El proceso de fotosíntesis es uno de los procesos biológicos más importantes que ocurren en la naturaleza, porque es gracias a él que, bajo la influencia de la luz, se forman sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua, y este fenómeno se llama fotosíntesis. Y lo más importante, durante el proceso de fotosíntesis, se produce una liberación, que es vital para la existencia de vida en nuestro asombroso planeta.
Historia del descubrimiento de la fotosíntesis.
La historia del descubrimiento del fenómeno de la fotosíntesis se remonta a cuatro siglos, cuando allá por el año 1600 un tal científico belga Jan Van Helmont realizó un sencillo experimento. Colocó una ramita de sauce (después de registrar su peso inicial) en una bolsa que también contenía 80 kg de tierra. Y luego, durante cinco años, la planta se regó exclusivamente con agua. Cuál fue la sorpresa del científico cuando, después de cinco años, el peso de la planta aumentó en 60 kg, a pesar de que la masa de la Tierra disminuyó solo en 50 gramos, de dónde provino tan impresionante aumento de peso seguía siendo un misterio para el científico.
El siguiente experimento importante e interesante, que se convirtió en el preludio del descubrimiento de la fotosíntesis, lo llevó a cabo el científico inglés Joseph Priestley en 1771 (es curioso que, por la naturaleza de su profesión, el Sr. Priestley fuera sacerdote de la Iglesia Anglicana , pero pasó a la historia como un científico destacado). ¿Qué hizo el señor Priestley? Colocó al ratón bajo una capucha y cinco días después murió. Luego volvió a colocar otro ratón debajo del capó, pero esta vez había una ramita de menta debajo del capó junto con el ratón y como resultado el ratón permaneció vivo. El resultado obtenido llevó al científico a la idea de que existe un determinado proceso opuesto a la respiración. Otra conclusión importante de este experimento fue el descubrimiento del oxígeno como vital para todos los seres vivos (el primer ratón murió por su ausencia, mientras que el segundo sobrevivió gracias a una ramita de menta, que creaba oxígeno durante el proceso de fotosíntesis).
Así, se estableció el hecho de que las partes verdes de las plantas son capaces de liberar oxígeno. Luego, en 1782, el científico suizo Jean Senebier demostró que el dióxido de carbono se descompone en plantas verdes bajo la influencia de la luz; de hecho, se descubrió otra cara de la fotosíntesis. Luego, cinco años más tarde, el científico francés Jacques Boussengo descubrió que las plantas absorben agua durante la síntesis de sustancias orgánicas.
Y el acorde final de una serie de descubrimientos científicos relacionados con el fenómeno de la fotosíntesis fue el descubrimiento del botánico alemán Julius Sachs, quien en 1864 logró demostrar que el volumen de dióxido de carbono consumido y el de oxígeno liberado se produce en una proporción de 1:1.
La importancia de la fotosíntesis en la vida humana.
Si lo imaginamos en sentido figurado, la hoja de cualquier planta se puede comparar con un pequeño laboratorio, cuyas ventanas dan al lado soleado. Precisamente en este laboratorio se produce la formación de sustancias orgánicas y oxígeno, que es la base de la existencia de vida orgánica en la Tierra. Después de todo, sin oxígeno y sin fotosíntesis, la vida simplemente no existiría en la Tierra.
Pero si la fotosíntesis es tan importante para la vida y la liberación de oxígeno, entonces, ¿cómo vive la gente (y no solo la gente), por ejemplo en el desierto, donde hay un mínimo de plantas verdes, o, por ejemplo, en una ciudad industrial? donde los árboles son raros. El hecho es que las plantas terrestres representan sólo el 20% del oxígeno liberado a la atmósfera, mientras que el 80% restante lo liberan las algas marinas y oceánicas; no en vano, a los océanos del mundo a veces se les llama “los pulmones de nuestro planeta”; "
Fórmula de fotosíntesis
La fórmula general de la fotosíntesis se puede escribir de la siguiente manera:
Agua + Dióxido de carbono + Luz > Carbohidratos + Oxígeno
Así es la fórmula de la reacción química de la fotosíntesis:
6CO 2 + 6H 2 O = C6H 12 O 6 + 6O 2
La importancia de la fotosíntesis para las plantas.
Ahora intentemos responder la pregunta de por qué las plantas necesitan la fotosíntesis. De hecho, proporcionar oxígeno a la atmósfera de nuestro planeta está lejos de ser la única razón para que se produzca la fotosíntesis. Este proceso biológico es vital no sólo para las personas y los animales, sino también para las propias plantas, porque las sustancias orgánicas que se forman durante la fotosíntesis; forman la base de la vida vegetal.
¿Cómo ocurre la fotosíntesis?
El principal motor de la fotosíntesis es la clorofila, un pigmento especial contenido en las células vegetales que, entre otras cosas, es responsable del color verde de las hojas de los árboles y otras plantas. La clorofila es un compuesto orgánico complejo que también tiene una propiedad importante: la capacidad de absorber la luz solar. Al absorberla, es la clorofila la que activa ese pequeño laboratorio bioquímico contenido en cada pequeña hoja, en cada brizna de hierba y en cada alga. A continuación, se produce la fotosíntesis (consulte la fórmula anterior), durante la cual el agua y el dióxido de carbono se transforman en carbohidratos necesarios para las plantas y oxígeno necesarios para todos los seres vivos. Los mecanismos de la fotosíntesis son una ingeniosa creación de la naturaleza.
Fases de la fotosíntesis.
Además, el proceso de fotosíntesis consta de dos etapas: luz y oscuridad. Y a continuación escribiremos en detalle sobre cada uno de ellos.
Fase luminosa de la fotosíntesis.
Esta fase la llevan a cabo los tilacoides. ¿Qué son estos tialacoides? Los tilacoides son estructuras que se encuentran dentro de los cloroplastos y están delimitadas por una membrana.
El orden de los procesos en la fase luminosa de la fotosíntesis se ve así:
- La luz incide en la molécula de clorofila y es absorbida por el pigmento verde, lo que provoca que se excite. El electrón que ingresa a esta molécula pasa a un nivel superior y participa en el proceso de síntesis.
- El agua se descompone, durante la cual los protones, bajo la influencia de los electrones, se convierten en átomos de hidrógeno, que posteriormente se utilizan para la síntesis de carbohidratos.
- En la última etapa de la fase luminosa de la fotosíntesis, se sintetiza ATP (trifosfato de adenosina). El ATP es una sustancia orgánica que desempeña el papel de una especie de acumulador de energía en los procesos biológicos.
Fase oscura de la fotosíntesis.
Esta fase de la fotosíntesis ocurre en el estroma de los cloroplastos. Es durante este proceso que se libera oxígeno y se sintetiza glucosa. Por el nombre se podría pensar que la fase oscura de la fotosíntesis ocurre exclusivamente en la oscuridad. De hecho, esto no es así, la síntesis de glucosa ocurre las 24 horas del día, solo que en esta etapa la energía luminosa ya no se consume y simplemente no es necesaria.
Fotosíntesis, vídeo
Y por último, un interesante vídeo educativo sobre la fotosíntesis.
El significado y el papel de la fotosíntesis.
