4.4: La energía ingresa a los ecosistemas mediante la fotosíntesis
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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.
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 a continuación). 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.
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. Ciervos y 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 a continuación). Utilizando este razonamiento, todos los alimentos que comen los humanos también se vinculan con autótrofos que realizan la fotosíntesis.
Estructuras Principales y Resumen de la Fotosíntesis
La fotosíntesis requiere luz solar, dióxido de carbono y agua como reactivos de partida (Figura abajo). 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.
Las complejas reacciones de la fotosíntesis se pueden resumir mediante la ecuación química que se muestra en la Figura a continuación.
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. 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.
La fotosíntesis se realiza dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. 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.
Las dos partes de la fotosíntesis
La fotosíntesis se realiza en dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y el ciclo de Calvino. En las reacciones dependientes de la luz, la clorofila absorbe la 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, 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 considerarse como “llenos” porque aportan 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.
Los heterótrofos son organismos incapaces de fotosíntesis que, por lo tanto, deben obtener energía y carbono de los alimentos consumiendo otros organismos. Los humanos son heterótrofos, al igual que todos los animales. Los heterótrofos dependen de autótrofos, ya sea directa o indirectamente. Utilizando este razonamiento, todos los alimentos que comen los humanos también se vinculan con autótrofos que realizan la fotosíntesis.
Generación de un Transportador de Energía: ATP
La fotosíntesis comienza con las reacciones de luz. Es durante estas reacciones que la energía de la luz solar es absorbida por el pigmento clorofila en las membranas tilacoides del cloroplasto. Posteriormente, la energía se transfiere temporalmente a dos moléculas, ATP (trifosfato de adenosina) y NADPH (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato), las cuales se utilizan en la segunda etapa de la fotosíntesis. La energía que llevan estas moléculas se almacena en un enlace que contiene un solo átomo a la molécula. Para ATP, es un átomo de fosfato, y para el NADPH, es un átomo de hidrógeno. Durante las reacciones lumínicas se utiliza agua y se produce oxígeno. Cuando estas moléculas liberan energía en el ciclo de Calvin, cada una pierde átomos para convertirse en las moléculas de menor energía ADP y NADP+.
El ciclo Calvino
Después de que la energía del sol se convierte y se empaqueta en ATP y NADPH, la celda tiene el combustible necesario para construir alimentos en forma de moléculas de carbohidratos. Las moléculas de carbohidratos elaboradas tendrán una cadena principal de átomos de carbono. Los átomos de carbono utilizados para construir moléculas de carbohidratos provienen del dióxido de carbono, el gas que los animales exhalan con cada respiración. El ciclo de Calvin es el término utilizado para las reacciones de fotosíntesis que utilizan la energía almacenada por las reacciones dependientes de la luz para formar glucosa y otras moléculas de carbohidratos. En las plantas, el dióxido de carbono (\(\ce{CO2}\)) ingresa al cloroplasto a través de los estomas y se difunde en el estroma del cloroplasto, el sitio de las reacciones del ciclo Calvino donde se sintetiza el azúcar. Las reacciones llevan el nombre del científico que las descubrió, y hacen referencia al hecho de que las reacciones funcionan como un ciclo.
El Ciclo Energético
Los seres vivos acceden a la energía al romper las moléculas de carbohidratos. No obstante, si las plantas producen moléculas de carbohidratos, ¿por qué necesitarían descomponerlas? Los carbohidratos son moléculas de almacenamiento para la energía en todos los seres vivos. Aunque la energía se puede almacenar en moléculas como el ATP, los carbohidratos son depósitos mucho más estables y eficientes para la energía química. Los organismos fotosintéticos también llevan a cabo las reacciones de la respiración para cosechar la energía que han almacenado en carbohidratos, por ejemplo, las plantas tienen mitocondrias además de cloroplastos.
Es posible que hayas notado que la reacción general para la fotosíntesis
\[\ce{6CO2} + \ce{6H2O} \rightarrow \ce{C6H12O6} + \ce{6O2}\nonumber \]
es el reverso de la reacción general para la respiración celular:
\[\ce{6O2} + \ce{C6H12O6} \rightarrow \ce{6CO2} + \ce{6H2O}\nonumber \]
La fotosíntesis produce oxígeno como subproducto, y la respiración produce dióxido de carbono como subproducto. En la naturaleza, no existe tal cosa como el desperdicio. Cada átomo de materia se conserva, reciclándose indefinidamente. Las sustancias cambian de forma o se mueven de un tipo de molécula a otro, pero nunca desaparecen. \(\ce{CO2}\)no es más una forma de desechos producidos por la respiración que el oxígeno es un producto de desecho de la fotosíntesis. Ambos son subproductos de reacciones que pasan a otras reacciones. La fotosíntesis absorbe energía para generar carbohidratos en los cloroplastos, y la respiración celular aeróbica libera energía al usar oxígeno para descomponer los carbohidratos. La fotosíntesis y la respiración celular funcionan en un ciclo biológico, permitiendo que los organismos accedan a energía vital que se origina a millones de millas de distancia en una estrella.