2.1.08 Importancia de la fotosíntesis

La fotosintesis es el conjunto de reacciones gracias a las cuales las plantas verdes a partir de la energía luminosa transforman el agua y el anhidrido carbónico en oxígeno y sustancias orgánicas.
Sin el proceso de la fotosintesis no sería posible la presencia del oxigeno en la atmósfera. Son muchos los seres vivos que dependen del oxígeno que se libera durante la fotosíntesis. La mayor parte de estructuras de los seres vivos para su desarrollo necesitan los productos orgánicos formados durante la fotosÍntesis junto a materia inorgánica del propio media ambiente. La materia que formaN a los seres vivos está formada por materia orgánica.

De este proceso químico y biológico dependen tres aspectos de suma importancia:

· Por la fotosíntesis las plantas verdes producen alimentos y materia orgánica para si mismas y para alimentar a los animales herbívoros, y éstos, a su vez, a los animales carnívoros.

· Se vuelve a utilizar el dióxido de carbono ICO,) producido por los animales y por los procesos de putrefacción o descomposición. De otra manera el CO, saturaría el planeta.

· Se restituye el oxigeno al aire y se hace posible la respiración.


Mediante el proceso de la fotosíntesis la energía solar es acumulada en forma de compuestos químicos, que al ser consumidos por los seres vivos liberan esa energía y sirven para mantener los procesos vitales en las células (calor, movimiento, etc.).

De la fotosíntesis depende la alimentación de todos los seres vivos sobre la Tierra, incluido el hombre, en forma directa (herbívoros) o indirecta (carnívoros, carroñeros, detritívoros, etc.). Sin plantas verdes no sería posible la existencia ni de los animales ni de los seres humanos. Es más, las fuentes de energía orgánica (carbón, petróleo, gas natural y leña) no son otra cosa que energía solar acumulada y liberada en los procesos de combustión, mediante la cual se mueve en gran parte la sociedad moderna (vehículos, cocinas, fábricas, etc.).
Es por esto que el proceso final de combustión de estas fuentes de energía orgánica produce agua y dióxido de carbono. Cuando la combustión es imperfecta o los combustibles orgánicos contienen impurezas la combustión, como la de los motores, produce elementos contaminantes, que pueden afectar al ambiente y a la salud de las personas.




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La fotosíntesis es uno de los procesos de mayor importancia desde el puto de vista biológico. Gracias a ella, las plantas pueden elaborar su propia materia orgánica a partir de materia inorgánica, lo que permite su supervivencia. Pero, además tiene una gran importancia para el resto de la biosfera.



Artículos de interés:

Un estudio realizado por investigadores del Departamento de Energía del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) y de la Universidad de California en Berkeley (Estados Unidos), ha confirmado que bajo el proceso de la fotosíntesis subyace un mecanismo cuántico.

La fotosíntesis, clave para la vida en la Tierra, consiste en una serie de procesos por los que plantas y las cianobacterias (bacterias acuáticas que producen su alimentación por medio de la fotosíntesis) captan la energía de la luz y la transfieren a los centros de las reacciones moleculares, convirtiéndola así en energía química con una eficiencia del casi el 100% y a una velocidad casi instantánea.

Según explican estos investigadores en
En este artículo, los investigadores explican que han obtenido evidencias directas de que el notable tiempo de vida de la coherencia cuántica electrónica ondulatoria juega un importante papel en este proceso de transferencia energética que supone la fotosíntesis.

Según el líder de esta investigación, Graham Fleming, las características ondulatorias del fenómeno de la coherencia cuántica podrían explicar la extrema eficiencia de la fotosíntesis porque capacita al sistema para probar simultáneamente todos los "caminos" o posibles vías de energía potencial antes de elegir el más eficiente de ellos.

Coherencia cuántica

La coherencia cuántica es un término que hace referencia a la condición de un sistema cuántico (es decir, de partículas subatómicas) cuando sus constituyentes reducen una función de onda en un estado físico de partículas concretas. Cuando una función de onda se concreta, estas partículas se relacionan de una determinada manera unas con otras. Sus relaciones están descritas por la mecánica cuántica.

Fleming y sus colaboradores han conseguido detectar, por medio de mediciones electrónicas espectroscópicas realizadas a una escala de tiempo de femtosegundos (un femtosegundo es la unidad de tiempo que equivale a la milbillonésima parte de un segundo), señales cuánticas u oscilaciones electrónicas coherentes, tanto en las moléculas donantes como en las receptoras, generadas por excitaciones energéticas inducidas por la luz.

Descubrieron, además, que dichas oscilaciones se encuentran y se interfieren unas con otras constructivamente, formando movimientos ondulantes de energía (estados de superposición) que exploran todas las vías de energía potenciales de manera simultánea y reversible, eligiendo aquellas vías de mayor eficiencia energética.

Este hallazgo tropieza con la explicación científica tradicional de la fotosíntesis ya que, en palabras de Fleming: "La descripción de salto clásica de los procesos de transferencia de energía es tanto inadecuada como imprecisa. Nos da una imagen incorrecta de cómo funciona en realidad el proceso, y pierde un aspecto crucial de la causa de esta eficiencia extraordinaria".

