Fotosíntesis: qué es, cómo se realiza y sus fases

La presencia de oxígeno en la atmósfera terrestre es algo a lo que estamos tan habituados que ni siquiera le prestamos la atención que merece. Pero lo cierto es que que nosotros y todos los animales de la Tierra podamos respirar es gracias a los organismos que, desde hace 2.400 millones de años, desarrollaron una ruta metabólica que cambiaría para siempre la historia evolutiva de nuestro planeta.

Estamos hablando de la fotosíntesis. Y la aparición de los primeros organismos fotosintéticos permitió que la atmósfera de la Tierra tuviera un 0% de oxígeno a que, a día de hoy, sea el segundo gas principal (por detrás del nitrógeno), representando el 28% del volumen de la misma.

La fotosíntesis no solo hace que los organismos capaces de realizarla (principalmente plantas, algas y cianobacterias) nos den el oxígeno que necesitamos para respirar, sino que permite que la materia orgánica se recicle constantemente, siendo el pilar de todas las cadenas alimenticias del mundo.

Pero, ¿qué seres vivos la realizan? ¿Cómo generan energía a partir de la luz? ¿Cómo pueden crear su propio alimento? ¿En qué fases se divide? En el artículo de hoy responderemos de la forma más clara y concisa a esta y todas las otras preguntas importantes acerca de la fotosíntesis.

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¿Qué es la fotosíntesis?

La fotosíntesis oxigénica es una ruta metabólica en la que unos organismos autótrofos que disponen de clorofila (ahora presentaremos todos estos conceptos), utilizan la luz solar para transformarla en energía química y capturan el dióxido de carbono atmosférico para usarlo como base para la formación de moléculas orgánicas, expulsando oxígeno como producto de desecho.

Pero, ¿qué significa esto de autótrofos? Bueno, la fotosíntesis es una de las formas principales de autotrofia y los seres vivos autótrofos son aquellos capaces de sintetizar materia orgánica a partir de moléculas inorgánicas. En otras palabras, no tienen que alimentarse de otros seres vivos.

Las plantas, las algas y las cianobacterias son autótrofos en el sentido que, gracias a la luz solar y a la fijación del dióxido de carbono (además de agua y minerales), tienen todo lo que necesitan para sintetizar su propio alimento.

Los animales, en cambio, no somos autótrofos. Somos justo lo contrario: heterótrofos. No podemos sintetizar nuestro propio alimento, sino que la materia orgánica que necesitamos para nuestro organismo tiene que venir de fuentes también orgánicas, lo que significa que nos tenemos que alimentar de otros seres vivos, ya sean animales o plantas.

Por lo tanto, la fotosíntesis puede entenderse como una ruta metabólica en la que, usando la luz solar como fuente de energía y el dióxido de carbono, el agua y los minerales como fuente de materia inorgánica, los seres vivos con clorofila son capaces de obtener la energía química necesaria para mantenerse vivos y de sintetizar la materia orgánica para crecer y desarrollarse.

Como veremos más adelante, esta materia orgánica que generan los organismos fotosintéticos, está en forma de azúcares que avanzan en la cadena alimenticia. Por esta razón la fotosíntesis es tan importante a nivel global.

Pero no solo por ser el pilar alimenticio, sino porque permite el flujo del oxígeno. Como hemos dicho, los organismos heterótrofos hacemos justo lo contrario a estos fotosintéticos. Es decir, consumimos materia orgánica y, como producto de desecho, generamos materia inorgánica (el dióxido de carbono que exhalamos). Pues bien, las plantas, algas y cianobacterias, “consumen” esta materia inorgánica que generamos, producen nueva materia orgánica y, por el camino, liberan el oxígeno que respiramos.

Como vemos, mientras nosotros conseguimos la energía de la degradación de la materia orgánica, los seres fotosintéticos no pueden hacerlo (no degradan materia orgánica), por lo que su combustible es la luz solar.

Por lo tanto, pese a que la fotosíntesis es justo lo contrario a lo que hacemos nosotros, es precisamente en esta diferencia que radica el perfecto equilibrio que hay en el mundo. Y basta con quedarnos con la idea de que la fotosíntesis es el proceso bioquímico en el que, usando la luz como fuente de energía, se sintetiza materia orgánica partiendo de inorgánica y se genera oxígeno.

“Foto” es luz. Por ello, podría definirse como la síntesis (de materia orgánica) a partir de la luz. Ahora veremos qué organismos la realizan y entenderemos cómo tiene lugar el proceso.

¿Qué organismos realizan la fotosíntesis?

Los principales organismos fotosintéticos oxigénicos (hay otras formas de fotosíntesis, pero la que nos interesa es la que genera oxígeno como producto de desecho) son tres: las plantas, las algas y las cianobacterias. Y es muy importante analizarlas porque, pese a realizar el mismo metabolismo, son seres muy distintos. Entre todos ellos, fijan (capturan) más de 200.000.000.000 de toneladas de carbono cada año en forma de dióxido de carbono.

