Fotosíntesis para niños

Representación esquemática de la fotosíntesis vegetal.

Diagrama simplificado de la fase luminosa y la fase oscura de la fotosíntesis en plantas.

Ecuación química de la fotosíntesis oxigénica, el tipo más común de fotosíntesis.

Comparación entre la fotosíntesis oxigénica y la anoxigénica.

Imagen que muestra la distribución de la fotosíntesis en el globo terráqueo; mostrando tanto la llevada a cabo por el fitoplancton oceánico como por la vegetación terrestre.

La fotosíntesis es un proceso químico vital que permite a las plantas, algas y algunas bacterias transformar la luz del sol en energía. Es como si fabricaran su propio alimento. En este proceso, la energía de la luz se convierte en energía química. Esta energía se almacena en moléculas especiales como el NADPH y el ATP. Luego, estas moléculas se usan para convertir el dióxido de carbono (CO₂) en azúcares, que son el alimento de la planta.

La vida en la Tierra depende en gran parte de la fotosíntesis. Gracias a ella, las plantas, algas y cianobacterias producen la materia orgánica que es esencial para todos los seres vivos. Cada año, los organismos fotosintéticos transforman una enorme cantidad de carbono en materia orgánica, ¡alrededor de 100 mil millones de toneladas!

Las partes de las células vegetales encargadas de la fotosíntesis son los cloroplastos. Son pequeñas estructuras de color verde, gracias a un pigmento llamado clorofila. Dentro de los cloroplastos hay un espacio llamado estroma y unas estructuras planas llamadas tilacoides. En promedio, una célula de hoja puede tener entre cincuenta y sesenta cloroplastos.

Los organismos que realizan la fotosíntesis se llaman fotoautótrofos, porque producen su propio alimento usando la luz. Hay dos tipos principales de fotosíntesis:

• Fotosíntesis oxigénica: Es la que hacen las plantas, algas y cianobacterias. Usan agua y liberan oxígeno.
• Fotosíntesis anoxigénica: La realizan algunas bacterias, como las bacterias púrpuras y verdes del azufre. En lugar de agua, usan sulfuro de hidrógeno y liberan azufre en vez de oxígeno.

Algunos animales, como la babosa marina Elysia chlorotica y la salamandra Ambystoma maculatum, pueden aprovecharse de la fotosíntesis de algas para obtener energía o oxígeno.

A principios de 2009, científicos encontraron cristales de hematita en Australia. Este mineral, muy antiguo, sugiere que hace más de 3.460 millones de años ya existía agua con oxígeno. Esto indicaría que había organismos fotosintéticos que producían oxígeno en ese tiempo.

Historia del estudio de la fotosíntesis

Primeras ideas y descubrimientos (Antigua Grecia - Siglo XIX)

Desde la Antigua Grecia, el filósofo Aristóteles pensó que la luz del sol estaba relacionada con el color verde de las hojas. Sin embargo, esta idea no fue muy popular en su época. Se creía que las plantas obtenían todo su alimento de la tierra.

En el siglo XVII, Stephen Hales, considerado el padre de la fisiología vegetal, retomó estas ideas. Sugirió que las plantas usaban el aire que entraba por sus hojas como alimento.

Personajes clave en el estudio de la fotosíntesis: Aristóteles, Stephen Hales, Joseph Priestley, Justus von Liebig y Julius Sachs.

Durante el siglo XVIII, la química y la biología empezaron a unirse. En la década de 1770, el científico Joseph Priestley descubrió que las plantas producían oxígeno. Se dio cuenta de que este proceso era lo contrario a la respiración de los animales, que consume oxígeno. Priestley también notó que las plantas liberaban dióxido de carbono en la oscuridad, pero no pudo entender completamente estos resultados.

En 1778, el médico Jan Ingenhousz realizó muchos experimentos. Descubrió que las plantas, con luz solar, liberaban más oxígeno del que consumían. También demostró que la fotosíntesis solo ocurría en las partes verdes de la planta y necesitaba luz solar. Incluso recomendó sacar las plantas de las casas por la noche para evitar problemas.