Principal fuente de energía
La palabra fotosíntesis significa literalmente la creación o ensamblaje de algo bajo la influencia de la luz. Normalmente, cuando hablamos de fotosíntesis, nos referimos al proceso mediante el cual las plantas sintetizan compuestos orgánicos a partir de materias primas inorgánicas bajo la luz del sol. Todas las formas de vida en el universo requieren energía para crecer y mantener la vida. Las algas, las plantas superiores y algunos tipos de bacterias captan directamente la energía de la radiación solar y la utilizan para sintetizar nutrientes básicos. Los animales no saben utilizar la luz solar directamente como fuente de energía; la obtienen comiendo plantas u otros animales que comen plantas. Entonces, en última instancia, la fuente de energía para todos los procesos metabólicos en nuestro planeta es el Sol, y el proceso de fotosíntesis es necesario para mantener todas las formas de vida en la Tierra.
Utilizamos combustibles fósiles: carbón, gas natural, petróleo, etc. Todos estos tipos de combustible no son más que productos de descomposición de plantas o animales terrestres y marinos, y la energía almacenada en ellos se obtuvo hace millones de años de la luz solar. El viento y la lluvia también deben su origen a la energía solar, por lo que la energía de los molinos de viento y de las centrales hidroeléctricas también se debe en última instancia a la radiación solar.
La ruta más importante de las reacciones químicas durante la fotosíntesis es la conversión de dióxido de carbono y agua en carbono y oxígeno. La reacción general se puede describir mediante la ecuación CO2+H20? [CH20]+02
Los carbohidratos producidos en esta reacción contienen más energía que los materiales de partida, es decir, CO2 y H20. Así, gracias a la energía del sol, las sustancias energéticas (CO2 y H20) se convierten en productos ricos en energía: carbohidratos y oxígeno. Los niveles de energía de las distintas reacciones descritas por la ecuación resumida se pueden caracterizar mediante los valores de los potenciales redox, medidos en voltios. Los valores potenciales muestran cuánta energía se almacena o se desperdicia en cada reacción. Entonces, la fotosíntesis puede considerarse como el proceso de generar la energía radiante del Sol en energía química de los tejidos vegetales.
El contenido de CO2 en la atmósfera sigue siendo casi completo, a pesar de que el dióxido de carbono se consume en el proceso de fotosíntesis. El caso es que todas las plantas y animales respiran. Durante el proceso de respiración en las mitocondrias, el oxígeno absorbido de la atmósfera por los tejidos vivos se utiliza para oxidar los carbohidratos y otros componentes del tejido, produciendo en última instancia dióxido de carbono y agua, con la consiguiente liberación de energía. La energía liberada se almacena en compuestos de alta energía: el trifosfato de adenosina (ATP), que el cuerpo utiliza para realizar todas las funciones vitales. Así, la respiración conlleva el consumo de materia orgánica y oxígeno y aumenta el contenido de CO2 en el planeta. A escala terrestre, se gasta una media de unas 10.000 toneladas de dióxido de carbono por segundo en los procesos respiratorios de todos los organismos vivos y en la combustión de todo tipo de combustibles que contienen carbono. A este ritmo de consumo, todo el oxígeno de la atmósfera debería secarse en unos 3.000 años. Afortunadamente para nosotros, el consumo de materia orgánica y oxígeno atómico se equilibra con la creación de carbohidratos y oxígeno a través de la fotosíntesis. En condiciones ideales, la tasa de fotosíntesis en los tejidos de las plantas verdes es aproximadamente 30 veces mayor que la tasa de respiración en los mismos tejidos, por lo que la fotosíntesis es un factor importante que regula el contenido de 02 en la Tierra.
Historia del descubrimiento de la fotosíntesis.
A principios del siglo XVII. El médico flamenco Van Helmont cultivó un árbol en un recipiente con tierra, que regó únicamente con agua de lluvia. Se dio cuenta de que después de cinco años el árbol había crecido hasta alcanzar un tamaño grande, aunque la cantidad de tierra en la tina prácticamente no había disminuido. Van Helmont naturalmente concluyó que el material del que se formó el árbol procedía del agua utilizada para el riego. En 1777, el botánico inglés Stephen Hayles publicó un libro en el que se informaba que las plantas utilizan principalmente el aire como nutriente necesario para el crecimiento. Durante el mismo período, el famoso químico inglés Joseph Priestley (fue uno de los descubridores del oxígeno) realizó una serie de experimentos sobre la combustión y la respiración y llegó a la conclusión de que las plantas verdes son capaces de realizar todos los procesos respiratorios que se encuentran en tejidos animales. Priestley quemó una vela en un volumen cerrado de aire y descubrió que el aire resultante ya no podía soportar la combustión. Un ratón colocado en un recipiente así murió. Sin embargo, la ramita de menta siguió viviendo en el aire durante semanas. En conclusión, Priestley descubrió que en el aire restaurado por una ramita de menta, la vela comenzaba a arder nuevamente y el ratón podía respirar. Ahora sabemos que cuando la vela ardía consumía oxígeno de un volumen de aire cerrado, pero luego el aire se saturaba nuevamente de oxígeno gracias a la fotosíntesis, que se producía en la ramita de menta izquierda. Unos años más tarde, el médico holandés Ingenhouse descubrió que las plantas sólo oxidan el oxígeno con la luz solar y que sólo sus partes verdes liberan oxígeno. Jean Senebier, que ejerció como ministro, confirmó los datos de Ingenhouse y continuó la investigación, demostrando que las plantas utilizan dióxido de carbono disuelto en agua como nutriente. A principios del siglo XIX, otro investigador suizo, De Neighbors, estudió las relaciones cuantitativas entre el dióxido de carbono absorbido por una planta, por un lado, y las sustancias orgánicas sintetizadas y el oxígeno, por otro. Como resultado de sus experimentos, llegó a la conclusión de que la planta también consume agua durante la asimilación de CO2. En 1817, dos químicos franceses, Peltier y Cavantou, aislaron una sustancia verde de las hojas y la llamaron clorofila. El siguiente hito importante en la historia del estudio de la fotosíntesis fue la afirmación hecha en 1845 por el físico alemán Robert Mayer de que las plantas verdes convierten la energía de la luz solar en energía química. Las ideas sobre la fotosíntesis que se desarrollaron a mediados del siglo pasado se pueden expresar mediante la siguiente relación:
planta verde
CO2+ H2 O + ¿Luz? O2 + org. sustancias + energía química
El fisiólogo vegetal francés Busengo midió con precisión la relación entre la cantidad de CO2 absorbida durante la fotosíntesis y la cantidad de O2 liberada. En 1864 descubrió que la relación fotosintética, es decir la relación entre el volumen de 02 liberado y el volumen de CO2 absorbido es casi igual a la unidad. Ese mismo año, el botánico alemán Sachs (que también descubrió la respiración en las plantas) demostró la formación de granos de almidón durante la fotosíntesis. Sachs colocó las hojas verdes en la oscuridad durante varias horas para permitirles consumir el almidón que habían acumulado. Luego sacó las hojas a la luz, pero solo iluminó la mitad de cada hoja, dejando la otra mitad en la oscuridad. Después de un tiempo, se trató toda la hoja con vapor de yodo. Como resultado, la parte iluminada de la hoja se volvió de color púrpura oscuro, lo que indica la formación de un complejo de almidón con yodo, mientras que el color de la otra mitad de la hoja no cambió. La conexión directa entre la liberación de oxígeno y los cloroplastos en las hojas verdes, así como la correspondencia del espectro de acción de la fotosíntesis con el espectro de los absorbidos por los cloroplastos, fue establecida en 1880 por Engelman. Colocó un alga verde filamentosa con cloroplastos en espiral sobre un portaobjetos de vidrio, iluminándolo con un haz de luz blanca estrecho y ancho. Junto con las algas, se aplicó sobre un portaobjetos de vidrio una suspensión de células bacterianas móviles sensibles a la concentración de oxígeno. El portaobjetos se colocó en una cámara sin aire y se iluminó. En estas condiciones, las bacterias móviles deberían haberse desplazado a la parte donde la concentración de 02 era mayor. Después de un tiempo, se examinó la muestra al microscopio y se calculó la distribución de la población bacteriana. Resultó que las bacterias se concentraban alrededor de las franjas verdes de las algas filamentosas. En otra serie de experimentos, Engelman iluminó algas con haces de diferente composición espectral, instalando un prisma entre la fuente de luz y la platina del microscopio. En este caso, la mayor cantidad de bacterias se acumularon alrededor de aquellas áreas de las algas que estaban iluminadas en las regiones azul y roja del espectro. Las clorofilas que se encuentran en las algas absorben la luz azul y roja. Como en aquella época ya se sabía que la fotosíntesis requiere la absorción de luz, Engelman concluyó que las clorofilas participan en la síntesis como pigmentos que son fotorreceptores activos. El nivel de conocimiento sobre la fotosíntesis a principios de nuestro siglo se puede representar de la siguiente manera.