Plantas

Las plantas constituyen uno de los siete reinos de los seres vivos y aparecieron hace unos 540 millones de años. Las plantas son organismos pluricelulares constituidos por células vegetales, las cuales tienen la propiedad casi exclusiva (compartida con algas y cianobacterias) de realizar la fotosíntesis, que ya hemos visto que es el proceso que permite sintetizar materia orgánica gracias a la energía química obtenida de la luz.

Sea como sea, sus células tienen una característica pared celular y una vacuola, que es un orgánulo que sirve para almacenar agua y nutrientes. Todos sabemos perfectamente qué son y, de hecho, son los primeros organismos que se nos vienen a la cabeza cuando pensamos en la fotosíntesis. Hemos descubierto un total de 215.000 especies de plantas y todas ellas, desde una secuoya hasta un arbusto, realizan la fotosíntesis.

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Algas

Las algas son uno de los principales organismos fotosintéticos y, sin embargo, aquí ya llegan las dudas. ¿Son plantas? ¿Son hongos? ¿Qué son exactamente las algas? Pues bien, ninguna de las opciones anteriores es correcta. No son ni plantas ni hongos.

Las algas son cromistas, uno de los siete reinos de los seres vivos. Es normal que el nombre resulte poco familiar, pues es el menos conocido de todos. Se trata de un grupo de seres vivos que, hasta el año 1998, se les consideraba protozoos, pero que terminaron por conformar su propio reino.

En este sentido, los cromistas son organismos generalmente unicelulares (aunque algunas especies de algas son pluricelulares) con una especie de armadura alrededor de estas células que les da rigidez. Pueden adoptar metabolismos muy diversos, semejantes a los de los hongos (que son heterótrofos como los animales) e incluso al de las plantas.

Y aquí es donde entran las algas. Las algas son cromistas unicelulares o pluricelulares que suelen habitar el agua, aunque hay especies terrestres, y que realizan la fotosíntesis. Se han descrito más de 30.000 especies marinas distintas.

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Cianobacterias

Las cianobacterias son, quizás, los organismos fotosintéticos menos conocidos, pero eso es muy injusto, pues fueron ellas las que “inventaron” la fotosíntesis. De hecho, que estemos vivos a día de hoy se lo debemos a este tipo de bacterias.

Las cianobacterias son seres unicelulares (como todas las bacterias) y son los únicos organismos procariotas capaces de realizar la fotosíntesis oxigénica. Aparecieron hace unos 2.800 millones de años en una época en la que en la atmósfera no había oxígeno y, de hecho, este era un gas tóxico para todas las otras formas de vida, la cual se limitaba a las bacterias.

La evolución hizo que desarrollaran una forma de metabolismo que generaba oxígeno como producto de desecho. Al expandirse enormemente y provocar un aumento de las cantidades de este tóxico gas (en aquel entonces), causaron, hace 2.400 millones de años, un fenómeno conocido como Gran Oxidación, el cual fue una de las mayores extinciones masivas de la historia y el punto de inflexión de la historia de los seres vivos, pues solo sobrevivieron los que podían utilizar el oxígeno.

Permitieron también que, hace unos 1.850 millones de años, hubiera suficiente oxígeno en la atmósfera como para que se formara la capa de ozono, algo indispensable para que la vida en tierra firme fuera posible.

Existen unas 2.000 especies de cianobacterias distintas y a día de hoy continúan habitando muchos ecosistemas acuáticos de agua dulce y, de hecho, se estima que siguen siendo responsables del 30% de la fotosíntesis global.

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¿En qué fases se divide la fotosíntesis?

Habiendo entendido qué es y qué organismos fotosintéticos existen, es hora de ver exactamente cómo se realiza la fotosíntesis. A grandes rasgos, la fotosíntesis se divide en dos etapas. La primera, llamada clara, consiste en obtener energía química a partir de la luz solar. Y la segunda, que recibe el nombre de ciclo de Calvin, en sintetizar materia orgánica. Veámoslas detalladamente.

1. Etapa clara o fotoquímica

La etapa clara o fotoquímica es la primera fase de la fotosíntesis y es dependiente de la luz. Su objetivo es el de, a partir de la radiación presente en la luz solar, obtener energía química. Pero, ¿cómo consiguen esto las plantas, algas y cianobacterias?

Muy sencillo. Como bien sabemos, todos los organismos fotosintéticos disponen de clorofila, un pigmento imprescindible para esta etapa de la fotosíntesis. La fase clara tiene lugar en los tilacoides de los cloroplastos, que son unos orgánulos donde tiene lugar este proceso.