Jean Senebier, otro científico, confirmó que la luz era necesaria para que las plantas asimilaran dióxido de carbono y liberaran oxígeno. También vio que sin dióxido de carbono, no había liberación de oxígeno, incluso con luz.

Nicolas-Théodore de Saussure demostró que el crecimiento de las plantas dependía del dióxido de carbono del aire y del agua. También estudió la respiración de las plantas y la importancia de los minerales para su nutrición.

El químico alemán Justus von Liebig confirmó que el carbono de las plantas viene del dióxido de carbono del aire, y el resto de los nutrientes, del suelo.

A principios del siglo XIX, los científicos Pelletier y Caventou nombraron "clorofila" a los pigmentos verdes de las plantas. Henri Dutrochet descubrió que el dióxido de carbono entra por los estomas (pequeños poros en las hojas) y que solo las células con clorofila producen oxígeno. Julius Sachs relacionó la clorofila con la producción de almidón y formuló la ecuación básica de la fotosíntesis:

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Andreas Franz Wilhelm Schimper llamó "cloroplastos" a las estructuras verdes y describió su forma.

Avances en el Siglo XX

En 1905, Frederick Frost Blackman estudió la velocidad de la fotosíntesis. Descubrió que la luz y la temperatura son factores clave. Si la luz es tenue, aumentar la temperatura no ayuda. Pero con luz intensa, un aumento de temperatura sí acelera la fotosíntesis, hasta que hace demasiado calor (más de 30 °C), momento en que el proceso se ralentiza o se detiene.

Fotografía de Melvin Calvin.

En la década de 1920, Cornelius Bernardus van Niel sugirió que el oxígeno liberado en la fotosíntesis venía del agua, no del dióxido de carbono. Esta idea se confirmó en 1941.

En 1937, Robert Hill demostró que los cloroplastos pueden producir oxígeno sin dióxido de carbono, lo que apoyó la idea de que el agua es la fuente de electrones.

En la década de 1940, el químico estadounidense Melvin Calvin investigó la fotosíntesis. Usando carbono radioactivo, descubrió la secuencia de reacciones químicas que las plantas usan para transformar dióxido de carbono y agua en azúcares y oxígeno. Este proceso se conoce como el ciclo de Calvin, y le valió el Premio Nobel de Química en 1961.

Daniel Arnon, un fisiólogo vegetal, hizo importantes descubrimientos. En 1954, él y sus colegas lograron que componentes de hojas de espinaca realizaran fotosíntesis fuera de la célula, explicando cómo se produce el ATP.

En 1982, los químicos alemanes Johann Deisenhofer, Hartmut Michel y Robert Huber analizaron la estructura del centro de reacción fotosintético de una bacteria. Usaron una técnica especial para ver la forma tridimensional de esta proteína, lo que ayudó a entender mejor cómo funciona la fotosíntesis.

El cloroplasto

Esquema ilustrativo de las clases de plastos.

Los cloroplastos son orgánulos presentes solo en las células fotosintéticas. Usan la energía de la luz para producir ATP y NADPH, que luego se usan para crear azúcares. Al igual que las mitocondrias, los cloroplastos tienen su propio ADN y se cree que se originaron de bacterias que vivían dentro de otras células.

Cómo se desarrollan

En las células jóvenes de las plantas, hay proplastos, que son como cloroplastos en desarrollo. En las plantas con flores y coníferas, la luz es la señal para que los proplastos se conviertan en cloroplastos. Con la luz, se forman los pigmentos que absorben la luz y las membranas internas de los cloroplastos.

Si una semilla germina sin luz, los proplastos se convierten en etioplastos, que tienen un pigmento amarillo-verdoso llamado protoclorofila. Cuando estos etioplastos se exponen a la luz, se transforman en cloroplastos, y la protoclorofila se convierte en clorofila. Si los cloroplastos permanecen mucho tiempo en la oscuridad, pueden volver a ser etioplastos.

