Fotosíntesis y medio ambiente |
Elementos para la vida
La naturaleza está conformada por elementos vivos y elementos no vivos o inertes .
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| La biósfera, sinónimo de vida. |
Los elementos vivos se denominan factores bióticos: animales , vegetales , bacterias y hongos .
Los elementos no vivos o inertes se llaman factores abióticos: aire , suelo , agua y todas las condiciones del clima y de la luz.
La interacción que se produce entre los factores bióticos y abióticos forma la biósfera (incluye la hidrósfera , la atmósfera y la geósfera) que es la parte de la tierra donde se desarrolla la vida.
De todos los seres vivos, los fundamentales y que representan la fuente de materia y energía son los vegetales clorofilados (tienen clorofila), ya que ellos son los únicos capaces de fabricar su propio alimento .
¿Cómo lo hacen?
A través de un proceso llamado fotosíntesis que utiliza el dióxido de Carbono atmosférico (elemento inerte o abiótico) como una de sus principales materia primas.
Al tener esta capacidad, a los vegetales se les denomina autótrofos; es decir, organismos capaces de fabricar su propio alimento.
La fotosíntesis es, entonces, un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía del sol en forma de luz y la transforman en energía química . Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biósfera terrestre —la zona del planeta en la cual hay vida— procede de la fotosíntesis.
Aumento de las emanaciones de dióxido de carbono (CO 2 )
Las investigaciones científicas indican que, aparentemente, la cantidad de dióxido de carbono (CO 2 ) atmosférico había permanecido estable durante siglos, en proporción de unas 280 ppm (partes por millón).
En los últimos años, la cantidad de dióxido de carbono en la atmósfera ha presentado un aumento. Se ha pasado de unas 280 ppm en la era preindustrial a unas 390 ppm en 2009 (aun cuando su concentración global en la atmósfera es de apenas 0,039 por ciento), a causa del uso indiscriminado de los combustibles fósiles (carbón, petróleo y sus derivados).
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| La industrialización y el aumento del CO 2 . |
Lo significativo de este cambio es que pudiera provocar un aumento de la temperatura de la Tierra a través del proceso conocido como efecto invernadero .
El CO 2 atmosférico tiende a impedir el enfriamiento normal de la Tierra, absorbiendo las radiaciones que usualmente ésta emite y que escapan al espacio exterior. Como el calor que escapa es menor, la temperatura global de la Tierra aumenta.
Un calentamiento global de la atmósfera tendría graves efectos sobre el medio ambiente. Aceleraría la fusión de los casquetes polares, haría subir el nivel de los mares, cambiaría el clima, alteraría la vegetación natural y afectaría las cosechas.
Estos cambios, a su vez, tendrían un enorme impacto sobre la civilización humana. Desde 1850 hasta el presente (2009) se ha producido un aumento en la temperatura global de cerca de 1º C.
Algunos científicos rechazan las teorías del calentamiento, atribuyendo la subida de la temperatura a fluctuaciones normales del clima global. Sin embargo, otros predicen que el aumento de la concentración en la atmósfera de CO 2 y otros "gases invernadero" hará que las temperaturas continúen subiendo. Las estimaciones van de 2º a 6º C para mediados del siglo XXI.
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| Hojas verdes: verdadero laboratorio fotosintético. |
¿Cómo se combate este aumento de dióxido de carbono en el medio ambiente?
Aquí es donde entra en escena la fotosíntesis.
Operacionalmente, la fotosíntesis se inicia en la clorofila (sin ella, no hay fotosíntesis); luego deben concurrir las consideradas materias primas: el agua (H 2 O) (llevada a las hojas desde la raíz), y el anhídrido carbónico o dióxido de carbono (CO 2 ) , aportado en abundancia en la atmósfera terrestre.
Por ejemplo, un árbol centenario puede llegar a tener 200.000 hojas y aunque su contenido total de clorofila no llegue a los 200 gramos, en un día soleado es capaz de asimilar 9.400 litros de dióxido de carbono, producir 12 Kg de hidratos de carbono y liberar la misma cantidad de oxígeno que el dióxido de carbono asimilado.
