II. LAS PLANTAS, LAS ELEGIDAS DEL SOL
CUALQUIERA que sea la explicaci�n que aceptemos sobre el origen
de la vida, es evidente que la aparici�n de las plantas hace 3x109
a�os determin� la vida tal como la conocemos, dependiente del ox�geno y la materia
org�nica que �stas producen utilizando la energ�a solar. Este proceso, llamado
fotos�ntesis, representa la capacidad de la clorofila —pigmento verde
de las plantas— para convertir la luz del Sol en energ�a qu�mica. La fotos�ntesis
da cuenta de la liberaci�n de aproximadamente 130 millones de toneladas de ox�geno
por a�o, acompa�ada de la reacci�n de 2 mil millones de toneladas de bi�xido
de carbono que, a su vez, ser�n transformadas en carbohidratos. La asimilaci�n
anual de C02 en la Tierra es de unos 10 mil millones de toneladas,
mucho m�s que todo el petr�leo, carb�n y minerales usados cada a�o. El proceso
fotosint�tico tiene una eficiencia de almacenamiento de energ�a de 3 x 1021
joules por a�o (equivalente a 9.6x1010 toneladas de carb�n), diez
veces mayor que la que el mundo necesita. Si esto es as�, ser�a justo preguntarse
por qu�, aparentemente, hay escasez de alimentos en el mundo. El problema de
la alimentaci�n es de orden econ�mico; el hambre es causada no porque el mundo
no pueda producir suficiente alimento, sino porque la energ�a es cara,
y el transporte de los alimentos requiere energ�a. La utilizaci�n de la energ�a
y del carbono org�nico est� unida, de manera compleja, a la econom�a y a las
diversas estructuras de la sociedad humana.
Las formas m�s avanzadas de la agricultura moderna son procesos ineficientes de transformaci�n de combustibles f�siles en productos comestibles, ya que dependen de fertilizantes sint�ticos, herbicidas y de la maquinaria utilizada en el campo.
La agricultura primitiva, por otro lado, s�lo utiliza el Sol como fuente de
energ�a y es incapaz de cubrir las demandas actuales de alimentos.
�C�mo se realiza la fotos�ntesis?
M�s de la mitad de los procesos fotosint�ticos tienen lugar en los oc�anos, donde existen muchas formas de plantas verdes (algas). Otra gran parte de ellos se realiza en �reas como la cuenca del Amazonas, donde abundan las plantas verdes. A las algas y plantas verdes se les llama organismos fotoerg�nicos ya que son los �nicos capaces de convertir la luz en energ�a qu�mica (la cual queda almacenada en los alimentos).
Los organismos quimioerg�nicos, por el contrario, no pueden convertir la luz en energ�a qu�mica; en lugar de ello, utilizan nutrientes que transforman en energ�a para desarrollar sus funciones. Algunos de estos organismos son, por ejemplo, las bacterias, los hongos, los animales.
Durante la fotos�ntesis la luz es captada por las plantas verdes y usada para convertir agua, bi�xido de carbono y minerales en ox�geno y compuestos org�nicos con alto contenido energ�tico. Sin fotos�ntesis, la atm�sfera de la Tierra no tendr�a ox�geno y ser�a imposible la existencia de la gran mayor�a de los seres vivos que se conocen.
Todas las c�lulas vivas convierten los alimentos en energ�a y en componentes
estructurales necesarios para el crecimiento, la restituci�n de c�lulas, la
reproducci�n y, en general, para todos los procesos din�micos que desarrollan
los organismos vivos. La energ�a luminosa es absorbida por los pigmentos clorofílicos
de las plantas y almacenada como energ�a qu�mica en los productos org�nicos,
especialmente los carbohidratos (az�car; almid�n, glucosa).
La eficiencia de la fotos�ntesis se define en t�rminos del rendimiento de producci�n de ox�geno por unidad de masa (o de �rea) de los tejidos de las plantas verdes, o por unidad de peso de la clorofila contenida en ellas. Plantas sanas, que crecen en presencia de aire que contenga de 0.03 a 0.04% de CO2 a 25°C son capaces de producir varios litros de ox�geno por hora y por gramo de clorofila utilizada.
El primer intento de que se tiene noticia para explicar el proceso de la fotos�ntesis
tuvo lugar en el siglo IV a.C. y se debe a Arist�teles, quien resum�a el fen�meno
mediante la expresi�n:
Arist�teles afirmaba que las plantas tomaban del suelo los nutrientes necesarios para producir alimentos.
En el siglo XVII, Jean Van Helmont llev� a cabo un interesante experimento:
durante cinco a�os estuvo agregando agua a un sauce sembrado en una cantidad
previamente pesada de tierra. Al final de su experimento, el sauce hab�a aumentado
75 kg, mientras que el suelo hab�a perdido solamente 70 gramos. As�, concluy�
que era a partir del agua como se generaban los alimentos:
Priestley, 100 a�os despu�s, comprob� que el aire tambi�n interven�a en el
proceso y, de acuerdo con el lenguaje usado en esa �poca, propuso su conclusi�n:
Un cient�fico contempor�neo de Priestley, Ingen-Housz, encontr� la relaci�n de la luz con la producci�n de alimentos en las plantas verdes:
Gracias al r�pido avance de la ciencia, en la última d�cada del siglo
XVIII se logr� establecer las identidades.
