Qué es la fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso químico natural que hace posible la respiración de las plantas. Además, libera el oxígeno que respiramos.

Gracias a la fotosíntesis de las plantas, las algas y ciertas bacterias, los organismos vegetales logran convertir la luz del sol, el dióxido de carbono y el agua, en alimentos y oxígeno.

A continuación te invitamos a conocer en profundidad qué es la fotosíntesis, cuál es su definición científica, cómo ocurre el proceso químico detrás, sus fases y mucho más.

Qué es la fotosíntesis de las plantas

La respuesta inmediata es que la fotosíntesis es el proceso que permite a los ejemplares del reino vegetal —como, por ejemplo, las plantas y los árboles— alimentarse y respirar. Pero no solo eso, ya que este proceso produce el oxígeno que necesitamos los animales para respirar.

Como siempre te contamos en este humilde Enclave Científico, todo en cuanto existe está conectado. Y no es diferente en este caso: la mayor parte de toda la vida en la Tierra depende de la fotosíntesis de las plantas

El proceso lo llevan a cabo todos los organismos del reino vegetal, como plantas, algas y algunos tipos de bacterias, que capturan la energía de la luz solar para producir oxígeno (O2) y energía química almacenada en la glucosa (un azúcar).

Luego, los herbívoros obtienen esta energía al comer esas plantas, y los carnívoros la obtienen al comer herbívoros. Todo conforma una gran cadena en la que la energía nunca se pierde, sino que transmuta y se transforma constantemente.

Definición de fotosíntesis

Hacia una definición de fotosíntesis más precisa, podemos decir que es el proceso químico mediante el cual las plantas utilizan la luz solar, el agua (H2O) y el dióxido de carbono (CO2)  para crear oxígeno (O) y energía en forma de azúcar.

Dicho de otro modo, la fotosíntesis vegetal es la transformación de sustancias inorgánicas en orgánicas en presencia de la luz, liberando el oxígeno necesario para la vida durante el proceso.

Etimología de fotosíntesis

Como bien sabemos, el lenguaje es el código del pensamiento. El tejido mismo de la realidad: lo que no existe en el lenguaje, simplemente no existe en la realidad.

Por eso siempre prestamos especial atención a la etimología de las palabras, que tienen muchísima información guardada.

En este caso, si analizamos la etimología de “fotosíntesis”, nos encontramos con que se trata de una palabra compuesta por las raíces griegas:

  • φῶς-”, “φωτός-”: foto- = luz (como en fotón y fototropismo)
  • συν-”: sin = con, junto, a la vez (como en sinfonía y sinestesia)
  • θέσις”: tesis = posición, conclusión (como en tesis, prótesis y epéntesis)

Y hablando de fototropismo, ¿alguna vez te preguntaste por qué giran los girasoles? En este otro artículo, que te recomendamos leer después, te lo explicamos en detalle:

Quién descubrió la fotosíntesis 

Jan Ingenhousz (1834-1968), el científico que descubrió la fotosíntesis.

El proceso de la fotosíntesis fue descubierto por Jan Ingenhousz (1834-1968), científico británico de origen neerlandés.

Jan Ingenhousz y el descubrimiento de la fotosíntesis

Como muchos de los grandes científicos de la época, Ingen-Husz (como se lo conocía en su Países Bajos natal) fue un especialista en diversas disciplinas: fue médico, investigador, botánico, químico, fisiólogo y un pionero en el desarrollo de la vacunación.

Jan Ingenhousz, quien además era un gran amigo de otros pesos pesados de la ciencia de la época, como Joseph Priestley o Benjamin Franklin, teorizó sobre la fotosíntesis entre 1771 y 1772, cuando se encontraba en Londres estudiando el gas oxígeno y algunas propiedades de los gases como estado de la materia.

Placa conmemorativa en honor al Dr. Ingenhousz en la ciudad inglesa de Wiltshire.