Expuesta al sol , la hoja con clorofila capta de éste su luz en forma de energía lumínica, la cual provoca la reacción de las moléculas de agua (H 2 O) separándolas en hidrógeno (H + o ion hidrógeno) y oxígeno (O) y acumulando como moléculas ATP la energía liberada (en forma de electrones).
El hidrógeno (ión hidrógeno o protones de hidrógeno ya que han perdido su electrón) del agua es almacenado en la planta y el oxígeno (producto de la separación de las moléculas de agua) es expulsado al exterior como material de desecho de la fotosíntesis (desecho muy bienvenido por los seres vivos que lo usan para respirar).
Luego, el ion hidrógeno se unirá al CO 2 que la planta toma del aire (atmósfera) y comienza a ocurrir una serie de reacciones químicas , en las cuales se van formando compuestos hasta llegar a formar la glucosa que es un compuesto orgánico; es decir, está formado por C, H, O. La glucosa se forma gracias a la energía que aporta la molécula de ATP.
Junto con la glucosa la reacción entre el dióxido de carbono y los iones hidrógeno libera moléculas de nueva agua que se forman con hidrógenos sobrantes del agua aportada desde las raíces unidos a oxígenos sobrantes del CO 2 .
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| Las materias primas para producir glucosa. |
Ya presente la glucosa, ésta participa en una serie de reacciones que llevan a la formación del almidón . Este también es un compuesto orgánico. El almidón baja por unos conductos especiales hacia la raíz, donde se almacena.
Es muy importante no confundir el proceso de fotosíntesis de la planta con la respiración de la misma. En este último proceso, la planta realiza una acción inversa, ya que toma oxígeno del aire y expulsa dióxido de carbono, todo esto en forma simultánea con la fotosíntesis durante el día. En la noche, la planta sólo respira.
El ingenioso truco de la naturaleza
La fotosíntesis es un proceso cuya finalidad fue ya intuida por Van Helmont a principios del siglo XVII. Sin embargo, la comprensión de su base molecular, imprescindible para poder ser imitada artificialmente con el fin de obtener energía, sólo empezó a lograrse durante la segunda mitad del siglo XX.
Los libros de Ciencias Naturales generalmente definen la fotosíntesis como la producción de glucosa a partir de dióxido de carbono atmosférico (CO 2 ) y agua, gracias a la luz solar, según la reacción global:
Sin embargo, esto no es más que una simplificación de un proceso muy complejo, en el cuál la
etapa clave es la rotura de una molécula de agua por la luz solar
, liberándose oxígeno gaseoso, y obteniéndose iones hidrógeno y electrones. Estos últimos servirán para
reducir
el CO
2
(ganando electrones) hasta glucosa en las etapas siguientes de la fotosíntesis:
La reacción química de la fotosíntesis es la siguiente:
Como podemos ver en la fórmula, seis moléculas de dióxido de carbono más doce moléculas de agua, en presencia de luz solar y de clorofila, producen una molécula de glucosa, seis moléculas de agua y seis moléculas de oxígeno, este último liberado hacia la atmósfera.
Las hojas captan la energía lumínica del sol gracias a la clorofila, pigmento verde que está en los tilacoides de los cloroplastos de las células.
El dióxido de carbono de la atmósfera penetra por los estomas (poros) de las hojas.
Las raíces absorben agua y sales minerales (savia bruta) que llegan a las hojas a través del tallo.
El hidrógeno del agua (separado del oxígeno) se combina con el dióxido de carbono y originan glucosa y nuevas moléculas de agua, en tanto el oxígeno derivado del agua que llegó desde las raíces se libera hacia la atmósfera.
Las plantas aprovechan la glucosa como alimento y guardan una parte como reserva
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| Desde las raíces hasta las hojas. |
Esquema de la fotosíntesis
Para realizar la fotosíntesis una planta requiere de varios elementos que se encuentran en el medio abiótico.
Estos son:
L uz solar . Proviene del Sol y la planta la puede captar por sus hojas. En ellas tiene un pigmento de color verde llamado clorofila , que se encuentra en el interior de una estructura llamada cloroplastos (las células de los vegetales son las únicas que poseen cloroplastos).
