Los bosques son considerados los "pulmones verdes del planeta", no en vano. Qué es la fotosíntesis y cómo ocurre este proceso, lo consideraremos en detalle.
¿Qué es la fotosíntesis?
Fotosíntesis - un proceso bioquímico durante el cual los orgánicos surgen con la ayuda de pigmentos vegetales especiales y energía luminosa de sustancias inorgánicas (dióxido de carbono, agua). Este es uno de los procesos más importantes debido a que la mayoría de los organismos aparecieron y continúan existiendo en el planeta.
Hecho interesante: Las plantas terrestres, así como las algas verdes, son capaces de fotosíntesis. En este caso, las algas (fitoplancton) producen 80% de oxígeno.
La importancia de la fotosíntesis para la vida en la Tierra
Sin la fotosíntesis, en lugar de muchos organismos vivos, solo existirían bacterias en nuestro planeta. Es la energía obtenida como resultado de este proceso químico que permitió la evolución de las bacterias.
Cualquier proceso natural necesita energía. Ella viene del sol. Pero la luz solar solo toma forma después de ser transformada por las plantas.
Las plantas usan solo una parte de la energía y el resto se acumulan en sí mismas. Comen herbívoros, que son alimento para los depredadores. En el curso de la cadena, cada eslabón recibe las valiosas sustancias y energía necesarias.
El oxígeno producido durante la reacción es necesario para que todas las criaturas respiren. La respiración es lo opuesto a la fotosíntesis. En este caso, la materia orgánica se oxida, se destruye. La energía resultante es utilizada por los organismos para realizar diversas tareas vitales.
Durante la existencia del planeta, cuando había pocas plantas, el oxígeno estaba prácticamente ausente. Las formas de vida primitivas recibieron un mínimo de energía de otras maneras. Era muy poco para el desarrollo. Por lo tanto, la respiración debido al oxígeno ha abierto más oportunidades.
Otra función de la fotosíntesis es la protección de los organismos contra la exposición a la luz ultravioleta. Estamos hablando de la capa de ozono ubicada en la estratosfera a una altitud de aproximadamente 20-25 km. Se forma debido al oxígeno, que se convierte en ozono bajo la acción de la luz solar. Sin esta protección, la vida en la Tierra se limitaría solo a los organismos submarinos.
Los organismos liberan dióxido de carbono durante la respiración. Es un elemento esencial de la fotosíntesis. De lo contrario, el dióxido de carbono simplemente se acumularía en la atmósfera superior, mejorando en gran medida el efecto invernadero.
Este es un problema ambiental grave, cuya esencia es aumentar la temperatura de la atmósfera con consecuencias negativas. Estos incluyen el cambio climático (calentamiento global), el deshielo de los glaciares, el aumento del nivel del mar, etc.
Funciones de fotosíntesis:
- evolución de oxígeno;
- formación de energía;
- formación de nutrientes;
- La creación de la capa de ozono.
Definición y fórmula de la fotosíntesis.
El término "fotosíntesis" proviene de una combinación de dos palabras: foto y síntesis. Traducido del griego antiguo, significa "luz" y "conexión", respectivamente. Así, la energía de la luz se convierte en energía de enlaces de sustancias orgánicas.
Esquema:
Dióxido de carbono + agua + luz = carbohidratos + oxígeno.
La fórmula científica para la fotosíntesis:
6CO2 + 6H2O → C6norte12ACERCA DE6 + 6O2.
La fotosíntesis ocurre de modo que el contacto directo de agua y CO2 no visible.
La importancia de la fotosíntesis para las plantas.
Las plantas requieren materia orgánica, energía para el crecimiento y el desarrollo. Gracias a la fotosíntesis, se proporcionan estos componentes. La creación de sustancias orgánicas es el objetivo principal de la fotosíntesis para las plantas, y la liberación de oxígeno se considera una reacción secundaria.
Hecho interesante: Las plantas son únicas porque no necesitan otros organismos para obtener energía.Por lo tanto, forman un grupo separado: autótrofos (traducidos del idioma griego antiguo "Me como").
¿Cómo se produce la fotosíntesis?
La fotosíntesis tiene lugar directamente en las partes verdes de las plantas. cloroplastos. Son parte de las células vegetales. Los cloroplastos contienen una sustancia: clorofila. Este es el pigmento fotosintético principal, gracias a él se produce toda la reacción. Además, la clorofila determina el color verde de la vegetación.
Este pigmento se caracteriza por la capacidad de absorber la luz. Y en las células de la planta, se lanza un verdadero "laboratorio" bioquímico, en el que el agua y el CO2 se convierten en oxígeno, carbohidratos.
