5.1: Visión general de la fotosíntesis

Todos los organismos vivos de la tierra consisten en 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 son producidas por un solo proceso: la fotosíntesis. A través de la fotosíntesis, ciertos organismos convierten la energía solar (luz solar) en energía química, que luego se utiliza para construir moléculas de carbohidratos. La energía utilizada para mantener unidas estas moléculas se libera cuando un organismo descompone los alimentos. Luego, las células utilizan esta energía para realizar trabajos, como la respiración celular.

La energía que se aprovecha de la fotosíntesis ingresa continuamente a los ecosistemas de nuestro planeta 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 requieren los seres vivos en la tierra. La fotosíntesis también da como resultado la liberación de oxígeno a la atmósfera. En definitiva, para comer y respirar, los humanos dependen casi en su totalidad de los organismos que realizan la fotosíntesis.

CONCEPT EN ACCIÓN

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Dependencia Solar y Producción de Alimentos

Algunos organismos pueden realizar fotosíntesis, mientras que otros no. Un autótrofo es un organismo que puede producir su propio alimento. Las raíces griegas de la palabra autotrofo significan “self” (auto) “feeder” (troph). Las plantas son los autótrofos más conocidos, pero existen otros, entre ellos ciertos tipos de bacterias y algas (Figura\(\PageIndex{1}\)). Las algas oceánicas aportan enormes cantidades de alimentos y oxígeno a las cadenas alimentarias mundiales. Las plantas también son fotoautótrofos, 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 de luz solar.

Figura\(\PageIndex{1}\): (a) Las plantas, (b) las algas, y (c) ciertas bacterias, llamadas cianobacterias, son fotoautótrofos que pueden llevar a cabo la fotosíntesis. Las algas pueden crecer sobre enormes áreas en el agua, a veces cubriendo completamente la superficie. (crédito a: Steve Hillebrand, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de Estados Unidos; crédito b: “eutrofización e hipoxia” /Flickr; crédito c: NASA; datos de barra de escala de Matt Russell)

Los heterótrofos son organismos incapaces de fotosíntesis que, por lo tanto, deben obtener energía y carbono de los alimentos consumiendo otros organismos. Las raíces griegas de la palabra heterótrofo significan “otro” (hetero) “alimentador” (trofo), lo que significa que su alimento proviene de otros organismos. Aunque el organismo alimentario sea otro animal, este alimento remonta sus orígenes a los autótrofos y al proceso de fotosíntesis. Los humanos son heterótrofos, al igual que todos los animales. Los heterótrofos dependen de autótrofos, ya sea directa o indirectamente. Los ciervos y los lobos son heterótrofos. Un venado obtiene energía al comer plantas. Un lobo que se come un venado obtiene energía que originalmente provenía de las plantas que comía ese venado. La energía en la planta provino de la fotosíntesis, y por lo tanto es el único autótrofo en este ejemplo (Figura\(\PageIndex{2}\)). Utilizando este razonamiento, todos los alimentos que comen los humanos también se vinculan con autótrofos que realizan la fotosíntesis.

Figura\(\PageIndex{2}\): La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que se come a estos venados está recibiendo energía que se originó en la vegetación fotosintética que consumía el venado. (crédito: Steve VanRiper, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de los Estados Unidos)

BIOLOGÍA EN ACCIÓN: Fotosíntesis en el supermercado

Las principales tiendas de abarrotes en Estados Unidos están organizadas en departamentos, como lácteos, carnes, productos, pan, cereales, etc. Cada pasillo contiene cientos, si no miles, de diferentes productos para que los clientes compren y consuman (Figura\(\PageIndex{3}\)).

Figura\(\PageIndex{3}\): La fotosíntesis es el origen de los productos que componen los principales elementos de la dieta humana. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)

Aunque existe una gran variedad, cada ítem enlaza de nuevo con la fotosíntesis. Las carnes y los productos lácteos se vinculan a la fotosíntesis porque los animales fueron alimentados con alimentos de origen vegetal. Los panes, cereales y pastas provienen en gran parte de granos, que son semillas de plantas fotosintéticas. ¿Qué pasa con los postres y las bebidas? Todos estos productos contienen azúcar, la molécula básica de carbohidratos producida directamente a partir de la fotosíntesis. La conexión de la fotosíntesis se aplica a cada comida y a cada alimento que consume una persona.

Estructuras Principales y Resumen de la Fotosíntesis

La fotosíntesis requiere luz solar, dióxido de carbono y agua como reactivos de partida (Figura\(\PageIndex{4}\)). Una vez completado el proceso, la fotosíntesis libera oxígeno y produce moléculas de carbohidratos, más comúnmente glucosa. Estas moléculas de azúcar contienen la energía que los seres vivos necesitan para sobrevivir.

Figura\(\PageIndex{4}\): La fotosíntesis utiliza energía solar, dióxido de carbono y agua para liberar oxígeno y producir moléculas de azúcar que almacenan energía.