La clorofila se encuentra esencialmente en hojas y tallos tiernos.
Anhídrido carbónico o dióxido de Carbono (CO 2 ). Gas presente en la atmósfera. Es una sustancia inorgánica y el vegetal puede incorporarla al interior de sus células desde la atmósfera, por medio de una especie de poros llamados estomas .
Agua. Sustancia también inorgánica presente en la tierra. El vegetal la obtiene desde el suelo a través de sus raíces. El agua, al pasar a la raíz, asciende hasta las hojas por unos conductos especiales llamados vasos conductores.
La fotosíntesis consta de dos etapas o fases: la fase inicial o lumínica , y la fase secundaria u oscura.
Fase inicial o lumínica
En ella participa la luz solar. La clorofila —que es una sustancia orgánica— capta la energía solar (luz). Lla luz provoca la ruptura de la molécula de agua; es decir, se rompe el enlace químico que une el hidrógeno con el oxígeno. Debido a esto, se libera oxígeno hacia el medio ambiente. La energía no ocupada se almacena en una molécula especial llamada ATP . El hidrógeno que se produce al romperse la molécula de agua se guarda, al igual que el ATP, para ser ocupado en la segunda etapa de la fotosíntesis.
Fase secundaria u oscura
En esta etapa no se ocupa la luz, a pesar de estar presente. Ocurre en los cloroplastos.
El hidrógeno y el ATP, formados en la etapa lumínica, se unen con el CO 2 (dióxido de carbono o anhídrido carbónico) y comienza a ocurrir una serie de reacciones químicas, por las cuales se van formando compuestos hasta llegar a glucosa que es un compuesto orgánico; es decir, está formado por C, H, O.
La glucosa se forma gracias a la energía que aporta la molécula de ATP.
Ya presente la glucosa, ésta participa en una serie de otras reacciones, que llevan a la formación del almidón. Este también es un compuesto orgánico. El almidón baja por unos conductos especiales hacia la raíz, donde se almacena.
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| Molécula de glucosa. |
La glucosa fotosintetizada
Para sintetizar esta molécula de glucosa (C
6
H
12
O
6
), el laboratorio de fotosíntesis (la hoja verde) utilizó seis moléculas de dióxido de carbono (6CO
2
, formadas por seis átomos de carbono y doce de oxígeno) y doce moléculas de agua (12H
2
O formadas por 24 átomos de hidrógeno y doce de oxígeno).
Esta molécula de glucosa (C 6 H 12 O 6 ) se formó con los seis átomos de carbono (6C) del 6CO 2 y con solo seis de los doce oxígenos (6O 2 ) que formaban los 6CO 2 , y sobran otros seis oxígenos, y como usa solo doce hidrógenos (H 12 ) de los 24 (12H 2 ) que aportan las doce moléculas de agua, sobran otros doce hidrógenos (6H 2 ), con ellos se arman seis moléculas nuevas de agua (6H 2 O) la cual se expulsa por las hojas.
De las 12 moléculas de agua que llegaron desde las raíces sobran seis oxígenos, los que son liberados al ambiente en forma gaseosa.
¿Cómo podemos comprobar que el oxígeno liberado en la fotosíntesis proviene del agua que llega desde las raíces?
Paso 1.- Se marca el oxígeno del CO2 (con rojo en la fórmula de arriba) y luego se lo rastrea en la glucosa y en el agua resultantes.
Paso 2.- Se marca el oxígeno presente en el agua (con rojo en la fórmula de arriba) que llega desde las raíces y después de la fotosíntesis se lo rastrea en el oxígeno gaseoso que expulsa la planta.
Ver: Fotosíntesis
Ver, en Internet:
http://www.slideshare.net/guest4611d32/fotosintesis-1542518
Ver, también, Enlaces químicos en:
http://www.visionlearning.com/library/module_viewer.php?mid=55&l=s
http://web.visionlearning.com/custom/chemistry/animations/CHE1.7-an-H2Obond.shtml (animación)