El agua ingresa a través del sistema de raíces de la planta, y el gas penetra directamente en las hojas. La luz actúa como fuente de energía. Cuando una partícula ligera actúa sobre una molécula de clorofila, se produce su activación. En la molécula de agua H2O oxígeno (O) permanece sin reclamar. Por lo tanto, se convierte en un subproducto para las plantas, pero tan importante para nosotros, un producto de reacción.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis se divide en dos etapas: clara y oscura. Ocurren simultáneamente, pero en diferentes partes del cloroplasto. El nombre de cada fase habla por sí mismo. La fase de luz o dependiente de la luz ocurre solo con la participación de partículas de luz. En la fase oscura o no volátil, no se requiere luz.
Antes de examinar cada fase con más detalle, vale la pena comprender la estructura del cloroplasto, ya que determina la esencia y el lugar de las etapas. El cloroplasto es una variedad de plastidios y se encuentra dentro de la célula por separado de sus otros componentes. Tiene la forma de una semilla.
Componentes del cloroplasto implicados en la fotosíntesis:
- 2 membranas;
- estroma (fluido interno);
- tilacoides;
- lúmenes (huecos dentro de los tilacoides).
Fase ligera de la fotosíntesis.
Fluye sobre los tilacoides, más precisamente, sus membranas. Cuando la luz los golpea, los electrones cargados negativamente se liberan y se acumulan. Por lo tanto, los pigmentos fotosintéticos pierden todos los electrones, después de lo cual es el turno de la descomposición de las moléculas de agua:
H2O → H + + OH-
En este caso, los protones de hidrógeno formados tienen una carga positiva y se acumulan en la membrana tilacoidea interna. Como resultado, los protones con una carga más y los electrones con una carga menos están separados solo por una membrana.
El oxígeno se produce como un subproducto:
4OH → O2 + 2H2O
En cierto momento, las fases de electrones y protones de hidrógeno se vuelven demasiadas. Entonces la enzima ATP sintasa ingresa al trabajo. Su tarea es transferir protones de hidrógeno desde la membrana tilacoidea al medio líquido cloroplasto: el estroma.
En esta etapa, el hidrógeno se pone a disposición de otro vehículo: NADP (abreviatura de fosfato de nucleótido de nicotinamidina). También es un tipo de enzima que acelera las reacciones oxidativas en las células. En este caso, su trabajo es transportar protones de hidrógeno en una reacción de carbohidratos.
En esta etapa, se produce el proceso de fotofosfolación, durante el cual se genera una gran cantidad de energía. Su fuente es ATP: ácido trifosfórico de adenosina.
Breve reseña:
- El golpe de un cuanto de luz sobre la clorofila.
- La selección de electrones.
- La evolución del oxígeno.
- La formación de NADPH oxidasa.
- Producción de energía ATP.
Hecho interesante: Hay una planta relicta llamada Velvichia que crece en la costa africana del Océano Atlántico. Este es el único representante de un tipo con un mínimo de hojas capaces de fotosíntesis. Sin embargo, la edad del Velvich alcanza unos 2000 años.
La fase oscura de la fotosíntesis.
La fase independiente de la luz ocurre directamente en el estroma. Representa una serie de reacciones enzimáticas. El dióxido de carbono absorbido en la etapa ligera se disuelve en agua, y en esta etapa se reduce a glucosa. También se producen sustancias orgánicas complejas.
Las reacciones de la fase oscura se dividen en tres tipos principales y dependen del tipo de plantas (más precisamente, su metabolismo), en las células de las cuales se produce la fotosíntesis:
- CON3-plantas;
- CON4-plantas;
- Plantas CAM.
K C3- Las plantas incluyen la mayoría de los cultivos agrícolas que crecen en climas templados. Durante la fotosíntesis, el dióxido de carbono se convierte en ácido fosfoglicérico.
Las especies subtropicales y tropicales, principalmente malezas, pertenecen a plantas C4. Se caracterizan por la transformación del dióxido de carbono en oxaloacetato. Las plantas CAM son una categoría de plantas que carecen de humedad. Se diferencian en un tipo especial de fotosíntesis: CAM.
CON3-fotosíntesis
El más común es C3-fíntesis, que también se llama el ciclo de Calvin, en honor al científico estadounidense Melvin Calvin, quien hizo una gran contribución al estudio de estas reacciones y recibió el Premio Nobel por esto.
Las plantas se llaman C3 debido al hecho de que durante las reacciones de la fase oscura se forman moléculas de 3 carbonos del ácido 3-fosfoglicérico - 3-PGA. Varias enzimas están directamente involucradas.