CO2 + H2O + Luz -O2 + Almidón + Energía química
Así, a principios de nuestro siglo ya se conocía la reacción total de la fotosíntesis. Sin embargo, la bioquímica no estaba en un nivel tan alto como para revelar completamente los mecanismos de reducción del dióxido de carbono a carbohidratos. Desafortunadamente, hay que admitir que aún hoy algunos aspectos de la fotosíntesis aún no se conocen bien. Desde hace mucho tiempo se intenta estudiar la influencia de la intensidad de la luz, la temperatura, la concentración de dióxido de carbono, etc. al rendimiento total de la fotosíntesis. Aunque estos estudios examinaron una amplia variedad de especies de plantas, la mayoría de las mediciones se realizaron en algas verdes unicelulares y en el alga flagelada unicelular Euglena. Los organismos unicelulares son más convenientes para la investigación cualitativa, ya que pueden cultivarse en todos los laboratorios en condiciones completamente estándar. Se pueden suspender uniformemente, es decir, suspender en soluciones tampón acuosas, y el volumen requerido de dicha suspensión, o suspensión, se puede tomar en la dosis que se desee, como cuando se trabaja con plantas comunes. Los cloroplastos para experimentos se aíslan mejor de las hojas de plantas superiores. La espinaca se utiliza con mayor frecuencia porque es fácil de cultivar y las hojas frescas son convenientes para la investigación; A veces se utilizan hojas de guisantes y lechuga.
Dado que el CO2 es altamente soluble en agua y el O2 es relativamente insoluble en agua, durante la fotosíntesis en un sistema cerrado, la presión del gas en este sistema puede cambiar. Por lo tanto, el efecto de la luz en los sistemas fotosintéticos a menudo se estudia utilizando un respirador Warburg, que permite registrar cambios de umbral en el volumen de O2 en el sistema. El respirador Warburg se utilizó por primera vez en relación con la fotosíntesis en 1920. Para medir el consumo o la liberación de oxígeno durante una reacción, es más conveniente utilizar otro dispositivo: un electrodo de oxígeno. Este dispositivo se basa en el uso del método polarográfico. El electrodo de oxígeno es lo suficientemente sensible como para detectar concentraciones tan bajas como 0,01 mmol por litro. El dispositivo consta de un cátodo de alambre de platino bastante delgado, herméticamente presionado en una placa de ánodo, que es un anillo de alambre de plata sumergido en una solución saturada. Los electrodos están separados de la mezcla en la que tiene lugar la reacción mediante una membrana permeable al O2. El sistema de reacción está ubicado en un recipiente de plástico o vidrio y se agita constantemente mediante una barra magnética giratoria. Cuando se aplica voltaje a los electrodos, el electrodo de platino se vuelve negativo con respecto al electrodo estándar y el oxígeno en la solución se reduce electrolíticamente. A un voltaje de 0,5 a 0,8 V, la magnitud de la corriente eléctrica depende linealmente de la presión parcial de oxígeno en la solución. Normalmente, el electrodo de oxígeno funciona a un voltaje de aproximadamente 0,6 V. La corriente eléctrica se mide conectando el electrodo a un sistema de registro adecuado. El electrodo junto con la mezcla de reacción se riega con un chorro de agua del termostato. Se utiliza un electrodo de oxígeno para medir el efecto de la luz y diversos productos químicos en la fotosíntesis. La ventaja del electrodo de oxígeno sobre el aparato de Warburg es que el electrodo de oxígeno le permite registrar de forma rápida y continua los cambios en el contenido de O2 en el sistema. Por otro lado, en el dispositivo Warburg se pueden examinar simultáneamente hasta 20 muestras con diferentes mezclas de reacción, mientras que cuando se trabaja con un electrodo de oxígeno, las muestras deben analizarse una por una.
Hasta principios de la década de 1930, muchos investigadores en este campo creían que la reacción principal de la fotosíntesis era la degradación del dióxido de carbono por la luz en carbono y oxígeno, seguida de la reducción del carbono a carbohidratos utilizando agua en varias reacciones secuenciales. La visión cambió en la década de 1930 como resultado de dos descubrimientos importantes. En primer lugar, se describieron especies de bacterias que son capaces de asimilar y sintetizar carbohidratos sin utilizar para ello energía luminosa. Luego, el microbiólogo holandés Van Niel comparó los procesos de fotosíntesis en las bacterias y demostró que algunas bacterias pueden asimilar CO2 de la luz sin liberar oxígeno. Estas bacterias son capaces de realizar la fotosíntesis sólo en presencia de un sustrato donador de hidrógeno adecuado. Van Niel sugirió que la fotosíntesis de plantas verdes y algas es un caso especial cuando el oxígeno en la fotosíntesis proviene del agua y no del dióxido de carbono.
El segundo descubrimiento importante lo realizó en 1937 R. Heale en la Universidad de Cambridge. Utilizando la centrifugación diferencial de un homogeneizado de tejido foliar, separó las partículas fotosintéticas (cloroplastos) de las partículas respiratorias. Los cloroplastos obtenidos por Hill no liberaban oxígeno por sí solos cuando se iluminaban (posiblemente porque se dañaron durante la separación). Sin embargo, comenzaban a liberar oxígeno a la luz si se añadían a la suspensión aceptores de electrones adecuados (agentes oxidantes), como ferrioxalato de potasio o ferricianuro de potasio. Cuando se aisló una molécula de O2, se redujeron fotoquímicamente cuatro equivalentes del agente oxidante. Más tarde se descubrió que muchas quinonas y colorantes se reducen mediante los cloroplastos a la luz. Sin embargo, los cloroplastos no pudieron reducir el CO2, un aceptor natural de electrones durante la fotosíntesis. Este fenómeno, ahora conocido como reacción de Hill, es la transferencia de electrones inducida por la luz del agua a agentes oxidantes no fisiológicos (reactivos de Hill) contra un gradiente de potencial químico. La importancia de la reacción de Hill es que demostró la posibilidad de separar dos procesos: la evolución fotoquímica del oxígeno y la reducción del dióxido de carbono durante la fotosíntesis.
