4.9: Fotosíntesis - Descubrir los secretos

Este capítulo habla sobre diversos científicos y su camino hacia el descubrimiento de la fotosíntesis.

van Helmont

Quizás el primer experimento diseñado para explorar la naturaleza de la fotosíntesis fue el reportado por el médico holandés van Helmont en 1648. Algunos años antes, van Helmont había colocado en una maceta grande exactamente 200 libras (91 kg) de tierra que había sido completamente secada en un horno. Después humedeció el suelo con agua de lluvia y plantó un brote de sauce de 5 libras (2.3 kg) en él. Después colocó la olla en el suelo y cubrió su borde con una placa perforada de hierro. Las perforaciones permitieron que el agua y el aire llegaran al suelo pero disminuyeron la posibilidad de que la suciedad u otros desechos fueran soplados en la maceta desde el exterior.

Durante cinco años, van Helmont mantuvo su planta regada con agua de lluvia o agua destilada. Al final de ese tiempo, retiró cuidadosamente el árbol joven y encontró que había ganado 164 libras, 3 onzas (74.5 kg). (Esta cifra no incluía el peso de las hojas que se habían desprendido durante los cuatro otoñales anteriores). Luego volvió a secar el suelo y encontró que pesaba sólo 2 onzas (57 g) menos que las 200 libras originales (91 kg). Ante estos hechos experimentales, van Helmont teorizó que el aumento de peso del sauce surgió solo del agua. No consideró la posibilidad de que los gases en el aire pudieran estar involucrados.

Joseph Priestley

La primera evidencia de que los gases participan en la fotosíntesis fue reportada por Joseph Priestley en 1772. Sabía que si se coloca una vela encendida en una cámara sellada, la vela pronto se apaga. Si luego se coloca un ratón en la cámara, pronto se sofoca porque el proceso de combustión ha consumido todo el oxígeno del aire —el gas del que depende la respiración animal. Sin embargo, Priestley descubrió que si una planta se coloca en una atmósfera que carece de oxígeno, pronto repone el oxígeno, y un ratón puede sobrevivir en la mezcla resultante. Priestley pensó (erróneamente) que fue simplemente el crecimiento de la planta lo que dio cuenta de esto.

Ingen-Housz

Fue otro médico holandés, Ingen-Housz, quien descubrió en 1778 que el efecto observado por Priestley se produjo sólo cuando la planta estaba iluminada. Una planta que se mantiene en la oscuridad en una cámara sellada consume oxígeno tal como lo hace un ratón (o vela).

Ingen-Housz también demostró que solo las partes verdes de las plantas liberaron oxígeno durante la fotosíntesis. La estructura de las plantas no verdes, como los tallos leñosos, las raíces, las flores y los frutos, realmente consumen oxígeno en el proceso de respiración. Ahora sabemos que esto se debe a que la fotosíntesis sólo puede continuar en presencia del pigmento verde clorofila.

Jean Senebier

El crecimiento de las plantas va acompañado de un incremento en su contenido de carbono. Un ministro suizo, Jean Senebier, descubrió que la fuente de este carbono es el dióxido de carbono y que la liberación de oxígeno durante la fotosíntesis acompaña a la captación de dióxido de carbono. Senebier concluyó (erróneamente como resultó) que en la fotosíntesis el dióxido de carbono se descompone, incorporándose el carbono a la materia orgánica de la planta y liberándose el oxígeno.

CO ₂ + H ₂ O → (CH ₂ O) + O ₂

(Los paréntesis alrededor del CH ₂ O significan que no se está indicando ninguna molécula específica sino, en cambio, la relación de átomos en algunos carbohidratos, por ejemplo, glucosa, C ₆ H ₁₂ O 6.) La ecuación también indica que la relación entre el dióxido de carbono consumido y la liberación de oxígeno es 1:1, hallazgo que se demostró cuidadosamente en los años posteriores al trabajo de Senebier. Usando glucosa como producto carbohidrato, podemos escribir la ecuación para la fotosíntesis como

