Fisiología vegetal para niños

Experimento de índice de germinación.

La fisiología vegetal es una parte de la botánica que estudia cómo funcionan las plantas. Se enfoca en los procesos internos que les permiten vivir, crecer y desarrollarse.

Esta área de estudio está muy relacionada con otras ciencias como la anatomía de las plantas (cómo están hechas por dentro), la ecología (cómo interactúan con su entorno), la fitoquímica (los químicos que producen las plantas), la biología celular (las células de las plantas) y la biología molecular (las moléculas dentro de las células).

Los científicos que estudian la fisiología vegetal investigan procesos clave como la fotosíntesis (cómo las plantas fabrican su alimento), la respiración (cómo usan la energía), la nutrición vegetal (qué necesitan para alimentarse), el papel de las hormonas vegetales, cómo se mueven hacia la luz o la gravedad (tropismos), los movimientos rápidos (movimientos násticos), cómo detectan la duración del día (fotoperiodismo), cómo la luz afecta su forma (fotomorfogénesis), sus ritmos diarios (ritmos circadianos), cómo soportan el estrés del ambiente, la germinación de las semillas, el descanso de las plantas (dormancia), y cómo funcionan los estomas y la transpiración (procesos relacionados con el agua).

¿Qué estudia la fisiología vegetal?

Un sírfido (Eristalis arbustorum) polinizando una margarita (Leucanthemum vulgare)

El estudio de la fisiología vegetal abarca todas las actividades internas de las plantas. Esto incluye los procesos químicos y físicos que son parte de su vida. Se estudia desde lo más pequeño, como las interacciones de las moléculas en la fotosíntesis, hasta lo más grande, como su desarrollo, los cambios según las estaciones y cómo controlan su multiplicación.

La fisiología vegetal se puede dividir en varias áreas importantes:

La química de las plantas

La fitoquímica se encarga de estudiar la gran variedad de compuestos químicos que las plantas producen. Estos compuestos les ayudan a funcionar y a sobrevivir. Como las plantas no pueden moverse, usan químicos para defenderse de animales que las comen, de enfermedades y de otras plantas que compiten por el espacio. Producen sustancias que pueden ser tóxicas o tener mal olor o sabor. Otros químicos las protegen de enfermedades, les permiten vivir en sequías o las preparan para el invierno. También usan algunos químicos para atraer a polinizadores o a animales que dispersan sus semillas.

La fotosíntesis necesita muchos pigmentos, enzimas y otros compuestos para funcionar correctamente.

Las células vegetales

También se estudian los procesos biológicos y químicos que ocurren dentro de las células de las plantas. Las células vegetales tienen características especiales que las hacen diferentes de las células animales. Por ejemplo, tienen una pared celular rígida que les da forma y limita su movimiento. Además, contienen clorofila, que les permite usar la luz para fabricar su propio alimento, en lugar de comer a otros seres vivos.

Interacciones internas de las plantas

Esta área estudia cómo se comunican las células, tejidos y órganos de una planta entre sí. Las diferentes células y tejidos están especializados para realizar funciones específicas.

Cómo se regulan las plantas

Se investiga cómo las plantas controlan sus funciones internas. Por ejemplo, las fitohormonas se producen en una parte de la planta y envían señales a otras partes para que respondan. También hay compuestos sensibles a la luz que les indican cuándo florecer según la duración de la noche, un proceso llamado fotoperiodismo. La maduración de los frutos y la caída de las hojas en invierno son funciones controladas en parte por un gas llamado etileno que la propia planta produce.

Cómo las plantas responden al ambiente

Finalmente, la fisiología vegetal estudia cómo las plantas reaccionan a las condiciones y cambios en su entorno. Esto se conoce como ecofisiología. El estrés por falta de agua, los cambios en el aire o la cercanía con otras plantas pueden modificar su funcionamiento. Estos cambios pueden depender de factores genéticos, químicos y físicos.

La química de las plantas

Recolección de látex de un árbol del caucho.

Los elementos básicos que forman las plantas, como el carbono, oxígeno, hidrógeno, calcio y fósforo, son los mismos que se encuentran en animales, hongos o bacterias. Las moléculas fundamentales en las plantas son similares a las de otras formas de vida, solo se agrupan de manera diferente.