La descomposición del agua, que conduce a la liberación de oxígeno libre durante la fotosíntesis, fue establecida por Rubén y Kamen en California en 1941. Colocaron células fotosintéticas en agua enriquecida con un isótopo de oxígeno con una masa de 18 unidades atómicas 180. El isótopo La composición del oxígeno liberado por las células correspondía a la composición del agua, pero no al CO2. Además, Kamen y Ruben descubrieron el isótopo radiactivo 18O, que posteriormente fue utilizado con éxito por Bassett y Benson Win, quienes estudiaron la ruta de conversión del dióxido de carbono durante la fotosíntesis. Calvin y su colaborador descubrieron que la reducción del dióxido de carbono a azúcares se produce como resultado de procesos enzimáticos oscuros, y la reducción de una molécula de dióxido de carbono requiere dos moléculas de ADP reducido y tres moléculas de ATP. En ese momento, se había establecido el papel del ATP y los nucleótidos de piridina en la respiración de los tejidos. La posibilidad de la reducción fotosintética de ADP a ATP mediante clorofilas aisladas se demostró en 1951 en tres laboratorios diferentes. En 1954, Arnon y Allen demostraron la fotosíntesis: observaron la asimilación de CO2 y O2 liberados por los cloroplastos de las espinacas. Durante la siguiente década, fue posible aislar de los cloroplastos proteínas involucradas en la transferencia de electrones en la síntesis: ferredoxina, plastocianina, ferroATP reductasa, citocromos, etc.
Así, en las hojas verdes sanas, el ADP y el ATP se forman bajo la influencia de la luz y la energía de los hidroenlaces se utiliza para reducir el CO2 a carbohidratos en presencia de enzimas, y la actividad de las enzimas está regulada por la luz.
Factores limitantes
La intensidad o velocidad del proceso de fotosíntesis en una planta depende de varios factores internos y externos. De los factores internos, los más importantes son la estructura de la hoja y el contenido de clorofila en ella, la tasa de acumulación de productos de la fotosíntesis en los cloroplastos, la influencia de las enzimas, así como la presencia de pequeñas concentraciones de sustancias inorgánicas necesarias. Los parámetros externos son la cantidad y calidad de la luz que incide sobre las hojas, la temperatura ambiente, la concentración de dióxido de carbono y oxígeno en la atmósfera cercana a la planta.
La tasa de fotosíntesis aumenta linealmente o directamente proporcional al aumento de la intensidad de la luz. A medida que aumenta la intensidad de la luz, el aumento de la fotosíntesis se vuelve cada vez menos pronunciado y finalmente se detiene cuando la iluminación alcanza un cierto nivel de 10.000 lux. Un aumento adicional de la intensidad de la luz ya no afecta la tasa de fotosíntesis. La región de tasa de fotosíntesis estable se llama región de saturación de luz. Si desea aumentar la tasa de fotosíntesis en esta área, no es la intensidad de la luz lo que debe cambiar, sino algunos otros factores. La intensidad de la luz solar que incide sobre la superficie de la Tierra en un día claro de verano en muchos lugares de nuestro planeta es de aproximadamente 100.000 lux. En consecuencia, para las plantas, con excepción de aquellas que crecen en bosques densos y en la sombra, la luz solar incidente es suficiente para saturar su actividad fotosintética (la energía de los cuantos correspondientes a las partes extremas del rango visible - violeta y rojo - difiere sólo en un factor de dos, y todos los fotones en este rango son, en principio, capaces de iniciar la fotosíntesis).
En el caso de intensidades de luz bajas, la tasa de fotosíntesis a 15 y 25°C es la misma. Las reacciones que ocurren con intensidades de luz que corresponden a la región limitante de la luz, como las verdaderas reacciones fotoquímicas, no son sensibles a la temperatura. Sin embargo, a intensidades más altas, la tasa de fotosíntesis a 25°C es mucho mayor que a 15°C. En consecuencia, en la región de saturación luminosa, el nivel de fotosíntesis depende no sólo de la absorción de fotones, sino también de otros factores. La mayoría de las plantas en climas templados funcionan bien en temperaturas que oscilan entre 10 y 35°C, siendo las temperaturas de alrededor de 25°C las más favorables.
En la región de limitación de luz, la tasa de fotosíntesis no cambia al disminuir la concentración de CO2. De esto podemos concluir que el CO2 participa directamente en la reacción fotoquímica. Al mismo tiempo, con intensidades de luz más altas que se encuentran fuera de la región límite, la fotosíntesis aumenta significativamente al aumentar la concentración de CO2. En algunos cultivos de cereales, la fotosíntesis aumentó linealmente a medida que la concentración de CO2 aumentó al 0,5%. (estas mediciones se realizaron en experimentos de corta duración, ya que la exposición prolongada a altas concentraciones de CO2 daña las láminas). La tasa de fotosíntesis alcanza valores elevados con un contenido de CO2 de aproximadamente el 0,1%. La concentración media de dióxido de carbono en la atmósfera es del 0,03%. Por tanto, en condiciones normales, las plantas no tienen suficiente CO2 para aprovechar con la máxima eficacia la luz solar que incide sobre ellas. Si una planta colocada en un volumen cerrado se ilumina con luz de intensidad saturante, entonces la concentración de CO2 en el volumen de aire disminuirá gradualmente y alcanzará un nivel constante conocido como "punto de compensación de CO2". En este punto, la aparición de CO2 durante la fotosíntesis se equilibra con la liberación de O2 como resultado de la respiración (oscuridad y luz). En plantas de diferentes especies, las posiciones de los puntos de compensación son diferentes.
Reacciones claras y oscuras.