Tras crear varios experimentos para demostrar la fotosíntesis y cuantificar el oxígeno que consumían y desprendían las plantas durante su respiración,​ en 1779 también demostró que las plantas eliminan dióxido de carbono en la oscuridad

En tal sentido, también comprobó que la cantidad de oxígeno desprendida por las plantas durante el día era menor que la cantidad de CO2 desprendida por la noche. Además, evidenció que a través de la fotosíntesis, las plantas utilizan el CO2 para crecer.

Observó también que los vegetales sumergidos en agua desprenden burbujas diminutas, deduciendo que se debía al procesamiento de la luz solar.

Todos estos hallazgos fueron publicados en su libro Experiments Upon Vegetables, Discovering Their Great Power of Purifying the Common Air in Sunshine e Injuring It in the Shade and at Night (1779).

El proceso de la fotosíntesis y la respiración en las plantas

Representación 3D de la sección transversal de una hoja. Aquí se pueden ver células de la epidermis superior e inferior y ambos tipos de células del mesófilo. Por encima de la epidermis superior hay una cutícula hecha de cutina cerosa y un polímero llamado cutan.

En realidad existen varios tipos de procesos fotosintéticos. La fotosíntesis oxigénica y la fotosíntesis anoxigénica son las dos más importantes.

Ambos siguen principios muy similares, pero la fotosíntesis oxigénica es más común que la fotosíntesis anoxigénica, y se observa en plantas, algas y cianobacterias.

Liberación de oxígeno o azufre en función del tipo de fotosíntesis (crédito: DARTORIUS)

La fotosíntesis oxigénica funciona como un contrapeso a la respiración, al absorber el CO2 producido por todos los organismos que respiran y reintroducir el oxígeno a la atmósfera.

La fotosíntesis anoxigénica, por otro lado, utiliza donantes de electrones que no son agua y no producen oxígeno. Este proceso ocurre típicamente en bacterias. Repasemos:

Fotosíntesis oxigénica

Durante la fotosíntesis oxigénica, la energía de la luz transfiere electrones del agua (H2O) absorbidos por las raíces de las plantas al CO2 para producir carbohidratos.

En esta transferencia, el CO2 se “reduce”, o recibe electrones. Mientras tanto, el agua se “oxida”, o pierde electrones. De este modo, se produce oxígeno junto con los carbohidratos.

Fotosíntesis anoxigénica

Estructura de trifosfato de adenosina (ATP), protonado.

La fotosíntesis anoxigénica, por su parte, es el proceso fototrófico donde la energía de la luz se captura y se convierte en adenosín trifosfato (ATP, del inglés adenosine triphosphate), nucleótido fundamental en la obtención de energía celular, sin la producción de oxígeno.

El agua, por lo tanto, no se utiliza como donante de electrones. Hay varios grupos de bacterias que se someten a la fotosíntesis anoxigénica, como, por ejemplo: 

  • Bacterias verdes del azufre
  • Fotótrofas anoxigénicas filamentosas verdes y rojas (FAP)
  • Bacterias fototróficas moradas
  • Acidobacterias fototróficas
  • Heliobacterias fototróficas.

Ecuación de la fotosíntesis

Ecuación del proceso de la fotosíntesis simplificada (crédito: Basquetteur)

Aunque los dos tipos de fotosíntesis son asuntos complejos, con varias fases, el proceso general se puede resumir claramente como una ecuación química.

Ecuación de la fotosíntesis oxigénica

Esta es la ecuación de la fotosíntesis oxigénica:

  • 6CO2 + 12H2O + Energía Luminosa → C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

Aquí, seis moléculas de dióxido de carbono (CO2) se combinan con 12 moléculas de agua (H2O) utilizando energía luminosa.

El resultado final es la formación de una sola molécula de carbohidrato (C6H12O6 o glucosa) junto con seis moléculas de oxígeno y agua.

De forma similar, las diversas reacciones de fotosíntesis anoxigénicas se pueden representar como una única fórmula generalizada.

