En nuestros acuarios, nos esforzaremos por crear un ecosistema único que abarque todos los procesos que ocurren dentro del tanque. Crear una simbiosis completa sin intervención es prácticamente imposible. Por lo tanto, buscaremos acercarnos lo más posible al ideal, replicando todos los fenómenos naturales de nuestros ecosistemas subacuáticos. El perfeccionismo garantizará los mejores resultados de reproducción.
En nuestra opinión, los procesos más importantes son la fotosíntesis y los ciclos de descomposición química, como el ciclo del nitrógeno. Todos los procesos individuales están interconectados. En el siguiente artículo, nos centraremos en comprender la fotosíntesis.
Historia
El clérigo, filósofo y químico inglés Joseph Priestley es considerado un pionero en el estudio de la fotosíntesis. A finales del siglo XVIII y principios del XIX, el mundo científico estaba fascinado por la capacidad de las plantas para vivir y crecer únicamente con aire, agua, oligoelementos y luz. En 1780, el químico inglés Joseph Priestley descubrió que las plantas producen oxígeno, un componente al que inicialmente denominó simplemente "aire". Descubrió que el "aire" que obtenía hacía que las velas ardieran con una intensidad excepcional. También experimentó con ratones y comprobó que un ratón vivía más tiempo encerrado en el gas que él mismo había creado que en el mismo volumen de aire común. Pocos años después, el químico francés Antoine Lavoisier formuló el concepto de oxidación, lográndolo antes de ser decapitado durante la Revolución Francesa. El papel de la luz en este proceso fue determinado por el físico danés Jan Ingenhousz, quien continuó su trabajo, inspirado por los experimentos de Priestley. El papel de los otros dos componentes de la fotosíntesis —el dióxido de carbono y el agua— fue descubierto por dos químicos que vivían en Ginebra, Jean Senebier y Theodor de Saussure. Por lo tanto, se estableció que:
6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2
Fotosíntesis
"La naturaleza se ha planteado el problema de cómo captar los rayos de luz que llegan a la Tierra en pleno vuelo y unirlos, acumulando así la fuerza más esquiva de todas. Las plantas absorben una forma de energía —la luz— y producen otra —la diversidad química." - Julius Mayer
La fotosíntesis, descrita científicamente, es la síntesis de compuestos orgánicos (glucosa) a partir de compuestos inorgánicos simples (sales minerales, agua) en presencia de pigmentos adecuados y con la participación de la energía lumínica. Este proceso produce compuestos menos oxidados y, por lo tanto, con mayor valor energético. Estos compuestos proporcionan los componentes básicos para los organismos autótrofos y alimento para los heterótrofos. Al fijar el CO₂ y liberar oxígeno, la fotosíntesis también mantiene el equilibrio gaseoso de la atmósfera. Por consiguiente, es un proceso biológico fundamental que determina la vida en la Tierra.
La fotosíntesis se produce en plantas, bacterias y protozoos, y se localiza en zonas especializadas de la célula. En las plantas, estas zonas son los cloroplastos, orgánulos concentrados en el tejido parenquimático de las hojas.
La fotosíntesis es un proceso complejo que se desarrolla en dos fases.
Fase luminosa (luminosa)
Se trata de una serie de reacciones fotoquímicas que requieren luz para llevarse a cabo. Ocurre en los gránulos donde se almacena la clorofila. La función principal de esta fase es convertir la energía lumínica en energía de enlace químico, produciendo energía asimilativa en forma de NADPH2 y ATP, con oxígeno como subproducto.
El electrón transportado pierde energía gradualmente, la cual se disipa parcialmente en forma de calor y se almacena parcialmente como ATP. Este proceso se denomina fosforilación fotosintética. Los cationes de hidrógeno se combinan con NADP para formar NADPH2, que, junto con el ATP, proporciona la energía de asimilación utilizada durante la fase oscura. Los electrones de la molécula de agua migran hacia la clorofila, llenando los espacios vacíos. Mientras tanto, el oxígeno escapa a la atmósfera a través de los estomas.
Fase oscura (ciclo de Calvin)
Este es el ciclo de reducción de CO2. Consiste en una serie de reacciones bioquímicas que utilizan la energía producida por la luz. Ocurre en el estroma del cloroplasto, donde se almacenan todas las enzimas necesarias para este proceso.
Hay tres etapas principales de la fase oscura:
• Carboxilación: el CO2 tomado de la atmósfera se une a un azúcar activado de cinco carbonos: el difosfato de ribulosa (RuDP) o ribulosa (RDP). Después de la unión, este compuesto de seis carbonos se descompone en dos moléculas de tres carbonos: ácidos fosfoglicéricos (PGA);
• Reducción: el PGA se reduce a seis moléculas de gliceraldehído-3-fosfato (GAP). La reacción involucra la fuerza de asimilación de NADPH2 y ATP;
• Regeneración: durante la cual se utilizan cinco moléculas de GAP para reconstruir (regenerar) el aceptor de CO2: RuDP (se unen 3 moléculas de CO2 simultáneamente). La molécula restante es el producto neto de la fotosíntesis y sirve como sustrato para la producción de compuestos orgánicos más complejos.
La mayoría de las plantas asimilan el CO2 de la atmósfera directamente, incorporándolo al ciclo reductivo de Calvin.