En 1905, el fisiólogo vegetal inglés F. F. Blackman, al interpretar la forma de la curva de saturación de luz de la fotosíntesis, sugirió que la fotosíntesis es un proceso de dos etapas, incluida la fotoquímica, es decir. una reacción fotosensible y una reacción no fotoquímica, es decir, oscura. La reacción oscura, al ser enzimática, avanza más lentamente que la reacción luminosa y, por lo tanto, a altas intensidades de luz, la velocidad de la fotosíntesis está completamente determinada por la velocidad de la reacción oscura. La reacción luminosa o no depende en absoluto de la temperatura, o esta dependencia se expresa muy débilmente, entonces la reacción oscura, como todos los procesos enzimáticos, depende de la temperatura en un grado bastante significativo. Debe entenderse claramente que la reacción, llamada oscuridad, puede ocurrir tanto en la oscuridad como en la luz. Las reacciones de luz y oscuridad se pueden separar mediante destellos de luz que duran breves fracciones de segundo. Los destellos de luz que duran menos de un milisegundo (10-3 s) se pueden obtener mecánicamente, colocando un disco giratorio con una ranura en el camino de un haz de luz constante, o eléctricamente, cargando un condensador y descargándolo a través de un lámpara de vacío o de descarga de gas. Como fuente de luz también se utilizan láseres de rubí con una longitud de onda de radiación de 694 nm. En 1932, Emerson y Arnold iluminaron una suspensión celular con destellos de luz de una lámpara de descarga de gas con una duración de aproximadamente 10-3 s. Midieron la tasa de liberación de oxígeno dependiendo de la energía de los destellos, la duración del intervalo de oscuridad entre los destellos y la temperatura de la suspensión celular. A medida que aumentaba la intensidad de las llamaradas, se producía la saturación de la fotosíntesis en las células normales cuando se liberaba una molécula de O2 por cada 2500 moléculas de clorofila. Emerson y Arnold concluyeron que el rendimiento máximo de la fotosíntesis no está determinado por la cantidad de moléculas de clorofila que absorben la luz, sino por la cantidad de moléculas de enzima que catalizan la reacción de oscuridad. También encontraron que cuando el intervalo de oscuridad entre destellos sucesivos aumentaba más allá de 0,06 s, el rendimiento de oxígeno por destello ya no dependía de la duración del intervalo de oscuridad, mientras que en intervalos más cortos aumentaba al aumentar la duración del intervalo de oscuridad (de 0 a 0,06 segundos). Así, la reacción oscura, que determina el nivel de saturación de la fotosíntesis, se completa en aproximadamente 0,06 s. Con base en estos datos, se calculó que el tiempo promedio que caracteriza la velocidad de reacción fue de aproximadamente 0,02 sa 25°C.
Organización estructural y bioquímica del aparato fotosintético.
Las ideas modernas sobre la organización estructural y funcional del aparato fotosintético incluyen una amplia gama de cuestiones relacionadas con las características de la composición química de los plastidios, las características específicas de su organización estructural, los patrones fisiológicos y genéticos de la biogénesis de estos orgánulos y sus relaciones. con otras estructuras funcionales de la célula. En las plantas terrestres, el órgano especial de actividad fotosintética es la hoja, donde se localizan estructuras celulares especializadas: cloroplastos, que contienen pigmentos y otros componentes necesarios para los procesos de absorción y conversión de energía luminosa en potencial químico. Además de la hoja, los cloroplastos funcionalmente activos están presentes en los tallos, pecíolos, aristas y glumas de las plantas, e incluso en las raíces iluminadas de varias plantas. Sin embargo, fue la hoja la que se formó durante una larga evolución como un órgano especial para realizar la función principal de una planta verde: la fotosíntesis, de ahí la anatomía de la hoja, la ubicación de las células y tejidos que contienen clorofila, su relación con otros. Los elementos de la estructura morfémica de la hoja están subordinados al curso más eficiente del proceso de fotosíntesis y, en mayor medida, están sujetos a cambios intensos en condiciones de estrés ambiental.
En este sentido, es aconsejable considerar el problema de la organización estructural y funcional del aparato fotosintético en dos niveles principales: a nivel de la hoja como órgano de la fotosíntesis y de los cloroplastos, donde se concentra todo el mecanismo de la fotosíntesis.
La organización del aparato fotosintético a nivel foliar se puede considerar a partir de un análisis de su mesoestructura. El concepto de “mesoestructura” fue propuesto en 1975. Según las ideas sobre las características estructurales y funcionales del aparato fotosintético con las características de la composición química, organización estructural, características fisiológicas y genéticas de la biogénesis de estos orgánulos y sus relaciones con otras estructuras funcionales, el órgano especial del proceso fotosintético es la hoja, donde se localizan formaciones especializadas: cloroplastos que contienen pigmentos necesarios para los procesos de absorción y conversión de la luz en potencial químico. Además, los cloroplastos activos están presentes en los tallos, aristas y glumas de la mazorca, e incluso en las partes iluminadas de las raíces de algunas plantas. Sin embargo, fue la hoja la que se formó a lo largo de la evolución como un órgano especial para realizar la función principal de una planta verde: la fotosíntesis.
La mesoestructura incluye un sistema de características morfofisiológicas del aparato fotosintético de la hoja, clorénquima y clesófila. Los principales indicadores de la mesoestructura fotosintética.
Los aparatos ticos (según A.T. Mokronosov) incluyen: área, número de células, clorofila, proteína, volumen celular, número de cloroplastos en una célula, volumen de cloroplasto, área de la sección transversal del cloroplasto y su superficie. El análisis de la mesoestructura y la actividad funcional del aparato fotosintético en muchas especies de plantas ayuda a determinar los valores más comunes de los indicadores estudiados y los límites de variación de las características individuales. Según estos datos, los principales indicadores de la mesoestructura del aparato fotosintético (Mokronosov, 19B1):
I - área foliar;
II - número de células por 1 cm2,
III - clorofila por 1 dm2, enzimas clave por 1 dm2, volumen celular, miles de micrones, número de cloroplastos en la célula;
IV - volumen de cloroplasto, área de proyección de cloroplasto, µm2, superficie de cloroplasto, µm2.
El número medio de cloroplastos en una hoja que ha completado su crecimiento suele alcanzar entre 10 y 30, en algunas especies supera los 400. Esto corresponde a millones de cloroplastos por 1 cm2 de superficie foliar; Los cloroplastos se concentran en las células de varios tejidos en una cantidad de 15 a 80 piezas por célula. El volumen medio de un cloroplasto es de una micra2. En la mayoría de las plantas, el volumen total de todos los cloroplastos es del 10 al 20%, en las plantas leñosas, hasta el 35% del volumen celular. La relación entre la superficie total de los cloroplastos y el área foliar está en el rango de 3 a 8. Un cloroplasto contiene una cantidad diferente de moléculas de clorofila; en las especies amantes de la sombra, su cantidad aumenta. Los indicadores anteriores pueden variar significativamente según el estado fisiológico y las condiciones ambientales de crecimiento de las plantas. Según A.T. Mokronosov, en una hoja joven, la activación de la fotosíntesis cuando se elimina el 50-80% de la hoja está asegurada por un aumento en el número de cloroplastos en la célula sin cambiar su actividad individual, mientras que en una hoja que se ha completado. En el crecimiento, se produce un aumento de la fotosíntesis después de la defoliación debido a un aumento de la actividad de cada cloroplasto sin cambiar su número. El análisis de la mesoestructura mostró que la adaptación a las condiciones de iluminación provoca una reestructuración que optimiza las propiedades de absorción de luz de la hoja.