Con esta nueva informaci�n. Nicol�s de Saussure propuso un mecanismo seg�n
el cual la luz absorbida proporcionaba la energ�a para la ruptura de la mol�cula
de CO2, esta mol�cula liberaba el ox�geno y as� se produc�an directamente
los compuestos org�nicos:
Julius von Sachs encontr� que el compuesto de carbono era un almid�n (probablemente glucosa).
Los estudios de Blackmann (1905) contribuyeron a impulsar las investigaciones para llegar a una mejor compresi�n de las fases del proceso de la fotos�ntesis y lograr identificar el pigmento verde responsable de la absorci�n de la luz: la clorofila.
Hasta 1930, muchos fisi�logos segu�an creyendo que la energ�a luminosa se utilizaba para descomponer la mol�cula de C02 de tal forma que el carbono (C) se combinaba con el H2 y el O2 del agua para producir los carbohidratos, mientras que el ox�geno del CO2 se liberaba en forma de gas.
EL AGUA Y NO EL BI�XIDO DE CARBONO
M�s tarde, los estudios de Van Niel sobre los procesos fotosint�ticos en bacterias
ayudaron a establecer que es el agua, y no el bi�xido de carbono, la que se
descompone para generar el hidr�geno y liberar el ox�geno, mientras que el CO2
genera los compuestos org�nicos:
Actualmente se ha establecido que, en la fotos�ntesis, la energ�a solar es
absorbida por el pigmento verde de las plantas llamado clorofila y utilizada
para la ruptura de las uniones H-O del agua en un proceso llamado fot�lisis.
El ox�geno es liberado y el H2 —unas veces como tal y otras como
generador de electrones libres— se transporta a lo largo de una cadena compleja
de reacciones de �xido-reducci�n en las que se genera energ�a seg�n este esquema:
�Qu� entienden los qu�micos por los t�rminos reducci�n y oxidaci�n?
La materia est� formada por �tomos —que a su vez pueden formar mol�culas— constituidos por part�culas elementales: protones y neutrones, que se encuentran en el n�cleo, y por electrones distribuidos en orbitales1 de diferente energ�a. En las reacciones qu�micas intervienen los electrones de los orbitales externos: los de mayor energ�a, llamados de valencia. Cuando un compuesto qu�mico (o un elemento) acepta electrones, se dice que se reduce; por el contrario, si cede electrones, se oxida. Estos procesos ocurren simult�neamente y por ello son llamados reacciones de �xido-reducci�n. Por ejemplo, en la reacci�n de formaci�n de la glucosa, el CO2 se reduce mientras que el H2 se oxida.
Las reacciones de �xido-reducci�n son tambi�n el fundamento de las celdas electroqu�micas, como se ver� m�s adelante. Por ejemplo, en una pila tipo Daniell, las reacciones son:
Zn0 - 2 electrones------------------- ® Zn2+ (oxidaci�n)
Cu2+ + 2 electrones------------------- ®Cu0 (reducci�n)
Las notaciones Zn0 y Cu0 se refieren a los elementos sin carga mientas que Zn2+y Cu2+son los iones que suelen encontrarse en disoluci�n.
ALGO M�S SOBRE LA FOTOS�NTESIS
El proceso fotosint�tico ocurre en dos etapas:
1) Una fotorreacci�n en la cual la luz es transformada en energ�a qu�mica. Los dos productos importantes de esta reacci�n son el ATP (adenos�n trifosfato), muy energ�tico y que conduce la mayor parte de los procesos metab�licos, y los electrones libres necesarios para los procesos de reducci�n, que son transportados a trav�s de las siguientes sustancias: NADP+ (fosfato del nicot�n aden�n dinucl�otido) sustancia aceptora de electrones y el NADPH que es su forma reducida.
2) Una reacci�n en oscuro, que utiliza la energ�a qu�mica producida en la primera etapa para transformar el CO2, un compuesto de baja energ�a, en un carbohidrato altamente energ�tico. El ATP provee la energ�a necesaria para que se lleve a cabo la reacci�n, y los electrones sirven como agentes reductores.
El proceso fotosint�tico implica una cadena de (por lo menos) 30 reacciones complejas. Estas fueron descubiertas gradualmente, en un largo proceso de observaci�n y experimentaci�n que tom� cientos de a�os. Sin embargo, este misterioso proceso de la naturaleza por medio del cual las plantas producen alimentos y sobre el que la humanidad ha especulado durante casi 2 mil a�os, sigue guardando celosamente muchos secretos que los cient�ficos buscan afanosamente desentra�ar, y as� poder hacerlos suyos.
�Lograr� el hombre reproducir la fotos�ntesis fuera de las plantas verdes?
NOTAS
1Un orbital es una funci�n matem�tica a la cual se pueden asociar, a trav�s de los formalismos adecuados, las propiedades de los electrones en un sistema. En este caso, la propiedad que nos interesa es la energ�a