Basta con entender que estos tilacoides son unos sacos aplanados donde está contenida la clorofila, que es un pigmento verde con una propiedad única: cuando la radiación solar incide sobre él, se excita.

Pero, ¿qué quiere decir que se excita? Básicamente, que los electrones de las capas más externas de la clorofila se liberan y viajan, como si de electricidad se tratara, a través de lo que se conoce como cadena transportadora de electrones.

Gracias a este viaje de electrones a través de los cloroplastos, se disparan una serie de reacciones químicas (aquí es donde se necesita el agua para avanzar en el proceso fotosintético) que culminan con la síntesis de unas moléculas llamadas ATP.

El ATP, adenosín trifosfato, es una molécula que funciona como “moneda energética” en todos los seres vivos. Lo que pasa es que nosotros la obtenemos de la degradación de la materia orgánica, pero estos organismos fotosintéticos, de la energía solar.

Pero, ¿qué es el ATP? Como ya hemos dicho, es una molécula formada por un azúcar, una base nitrogenada y tres grupos fosfatos unidos a este azúcar. Sin entrar demasiado en profundidad, basta con entender que, al romper uno de estos enlaces entre los fosfatos, además de que pasamos a tener una molécula de ADP (adenosín difosfato, ya que se ha perdido un fosfato), se libera energía.

Por lo tanto, la ruptura de esta molécula de ATP, como si de una explosión se tratara, le da energía a la célula para realizar sus funciones vitales. Todo el metabolismo, tanto nuestro como de las plantas, se basa en obtener moléculas de ATP para conseguir energía. Como vemos, el ATP es el combustible de las células y las plantas, algas y cianobacterias lo obtienen gracias a la excitación de los cloroplastos por incidencia de la luz solar.

Ahora el organismo ya tiene energía, pero esta energía no sirve de nada si no consigue utilizarla para sintetizar materia orgánica. Y aquí es cuando se entra en la segunda etapa de la fotosíntesis.

2. Ciclo de Calvin o etapa oscura

La etapa oscura hace referencia a la fase de la fotosíntesis que es independiente de la luz, pero eso no significa que solo se haga de noche. Simplemente quiere decir que en esta etapa, no se tiene que utilizar la energía lumínica. Es cierto que la realizan más en condiciones de oscuridad, pues aprovechan que no pueden obtener más energía, pero no es exclusiva de la noche. Por ello, para evitar confusiones, es mejor trabajar con el término de ciclo de Calvin.

El ciclo de Calvin, pues, es la segunda y última etapa de la fotosíntesis. Como ya sabemos, ahora partimos de que la célula ha conseguido moléculas de ATP, es decir, ya tiene el combustible necesario para continuar con el proceso.

En este caso, el ciclo de Calvin tiene lugar en el interior de los estromas, unas cavidades distintas a los tilacoides que hemos visto en la primera fase. En este momento, lo que hace el organismo fotosintético es fijar el dióxido de carbono, es decir, capturarlo.

Pero, ¿con qué propósito? Muy sencillo. El carbono es el esqueleto de toda la materia orgánica. Y la nutrición se basa, básicamente, en obtener átomos de carbono para constituir nuestros tejidos y órganos. Pues bien, la fuente de carbono para las plantas es de origen inorgánico, siendo el dióxido de carbono la sustancia que les otorga estos átomos.

Por ello, lo que se tiene que hacer en esta etapa es pasar del dióxido de carbono a un azúcar simple, es decir, a diferencia de lo que hacemos nosotros (degradamos materia orgánica para dar sustancias inorgánicas como desecho), los fotosintéticos tienen que sintetizar materia orgánica compleja a partir de sustancias inorgánicas simples.

Como podemos deducir, aumentar la complejidad química es algo que requiere de energía. Pero no pasa nada. En la anterior fase fotosintética hemos obtenido el ATP. Por ello, cuando la planta, alga o cianobacteria ya ha asimilado el dióxido de carbono, rompe los enlaces del ATP y, gracias a la energía liberada, el carbono va pasando por distintas rutas metabólicas uniéndose a diferentes moléculas hasta que, por fin, se ha obtenido un azúcar simple, es decir, materia orgánica.

A lo largo de este proceso, el oxígeno es liberado como producto de desecho, pues tras capturar el carbono del dióxido de carbono (CO2) queda el oxígeno libre (O2), el cual regresa a la atmósfera para ser respirado por los heterótrofos, que generarán, a su vez, dióxido de carbono como producto de desecho, volviendo a iniciar el ciclo.

Como vemos, el ciclo de Calvin consiste en utilizar la energía en forma de ATP obtenida en la etapa fotoquímica gracias a la radiación solar para sintetizar materia orgánica (azúcares simples) partiendo de sustancias inorgánicas que ofrecen átomos de carbono, consumiendo dióxido de carbono y liberando oxígeno por el camino.