6CO ₂ + 6H ₂ O → C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

F. Blackman

Figura\(\PageIndex{1}\): (izquierda) Experimento de Elodea por Blackman (derecha) Interpretación gráfica del experimento Blackman

La ecuación anterior muestra la relación entre las sustancias utilizadas y producidas por el proceso. No nos dice nada sobre los pasos intermedios. Esa fotosíntesis implica al menos dos procesos bastante distintos que se hicieron evidentes a partir de los experimentos del fisiólogo vegetal británico F. F. Blackman. Sus resultados se pueden duplicar fácilmente usando la configuración de la Figura 4.9.1. La planta de agua verde Elodea (disponible dondequiera que se vendan suministros para acuarios) es el organismo de prueba. Cuando una ramita se coloca boca abajo en una solución diluida de NaHCO ₃ (que sirve como fuente de CO ₂) y se ilumina con una lámpara de inundación, pronto se desprenden burbujas de oxígeno de la porción cortada del tallo. Luego se cuenta el número de burbujas emitidas en un intervalo de tiempo fijo en cada una de varias intensidades de luz. Al trazar estos datos se obtiene una gráfica como la de la Figura 4.9.2.

Dado que la tasa de fotosíntesis no continúa aumentando indefinidamente con el aumento de la iluminación, Blackman concluyó que al menos están involucrados dos procesos distintos: uno, una reacción que requiere luz y el otro, una reacción que no lo hace. A esta última se le llama una reacción “oscura” aunque puede continuar a la luz. Blackman teorizó que a intensidades de luz moderadas, la reacción “ligera” limita o “avanza” todo el proceso. Es decir, a estas intensidades la reacción oscura es capaz de manejar todas las sustancias intermedias producidas por la reacción de luz. Sin embargo, con intensidades de luz crecientes, finalmente se alcanza un punto cuando la reacción oscura está trabajando a su máxima capacidad. Cualquier iluminación adicional es ineficaz y el proceso alcanza un ritmo constante.

Esta interpretación se fortalece repitiendo el experimento como una temperatura algo superior. La mayoría de las reacciones químicas proceden más rápidamente a temperaturas más altas (hasta cierto punto). A 35°C, la tasa de fotosíntesis no se nivela hasta que se presentan mayores intensidades de luz. Esto sugiere que la reacción oscura ahora está funcionando más rápido. El hecho de que a bajas intensidades de luz la velocidad de fotosíntesis no sea mayor a 35°C que a 20°C también respalda la idea de que es una reacción lumínica que está limitando el proceso en este rango. Las reacciones de luz dependen, no de la temperatura, sino simplemente de la intensidad de la iluminación.

El aumento de la tasa de fotosíntesis con aumento de temperatura no ocurre si el suministro de CO ₂ es limitado. Como muestra la figura, la tasa global de fotosíntesis alcanza un valor constante a menores intensidades de luz si la cantidad de CO ₂ disponible es limitada. Por lo tanto, la concentración de CO ₂ debe agregarse como tercer factor que regula la velocidad a la que se produce la fotosíntesis. Como cuestión práctica, sin embargo, la concentración disponible para las plantas terrestres es simplemente la que se encuentra en la atmósfera: 0.035%.

Van Niel

Fue el microbiólogo estadounidense Van Niel quien vislumbró por primera vez el papel que juega la luz en la fotosíntesis. Estudió fotosíntesis en bacterias de azufre púrpura. Estos microorganismos sintetizan glucosa a partir de CO ₂ al igual que las plantas verdes, y necesitan luz para hacerlo. El agua, sin embargo, no es el material de partida. En su lugar utilizan sulfuro de hidrógeno (H ₂ S). Además, no se libera oxígeno durante esta fotosíntesis sino azufre elemental. Van Niel razonó que la acción de la luz provocó una descomposición de H ₂ S en átomos de hidrógeno y azufre. Luego, en una serie de reacciones oscuras, se utilizaron los átomos de hidrógeno para reducir el CO ₂ a carbohidratos:

\[\ce{CO2 + 2H2S → (CH2O) + H2O + 2S}\]

