Comprender la importancia y el papel de los cloroplastos, la clorofila, la grana, las membranas tilacoides y el estroma en la fotosíntesis. Ubicación, importancia y mecanismos de la fotosíntesis. Estudiar las funciones de los cloroplastos, la clorofila, la grana, las membranas tilacoides y el estroma en la fotosíntesis. Encyclopædia Britannica, Inc. Ver todos los videos de este artículo
fotosíntesis , el proceso por el cual el verde plantas y algunos otros organismos transforman la energía luminosa en energía química. Durante la fotosíntesis en plantas verdes, la energía de la luz se captura y se utiliza para convertir agua , dióxido de carbono y minerales en oxígeno y orgánicos ricos en energía compuestos .
fotosíntesis Diagrama de la fotosíntesis que muestra cómo una planta absorbe el agua, la luz y el dióxido de carbono para producir oxígeno, azúcares y más dióxido de carbono. Encyclopædia Britannica, Inc.
La fotosíntesis es fundamental para la existencia de la gran mayoría de la vida en la Tierra. Es la forma en que prácticamente toda la energía de la biosfera se pone a disposición de los seres vivos. Como productores primarios, los organismos fotosintéticos forman la base de las redes tróficas de la Tierra y son consumidos directa o indirectamente por todas las formas de vida superiores. Además, casi todo el oxígeno de la atmósfera se debe al proceso de fotosíntesis. Si cesara la fotosíntesis, pronto habría poca comida u otra materia orgánica en la Tierra, la mayoría de los organismos desaparecerían y la atmósfera de la Tierra eventualmente quedaría casi desprovista de oxígeno gaseoso.
El proceso de fotosíntesis se escribe comúnmente como: 6CO2+ 6H2O → C6H12O6+ 6O2. Esto significa que los reactivos, seis moléculas de dióxido de carbono y seis moléculas de agua, se convierten mediante la energía lumínica capturada por la clorofila (como lo indica la flecha) en una molécula de azúcar y seis moléculas de oxígeno, los productos. El organismo utiliza el azúcar y el oxígeno se libera como subproducto.
La capacidad de fotosintetizar se encuentra en ambos eucariota y organismos procariotas. Los ejemplos más conocidos son las plantas, ya que todas, salvo unas pocas especies parasitarias o micoheterotróficas, contienen clorofila y producen su propio alimento. Algas son el otro grupo dominante de organismos fotosintéticos eucariotas. Todas las algas, que incluyen kelps masivos y diatomeas microscópicas, son importantes productores primarios. Cianobacterias y ciertas bacterias del azufre son procariotas fotosintéticos, en los que se desarrolló la fotosíntesis. Se cree que ningún animal es capaz de realizar la fotosíntesis de forma independiente, aunque la babosa de mar verde esmeralda puede incorporar temporalmente cloroplastos de algas en su cuerpo para la producción de alimentos.
Eucariotas Aprenda más sobre eucariotas. Procariotas Obtenga más información sobre los procariotas.Sería imposible sobreestimar la importancia de la fotosíntesis en el mantenimiento de la vida en la Tierra. Si cesara la fotosíntesis, pronto habría poca comida u otra materia orgánica en la Tierra. La mayoría de los organismos desaparecerían y, con el tiempo, la atmósfera de la Tierra quedaría casi desprovista de oxígeno gaseoso. Los únicos organismos capaces de existir en tales condiciones serían las bacterias quimiosintéticas, que pueden utilizar la energía química de ciertos compuestos inorgánicos y, por lo tanto, no dependen de la conversión de energía luminosa.
La energía producida por la fotosíntesis llevada a cabo por plantas hace millones de años es responsable de los combustibles fósiles (es decir, carbón, petróleo y gas) que impulsan a la sociedad industrial. En épocas pasadas, las plantas verdes y los pequeños organismos que se alimentaban de plantas aumentaron más rápido de lo que se consumían, y sus restos se depositaron en la corteza terrestre por sedimentación y otros procesos geológicos. Allí, protegido de oxidación , estos restos orgánicos se convirtieron lentamente en combustibles fósiles. Estos combustibles no solo proporcionan gran parte de la energía utilizada en fábricas, hogares y transporte, sino que también sirven como materia prima para plásticos y otros. sintético productos. Desafortunadamente, la civilización moderna está agotando en unos pocos siglos el exceso de producción fotosintética acumulada durante millones de años. En consecuencia, el dióxido de carbono que se ha eliminado del aire para producir carbohidratos en la fotosíntesis durante millones de años se devuelve a un ritmo increíblemente rápido. La concentración de dióxido de carbono en la atmósfera de la Tierra está aumentando más rápido que nunca en la historia de la Tierra, y se espera que este fenómeno tenga mayor trascendencia en la Tierra clima .