Para que se forme una molécula de glucosa completa, deben pasar 6 ciclos de reacciones de la fase independiente de la luz. El carbohidrato es el producto principal de la fotosíntesis en el ciclo de Calvin, pero además de esto, se producen grasas y aminoácidos, así como glucolípidos. C3 La fotosíntesis de la planta se realiza exclusivamente en células mesofílicas.
La principal desventaja de C3fotosíntesis
Plantas del grupo C3se caracterizan por un inconveniente significativo. Si no hay suficiente humedad en el ambiente, la capacidad de fotosíntesis se reduce significativamente. Esto se debe a la fotorrespiración.
El hecho es que con una baja concentración de dióxido de carbono en cloroplastos (menos de 50: 1 000 000), el oxígeno se fija en lugar de la fijación de carbono. Las enzimas especiales se ralentizan significativamente y desperdician energía solar.
Al mismo tiempo, el crecimiento y desarrollo de la planta se ralentiza, ya que carece de materia orgánica. Además, no hay liberación de oxígeno a la atmósfera.
Hecho interesante: La babosa marina de Elysia chlorotica es un animal único que fotosintetiza como las plantas. Se alimenta de algas, cuyos cloroplastos penetran en las células del tracto digestivo y se fotosintetizan allí durante meses. Los carbohidratos producidos sirven a la babosa como alimento.
Fotosíntesis C4
A diferencia de C3-síntesis, aquí las reacciones de fijación de dióxido de carbono se llevan a cabo en varias células vegetales. Estos tipos de plantas pueden hacer frente al problema de la fotorrespiración, y lo hacen con un ciclo de dos etapas.
Por un lado, se mantiene un alto nivel de dióxido de carbono y, por otro, se controla un bajo nivel de oxígeno en los cloroplastos. Esta táctica permite a las plantas C4 evitar la foto-respiración y las dificultades asociadas. Los representantes de las plantas de este grupo son la caña de azúcar, el maíz, el mijo, etc.
En comparación con las plantas C3 son capaces de realizar procesos de fotosíntesis mucho más intensamente bajo condiciones de alta temperatura y falta de humedad. En la primera etapa, el dióxido de carbono se fija en las células mesofílicas, donde se forma el ácido 4-carbónico. Luego, el ácido pasa a la cubierta y se descompone allí en un compuesto de 3 carbonos y dióxido de carbono.
En la segunda etapa, el dióxido de carbono obtenido comienza a funcionar en el ciclo de Calvin, donde se producen gliceraldehído-3-fosfato y carbohidratos, que son necesarios para el metabolismo energético.
Debido a la fotosíntesis de dos pasos en las plantas C4, se forma una cantidad suficiente de dióxido de carbono para el ciclo Kelvin. Por lo tanto, las enzimas funcionan con toda su fuerza y no desperdician energía en vano.
Pero este sistema tiene sus inconvenientes. En particular, se consume una mayor cantidad de energía ATP: es necesaria para la transformación de ácidos de 4 carbonos en ácidos de 3 carbonos y en la dirección opuesta. Entonces C3-La fotosíntesis siempre es más productiva que C4 con la cantidad adecuada de agua y luz.
¿Qué afecta la tasa de fotosíntesis?
La fotosíntesis puede ocurrir a diferentes velocidades. Este proceso depende de las condiciones ambientales:
- agua;
- longitud de onda de la luz;
- dióxido de carbono;
- temperatura.
El agua es un factor fundamental, por lo que cuando falta, las reacciones se ralentizan. Para la fotosíntesis, las más favorables son las ondas del espectro rojo y azul-violeta. También es preferible un alto grado de iluminación, pero solo hasta un cierto valor: cuando se alcanza, la conexión entre la iluminación y la velocidad de reacción desaparece.
Una alta concentración de dióxido de carbono proporciona procesos fotosintéticos rápidos y viceversa. Ciertas temperaturas son importantes para las enzimas que aceleran las reacciones. Las condiciones ideales para ellos son alrededor de 25-30 ℃.
Foto aliento
Todos los seres vivos necesitan respiración, y las plantas no son la excepción. Sin embargo, este proceso en ellos ocurre de manera un poco diferente que en humanos y animales, por eso se llama fotorrespiración.
Generalmente, aliento - un proceso físico durante el cual un organismo vivo y su entorno intercambian gases. Como todos los seres vivos, las plantas necesitan oxígeno para respirar. Pero lo consumen mucho menos de lo que producen.
Durante la fotosíntesis, que ocurre solo a la luz del sol, las plantas crean alimento para sí mismas. Durante la foto-respiración, que se realiza durante todo el día, estos nutrientes son absorbidos por ellos para apoyar el metabolismo dentro de las células.
Hecho interesante: durante un día soleado, una parcela forestal de 1 hectárea consume de 120 a 280 kg de dióxido de carbono y emite de 180 a 200 kg de oxígeno.