Los cloroplastos también pueden transformarse en cromoplastos (que dan color a los frutos maduros) o pueden formarse a partir de amiloplastos (que almacenan almidón), lo que explica por qué algunas raíces se ponen verdes si les da el sol.

Estructura y cantidad

Células vegetales, en cuyo interior se vislumbran los cloroplastos.

Los cloroplastos son estructuras verdes de varias formas. Su color se debe a la clorofila. Están rodeados por dos membranas, una externa y una interna, que controlan el paso de sustancias.

En las plantas superiores, los cloroplastos suelen tener forma de disco. Una célula de hoja tiene, en promedio, entre cuarenta y cincuenta cloroplastos. En las algas, el número y la forma pueden variar mucho. Por ejemplo, el alga Spirogyra solo tiene dos cloroplastos en forma de cinta espiral.

Dentro de los cloroplastos, en el estroma, hay ADN, enzimas y gránulos de almidón. También hay muchos sacos planos llamados tilacoides. Las membranas de los tilacoides contienen los pigmentos y proteínas que capturan la luz y producen ATP. Los tilacoides pueden estar sueltos o apilados en grupos llamados grana.

Función principal

Ecuación de la fotosíntesis oxigénica, función característica de los cloroplastos.

La función más importante de los cloroplastos es la fotosíntesis. En este proceso, la energía solar se usa para transformar materia inorgánica en materia orgánica. Esto ocurre en dos fases: la fase luminosa (que usa la luz) y la fase oscura (que no necesita luz directamente). En el estroma también se producen proteínas y se replica el ADN.

Fase luminosa o fotoquímica

En la fase luminosa, la clorofila absorbe la energía de la luz. Esta energía "excita" los electrones de la clorofila, que saltan a otras moléculas. Así se crea una corriente de electrones dentro del cloroplasto. Esta energía de los electrones se usa para producir ATP y NADPH. Ambos compuestos son esenciales para la siguiente fase, el ciclo de Calvin, donde se formarán los azúcares. Los electrones que pierde la clorofila se reponen con electrones del agua, y al dividirse el agua, se libera el oxígeno que respiramos.

Hay dos formas en que los electrones se mueven en esta fase:

• Fotofosforilación acíclica (oxigénica): Es la más común. Los fotones (partículas de luz) golpean el fotosistema II, liberando electrones. Estos electrones son reemplazados por los del agua, que se divide en protones y oxígeno. El oxígeno se libera. Los electrones pasan por una cadena de transporte, liberando energía que se usa para crear ATP. Luego, los electrones llegan al fotosistema I, donde son excitados de nuevo por la luz y finalmente se usan para formar NADPH. El resultado es oxígeno, ATP y NADPH.

• Fase luminosa cíclica (anoxigénica): En esta fase solo participa el fotosistema I. Los electrones se mueven en un ciclo, produciendo solo ATP. No se libera oxígeno ni se forma NADPH. Esta fase ayuda a producir más ATP cuando la planta lo necesita para la fase oscura.

Esquema de la etapa fotoquímica, que se produce en los tilacoides.

Fase oscura o sintética

Esquema simplificado del ciclo de Calvin.

La fase oscura ocurre en el estroma de los cloroplastos. Se llama "oscura" no porque suceda de noche, sino porque no necesita luz directamente. En esta fase, el ATP y el NADPH de la fase luminosa se usan para crear materia orgánica a partir de sustancias inorgánicas como el dióxido de carbono. Esta fase incluye el ciclo de Calvin, que tiene tres pasos:

1. Fijación del carbono: El dióxido de carbono del aire se une a una molécula llamada ribulosa-1,5-bifosfato, con la ayuda de una enzima llamada RuBisCO. Esto forma un compuesto inestable que se divide en dos moléculas de tres carbonos. Las plantas que siguen esta vía se llaman C3. Algunas plantas tropicales, como las de desierto, tienen una vía diferente (C4) donde el primer producto tiene cuatro carbonos.