Los cloroplastos tienen el mayor grado de organización de las estructuras de la membrana interna en comparación con otros orgánulos celulares. En cuanto al grado de ordenamiento de sus estructuras, los cloroplastos solo se pueden comparar con las células receptoras de la retina, que también realizan la función de convertir la energía luminosa. El alto grado de organización de la estructura interna del cloroplasto está determinado por una serie de puntos:
1) la necesidad de separación espacial de fotoproductos reducidos y oxidados que surgen como resultado de actos primarios de separación de cargas en el centro de reacción;
2) la necesidad de un orden estricto de los componentes del centro de reacción, donde se acoplan reacciones fotofisiológicas rápidas y enzimáticas más lentas: la transformación de la energía de una molécula de pigmento fotoexcitada requiere su orientación específica en relación con el aceptor de energía química, que presupone la presencia de ciertas estructuras donde el pigmento y el aceptor están rígidamente orientados entre sí;
3) la organización espacial de la cadena de transporte de electrones requiere una organización consistente y estrictamente orientada de los portadores en la membrana, brindando la posibilidad de un transporte rápido y regulado de electrones y protones;
4) para acoplar el transporte de electrones y la síntesis de ATP, se requiere un determinado sistema organizado de cloroplastos.
Las membranas de lipoproteínas como base estructural de los procesos energéticos surgen en las primeras etapas de la evolución, lo que sugiere que los principales componentes lipídicos de las membranas, los fosfolípidos, se formaron en determinadas condiciones biológicas. La formación de complejos lipídicos permitió incluir en ellos varios compuestos, lo que aparentemente fue la base de las funciones catalíticas primarias de estas estructuras.
Los estudios de microscopía electrónica realizados en los últimos años han descubierto estructuras de membrana organizadas en organismos en la etapa más baja de la evolución. En algunas bacterias, las estructuras fotosintetizadoras de membrana de células de orgánulos muy empaquetados se encuentran a lo largo de la periferia de la célula y están asociadas con membranas citoplasmáticas; Además, en las células de las algas verdes, el proceso de fotosíntesis está asociado con un sistema de membranas dobles cerradas: los tilacoides, localizados en la parte periférica de la célula. En este grupo de organismos fotosintéticos, la clorofila aparece por primera vez y en las algas criptofitas se produce la formación de orgánulos especializados, los cloroplastos. Contienen dos cloroplastos que contienen de uno a varios tilacoides. Una estructura similar del aparato fotosintético se encuentra en otros grupos de algas: rojas, marrones, etc. En el proceso de evolución, la estructura de la membrana del proceso fotosintético se vuelve más compleja.
Los estudios microscópicos de los cloroplastos y las técnicas de crioscopia permitieron formular un modelo espacial de la organización tridimensional de los cloroplastos. El más conocido es el modelo de red granular de J. Heslop-Harrison (1964).
Por tanto, la fotosíntesis es un proceso complejo de convertir la energía luminosa en energía de los enlaces químicos de sustancias orgánicas necesarias para la vida tanto de los propios organismos fotosintéticos como de otros organismos que no son capaces de sintetizar sustancias orgánicas de forma independiente.
El estudio de los problemas de la fotosíntesis, además de los problemas biológicos generales, también tiene importancia práctica. En particular, los problemas de nutrición, la creación de sistemas de soporte vital para la investigación espacial y el uso de organismos fotosintéticos para crear diversos dispositivos biotécnicos están directamente relacionados con la fotosíntesis.
Referencias
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Fotosíntesis es un conjunto de procesos para la síntesis de compuestos orgánicos a partir de inorgánicos debido a la conversión de la energía luminosa en energía de enlaces químicos. Los organismos fototróficos incluyen plantas verdes, algunos procariotas: cianobacterias, bacterias de azufre violetas y verdes y flagelados de plantas.
La investigación sobre el proceso de la fotosíntesis se inició en la segunda mitad del siglo XVIII. El destacado científico ruso K. A. Timiryazev hizo un descubrimiento importante, quien fundamentó la doctrina sobre el papel cósmico de las plantas verdes. Las plantas absorben la luz solar y convierten la energía luminosa en energía de los enlaces químicos de los compuestos orgánicos que sintetizan. Así, aseguran la preservación y el desarrollo de la vida en la Tierra. El científico también fundamentó teóricamente y demostró experimentalmente el papel de la clorofila en la absorción de luz durante la fotosíntesis.
Las clorofilas son los principales pigmentos fotosintéticos. Tienen una estructura similar a la hemoglobina, pero contienen magnesio en lugar de hierro. El contenido de hierro es necesario para asegurar la síntesis de moléculas de clorofila. Hay varias clorofilas que se diferencian en su estructura química. Obligatorio para todos los fotótrofos es clorofila a . Clorofilab encontrado en plantas verdes clorofila c – en diatomeas y algas pardas. clorofila d Característica de las algas rojas.
Las bacterias fotosintéticas verdes y moradas tienen características especiales. bacterioclorofilas . La fotosíntesis bacteriana tiene mucho en común con la fotosíntesis de las plantas. Se diferencia en que en las bacterias el donante de hidrógeno es el sulfuro de hidrógeno y en las plantas es el agua. Las bacterias verdes y moradas no tienen fotosistema II. La fotosíntesis bacteriana no va acompañada de la liberación de oxígeno. La ecuación general para la fotosíntesis bacteriana es:
6C0 2 + 12H 2 S → C 6 H 12 O 6 + 12S + 6H 2 0.
La fotosíntesis se basa en el proceso redox. Está asociado con la transferencia de electrones desde compuestos que suministran electrones (donadores) a compuestos que los aceptan (aceptores). La energía luminosa se convierte en energía de compuestos orgánicos sintetizados (carbohidratos).
Hay estructuras especiales en las membranas de los cloroplastos. centros de reacción que contienen clorofila. En las plantas verdes y las cianobacterias hay dos fotosistemas – primero (yo) Y segundo (ii) , que tienen diferentes centros de reacción y están interconectados a través de un sistema de transferencia de electrones.
Dos fases de la fotosíntesis.
El proceso de fotosíntesis consta de dos fases: luminosa y oscura.
Ocurre sólo en presencia de luz en las membranas internas de las mitocondrias en las membranas de estructuras especiales. tilacoides . Los pigmentos fotosintéticos capturan cuantos de luz (fotones). Esto conduce a la "excitación" de uno de los electrones de la molécula de clorofila. Con la ayuda de moléculas portadoras, el electrón se mueve hacia la superficie exterior de la membrana tilacoide, adquiriendo una cierta energía potencial.
Este electrón en fotosistema yo puede volver a su nivel de energía y restaurarlo. También se puede transmitir NADP (nicotinamida adenina dinucleótido fosfato). Al interactuar con los iones de hidrógeno, los electrones restauran este compuesto. El NADP reducido (NADP H) suministra hidrógeno para reducir el CO 2 atmosférico a glucosa.
Procesos similares ocurren en fotosistema II . Los electrones excitados pueden transferirse al fotosistema I y restaurarlo. La restauración del fotosistema II se produce gracias a los electrones suministrados por las moléculas de agua. Las moléculas de agua se dividen (fotólisis del agua) en protones de hidrógeno y oxígeno molecular, que se libera a la atmósfera. Los electrones se utilizan para restaurar el fotosistema II. Ecuación de la fotólisis del agua:
2Н 2 0 → 4Н + + 0 2 + 2е.
Cuando los electrones de la superficie exterior de la membrana tilacoide regresan al nivel de energía anterior, se libera energía. Se almacena en forma de enlaces químicos de moléculas de ATP, que se sintetizan durante reacciones en ambos fotosistemas. El proceso de síntesis de ATP con ADP y ácido fosfórico se llama fotofosforilación . Parte de la energía se utiliza para evaporar el agua.