Ecuación de la fotosíntesis anoxigénica

Esta es la ecuación de la fotosíntesis anoxigénica:

  • CO2 + 2H2A + Energía luminosa → [CH2O] + 2A + H2O

La letra “A” en la ecuación de la fotosíntesis anoxigénica es una variable y H2A representa el potencial donante de electrones.

Por ejemplo, «A» puede representar azufre (S) en el sulfuro de hidrógeno donante de electrones (H2S).

Respiración celular: Cómo se produce el intercambio de oxígeno y dióxido de carbono

Ilustración de una célula vegetal y sus partes.

Las plantas absorben CO2 del aire circundante y liberan agua y oxígeno a través de unos poros microscópicos en sus hojas llamados estomas.

Estomas

Estomas en la epidermis de una hoja en el microscopio.

Los estomas son los guardianes del intercambio de gases entre el interior de las plantas y el ambiente externo.

Cuando los estomas se abren, dejan pasar CO2. Sin embargo, mientras están abiertos, los estomas liberan oxígeno y dejan escapar el vapor de agua.

En un intento por reducir la cantidad de agua perdida, los estomas se cierran. Pero eso significa que la planta ya no puede obtener CO2 para la fotosíntesis.

Esta compensación entre la ganancia de CO2 y la pérdida de agua es un problema particular para las plantas que crecen en ambientes cálidos y secos.

Clorofila: Cómo hacen las plantas para absorber la luz solar

Representación estructural de la clorofila tipo A.

Las plantas contienen una serie de pigmentos especiales que absorben la energía del sol necesaria para la fotosíntesis. Estos se llaman clorofila.

La clorofila es la razón por la cual las plantas son verdes. Es el pigmento principal utilizado para la fotosíntesis y le da a las plantas su pigmentación, tal como puede leerse en el artículo “Chlorophyll”, publicado nada menos que en 1935 en la legendaria evista Nature.

¿Por qué las plantas son verdes y qué es la clorofila?

Absorción de las clorofilas a y b a distintas longitudes de onda. 

La clorofila absorbe la luz roja y azul para utilizarla en el proceso de la fotosíntesis y, como resultado, refleja luz verde. La clorofila es una molécula grande y requiere muchos recursos para fabricarse.

Como tal, se descompone hacia el final de la vida de la hoja, y la mayor parte del nitrógeno (N) del pigmento —uno de los componentes esenciales de la clorofila— se reabsorbe en la planta, como señala este estudio del departamento The Harvard Forest, de la Universidad de Harvard.

Carotenoides y antocianinas

Los carotenoides dan los característicos tonos naranjas y rojizos en estas frutas.

Cuando las hojas pierden su clorofila en el otoño, otros pigmentos de las hojas, como los carotenoides y las antocianinas, comienzan a mostrar sus verdaderos colores.

Mientras que los carotenoides absorben principalmente la luz azul y reflejan la luz amarilla, las antocianinas absorben la luz azul verdosa y reflejan la luz roja.

En tal sentido, cabe mencionar que las antocianinas (del griego ἀνθός [anthos]): ‘flor’ + κυανός (kyáneos): ‘azul’) son los pigmentos hidrosolubles en las vacuolas de las células vegetales. Estos pigmentos le dan el color rojo, púrpura o azul a las hojas, flores y frutos de algunas especies vegetales.

El color rojo de estas hojas de este acre se deben a las antocianinas.

Las moléculas de pigmento están asociadas con proteínas, lo que les permite la flexibilidad para moverse hacia la luz y entre sí. Una gran colección de 100 a 5000 moléculas de pigmento constituye una suerte de «antena» biológica y microscópica, estructuras que capturan efectivamente la energía luminosa del sol, en forma de fotones.

La situación es un poco diferente para las bacterias. Mientras que las cianobacterias contienen clorofila, otras bacterias, como por ejemplo las bacterias moradas y las bacterias verdes del azufre, contienen bacterioclorofila para absorber la luz para la fotosíntesis anoxigénica.

¿Dónde ocurre la fotosíntesis? ¿En qué parte de las plantas?

Ilustración de la etapa fotoquímica, que se produce en los tilacoides.