2. Reducción: Las moléculas de tres carbonos se transforman en gliceraldehído 3-fosfato, usando el ATP y NADPH. Este gliceraldehído puede usarse para regenerar la ribulosa-1,5-bifosfato o para crear otros compuestos como aminoácidos, ácidos grasos y almidón. También puede formar glucosa y fructosa, que se combinan para hacer sacarosa (el azúcar que transporta la planta).

3. Regeneración: La ribulosa-1,5-difosfato se regenera a partir del gliceraldehído 3-fosfato, para que el ciclo pueda continuar.

• Síntesis de compuestos con nitrógeno: Con el ATP y NADPH, las plantas pueden transformar los nitratos del suelo en amoniaco. Este amoniaco se usa para formar aminoácidos, que son los bloques de construcción de las proteínas. Algunas bacterias y cianobacterias pueden incluso usar el nitrógeno del aire para esto.

Esquema en el que se muestra el proceso seguido en la síntesis de compuestos orgánicos nitrogenados.

• Síntesis de compuestos con azufre: De manera similar, el ATP y NADPH se usan para transformar los sulfatos en sulfuro de hidrógeno. Este se combina con otras moléculas para formar el aminoácido cisteína, que también es parte de las proteínas.

Fotorrespiración

La piña (Ananas comosus), que pertenece a la familia Bromeliaceae, tiene un metabolismo de tipo CAM, que poseen muchas plantas crasuláceas.

La fotorrespiración es un proceso que ocurre en las plantas cuando hace mucho calor y el ambiente es seco. Para evitar perder agua, las plantas cierran sus estomas (pequeños poros en las hojas). Esto hace que el dióxido de carbono dentro de la hoja disminuya y el oxígeno aumente.

Cuando hay mucho oxígeno y poco dióxido de carbono, la enzima RuBisCO, que normalmente fija el dióxido de carbono, empieza a reaccionar con el oxígeno. Esto es un problema para la planta porque consume energía y no produce azúcares, deshaciendo parte del trabajo de la fotosíntesis.

Ruta de Hatch-Slack o de las plantas C4

Las plantas que viven en climas tropicales, donde la fotorrespiración sería un gran problema, tienen una forma diferente de captar el dióxido de carbono. Estas plantas, llamadas C4, tienen dos tipos de cloroplastos en sus hojas. Primero, el dióxido de carbono se fija en las células externas de la hoja usando una enzima que no se ve afectada por el oxígeno. Se forma un compuesto de cuatro carbonos. Luego, este compuesto se transporta a las células internas, donde se libera el dióxido de carbono para que pueda entrar en el ciclo de Calvin sin problemas de fotorrespiración.

Las plantas CAM

Las plantas CAM (Metabolismo Ácido de las Crasuláceas) son comunes en zonas desérticas o muy secas, con mucha luz y altas temperaturas. Para evitar perder agua, estas plantas abren sus estomas solo por la noche. Durante la noche, capturan dióxido de carbono y lo almacenan. Durante el día, con los estomas cerrados, liberan ese dióxido de carbono almacenado para usarlo en el ciclo de Calvin.

Aunque las plantas CAM crecen más lento, esta adaptación les permite sobrevivir en ambientes extremos, minimizando la pérdida de agua. Algunas plantas pueden cambiar su metabolismo y usar el ciclo CAM solo cuando están bajo estrés, como la Mesembryanthemum crystallinum.

Cuadro comparativo de plantas C₃, C₄ y CAM

Fotosistemas y pigmentos fotosintéticos

Los fotosistemas

Los pigmentos que capturan la luz están dentro de unas proteínas llamadas fotosistemas. Cada fotosistema tiene dos partes: la antena y el centro de reacción.