Durante la fase luminosa de la fotosíntesis, se forman compuestos ricos en energía: ATP y NADP H. Durante la descomposición (fotólisis) de las moléculas de agua, se libera oxígeno molecular a la atmósfera.
Las reacciones tienen lugar en el ambiente interno de los cloroplastos. Pueden ocurrir tanto en presencia de luz como sin ella. Las sustancias orgánicas se sintetizan (el CO 2 se reduce a glucosa) utilizando la energía que se formó en la fase luminosa.
El proceso de reducción del dióxido de carbono es cíclico y se llama ciclo de calvin . El nombre del investigador estadounidense M. Calvin, quien descubrió este proceso cíclico.
El ciclo comienza con la reacción del dióxido de carbono atmosférico con ribulosa bifosfato. El proceso es catalizado por una enzima. carboxilasa . El bifosfato de ribulosa es un azúcar de cinco carbonos combinado con dos unidades de ácido fosfórico. Se producen una serie de transformaciones químicas, cada una de las cuales es catalizada por su propia enzima específica. ¿Cómo se forma el producto final de la fotosíntesis? glucosa y también se reduce la ribulosa bifosfato.
La ecuación general para el proceso de fotosíntesis es:
6C0 2 + 6H 2 0 → C 6 H 12 O 6 + 60 2
Gracias al proceso de fotosíntesis, la energía luminosa del sol se absorbe y se convierte en energía de los enlaces químicos de los carbohidratos sintetizados. La energía se transfiere a organismos heterótrofos a través de cadenas alimentarias. Durante la fotosíntesis, se absorbe dióxido de carbono y se libera oxígeno. Todo el oxígeno atmosférico es de origen fotosintético. Anualmente se liberan más de 200 mil millones de toneladas de oxígeno libre. El oxígeno protege la vida en la Tierra de la radiación ultravioleta al crear un escudo de ozono en la atmósfera.
El proceso de fotosíntesis es ineficaz, ya que sólo el 1-2% de la energía solar se convierte en materia orgánica sintetizada. Esto se debe al hecho de que las plantas no absorben suficiente luz, parte de ella es absorbida por la atmósfera, etc. La mayor parte de la luz solar se refleja desde la superficie de la Tierra hacia el espacio.
La fotosíntesis es el único proceso en la biosfera que conduce a un aumento de su energía libre debido a una fuente externa. La energía almacenada en los productos de la fotosíntesis es la principal fuente de energía de la humanidad.
Cada año, como resultado de la fotosíntesis, se forman en la Tierra 150 mil millones de toneladas de materia orgánica y se liberan alrededor de 200 millones de toneladas de oxígeno libre.
El ciclo del oxígeno, el carbono y otros elementos implicados en la fotosíntesis mantiene la composición actual de la atmósfera necesaria para la vida en la Tierra. La fotosíntesis impide el aumento de la concentración de CO2, evitando que la Tierra se sobrecaliente debido al llamado “efecto invernadero”.
Dado que las plantas verdes representan la base nutricional directa o indirecta de todos los demás organismos heterótrofos, la fotosíntesis satisface las necesidades alimentarias de todos los seres vivos de nuestro planeta. Es la base más importante de la agricultura y la silvicultura. Aunque las posibilidades de influir en él aún no son grandes, todavía se utilizan hasta cierto punto. Al aumentar la concentración de dióxido de carbono en el aire al 0,1% (frente al 0,3% en la atmósfera natural), fue posible, por ejemplo, triplicar la producción de pepinos y tomates.
Un metro cuadrado de superficie foliar produce aproximadamente un gramo de azúcar en una hora; Esto significa que todas las plantas, según una estimación aproximada, eliminan de la atmósfera entre 100 y 200 mil millones de toneladas de C al año. Alrededor del 60% de esta cantidad es absorbida por los bosques, que ocupan el 30% de la superficie terrestre no cubierta por hielo, el 32% por tierras cultivadas y el 8% restante por plantas de estepas y zonas desérticas, así como de ciudades y pueblos.
Una planta verde es capaz no solo de utilizar dióxido de carbono y crear azúcar, sino también de convertir compuestos de nitrógeno y compuestos de azufre en sustancias que forman su cuerpo. A través del sistema radicular, la planta recibe iones de nitrato disueltos en el agua del suelo y los procesa en sus células para convertirlos en aminoácidos, los componentes principales de todos los compuestos proteicos. Los componentes de las grasas también surgen de compuestos formados durante los procesos metabólicos y energéticos. Los ácidos grasos y el glicerol producen grasas y aceites, que sirven principalmente como sustancias de reserva para la planta. Las semillas de aproximadamente el 80% de todas las plantas contienen grasas como sustancia de reserva rica en energía. La producción de semillas, grasas y aceites juega un papel importante en las industrias agrícola y alimentaria.
El tipo de fotosíntesis más primitivo lo llevan a cabo halobacterias que viven en ambientes con un alto contenido (hasta un 30%) de cloruro de sodio. Los organismos más simples capaces de realizar la fotosíntesis son también las bacterias azufradas de color púrpura y verde, así como las bacterias de color púrpura sin azufre. El aparato fotosintético de estos organismos es mucho más simple (un solo fotosistema) que el de las plantas; Además, no liberan oxígeno porque utilizan compuestos de azufre en lugar de agua como fuente de electrones. Este tipo de fotosíntesis se llama bacteriana. Sin embargo, las cianobacterias (procariotas capaces de fotodescomponer agua y liberar oxígeno) tienen una organización más compleja del aparato fotosintético: dos fotosistemas que funcionan conjugadamente. En las plantas, las reacciones de fotosíntesis se llevan a cabo en un orgánulo celular especializado: el cloroplasto.
Todas las plantas (desde las algas y los musgos hasta las gimnospermas y angiospermas modernas) tienen características comunes en la organización estructural y funcional del aparato fotosintético. Los cloroplastos, al igual que otros plastidios, se encuentran únicamente en las células vegetales. Su membrana exterior es lisa y la interior forma numerosos pliegues. Entre ellos hay montones de burbujas asociadas llamadas grana. Contienen granos de clorofila, un pigmento verde que desempeña un papel importante en el proceso de la fotosíntesis. El ATP se produce en los cloroplastos y también se produce la síntesis de proteínas. Pigmentos fotosintéticos:
Los principales pigmentos que absorben cuantos de luz durante la fotosíntesis son las clorofilas, pigmentos de naturaleza porfirina de magnesio. Se han descubierto varias formas de clorofilas que se diferencian en su estructura química. El espectro de absorción de diversas formas de clorofilas cubre las regiones del espectro visible, ultravioleta cercano e infrarrojo cercano (en plantas superiores de 350 a 700 nm y en bacterias de 350 a 900 nm). La clorofila es el pigmento principal y es característica de todos los organismos que realizan oxigenación, es decir, la fotosíntesis con liberación de oxígeno. Las algas verdes y euglena, los musgos y las plantas vasculares, además de clorofila, tienen clorofila b, cuyo contenido es 1/4-1/5 del contenido de clorofila a. Este es un pigmento adicional que amplía el espectro de absorción de la luz. En algunos grupos de algas, principalmente pardas y diatomeas, la clorofila c sirve como pigmento adicional, y en las algas rojas, la clorofila d. Las bacterias moradas contienen bacterioclorofila a y b, mientras que las bacterias verdes del azufre contienen bacterioclorofila cyd junto con bacterioclorofila a. Otros pigmentos acompañantes también participan en la absorción de energía luminosa: carotenoides (pigmentos de naturaleza poliisoprenoide) en eucariotas fotosintéticos y ficobilinas (pigmentos con una estructura de tetrapirrol abierta) en cianobacterias y algas rojas. En las halobacterias, el único pigmento que se encuentra en las membranas plasmáticas es la proteína compleja bacteriorrodopsina, que es similar en estructura química a la rodopsina, el pigmento visual de la retina.