El proceso de la fotosíntesis se desarrolla en los cloroplastos, un tipo de plástido (un orgánulo con una membrana) que contiene clorofila y se encuentra principalmente en las hojas de las plantas.

Los plástidos de doble membrana en plantas y algas se conocen como plástidos primarios, mientras que la variedad de membrana múltiple que se encuentra en el plancton se llama plástidos secundarios.

Cloroplastos y tilacoides

Cloroplasto.

Los cloroplastos son similares a las mitocondrias, los centros de energía de las células, en el sentido de que tienen su propio genoma, o colección de genes, contenidos dentro del ADN circular. Estos genes codifican proteínas que son esenciales para el orgánulo y la fotosíntesis.

Dentro de los cloroplastos hay estructuras en forma de placa llamadas tilacoides, que son responsables de recolectar fotones de luz para la fotosíntesis. Los tilacoides se apilan uno encima del otro en columnas conocidas como grana.

Entre los grana se encuentra el estroma, un líquido que contiene enzimas, moléculas e iones, donde se produce la formación de azúcar.

Células vegetales al microscopio, donde pueden observarse los cloroplastos que continen la clorofila que da el color verde a las plantas.

En última instancia, la energía de la luz debe transferirse a un complejo pigmento-proteína que pueda convertirla en energía química, en forma de electrones. En las plantas, la energía de la luz se transfiere a los pigmentos de clorofila. La conversión a energía química se logra cuando un pigmento de clorofila expulsa un electrón, que luego puede pasar a un receptor apropiado.

Los pigmentos y proteínas que convierten la energía luminosa en energía química y comienzan el proceso de transferencia de electrones se conocen como centros de reacción.

Otros tipos de plastos.

Las reacciones de la fotosíntesis de las plantas se dividen en dos etapas principales: las que requieren la presencia de la luz solar (reacciones dependientes de la luz) y las que no (reacciones independientes de la luz).

Ambos tipos de reacciones tienen lugar en los cloroplastos: reacciones dependientes de la luz en el tilacoides y reacciones independientes de la luz en el estroma.

El ciclo de Calvin y las reacciones independientes de la luz en la fotosíntesis

Ciclo de Calvin.

El ciclo de Calvin, también referido como el ciclo de la fijación del carbono de la fotosíntesis, utiliza la energía almacenada de las reacciones dependientes de la luz para fijar el CO2 en los azúcares necesarios para el crecimiento de las plantas.

Estas reacciones tienen lugar en el estroma de los cloroplastos y no son impulsadas directamente por la luz, de ahí su nombre («reacciones independientes de la luz»).

Sin embargo, igualmente están relacionados con la luz, ya que el ciclo de Calvin está alimentado por ATP y NADPH (ambos de las reacciones dependientes de la luz mencionadas anteriormente).

Ciclo de Calvin simplificado.

En primer lugar, el CO2 se combina con ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), que es un aceptor de cinco carbonos. Posteriormente, se divide en dos moléculas de un compuesto de tres carbonos: ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA). 

La reacción es catalizada por una enzima llamada RuBP carboxilasa/oxigenasa, también conocida como rubisco. La segunda etapa del ciclo de Calvin consiste en convertir 3-PGA en un azúcar de tres carbonos llamado gliceraldehído-3-fosfato (G3P); el proceso utiliza ATP y NADPH.

Finalmente, mientras que algunas moléculas de G3P se usan para producir glucosa, otras se reciclan para hacer RuBP, que se usa en el primer paso para aceptar CO2.

Por cada molécula de G3P que produce glucosa, se reciclan cinco moléculas para generar tres moléculas aceptoras de RuBP. Todos estos procesos químicos relacionados con la fotosíntesis son minuciosamente descritos en la obra The Path of Carbon in Photosynthesis, publicada en 1962 por el científico Melvin Calvin.

Fotorrespiración en la fotosíntesis

Representación esquemática de la fotorrespiración.