Las complejas reacciones de la fotosíntesis se pueden resumir mediante la ecuación química mostrada en la Figura\(\PageIndex{5}\).

Figura\(\PageIndex{5}\): El proceso de fotosíntesis se puede representar mediante una ecuación, en la que el dióxido de carbono y el agua producen azúcar y oxígeno utilizando energía de la luz solar.

Si bien la ecuación parece simple, los muchos pasos que se dan durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos, ya que en la forma en que la reacción que resume la respiración celular representó muchas reacciones individuales. Antes de conocer los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras físicas involucradas.

En las plantas, la fotosíntesis se realiza principalmente en las hojas, que constan de muchas capas de células y tienen lados superiores e inferiores diferenciados. El proceso de fotosíntesis ocurre no en las capas superficiales de la hoja, sino en una capa media llamada mesófila (Figura\(\PageIndex{6}\)). El intercambio gaseoso de dióxido de carbono y oxígeno ocurre a través de pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas.

En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis se lleva a cabo 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 tilacoidea se encuentran moléculas de clorofila, un pigmento (una molécula que absorbe la luz) a través del cual comienza todo el proceso de fotosíntesis. La clorofila es responsable del color verde de las plantas. La membrana tilacoidea encierra un espacio interno llamado espacio tilacoideo. Otros tipos de pigmentos también están involucrados en la fotosíntesis, pero la clorofila es con mucho la más importante. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{6}\), una pila de tilacoides se llama gránulo, y el espacio que rodea al gránulo se llama estroma (que no debe confundirse con los estomas, las aberturas en las hojas).

CONEXIÓN ART

Figura\(\PageIndex{6}\): No todas las células de una hoja realizan fotosíntesis. Las células dentro de la capa media de una hoja tienen cloroplastos, que contienen el aparato fotosintético. (crédito “hoja”: modificación de obra por 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 se realiza en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo Calvino. En las reacciones dependientes de la luz, que tienen lugar en la membrana tilacoidea, la clorofila absorbe energía de la luz solar y luego la convierte en energía química con el uso del agua. Las reacciones dependientes de la luz liberan oxígeno de la hidrólisis del agua como subproducto. En el ciclo Calvino, 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 moléculas de azúcar. Las dos reacciones utilizan moléculas portadoras para transportar la energía de una a otra. Los portadores que mueven la energía de las reacciones dependientes de la luz a las reacciones del ciclo Calvino pueden ser considerados como “llenos” porque traen energía. Después de que se libera la energía, los portadores de energía “vacíos” regresan a las reacciones dependientes de la luz para obtener más energía.

Resumen

El proceso de fotosíntesis transformó la vida en la tierra. Al aprovechar la energía del sol, la fotosíntesis permitió que los seres vivos accedieran a enormes cantidades de energía. Debido a la fotosíntesis, los seres vivos obtuvieron acceso a la energía suficiente, lo que les permitió evolucionar nuevas estructuras y lograr la biodiversidad que hoy es evidente.

Solo 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 lumínica en energía química. La fotosíntesis utiliza dióxido de carbono y agua para ensamblar moléculas de carbohidratos (generalmente glucosa) y libera oxígeno al aire. Los autótrofos eucariotas, como las plantas y las algas, tienen orgánulos llamados cloroplastos en los que tiene lugar la fotosíntesis.

Conexiones de arte

Figura\(\PageIndex{6}\): En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar el agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?

Contestar

Los niveles de dióxido de carbono (un reactivo) caerán y los niveles de oxígeno (un producto) aumentarán. Como resultado, la tasa de fotosíntesis se ralentizará.

Glosario

autótrofo

un organismo capaz de producir su propio alimento

clorofila

el pigmento verde que captura la energía lumínica que impulsa las reacciones de la fotosíntesis

cloroplasto

el orgánulo donde se lleva a cabo la fotosíntesis

granum

una pila de tilacoides ubicados dentro de un cloroplasto

heterótrofo

un organismo que consume otros organismos para la alimentación

reacción dependiente de la luz

la primera etapa de la fotosíntesis donde la luz visible es absorbida para formar dos moléculas portadoras de energía (ATP y NADPH)

mesófilo

la capa media de células en una hoja

fotoautótrofo

un organismo capaz de sintetizar sus propias moléculas alimenticias (almacenar energía), utilizando la energía de la luz

pigmento

una molécula que es capaz de absorber energía lumínica

estoma

la apertura que regula el intercambio de gases y la regulación del agua entre las hojas y el ambiente; plural: estomas

estroma

el espacio lleno de fluido que rodea el grana dentro de un cloroplasto donde tienen lugar las reacciones de fotosíntesis del ciclo Calvino

tilacoides

una estructura membranosa en forma de disco dentro de un cloroplasto donde las reacciones de fotosíntesis dependientes de la luz tienen lugar usando clorofila incrustada en las membranas

Colaboradores y Atribuciones

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