En la célula, las moléculas de clorofila se encuentran en varios estados agregados (unidos) y forman complejos pigmento-lipoproteína y, junto con otros pigmentos involucrados en los procesos de absorción de cuantos de luz y transferencia de energía, se asocian con proteínas de las membranas fotosintéticas (tilacoides). , formando los llamados complejos clorofila-proteína captadores de luz. A medida que aumenta el grado de agregación y densidad de empaquetamiento de las moléculas, el máximo de absorción de los pigmentos se desplaza a la región de longitud de onda más larga del espectro. El papel principal en la absorción de energía luminosa corresponde a las formas de onda corta implicadas en los procesos de migración de energía. La presencia en la célula de una serie de formas espectralmente similares de pigmentos garantiza un alto grado de eficiencia en la migración de energía a los centros fotoquímicos de reacción, donde se encuentran las formas de pigmentos de longitud de onda más larga, que desempeñan el papel de las llamadas trampas de energía.
El proceso de fotosíntesis consta de dos etapas sucesivas e interconectadas: luminosa (fotoquímica) y oscura (metabólica).
Durante la fase luminosa de la fotosíntesis se producen tres procesos:
- 1. Formación de oxígeno por descomposición del agua. Se libera a la atmósfera.
- 2. Síntesis de ATP.
- 3. Formación de átomos de hidrógeno implicados en la formación de carbohidratos.
Durante la fase oscura de la fotosíntesis ocurren los siguientes procesos:
- 1. Conversión de dióxido de carbono.
- 2. Formación de glucosa.
La fotosíntesis se basa en el proceso redox, que da como resultado la formación de oxígeno (O2), así como de monosacáridos (glucosa, etc.), que son convertidos en almidón y almacenados por la planta. Durante el proceso de fotosíntesis, también se sintetizan monómeros de otros compuestos orgánicos: ácidos grasos, glicerol, aminoácidos. El significado de la fotosíntesis:
- 1. Asimilación y transformación de la energía solar libre con formación de sustancias orgánicas, que son alimento de organismos heterótrofos.
- 2. Liberación de oxígeno libre a la atmósfera, necesario para la respiración de todos los organismos vivos.
- 3. Asimilación de dióxido de carbono del aire atmosférico, que tiene un efecto perjudicial sobre los organismos vivos.
- 4. Proporcionar a todos los organismos terrestres energía química convertida a partir de la energía de la luz solar.
Las plantas verdes desempeñan un papel cósmico, actuando como intermediarias entre la vida en la Tierra y el Sol. Las plantas capturan la energía de los rayos del sol, gracias a la cual existe toda la vida en nuestro planeta. El proceso de fotosíntesis, llevado a cabo a una escala cósmica grandiosa, ha transformado radicalmente la faz de nuestro planeta. Gracias a la fotosíntesis, la energía solar no se disipa completamente en el espacio, sino que se almacena en forma de energías químicas de sustancias orgánicas. Debido a la capacidad de las plantas verdes para liberar oxígeno durante la fotosíntesis, se mantiene un porcentaje constante de oxígeno en el aire. Aparte de las plantas verdes, no existe ninguna otra fuente de oxígeno libre en la naturaleza. En todos los organismos fotosintéticos, los procesos fotoquímicos de la etapa luminosa de la fotosíntesis ocurren en membranas especiales convertidoras de energía llamadas membranas tilacoides y están organizados en la llamada cadena de transporte de electrones. Las reacciones oscuras de la fotosíntesis tienen lugar fuera de las membranas tilacoides (en el citoplasma de los procariotas y en el estroma del cloroplasto de las plantas). Así, las etapas clara y oscura de la fotosíntesis están separadas en el espacio y el tiempo.
La fotosíntesis es el proceso vital de las plantas verdes, el único en la biosfera asociado a la acumulación de energía solar. Su importancia radica en la provisión diversificada de vida en la Tierra.
Formación de biomasa
Los seres vivos (plantas, hongos, bacterias y animales) están formados por sustancias orgánicas. Toda la masa de materia orgánica se forma inicialmente durante el proceso de fotosíntesis, que ocurre en organismos autótrofos: plantas y algunas bacterias.
Arroz. 1. Organismos auto y heterótrofos.
Los organismos heterótrofos, que consumen plantas como alimento, sólo modifican sustancias orgánicas sin aumentar la biomasa total del planeta. La singularidad de la fotosíntesis es que durante la síntesis de sustancias orgánicas, la energía solar se almacena en sus enlaces químicos. De hecho, los organismos fotosintéticos “atan” la energía solar a la Tierra.
Soporte vital
La fotosíntesis produce constantemente sustancias orgánicas a partir de dióxido de carbono y agua, que proporcionan alimento y hábitat para diversos animales y humanos.
Toda la energía utilizada en la vida de los organismos vivos es inicialmente solar. La fotosíntesis fija esta energía en la Tierra y la transmite a todos los habitantes del planeta.
La sustancia y la energía almacenadas durante la fotosíntesis son ampliamente utilizadas por los humanos:
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1 hectárea de bosque o parque absorbe 8 kg de dióxido de carbono en 1 hora en verano. Esta cantidad se asigna al mismo tiempo a doscientas personas.
Atmósfera
La composición de la atmósfera cambió precisamente debido al proceso de fotosíntesis. La cantidad de oxígeno aumentó gradualmente, aumentando la capacidad de los organismos para sobrevivir. Inicialmente, el primer papel en la formación de oxígeno correspondía a las algas verdes y ahora a los bosques.
Arroz. 2. Gráfico de cambios en el contenido de O₂ en la atmósfera durante el proceso de evolución.
Una de las consecuencias del aumento del contenido de oxígeno en la atmósfera es la formación de la capa de ozono, que protege a los organismos vivos de la dañina radiación solar.
Se cree que fue después de la formación de la capa de ozono cuando se hizo posible la vida en la tierra.
La fotosíntesis es a la vez la fuente principal y un factor en el desarrollo de la vida en la Tierra.
La importancia de la fotosíntesis en la etapa actual ha adquirido un nuevo aspecto. La fotosíntesis inhibe el aumento de la concentración de CO₂ en el aire debido a la quema de combustible en el transporte y la industria. Esto reduce el efecto invernadero. La intensidad de la fotosíntesis aumenta al aumentar la concentración de CO₂ hasta un cierto límite.
Arroz. 3. Gráfico de la fotosíntesis en función del contenido de CO₂ en el aire.