La antena (también llamada LHC) tiene muchos pigmentos que capturan la luz y la transfieren al centro de reacción. El centro de reacción (también llamado CC) contiene un pigmento especial, el pigmento diana, que es el primero en liberar electrones.

Fotosistema I y Fotosistema II

• El Fotosistema I (PSI) capta luz de hasta 700 nm. En las plantas, su antena tiene mucha clorofila α. El pigmento diana se llama clorofila P700. Se encuentra principalmente en los tilacoides del estroma.
• El Fotosistema II (PSII) capta luz de hasta 680 nm.

Los pigmentos fotosintéticos y la absorción de la luz

Los pigmentos fotosintéticos son moléculas especiales que se unen a proteínas en las membranas. Tienen una estructura que les permite capturar la luz y empezar reacciones químicas. También son los que dan color a las plantas. Los principales pigmentos en las plantas son las clorofilas y los carotenoides. Las cianobacterias y algas rojas también tienen ficocianina y ficoeritrina, y las bacterias fotosintéticas tienen bacterioclorofila.

La clorofila tiene un átomo de magnesio en el centro. Hay dos tipos principales: clorofila a y clorofila b, que absorben luz en diferentes longitudes de onda (azul y rojo).

Los carotenoides son pigmentos rojos (carotenos) y amarillos (xantofilas). Las ficocianinas son azules y las ficoeritrinas son rojas.

Cuando un fotón de luz golpea un electrón de un pigmento, el electrón absorbe esa energía y "salta" a un nivel de energía más alto. Si el pigmento estuviera solo, la energía se liberaría como calor o luz. Pero como los pigmentos están muy cerca, la energía se transfiere de uno a otro hasta llegar al pigmento diana, que es el que inicia la reacción fotosintética.

Solo el 40% de la energía que llega a los cloroplastos es luz visible, que es la única que las plantas pueden usar para la fotosíntesis.

Factores externos que influyen en la fotosíntesis

Varios factores del ambiente pueden afectar la eficiencia de la fotosíntesis de una planta:

• La temperatura: Cada planta tiene un rango de temperaturas ideal. Dentro de ese rango, la fotosíntesis aumenta con la temperatura, pero si hace demasiado calor, las enzimas se dañan y el proceso disminuye.

• La concentración de dióxido de carbono: Si hay mucha luz, un aumento en la cantidad de dióxido de carbono en el aire aumenta la fotosíntesis, hasta cierto punto.
• La concentración de oxígeno: Cuanto más oxígeno hay en el aire, menor es la fotosíntesis, debido a la fotorrespiración.
• La intensidad luminosa: Cada planta necesita una cantidad de luz específica. A mayor intensidad de luz, mayor fotosíntesis, hasta que la luz es demasiada y puede dañar los pigmentos. Las plantas C4, adaptadas a climas cálidos, son más eficientes con luz intensa que las C3.
• El tiempo de iluminación: Algunas plantas producen más fotosíntesis cuantas más horas de luz tienen, mientras que otras necesitan alternar luz y oscuridad.
• La escasez de agua: Si hay poca agua, la planta cierra sus estomas para no deshidratarse. Esto dificulta la entrada de dióxido de carbono y aumenta la fotorrespiración, reduciendo la fotosíntesis. Por eso, las plantas C4 son más eficientes que las C3 en condiciones de sequía.
• El color de la luz: Los diferentes pigmentos absorben diferentes colores de luz. La clorofila absorbe luz azul y roja. Los carotenoides absorben luz azul. Las ficocianinas y ficoeritrinas absorben otros colores. Si la luz es de una longitud de onda muy larga (más de 680 nm), el fotosistema II no funciona, lo que reduce la eficiencia de la fotosíntesis.

Fotosíntesis anoxigénica o bacteriana

Las bacterias que realizan fotosíntesis anoxigénica solo tienen fotosistemas I. Esto significa que no pueden usar agua como fuente de electrones y, por lo tanto, no producen oxígeno. En su lugar, usan otras moléculas como el sulfuro de hidrógeno.