Imitar el proceso

Según los investigadores, la tecnología que implica la fotosíntesis para transferir energía de un sistema molecular a otro puede aprenderse de manera que seamos capaces de reproducir artificialmente el proceso, lo que daría lugar a un posible aprovechamiento de la luz del sol como fuente energética eficiente, sostenible y no contaminante.

Para conocer a fondo el mecanismo, los científicos han desarrollado una técnica denominada espectroscopia electrónica de dos dimensiones, que les permite observar el flujo de excitación energética provocada por la luz en complejos moleculares y con una resolución temporal asombrosa.

Esta técnica implica la proyección secuencial, con tres rayos láser, de una muestra de pulsaciones lumínicas. Un cuarto rayo se usa como oscilador local para amplificar y detectar las señales espectroscópicas resultantes cuando la energía de excitación de las luces del láser es transferida de una molécula a la siguiente (hay que tener en cuenta que la energía de excitación cambia la forma en que cada molécula absorbe y emite luz).

Los científicos pueden así rastrear la transferencia energética entre moléculas conectadas a través de sus estados electrónicos y vibracionales en cualquier sistema fotoactivo, tanto a nivel de nanoestructuras como de macromoléculas.

Antecedentes y medidas

En el año 2005, Fleming y su grupo publicaron por primera vez en Nature los resultados de sus investigaciones con la espectroscopia electrónica. En este caso, la tecnología se usó para observar el acoplamiento electrónico en una proteína encargada de capturar la luz para la fotosíntesis (la proteína Fenna-Matthews-Olson o FMO), formada por un conjunto de moléculas presente en las bacterias verdes del azufre.

Según declaró otro de los autores del estudio, también investigador del Berkeley Lab, Gregory Engel, la posibilidad de que la energía fotosintética pudiese involucrar oscilaciones cuánticas se sugirió por primera vez hace más de 70 años, pero estas oscilaciones no habían podido ser observadas hasta el momento.

También en la investigación de referencia se ha estudiado la proteína FMO porque se considera un sistema modelo para el estudio de transferencia energética de la fotosíntesis, dado que consta de sólo siete moléculas de pigmento y su química ha sido bien caracterizada.

Sus oscilaciones fueron observadas a partir de un espectro bidimensional en 33 tiempos de población, con rangos de entre 0 y 660 famtosegundos. Los espectros analizados mostraron que el excitón (estado de salto de un electrón y una partícula imaginaria llamada agujero-electrón) de menor energía, daba lugar a un pico diagonal de unos 825 nanómetros que oscilaba claramente. El latido cuántico duró todos los 660 femtosegundos de la medición, lo que sorprende porque la suposición científica general era la de que las coherencias electrónicas responsables de estas oscilaciones se destruían rápidamente.

Consecuencias

Según los investigadores, la demostración de que los procesos de transferencia energética implican la coherencia electrónica y que ésta es más intensa de lo que se esperaba, significa que este proceso es mucho más eficiente de lo que imagina la visión clásica.

Aún se desconoce con exactitud el grado de beneficio que conllevan para la fotosíntesis estos efectos cuánticos. Los próximos pasos del grupo de investigación se centrarán en analizar la influencia de los cambios de temperatura en dichos procesos de transferencia
energética.

Por otro lado, también serán investigados los pulsos de luz y la manera de aplicar este funcionamiento de manera artificial a medios útiles.
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Pero quizá el hombre depende de forma más directa de la fotosintesis que el resto de los animales, las plantas y animales emplean el oxigeno con una misión única de subsistencia mientras que el hombre no solo necesita la fotosintesis para existir sino la creciente demanda de alimentos, el aumento de las necesidades hace que dependamos de una mayor cantidad de oxigeno y por tanto de fotosintesis.

La fotosíntesis consiste en los siguientes procesos:

· El dióxido de carbono (CO2 ) es absorbido por los estamos de las hojas, y junto con el agua (H2O), que es absorbida por las raíces, llegan a los cloroplastos, donde con ayuda de la energía de la luz se produce la glucosa (C6 H12 O6).

· Durante esta reacción se produce oxígeno (O2), que es emitido al aire o al agua y es utilizado para la respiración de otros seres vivos. la fórmula sencilla de la reacción química es la siguiente:
6 CO2 + 12 H2O + energía de la luz = C6 H12 06 + 6 O2 + 6 H2O
Esto significa que se usan 6 moléculas de dióxido de carbono (CO2) más 12 moléculas de agua (H2O) más energía de la luz para producir una molécula de glucosa (C6 H12 O6) más 6 de oxígeno (O2) y quedan6moléculos de agua (H2O).

· A partir de la glucosa (C6 H12 O6) un azúcar muy común en las frutas, se producen la sacarosa, el almidón, la celulosa, la lignina o madera y otros compuestos, que son la base de los alimentos para las plantas mismas y para los herbívoros.