La intensidad de la fotosíntesis depende de muchos factores.
Factores externos:
• Luz : limita la fase lumínica de la fotosíntesis. También es el factor principal que influye en el desarrollo del parénquima foliar, la síntesis de clorofila y la formación de cloroplastos. La fotosíntesis ocurre tanto bajo luz natural como eléctrica. Sin embargo, solo una parte de la energía incidente en la hoja se convierte en energía química de asimilados. La velocidad de este proceso depende tanto del color como de la intensidad de la luz, así como del tipo de planta. Las plantas amantes de la sombra alcanzan su máxima eficiencia con solo 1/10 de la intensidad de la luz solar directa. Las plantas fotófilas crecen mejor bajo iluminación intensa. El exceso de luz inhibe la fotosíntesis, causando la oxidación e inactivación de las moléculas de clorofila. La transpiración también aumenta excesivamente, las células pierden turgencia, lo que provoca el cierre de los estomas, inhibiendo la entrada de CO2.
• Dióxido de carbono (CO2) : la concentración presente no es óptima para las plantas. Un aumento de aproximadamente 0,12 % triplica la intensidad de la fotosíntesis. Por eso se utiliza el CO2. El CO2 gaseoso pasa a través de los estomas hacia los espacios intercelulares, desde donde se difunde hacia las células del parénquima verde. Las plantas acuáticas lo absorben en forma de iones HCO3-.
• Sales minerales : fuente de sustancias para la síntesis, activadores de muchas transformaciones. La deficiencia de un solo nutriente, incluso con un suministro suficiente de otros, limita la fotosíntesis (ley del mínimo). Por ejemplo, en caso de deficiencia de sales de nitrógeno, se inhibe la síntesis de clorofila y se produce clorosis foliar.
• temperatura: la fotosíntesis es un proceso enzimático cuyo óptimo térmico es de 20-30ºC. Por encima de esta temperatura, se observa una rápida disminución en la intensidad de las reacciones. El rango de tolerancia de las plantas varía ampliamente y depende de su especie y ubicación. En la mayoría de los casos, la fotosíntesis cesa a una temperatura de 40ºC.
Factores internos:
• estructura de los órganos y tejidos involucrados en la fotosíntesis: hojas, sistema de clorenquima, estomas (número y disposición), tejido de almacenamiento de agua, pigmentos;
• Propiedades fisiológicas de la planta:
– la capacidad de manipular la disposición de las hojas y los cloroplastos;
– la eficiencia del sistema de suministro de agua y sales minerales;
– mecanismos de protección contra el sobrecalentamiento y la transpiración excesiva.
Los fotoautótrofos utilizan la energía de la radiación solar con longitudes de onda de aproximadamente 400-700 nm, absorbiendo principalmente longitudes de onda azules y rojas. Los compuestos químicos coloreados llamados pigmentos fotosintéticos (asimilativos) juegan un papel clave en este proceso. Se encuentran en mayores cantidades en las plantas amantes de la sombra que en las plantas fotófilas.
Hay tres grupos principales de pigmentos:
Clorofilas: absorben longitudes de onda azules y rojas. Los pigmentos verdes se disuelven en disolventes orgánicos y grasas, pero son insolubles en agua.
Cada molécula de clorofila está compuesta de feoporofirina, un derivado de la porfirina. Una posición central está ocupada por un átomo de magnesio, que se une a los átomos de nitrógeno de cada anillo. Los colorantes verdes absorben luz visible en el rango de 370-760 nm, cada uno de ellos tiene su propio espectro de absorción característico con dos picos: uno en el rango rojo, el otro en la parte azul-violeta.
Los carotenoides (p. ej., β-caroteno) son pigmentos accesorios amarillos o naranjas presentes en todos los fotoautótrofos. Absorben la luz de la parte azul-violeta del espectro y la transfieren a la molécula de clorofila. Además, protegen los fotosistemas del exceso de energía lumínica incidente, que absorben o redirigen a otros procesos fisiológicos. También protegen a la célula de las especies reactivas de oxígeno (actividad antioxidante). Los carotenoides son tetraterpenos (terpenoides de 40 carbonos). Son fotolábiles, lo que significa que experimentan cambios en presencia de luz. Se encuentran en concentraciones más bajas que la clorofila.
Las ficobilinas (p. ej., ficocianina, ficoeritrina) son pigmentos accesorios presentes en las algas rojas y las cianobacterias. Son los únicos pigmentos fotosintéticos asociados a proteínas solubles en agua. Capturan la energía lumínica en el rango de 450-600 nm y la transfieren a la clorofila. Esta es una adaptación a la vida en grandes profundidades.
FUENTES:
- Claudia Girnth-Diamba y Bjørn Fahnøe; Observación de la fotosíntesis en plantas acuáticas
- Lubert Stryer, "Biochemia", traducción colectiva editada por Jacek Augustyniak y Jan Michejda a partir de la cuarta edición estadounidense;
- Ewa Pyłka-Gutowska "Biología. Vademécum para graduados de secundaria"; Editorial "Oświata";
- Henryk Wiśniewski "Biología para el tercer grado de la escuela secundaria general con un perfil básico y biológico-químico",
- Fotosíntesis Adam Kuzdraliński