplasto.
Para evitar esto, las plantas que viven en climas cálidos han desarrollado adaptaciones. Estas adaptaciones aseguran que siempre haya una alta concentración de dióxido de carbono disponible para la RuBisCO. Así, mantienen su fotosíntesis eficiente. Estas adaptaciones dieron origen a las plantas C4 y CAM.
Mecanismos para concentrar el carbono
Muchos organismos fotosintéticos han desarrollado "Mecanismos de Concentración de Carbono" (MCC). Su objetivo es aumentar la cantidad de dióxido de carbono disponible para la enzima RuBisCO. El dióxido de carbono es un "factor limitante" para la fotosíntesis, lo que significa que si no hay suficiente, la fotosíntesis no funciona bien.
Los MCC ayudan a las plantas a tolerar bajas concentraciones de dióxido de carbono en el ambiente y a reducir las pérdidas por fotorrespiración. Esto hace que las plantas sean más resistentes al calor y a la falta de agua.
Una enzima importante en estos mecanismos es la anhidrasa carbónica. Esta enzima ayuda a convertir el bicarbonato en dióxido de carbono y viceversa.
Plantas C3: las más comunes
La mayoría de las plantas usan el mecanismo de fijación de carbono C3. En ellas, el dióxido de carbono se fija directamente en el ciclo de Calvin. El primer producto estable con carbono fijado es el 3-fosfoglicerato, que tiene 3 carbonos.
Estas plantas no son muy buenas para evitar la fotorrespiración o la pérdida de agua en climas cálidos. Sin embargo, son muy eficientes en otros tipos de ambientes.
Plantas C4: adaptadas al calor
Las plantas C4 tienen un paso extra antes del ciclo de Calvin. Primero, incorporan el dióxido de carbono de la atmósfera en compuestos de 4 carbonos, como el oxalacetato. Luego, estos compuestos se descomponen, liberando dióxido de carbono que entra al ciclo de Calvin. Así, hay una doble fijación de carbono.
Estas plantas tienen una anatomía especial en sus hojas. La primera fijación ocurre en las células del mesófilo de las hojas, y la segunda (en el ciclo de Calvin) ocurre en las células que rodean los vasos conductores de las hojas.
Ejemplos de plantas C4 son la caña de azúcar y el maíz. Hay unas 7.600 especies de plantas terrestres C4, lo que representa alrededor del 3% de todas las especies. Son más eficientes en climas cálidos porque evitan la fotorrespiración al mantener una alta concentración de dióxido de carbono en las células donde opera la RuBisCO.
Plantas CAM: maestras del ahorro de agua
Las plantas CAM (Metabolismo Ácido de las Crasuláceas) son una variación del mecanismo C4, adaptadas a climas áridos para evitar la pérdida de agua. Estas plantas no abren sus estomas (pequeños poros en las hojas) durante el día para no secarse. En cambio, los abren por la noche.
Durante la noche, el dióxido de carbono entra en las hojas y se convierte en un compuesto de 4 carbonos, similar a lo que ocurre en las plantas C4. Este compuesto se almacena. Luego, durante el día, con los estomas cerrados, el dióxido de carbono se libera y se fija en el ciclo de Calvin.
Aquí no hay una separación de lugares en la hoja, sino una separación de tiempo: la fijación inicial ocurre de noche y la final de día. Ejemplos de plantas CAM son los ananás y los cactos. Hay unas 16.000 especies de plantas CAM, y son muy eficientes en climas desérticos o semidesérticos.
Otras formas de fijar carbono
Además de la fotosíntesis, existen otras cinco maneras en que los autótrofos fijan el carbono. Algunas se encuentran solo en bacterias, otras solo en arqueas, y algunas en ambos.
Ciclo reductivo del ácido cítrico
Este ciclo es como el ciclo de Krebs (un proceso común en la respiración) pero funcionando al revés. Se encuentra en algunas bacterias que viven sin oxígeno o con muy poco. En este ciclo, el dióxido de carbono y el agua se transforman en compuestos orgánicos.
Vía reductiva del acetil-CoA
Esta vía no es un ciclo y solo la usan bacterias y arqueas que viven sin oxígeno. En esta vía, el dióxido de carbono se convierte en monóxido de carbono, que luego se transforma en acetil-CoA. El acetil-CoA es una molécula que puede usarse para construir otras sustancias en el organismo.
Ciclo del 3-hidroxipropionato y sus variantes
Este ciclo lo usan algunas bacterias verdes. Se descubrió en 2002. Hay variantes de este ciclo que se han encontrado en arqueas que viven en ambientes muy calientes y ácidos.
Quimiosíntesis: fijación sin luz
Las bacterias quimiosintéticas pueden fijar el carbono usando la energía de la oxidación de sustancias inorgánicas, como el hidrógeno o el sulfuro de hidrógeno. Ellas también pueden usar el ciclo de Calvin o el ciclo reductivo del ácido cítrico para fijar el carbono.
¿Los heterótrofos fijan carbono?
Aunque los heterótrofos no pueden crear moléculas orgánicas completas a partir de dióxido de carbono, sí pueden incorporar pequeñas cantidades de dióxido de carbono en algunas de sus reacciones metabólicas. Por ejemplo, una enzima llamada piruvato carboxilasa usa dióxido de carbono en un proceso para crear glucosa.
¿Cómo distinguen las plantas los tipos de carbono?
Algunas enzimas, especialmente la RuBisCO, prefieren unirse al carbono-12, que es un isótopo de carbono más ligero, en lugar del carbono-13, que es más pesado. Esto se llama "discriminación de isótopos de carbono".
Debido a esta preferencia, las plantas tienen una proporción de carbono-12 a carbono-13 diferente a la del aire. Medir esta proporción es útil para entender qué tan eficientemente usan el agua las plantas y para estudiar cómo se mueve el carbono en el ciclo del carbono global.