A pesar de esto, las plantas producen una gran variedad de químicos con propiedades únicas para adaptarse a su ambiente. Usan pigmentos para absorber o detectar la luz, y los humanos los usamos como tintes. Otros productos se usan para fabricar caucho o biofuel. Algunos de los más conocidos son los que se usan en medicinas, como el ácido salicílico (aspirina). La industria farmacéutica invierte mucho dinero investigando compuestos vegetales por sus posibles beneficios para la salud.

Nutrición vegetal

Las plantas necesitan nutrientes para vivir. Algunos los necesitan en grandes cantidades, como el carbono y el nitrógeno (llamados macronutrientes). Otros, los micronutrientes, los necesitan en cantidades muy pequeñas para estar sanas. Normalmente, las plantas los absorben del agua disueltos en el suelo. Sin embargo, las plantas carnívoras los obtienen de los insectos que atrapan.

Aquí tienes una tabla con los nutrientes esenciales para las plantas:

Pigmentos vegetales

La antocianina es la responsable de la pigmentación púrpura intenso de estos pensamientos.

Los pigmentos son moléculas muy importantes para el funcionamiento de las plantas. Hay muchos tipos, como las porfirinas, carotenoides y antocianinas. Todos los pigmentos biológicos absorben ciertas longitudes de onda de luz y reflejan otras. La planta usa la luz absorbida para realizar reacciones químicas, y la luz reflejada es la que vemos como el color del pigmento.

Molécula de la clorofila (modelo en 3D).

La clorofila es el pigmento principal. Es una porfirina que absorbe la luz roja y azul, y refleja la verde. Por eso, su presencia y cantidad dan el color verde característico a las plantas. La clorofila es la que capta la luz para la fotosíntesis.

Los carotenoides son pigmentos rojos, naranjas o amarillos. Ayudan a la fotosíntesis captando longitudes de onda de luz que la clorofila no absorbe.

Las antocianinas son pigmentos que se ven rojos o azules, dependiendo de la acidez (pH). Se encuentran en todas las partes de las plantas superiores, dando color a hojas, tallos, raíces, flores y frutos, aunque no siempre en cantidades que se puedan ver fácilmente.

Las betalainas son pigmentos rojos o amarillos. A diferencia de las antocianinas, se encuentran solo en un grupo específico de plantas (el orden Caryophyllales, que incluye cactus y Amaranthus). Nunca aparecen en plantas que tienen antocianinas. Por ejemplo, son las responsables del color rojo intenso de la remolacha (Beta vulgaris) y se usan como colorantes alimenticios. Los científicos aún no están seguros de su función exacta, pero algunas investigaciones sugieren que podrían ayudar a las plantas a defenderse de hongos.

Señales y reguladores en plantas

Una mutación que bloquea la respuesta a la auxina provoca el crecimiento anormal en esta Arabidopsis thaliana (derecha).

Las plantas producen hormonas y otros reguladores de crecimiento que envían señales para que sus tejidos respondan de cierta manera. También producen compuestos, como el fitocromo, que son sensibles a la luz y activan el crecimiento o el desarrollo según las señales del ambiente.

Hormonas vegetales

Las fitohormonas son químicos que controlan el crecimiento de una planta. A diferencia de los animales, las plantas no tienen órganos específicos que produzcan hormonas. Por eso, las hormonas vegetales a menudo no se transportan a otras partes de la planta, ni su producción se limita a un solo lugar.

Estas hormonas son sustancias químicas que, en pequeñas cantidades, estimulan e influyen en el crecimiento, desarrollo y especialización de las células y tejidos. Son muy importantes para el crecimiento. Afectan procesos desde la floración hasta el desarrollo de las semillas, el descanso y la germinación. Regulan qué tejidos deben crecer hacia arriba y cuáles hacia abajo, la formación de hojas y el crecimiento del tallo, el desarrollo y maduración del fruto, la caída de las hojas e incluso la muerte de la planta.

Las hormonas vegetales más importantes son el ácido abscísico (ABA), las auxinas, el etileno, las giberelinas y las citoquininas. Sin embargo, hay muchas otras sustancias que regulan el funcionamiento de las plantas.

Cómo la luz afecta la forma de las plantas

La mayoría de la gente sabe que la luz es importante para la fotosíntesis. Pero la sensibilidad de la planta a la luz también controla cómo se desarrolla su estructura (morfogénesis). Este uso de la luz para controlar el desarrollo estructural se llama fotomorfogénesis. Depende de unos receptores especiales de luz, que son pigmentos químicos que pueden absorber ondas de luz específicas.