Van Niel imaginó un paralelo al proceso de fotosíntesis tal como ocurre en las plantas verdes. Allí la energía de la luz hace que el agua se descomponga en hidrógeno y oxígeno. Los átomos de hidrógeno se utilizan para reducir el CO ₂ en una serie de reacciones oscuras:

\[\ce{CO2 + 2H2O → (CH2O) + H2O + O2}\]

Si esta teoría es correcta, entonces se deduce que todo el oxígeno liberado durante la fotosíntesis proviene del agua así como todo el azufre producido por las bacterias de azufre púrpura proviene de H ₂ S. Esta conclusión contradice directamente la teoría de Senebier de que el oxígeno liberado en la fotosíntesis proviene del dióxido de carbono. Si la teoría de Van Niel es correcta, entonces la ecuación para la fotosíntesis tendría que ser reescrita:

\[\ce{6CO2 + 12H2O → C6H12O6 + 6 H2O + 6O2}\]

En la ciencia, una teoría debe ser comprobable. Por deducción, se puede hacer una predicción de cómo saldrá un experimento en particular si la teoría es sólida. En este caso, los experimentos cruciales necesarios para probar las dos teorías tuvieron que esperar el momento en que el crecimiento de la investigación atómica permitió producir isótopos distintos a los encontrados naturalmente o en mayores concentraciones de las que se encuentran naturalmente.

Samuel Rubén

En el aire, agua y otros materiales naturales que contienen oxígeno, 99.76% de los átomos de oxígeno son ¹⁶ O y sólo 0.20% de ellos son el isótopo más pesado ¹⁸ O. En 1941, Samuel Ruben y sus compañeros de trabajo de la Universidad de California pudieron para preparar agua especialmente “etiquetada” en la que el 0.85% de las moléculas contenían ¹⁸ átomos de O. Cuando esta agua se suministró a una suspensión de algas fotosintetizadoras, la proporción de ¹⁸ O en el gas oxígeno que se desprendió fue de 0.85%, la misma que la del agua suministrada, y no simplemente el 0.20% encontrado en todas las muestras naturales de oxígeno (y sus compuestos como CO ₂).

		% ^18 O ENCONTRADO EN
EXPERIMENTO		H 2 O	CO 2	O 2
1.	INICIAR	0.85	0.20	—
	ACABADO	0.85	0.61 *	0.86
2.	INICIAR	0.20	0.68	—
	ACABADO	0.20	0.57	0.20

* Un intercambio no bioquímico de átomos de oxígeno entre el agua y los iones bicarbonato utilizados como fuente de CO ₂ explica la captación del isótopo por el CO ₂ en el primer experimento.

Estos resultados demostraron claramente que la interpretación de Senebier fue errónea. Si todo el oxígeno liberado durante la fotosíntesis proviene del dióxido de carbono, esperaríamos que el oxígeno evolucionado en el experimento de Ruben contenga simplemente el 0.20% que se encuentra naturalmente. Si, por otro lado, tanto el dióxido de carbono como el agua contribuyen al oxígeno liberado, esperaríamos que su composición isotópica hubiera sido alguna cifra intermedia. De hecho, la composición isotópica del oxígeno evolucionado fue la misma que la del agua utilizada.

Rubén y sus colegas también prepararon una fuente de dióxido de carbono que se enriqueció en ¹⁸ átomos de O. Cuando las algas realizaron fotosíntesis utilizando este material y agua natural, el oxígeno que se desprendió no se enriqueció en ¹⁸ O. Contuvo simplemente el 0.20% de ¹⁸ O encontrado en el agua natural utilizada. Los átomos pesados presumiblemente se incorporaron en los otros dos productos (carbohidratos y agua subproducto).

Estos experimentos brindaron gran apoyo a la idea de Van Niel de que una función de la luz en la fotosíntesis era la separación de los átomos de hidrógeno y oxígeno de las moléculas de agua. Pero quedaba por averiguar cómo los átomos de hidrógeno se ponían a disposición de las reacciones oscuras.