II. LAS PLANTAS, LAS ELEGIDAS DEL SOL

CUALQUIERA que sea la explicación que aceptemos sobre el origen de la vida, es evidente que la aparición de las plantas hace 3x10⁹ años determinó la vida tal como la conocemos, dependiente del oxígeno y la materia orgánica que éstas producen utilizando la energía solar. Este proceso, llamado fotosíntesis, representa la capacidad de la clorofila —pigmento verde de las plantas— para convertir la luz del Sol en energía química. La fotosíntesis da cuenta de la liberación de aproximadamente 130 millones de toneladas de oxígeno por año, acompañada de la reacción de 2 mil millones de toneladas de bióxido de carbono que, a su vez, serán transformadas en carbohidratos. La asimilación anual de C0₂ en la Tierra es de unos 10 mil millones de toneladas, mucho más que todo el petróleo, carbón y minerales usados cada año. El proceso fotosintético tiene una eficiencia de almacenamiento de energía de 3 x 10²¹ joules por año (equivalente a 9.6x10¹⁰ toneladas de carbón), diez veces mayor que la que el mundo necesita. Si esto es así, sería justo preguntarse por qué, aparentemente, hay escasez de alimentos en el mundo. El problema de la alimentación es de orden económico; el hambre es causada no porque el mundo no pueda producir suficiente alimento, sino porque la energía es cara, y el transporte de los alimentos requiere energía. La utilización de la energía y del carbono orgánico está unida, de manera compleja, a la economía y a las diversas estructuras de la sociedad humana.

Las formas más avanzadas de la agricultura moderna son procesos ineficientes de transformación de combustibles fósiles en productos comestibles, ya que dependen de fertilizantes sintéticos, herbicidas y de la maquinaria utilizada en el campo.

La agricultura primitiva, por otro lado, sólo utiliza el Sol como fuente de energía y es incapaz de cubrir las demandas actuales de alimentos.

Figura 5.

Figura 6.

¿Cómo se realiza la fotosíntesis?

Más de la mitad de los procesos fotosintéticos tienen lugar en los océanos, donde existen muchas formas de plantas verdes (algas). Otra gran parte de ellos se realiza en áreas como la cuenca del Amazonas, donde abundan las plantas verdes. A las algas y plantas verdes se les llama organismos fotoergónicos ya que son los únicos capaces de convertir la luz en energía química (la cual queda almacenada en los alimentos).

Los organismos quimioergónicos, por el contrario, no pueden convertir la luz en energía química; en lugar de ello, utilizan nutrientes que transforman en energía para desarrollar sus funciones. Algunos de estos organismos son, por ejemplo, las bacterias, los hongos, los animales.

Durante la fotosíntesis la luz es captada por las plantas verdes y usada para convertir agua, bióxido de carbono y minerales en oxígeno y compuestos orgánicos con alto contenido energético. Sin fotosíntesis, la atmósfera de la Tierra no tendría oxígeno y sería imposible la existencia de la gran mayoría de los seres vivos que se conocen.

Todas las células vivas convierten los alimentos en energía y en componentes estructurales necesarios para el crecimiento, la restitución de células, la reproducción y, en general, para todos los procesos dinámicos que desarrollan los organismos vivos. La energía luminosa es absorbida por los pigmentos clorofílicos de las plantas y almacenada como energía química en los productos orgánicos, especialmente los carbohidratos (azúcar; almidón, glucosa).

Figura 7.

La eficiencia de la fotosíntesis se define en términos del rendimiento de producción de oxígeno por unidad de masa (o de área) 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 oxígeno por hora y por gramo de clorofila utilizada.

UN POCO DE HISTORIA

El primer intento de que se tiene noticia para explicar el proceso de la fotosíntesis tuvo lugar en el siglo IV a.C. y se debe a Aristóteles, quien resumía el fenómeno mediante la expresión:

Figura 8.

Aristóteles afirmaba que las plantas tomaban del suelo los nutrientes necesarios para producir alimentos.

En el siglo XVII, Jean Van Helmont llevó a cabo un interesante experimento: durante cinco años estuvo agregando agua a un sauce sembrado en una cantidad previamente pesada de tierra. Al final de su experimento, el sauce había aumentado 75 kg, mientras que el suelo había perdido solamente 70 gramos. Así, concluyó que era a partir del agua como se generaban los alimentos:

Figura 9.

Figura 10.