Requisitos de alimentos, materiales y energía en un mundo donde humano La población está creciendo rápidamente han creado la necesidad de aumentar tanto la cantidad de fotosíntesis como la eficiencia de convertir la producción fotosintética en productos útiles para las personas. Una respuesta a esas necesidades, la llamada Revolución verde , que comenzó a mediados del siglo XX, logró enormes mejoras en el rendimiento agrícola mediante el uso de fertilizantes químicos, el control de plagas y enfermedades de las plantas, el fitomejoramiento y la labranza, cosecha y procesamiento de cultivos mecanizados. Este esfuerzo limitó las hambrunas severas a algunas áreas del mundo a pesar del rápido crecimiento de la población, pero no eliminó la desnutrición generalizada. Además, a principios de la década de 1990, el ritmo al que aumentaron los rendimientos de los principales cultivos comenzó a disminuir. Esto fue especialmente cierto para el arroz en Asia. Los costos crecientes asociados con el mantenimiento de altas tasas de producción agrícola, que requerían insumos cada vez mayores de fertilizantes y plaguicidas y el desarrollo constante de nuevas variedades de plantas, también se volvieron problemáticos para los agricultores en muchos países.
Una segunda revolución agrícola, basada en plantas Ingeniería genética , se pronosticó que conduciría a aumentos en la productividad de la planta y, por lo tanto, parcialmente aliviar desnutrición. Desde la década de 1970, los biólogos moleculares han poseído los medios para alterar el material genético de una planta (ácido desoxirribonucleico o ADN) con el objetivo de lograr mejoras en la resistencia a enfermedades y sequías, rendimiento y calidad del producto, resistencia a las heladas y otras propiedades deseables. Sin embargo, estos rasgos son intrínsecamente complejos y el proceso de realizar cambios en las plantas de cultivo mediante la ingeniería genética ha resultado ser más complicado de lo previsto. En el futuro, tal ingeniería genética puede resultar en mejoras en el proceso de fotosíntesis, pero en las primeras décadas del siglo XXI, aún tenía que demostrar que podría aumentar drásticamente el rendimiento de los cultivos.
Otra área intrigante en el estudio de la fotosíntesis ha sido el descubrimiento de que ciertos animales pueden convertir la energía luminosa en energía química. La babosa de mar verde esmeralda ( Elysia chlorotica ), por ejemplo, adquiere genes y cloroplastos de Vauchena grava , un alga consume, lo que le confiere una capacidad limitada para producir clorofila. Cuando hay suficientes cloroplastos asimilado , la babosa puede renunciar a la ingestión de alimentos. El pulgón del guisante Acyrthosiphon pisum ) puede aprovechar la luz para fabricar los ricos en energía compuesto trifosfato de adenosina (ATP); esta capacidad se ha relacionado con la fabricación de pigmentos carotenoides por el pulgón.
El estudio de la fotosíntesis comenzó en 1771 con las observaciones realizadas por el clérigo y científico inglés Joseph Priestley. Priestley había encendido una vela en un recipiente cerrado hasta que el aire dentro del recipiente ya no podía soportar combustión . Luego colocó una ramita de como planta en el contenedor y descubrió que después de varios días la menta había producido alguna sustancia (luego reconocida como oxígeno) que permitía que el aire confinado apoyara nuevamente la combustión. En 1779, el médico holandés Jan Ingenhousz amplió el trabajo de Priestley, mostrando que la planta tenía que exponerse a la luz si se quería restaurar la sustancia combustible (es decir, el oxígeno). También demostró que este proceso requería la presencia de los tejidos verdes de la planta.
En 1782 se demostró que el gas de apoyo a la combustión (oxígeno) se formó a expensas de otro gas, o aire fijo, que se había identificado el año anterior como dióxido de carbono. Los experimentos de intercambio de gases en 1804 mostraron que el aumento de peso de una planta cultivada en una maceta cuidadosamente pesada era el resultado de la absorción de carbono, que provenía enteramente del dióxido de carbono absorbido y del agua absorbida por las raíces de las plantas; el resto es oxígeno, liberado a la atmósfera. Pasó casi medio siglo antes de que el concepto de energía química se hubiera desarrollado lo suficiente como para permitir el descubrimiento (en 1845) de que la energía luminosa del sol se almacena como energía química en productos formados durante la fotosíntesis.