Hay tres tipos principales de bacterias fotosintéticas:

• Sulfobacterias purpúreas: Usan sulfuro de hidrógeno y almacenan azufre dentro de ellas.
• Sulfobacterias verdes: También usan sulfuro de hidrógeno, pero no almacenan azufre dentro.
• Bacterias verdes sin azufre: Usan materia orgánica, como el ácido láctico, como fuente de electrones.

Los pigmentos de estas bacterias se llaman bacterioclorofilas. Al igual que en la fotosíntesis oxigénica, tienen una fase que depende de la luz y otra que no.

Fotosíntesis artificial

Actualmente, los científicos están investigando cómo imitar la fotosíntesis de forma artificial. El objetivo es poder capturar la energía solar a gran escala en el futuro. Aunque aún no se ha logrado una molécula artificial perfecta, las investigaciones son prometedoras.

Intentos de imitar las estructuras fotosintéticas

Desde hace décadas, se busca crear sistemas artificiales que imiten la fotosíntesis. A menudo, se reemplaza la clorofila con otros compuestos químicos que pueden captar la luz. El desafío es saber qué hacer con los electrones liberados.

Molécula de fullereno C60, llamada buckminsterfullereno, con forma igual a la de una pelota de fútbol.

En 1981, se creó el primer cloroplasto artificial. Era una mezcla de compuestos que, al ser iluminados, podían dividir el agua y producir hidrógeno y oxígeno. Aunque era mucho más grande y menos eficiente que un cloroplasto natural, fue un gran avance.

En 1998, un equipo de la Universidad Estatal de Arizona mejoró el cloroplasto artificial. Le añadieron una especie de membrana y una enzima que produce ATP. Con estas mejoras, lograron que se comportara de forma similar a los cloroplastos reales, produciendo ATP a partir de la luz solar.

En 1999, científicos unieron cuatro moléculas de clorofila a una "bola" de fullereno C60. Cuando la luz incidía, los electrones se movían a la bola de fullereno, que se cargaba eléctricamente y mantenía su carga estable.

Célula de Grätzel

Las células de Grätzel son dispositivos que usan dióxido de titanio y un colorante para capturar la luz, de forma similar a la fotosíntesis. El colorante puede ser natural, como la clorofila.

Aunque estas células solares existen desde 1972, su eficiencia aún es limitada. Los investigadores trabajan para hacerlas más eficientes y prácticas. Algunas empresas ya están empezando a producir estas células a gran escala.

Disoluciones homogéneas

En 2001, investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts lograron producir hidrógeno a partir de ácido clorhídrico, usando un compuesto con átomos de rodio como catalizador. Aunque el catalizador necesita ser repuesto, esta investigación abre caminos para obtener hidrógeno de forma más limpia.

Casos excepcionales en animales relacionados con la fotosíntesis

Aunque la fotosíntesis es propia de plantas y otros organismos, algunos animales se benefician de ella de formas interesantes.

Elysia chlorotica

Esta babosa marina, que parece una hoja, puede "robar" los cloroplastos de las algas que come. Los cloroplastos permanecen intactos en su sistema digestivo y la babosa los usa para hacer fotosíntesis. Así, puede obtener energía y sobrevivir varios meses sin comer. Por eso, la babosa adquiere un color verde característico.

Ambystoma maculatum

El alga Oophila amblystomatis entra en los huevos de esta salamandra. La membrana del huevo protege al embrión de la deshidratación, pero también dificulta el intercambio de gases. El alga, al hacer fotosíntesis, produce oxígeno que el embrión de la salamandra necesita para desarrollarse. A cambio, la salamandra produce dióxido de carbono que el alga consume. Es una relación de ayuda mutua entre ambos organismos.

Véase también

En inglés: Photosynthesis Facts for Kids

• Radiación Fotosintéticamente Activa
• Anabolismo
• Fotosíntesis artificial
• Fisiología vegetal