Priestley, 100 años después, comprobó que el aire también intervenía en el proceso y, de acuerdo con el lenguaje usado en esa época, propuso su conclusión:

Figura 11.

Un científico contemporáneo de Priestley, Ingen-Housz, encontró la relación de la luz con la producción de alimentos en las plantas verdes:

Figura 12.

Gracias al rápido avance de la ciencia, en la última década del siglo XVIII se logró establecer las identidades.

Figura 13.

Con esta nueva información. Nicolás de Saussure propuso un mecanismo según el cual la luz absorbida proporcionaba la energía para la ruptura de la molécula de CO₂, esta molécula liberaba el oxígeno y así se producían directamente los compuestos orgánicos:

Figura 14.

Julius von Sachs encontró que el compuesto de carbono era un almidón (probablemente glucosa).

Figura 15.

Los estudios de Blackmann (1905) contribuyeron a impulsar las investigaciones para llegar a una mejor compresión de las fases del proceso de la fotosíntesis y lograr identificar el pigmento verde responsable de la absorción de la luz: la clorofila.

Hasta 1930, muchos fisiólogos seguían creyendo que la energía luminosa se utilizaba para descomponer la molécula 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 oxígeno del CO₂ se liberaba en forma de gas.

EL AGUA Y NO EL BIÓXIDO DE CARBONO

Más tarde, los estudios de Van Niel sobre los procesos fotosintéticos en bacterias ayudaron a establecer que es el agua, y no el bióxido de carbono, la que se descompone para generar el hidrógeno y liberar el oxígeno, mientras que el CO₂ genera los compuestos orgánicos:

Figura 16.

Actualmente se ha establecido que, en la fotosíntesis, la energía 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 fotólisis. El oxígeno 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 óxido-reducción en las que se genera energía según este esquema:

Figura 17.

¿Qué entienden los químicos por los términos reducción y oxidación?

La materia está formada por átomos —que a su vez pueden formar moléculas— constituidos por partículas elementales: protones y neutrones, que se encuentran en el núcleo, y por electrones distribuidos en orbitales1 de diferente energía. En las reacciones químicas intervienen los electrones de los orbitales externos: los de mayor energía, llamados de valencia. Cuando un compuesto químico (o un elemento) acepta electrones, se dice que se reduce; por el contrario, si cede electrones, se oxida. Estos procesos ocurren simultáneamente y por ello son llamados reacciones de óxido-reducción. Por ejemplo, en la reacción de formación de la glucosa, el CO₂ se reduce mientras que el H₂ se oxida.

Las reacciones de óxido-reducción son también el fundamento de las celdas electroquímicas, como se verá más adelante. Por ejemplo, en una pila tipo Daniell, las reacciones son:

Zn⁰ - 2 electrones------------------- ® Zn²⁺ (oxidación)

Cu₂₊ + 2 electrones------------------- ®Cu⁰ (reducción)

Las notaciones Zn⁰ y Cu⁰ se refieren a los elementos sin carga mientas que Zn²⁺y Cu₂₊son los iones que suelen encontrarse en disolución.

ALGO MÁS SOBRE LA FOTOSÍNTESIS

El proceso fotosintético ocurre en dos etapas:

1) Una fotorreacción en la cual la luz es transformada en energía química. Los dos productos importantes de esta reacción son el ATP (adenosín trifosfato), muy energético y que conduce la mayor parte de los procesos metabólicos, y los electrones libres necesarios para los procesos de reducción, que son transportados a través de las siguientes sustancias: NADP⁺ (fosfato del nicotín adenín dinucléotido) sustancia aceptora de electrones y el NADPH que es su forma reducida.

2) Una reacción en oscuro, que utiliza la energía química producida en la primera etapa para transformar el CO₂, un compuesto de baja energía, en un carbohidrato altamente energético. El ATP provee la energía necesaria para que se lleve a cabo la reacción, y los electrones sirven como agentes reductores.

El proceso fotosintético implica una cadena de (por lo menos) 30 reacciones complejas. Estas fueron descubiertas gradualmente, en un largo proceso de observación y experimentación que tomó cientos de años. 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 años, sigue guardando celosamente muchos secretos que los científicos buscan afanosamente desentrañar, y así poder hacerlos suyos.

¿Logrará el hombre reproducir la fotosíntesis fuera de las plantas verdes?

NOTAS

1Un orbital es una función matemática a la cual se pueden asociar, a través de los formalismos adecuados, las propiedades de los electrones en un sistema. En este caso, la propiedad que nos interesa es la energía