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En términos químicos, la fotosíntesis es una energía luminosa. proceso de oxidación-reducción . (La oxidación se refiere a la eliminación de electrones de una molécula; la reducción se refiere a la ganancia de electrones por una molécula). En la fotosíntesis de las plantas, la energía de la luz se usa para impulsar la oxidación del agua (H2O), produciendo gas oxígeno (O2), iones de hidrógeno (H+) y electrones. La mayoría de los electrones e iones de hidrógeno eliminados finalmente se transfieren a dióxido de carbono (CO2), que se reduce a productos orgánicos. Otros electrones e iones de hidrógeno se utilizan para reducir el nitrato y el sulfato a grupos amino y sulfhidrilo en los aminoácidos, que son los componentes básicos de las proteínas. En la mayoría de las células verdes, los carbohidratos, especialmente el almidón y el azúcar sacarosa: son los principales productos orgánicos directos de la fotosíntesis. La reacción general en la que los carbohidratos, representados por la fórmula general (CH2O): se forman durante la fotosíntesis de las plantas se puede indicar mediante la siguiente ecuación:
Esta ecuación es simplemente una declaración resumida, ya que el proceso de fotosíntesis en realidad involucra numerosas reacciones catalizadas por enzimas (catalizadores orgánicos). Estas reacciones ocurren en dos etapas: la etapa de luz, que consiste en reacciones fotoquímicas (es decir, de captura de luz); y el escenario oscuro, que comprende reacciones químicas controladas por enzimas. Durante la primera etapa, la energía de la luz se absorbe y se utiliza para impulsar una serie de transferencias de electrones, lo que resulta en la síntesis de ATP y el fosfato de dinucleótido de adenina y nicotina reducido en donante de electrones (NADPH). Durante la etapa oscura, el ATP y el NADPH formados en las reacciones de captura de luz se utilizan para reducir el dióxido de carbono a compuestos orgánicos de carbono. Esta asimilación de carbono inorgánico en compuestos orgánicos se denomina fijación de carbono.
Durante el siglo XX, las comparaciones entre los procesos fotosintéticos en las plantas verdes y en ciertas bacterias fotosintéticas del azufre proporcionaron información importante sobre el mecanismo fotosintético. Las bacterias del azufre utilizan sulfuro de hidrógeno (H2S) como fuente de átomos de hidrógeno y producen azufre en lugar de oxígeno durante la fotosíntesis. La reacción general es
En la década de 1930, el biólogo holandés Cornelis van Niel reconoció que la utilización de dióxido de carbono para formar compuestos orgánicos era similar en los dos tipos de organismos fotosintéticos. Al sugerir que existían diferencias en la etapa dependiente de la luz y en la naturaleza de los compuestos utilizados como fuente de átomos de hidrógeno, propuso que el hidrógeno se transfiriera del sulfuro de hidrógeno (en las bacterias) o del agua (en las plantas verdes) a un aceptor desconocido ( llamado A), que se redujo a H2A. Durante las reacciones oscuras, que son similares tanto en bacterias como en plantas verdes, el aceptor reducido (H2A) reaccionó con dióxido de carbono (CO2) para formar carbohidratos (CH2O) y oxidar el aceptor desconocido a A. Este putativo La reacción se puede representar como:
La propuesta de Van Niel era importante porque la teoría popular (pero incorrecta) había sido que el oxígeno se eliminaba del dióxido de carbono (en lugar del hidrógeno del agua, liberando oxígeno) y que el carbono luego se combinaba con el agua para formar carbohidratos (en lugar del hidrógeno del agua que se combinaba). con CO2para formar CH2O).
En 1940, los químicos usaban isótopos pesados para seguir las reacciones de la fotosíntesis. Agua marcada con un isótopo de oxígeno (18O) se utilizó en los primeros experimentos. Plantas que fotosintetizaron en presencia de agua que contiene H218O gas oxígeno producido que contiene18O; los que fotosintetizaron en presencia de agua normal produjeron gas oxígeno normal. Estos resultados proporcionaron un apoyo definitivo a la teoría de van Niel de que el gas oxígeno producido durante la fotosíntesis se deriva del agua.