Las plantas usan cuatro tipos de fotorreceptores: fitocromo, criptocromo, un fotorreceptor UV-B y protoclorofilide a. Los dos primeros, fitocromo y criptocromo, son proteínas fotorreceptoras. Son estructuras moleculares complejas formadas por una proteína unida a un pigmento sensible a la luz. El criptocromo también se conoce como fotorreceptor UV-A, porque absorbe luz ultravioleta de onda larga "A". El receptor UV-B está formado por uno o más compuestos que aún no se han identificado con exactitud, aunque se cree que podrían ser caroteno y riboflavina. La protoclorofilide a, como su nombre indica, es un químico que se convierte en clorofila.

El fotorreceptor más estudiado es el fitocromo. Es sensible a la luz roja e infrarroja del espectro visible. Muchas fanerógamas lo usan para regular cuándo florecen, basándose en la duración del día y la noche (fotoperiodismo), y para ajustar sus ritmos diarios. También controla otras respuestas, como la germinación de las semillas, el tamaño y forma de las hojas, la producción de clorofila y la orientación de las plántulas.

Fotoperiodismo: la duración del día y la noche

La poinsettia es una planta de días cortos. Necesita 2 meses con al menos 12 horas de oscuridad sin interrupciones para florecer.

Muchas plantas con flores usan el pigmento fitocromo para detectar los cambios estacionales en la duración del día. Estas señales les indican cuándo florecer. Esta sensibilidad se llama fotoperiodismo. Las plantas se clasifican en plantas de días largos, de días cortos y neutras, según cómo respondan a los cambios en la duración del día. Las plantas de días largos necesitan una cierta cantidad de luz diurna para empezar a florecer, por lo que florecen en primavera o verano. Por el contrario, las plantas de días cortos florecerán cuando la duración de la luz diurna baje a un nivel crítico. Las plantas neutras no dependen del fotoperiodismo para florecer, aunque algunas pueden ser sensibles a la temperatura (proceso llamado vernalización).

Aunque una planta de días cortos no puede florecer durante los largos días de verano, en realidad no es la luz lo que limita la floración. Lo que necesita es un período mínimo de oscuridad ininterrumpida cada 24 horas para que el desarrollo de las flores comience. Se ha demostrado que si se interrumpe la noche con un flash de luz que active el fitocromo, la planta no florece.

Las plantas usan el sistema del fitocromo para saber la duración del día o fotoperiodo. Los floristas y viveristas usan este conocimiento para controlar e incluso hacer que las plantas florezcan fuera de su estación natural, como ocurre con la Poinsettia.

Ecofisiología: plantas y su ambiente

Esta parte de la fisiología vegetal es, a la vez, un campo de estudio reciente y uno de los más antiguos en la ecología de las plantas.

La fisiología ambiental, como la llaman los fisiólogos, examina cómo las plantas responden a factores físicos. Estos incluyen la radiación (luz y radiación ultravioleta), la temperatura, el fuego y el viento. La relación con el agua (cómo soportan la sequía o las inundaciones), el intercambio de gases con la atmósfera y el ciclo de nutrientes como el nitrógeno y el carbono, son factores muy importantes.

También se estudia cómo responden a factores biológicos. Esto incluye interacciones negativas como la competencia, que animales las coman (predación herbívora), enfermedades y parasitismo. Pero también incluye interacciones positivas como el mutualismo (cuando se benefician mutuamente) y la polinización.

Tropismos y movimientos násticos

Trampa de una Venus atrapamoscas.

Las plantas pueden responder a estímulos que tienen una dirección (como la gravedad o la luz solar) y a estímulos que no la tienen. La respuesta a un estímulo direccional se llama tropismo. La respuesta a un estímulo no direccional es un movimiento nástico.

Los tropismos ocurren por un crecimiento diferente de las células. Las células de una parte de la planta se alargan más que las de otra, haciendo que la planta se incline. Un tropismo común es el fototropismo, que es cuando la planta se inclina hacia una fuente de luz. Esto le permite obtener la máxima luz para la fotosíntesis o, al contrario, minimizarla si hay mucha luz y calor. El geotropismo permite a las raíces sentir la gravedad y crecer hacia abajo. Los tropismos suelen ser el resultado de la interacción entre el ambiente y la producción de una o más fitohormonas.