El oxígeno (como el dióxido de carbono) penetra en las células de las plantas a través de aberturas especiales: estomas. Están ubicados en la parte inferior de las hojas. Se pueden ubicar aproximadamente 1000 estomas en una hoja.
Intercambio de gases de las plantas en función de la iluminación.
El proceso de intercambio de gases con iluminación diferente se presenta de la siguiente manera:
- Luz brillante. El dióxido de carbono se usa durante la fotosíntesis. Las plantas producen más oxígeno del que consumen. Sus excedentes entran en la atmósfera. El dióxido de carbono se consume más rápido de lo que se libera por la respiración. Los carbohidratos no utilizados son almacenados por la planta para uso futuro.
- Luz baja. El intercambio de gases con el medio ambiente no ocurre, ya que la planta consume todo el oxígeno que produce.
- Falta de luz. Solo se producen procesos respiratorios. Se libera dióxido de carbono y se consume oxígeno.
Quimiosíntesis
Algunos organismos vivos también son capaces de formar monocarbohidratos a partir del agua y el dióxido de carbono, mientras que no necesitan luz solar. Estos incluyen bacterias, y el proceso de conversión de energía se llama quimiosíntesis.
Quimiosíntesis Es un proceso durante el cual se sintetiza glucosa, pero se utilizan productos químicos en lugar de energía solar. Fluye en áreas con una temperatura suficientemente alta, adecuada para el funcionamiento de enzimas y en ausencia de luz. Estas pueden ser áreas cercanas a manantiales hidrotermales, fugas de metano a las profundidades del mar, etc.
La historia del descubrimiento de la fotosíntesis.
La historia del descubrimiento y estudio de la fotosíntesis se remonta a 1600, cuando Jan Baptiste van Helmont decidió entender la pregunta urgente en ese momento: ¿qué comen las plantas y de dónde obtienen sustancias útiles?
En ese momento, se creía que el suelo era una fuente de elementos valiosos. El científico colocó una ramita de sauce en un recipiente con tierra, pero previamente midió su peso. Durante 5 años, cuidó el árbol, lo regó, después de lo cual volvió a realizar procedimientos de medición.
Resultó que el peso de la tierra disminuyó en 56 g, pero el árbol se volvió 30 veces más pesado. Este descubrimiento refutó la opinión de que las plantas se alimentan del suelo y dieron lugar a una nueva teoría: la nutrición del agua.
En el futuro, muchos científicos trataron de refutarlo.Por ejemplo, Lomonosov creía que los componentes parcialmente estructurales ingresan a las plantas a través de las hojas. Fue guiado por plantas que crecen exitosamente en áreas áridas. Sin embargo, no fue posible probar esta versión.
Lo más parecido a la situación real fue Joseph Priestley, científico químico y sacerdote a tiempo parcial. Una vez que descubrió un ratón muerto en un frasco al revés, y este incidente lo obligó a realizar una serie de experimentos con roedores, velas y contenedores en la década de 1770.
Priestley descubrió que la vela siempre se apaga rápidamente si la cubres con un frasco encima. Además, un organismo vivo no puede sobrevivir. El científico llegó a la conclusión de que existen ciertas fuerzas que hacen que el aire sea adecuado para la vida, y trató de conectar este fenómeno con las plantas.
Continuó preparando experimentos, pero esta vez trató de colocar una maceta con menta bajo un recipiente de vidrio. Para gran sorpresa, la planta continuó desarrollándose activamente. Entonces Priestley colocó una planta y un ratón debajo de un frasco, y solo un animal debajo del segundo. El resultado es obvio: debajo del primer tanque, el roedor permaneció ileso.
El logro del químico se convirtió en la motivación de otros científicos de todo el mundo para repetir el experimento. Pero el problema fue que el sacerdote realizó experimentos durante el día. Y, por ejemplo, el farmacéutico Karl Scheele, en la noche, cuando había tiempo libre. Como resultado, el científico acusó a Priestley de engaño, porque sus sujetos experimentales no podían soportar el experimento con la planta.
Una verdadera confrontación científica estalló entre los químicos, lo que trajo beneficios significativos e hizo posible hacer otro descubrimiento: que las plantas necesitan restaurar el aire, necesitan luz solar.
Por supuesto, nadie llamó a este fenómeno fotosíntesis, y todavía había muchas preguntas. Sin embargo, en 1782, el botánico Jean Senebier pudo demostrar que, en presencia de la luz solar, las plantas pueden descomponer el dióxido de carbono a nivel celular. Y en 1864, finalmente, apareció evidencia experimental de que las plantas absorben dióxido de carbono y producen oxígeno. Este es el mérito del científico de Alemania: Julius Sachs.