El rubisco (o RuBisCO) a veces puede fijar oxígeno en lugar de CO2 en el ciclo de Calvin, que desperdicia energía, un proceso químico conocido como fotorrespiración

La enzima evolucionó durante una época en que los niveles atmosféricos de CO2 eran altos y el oxígeno era escaso, por lo que no tenía motivos para diferenciar entre los dos.

La fotorrespiración es un problema particularmente grande cuando las plantas tienen los estomas cerrados para conservar agua y, por lo tanto, no absorben más CO2.

Representación de una estructura de RuBisCO.

Así, el rubisco no tiene otra opción que fijar el oxígeno, lo que a su vez reduce la eficiencia fotosintética de la planta. Esto significa que se producirá menos alimento vegetal (azúcares), lo que podría resultar en una ralentización del crecimiento y, por lo tanto, plantas más pequeñas.

Este es un gran problema para la agricultura, ya que las plantas más pequeñas significan una cosecha más pequeña.

Por eso, desde la comunidad científica se buscan constantemente nuevas formas de aumentar la eficiencia fotosintética y reducir la ocurrencia de fotorrespiración.

Tipos de fotosíntesis

Ejemplar vegetal de Dracaena trifasciata (Sansevieria trifasciata). Popularmente conocida como «lengua de suegra» o «espada de San Jorge», esta es una de las plantas conocidas que generan más oxígeno y absorben más CO2, según la NASA.

Como vemos, entonces, la fotosíntesis puede tomar diversos caminos. Por eso, en realidad existen diferentes tipos de fotosíntesis.

Los tres grandes tipos de vías fotosintéticas son las denominadas C3, C4 y CAM. Todos estos procesos químicos producen azúcares a partir de CO2 utilizando el ciclo de Calvin, pero cada vía es ligeramente diferente. Veamos cada uno con más detalles:

Fotosíntesis C3

Ilustración de un corte transversal de una hoja de Arabidopsis thaliana, una planta C3, donde pueden observarse sus haces vasculares (crédito: Ninghui Shi).

De acuerdo a los resultados publicados en la investigación The difference between C3 and C4 plants (2020), del proyecto de ingeniería mundial RIPE (del inglés Realizing Increased Photosynthetic Efficiency), la mayoría de las plantas realizan la fotosíntesis C3. 

Este tipo de fotosíntesis brinda una mayor eficiencia fotosintética. Y es desarrollada, por ejemplo, por cereales (como el trigo y el arroz), el algodón, las patatas y la soja.

La fotosíntesis de tipo C3 recibe su nombre del compuesto de tres carbonos llamado ácido 3-fosfoglicérico (3-PGA) que utiliza durante el ciclo de Calvin. 3-PGA se produce cuando rubisco fija CO2, formando el compuesto de tres carbonos.

Fotosíntesis C4

Ilustración de un corte transversal de una hoja de una planta de maíz, que realiza fotosíntesis C4 (crédito: Ninghui Shi).

Plantas como el maíz y la caña de azúcar utilizan la fotosíntesis de tipo C4. Este proceso utiliza un compuesto intermedio de cuatro carbonos (llamado oxaloacetato) que se convierte en malato (o ácido málico).

Luego, el malato se transporta a la vaina del paquete donde se descompone y libera CO2, que luego se fija con rubisco y se convierte en azúcares en el ciclo de Calvin (al igual que la fotosíntesis C3).

Las plantas que hacen este tipo de fotosíntesis, comúnmente referida como fotosíntesis C4, se adaptan mejor a ambientes cálidos y secos. Además, estos vegetales pueden continuar fijando carbono incluso cuando sus estomas están cerrados (ya que tienen una solución de almacenamiento inteligente), lo que reduce el riesgo de fotorrespiración.

Fotosíntesis CAM

Metabolismo ácido de las crasuláceas: CAM proveniente del inglés Crassulacean Acid Metabolism (crédito: Yikrazuul)

Finalmente tenemos la fotosíntesis de tipo CAM. En este caso, el metabolismo del ácido de las crasuláceas (CAM) se encuentra en plantas adaptadas a ambientes muy cálidos y secos, como los cactus y las piñas.