A diferencia de los tropismos, los movimientos násticos son cambios rápidos en la presión osmótica dentro de los tejidos de la planta. Un ejemplo conocido es la sismonastia (respuesta al tacto o la vibración) en la Venus atrapamoscas, una planta carnívora. Sus trampas son hojas modificadas con pelos sensibles. Cuando un insecto toca estos pelos, la hoja se cierra. La trampa se cierra rápidamente por cambios de presión, pero se abre lentamente para que la planta pueda digerir su alimento.

Enfermedades de las plantas

Hoja de calabaza afectada por mildiu. Es visible la característica estructura en mosaico que produce el hongo.

Una de las áreas más importantes de investigación en ecofisiología es la fitopatología. Esta estudia las enfermedades de las plantas y cómo estas se defienden o las enfrentan. Las plantas pueden ser afectadas por los mismos organismos que causan enfermedades en los animales, como bacterias, virus y hongos, así como por la invasión de insectos y nematodos.

Como la biología de las plantas es diferente a la de los animales, sus síntomas y respuestas también lo son. A veces, una planta puede simplemente deshacerse de sus hojas o flores para evitar que una enfermedad se extienda, en un proceso llamado abscisión. A diferencia de los animales, que pueden contagiar enfermedades por contacto, las plantas suelen dispersar los agentes patógenos a través de esporas o son transportados por animales que actúan como vectores.

Un avance muy importante en el control de enfermedades vegetales fue el descubrimiento, en el siglo XIX, del Caldo bordelés. Este caldo, hecho de sulfato de cobre y óxido de calcio (cal viva), fue el primer fungicida conocido. Se usó para detener el crecimiento del mildiu que estaba afectando gravemente a los viñedos en Francia.

Historia de la fisiología vegetal

Jan Baptist van Helmont.

Sir Francis Bacon publicó uno de los primeros experimentos sobre fisiología vegetal en 1627. En su libro Sylva Sylvarum, cultivó varias plantas, incluyendo un rosal, en agua. Concluyó que el suelo solo era necesario para mantener las plantas de pie. Jan Baptist van Helmont publicó en 1648 lo que se considera el primer experimento cuantitativo en esta área. Durante cinco años, cultivó un sauce en una maceta con 90.718 kg de tierra seca. La tierra solo perdió 900 gramos de su peso, y van Helmont dedujo que las plantas obtienen casi todo su peso del agua, no del suelo. En 1699, John Woodward publicó experimentos sobre el crecimiento de la menta verde en diferentes tipos de agua. Descubrió que crecía mucho mejor en agua con tierra añadida que en agua destilada.

A Stephen Hales se le considera el padre de la fisiología vegetal por los muchos experimentos que realizó y que publicó en 1727. Sin embargo, fue Julius von Sachs quien unificó las diferentes partes de la fisiología vegetal, convirtiéndola en una disciplina. Su libro Lehrbuch der Botanik fue muy importante en su época.

Durante el siglo XIX, los investigadores descubrieron que las plantas absorben los nutrientes minerales esenciales como iones del agua. En la naturaleza, el suelo almacena estos nutrientes, pero el suelo en sí no es esencial para el crecimiento de la planta. Cuando los minerales del suelo se disuelven en el agua, las raíces de la planta los absorben rápidamente. Esta observación es la base de la hidroponía, que es el cultivo de plantas en una solución líquida en lugar de tierra. La hidroponía se ha convertido en una técnica estándar para la investigación biológica, la educación en laboratorios y la producción de cultivos como pasatiempo.

Usos económicos

Producción de alimentos

En la horticultura (cultivo de huertos) y la agricultura, la fisiología vegetal es muy importante para el estudio de las frutas, verduras y otras partes comestibles de las plantas. Los temas que se estudian incluyen: las necesidades climáticas de los cultivos, la maduración de los frutos, la caída de los mismos y la nutrición de las plantas. El estudio de la fisiología también ayuda a determinar los mejores momentos para plantar y cosechar, y cómo almacenar los productos para el consumo humano. Además, se investiga la producción de sustancias secundarias que se usan en la farmacología y la cosmética.

Véase también

En inglés: Plant physiology Facts for Kids

• Biomecánica
• Fitoquímica
• Anatomía vegetal
• Morfología vegetal
• Fisiología (insectos)