Cuando los estomas se abren para absorber CO2, corren el riesgo de perder agua hacia el entorno externo. Debido a esto, las plantas en ambientes muy áridos y cálidos se han adaptado.

Una adaptación es CAM, mediante la cual las plantas abren los estomas por la noche, cuando las temperaturas son más bajas y la pérdida de agua es un riesgo menor.

Así, el CO2 ingresa a las plantas a través de los estomas y se fija en oxaloacetato y se convierte en malato u otro ácido orgánico (como en la vía C4).

Luego, el CO2 está disponible para las reacciones dependientes de la luz durante el día y los estomas se cierran, lo que reduce el riesgo de pérdida de agua.

Fotosíntesis y cambio climático

¿Sabías que la fotosíntesis ayuda a combatir el cambio climático y el calentamiento global?

Los organismos fotosintéticos pueden generar combustibles de combustión limpia, como el hidrógeno (H). De hecho, un equipo de investigación de la Universidad de Turku, en Finlandia, aprovechó la capacidad de las algas verdes para producir hidrógeno.

Las algas verdes pueden producir hidrógeno durante unos segundos si primero se exponen a condiciones anaeróbicas (sin oxígeno) oscuras y luego se exponen a la luz.

Este equipo científico desarrolló una forma de extender la producción de hidrógeno de las algas verdes hasta por tres días, tal informan en su estudio “A new approach for sustained and efficient H2 photoproduction by Chlamydomonas reinhardtii”, publicado en 20118 por la revista científica Energy & Environmental Science.

Fotosíntesis artificial

Desde diversos sectores de la comunidad científica también se han logrado destacados avances en el campo de la fotosíntesis artificial. Por ejemplo, un grupo de investigadores de la Universidad de California, Berkeley, desarrolló un sistema artificial para capturar CO2 utilizando nanocables, o cables que tienen unas mil millonésimas de metro de diámetro.

Estos cables alimentan un sistema de microbios que reducen el CO2 en combustibles o polímeros utilizando la energía de la luz solar. El equipo publicó su diseño en 2015, en la revista Nano Letters.

Un año más tarde, en 2016, miembros de este mismo grupo publicaron este otro estudio en la revista Science, el cual describía otro sistema fotosintético artificial en el que se usaban bacterias especialmente diseñadas para crear combustibles líquidos usando luz solar, agua y CO2.

En general, las plantas solo pueden aprovechar alrededor del 1 % de la energía solar y utilizarla para producir compuestos orgánicos durante la fotosíntesis.

Por el contrario, el sistema de fotosíntesis artificial de los investigadores pudo aprovechar el 10 % de la energía solar para producir compuestos orgánicos.

En 2019, los mismos investigadores publicaron este artículo científico en el Journal of Biological Chemistry (JBC) que las cianobacterias podrían aumentar la eficiencia de la enzima rubisco. Los científicos descubrieron que esta bacteria es particularmente buena para concentrar CO2 en sus células, lo que ayuda a evitar que la rubisco se una accidentalmente al oxígeno.

Al comprender cómo las bacterias logran esto, los científicos esperan incorporar el mecanismo en las plantas para ayudar a mejorar la eficiencia fotosintética y reducir el riesgo de fotorrespiración.

La investigación continua de procesos naturales como la fotosíntesis ayuda a los científicos a desarrollar nuevas formas de utilizar diversas fuentes de energía renovable, y aprovechar el poder de la fotosíntesis es un paso lógico para crear combustibles de combustión limpia y neutrales en carbono.

Experimentos de fotosíntesis

Ya sea para hacer en casa o en el colegio, hay algunos experimentos de fotosíntesis fáciles de hacer con resultados realmente geniales.

Aquí te dejamos algunos que hemos encontrado en YouTube.

¡Son muy fáciles y divertidos!

La fotosíntesis es un proceso realmente fascinante, ¿no lo crees?

Por Hernán Roble

Investigador y divulgador científico, apasionado por las ciencias y fundador de Enclave Científico.

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