Fotosintesis

Durante millones de años, las plantas han usado la fotosíntesis para captar energía del sol y convertirla en energía electromecánica. Ingenieros y científicos han intentado desarrollar una versión artificial de la fotosíntesis que pudiera ser usada para producir combustibles líquidos a partir de dióxido de carbono y agua.

Ahora, investigadores del Berkely Lab, han dado un paso muy importante en esta dirección con el descubrimiento de que cristales de óxido de cobalto de tamaño nanométrico pueden de manera efectiva provocar una de las reacciones críticas de la fotosíntesis, la de dividir las moléculas de agua.

"La fotooxidación de las moléculas de agua en oxígeno, electrones y protones es una de las dos reacciones esenciales de un sistema de fotosíntesis artificial. Proporciona los electrones necesarios para reducir el dióxido de carbono en combustible", comenta Heiz Frei, que ha participado en este proyecto, en un comunicado. "La fotooxidación requiere un catalizador que sea eficiente en el uso de los fotones solares y lo suficientemente rápido para continuar con el flujo solar y evitar la pérdida de esos fotones. Grupos de nanocristales de cobalto de óxido son lo suficientemente eficientes y rápidos, así como robustos", puntualiza.

La fotosíntesis artificial para la producción de combustibles líquidos proporciona la posibilidad de una fuente de energía renovable que no contribuiría al calentamiento global resultante de la combustión de petróleo y carbón. La idea es mejorar el proceso que durante mucho tiempo ha servido a las plantas y a ciertas bacterias para integrarse en un una única "plataforma" capaz de almacenar la luz solar, captar los fotones y los sistemas catalíticos que pueden oxidar agua, en otras palabras crear una hoja artificial,

Moléculas inorgánicas

"Para sacar ventaja de la flexibilidad y la precisión con la que absorbe, las propiedades catalíticas pueden ser controladas mediante estructuras moleculares inorgánicas", comenta Frei.

En fases previas del trabajo, los investigadores se han dado cuenta de que el óxido de iridio era lo suficientemente rápido para hacer ese trabajo. Sin embargo el iridio es el metal menos abundante de la tierra y no puede ser usado a gran escala. Necesitaban un metal igual de efectivo pero más abundante.

Las plantas llevan a cabo la fotooxidación de las moléculas de agua a través de un proceso complejo llamado Fotosistema II, en la que enzimas que contienen manganeso sirven como catalizadores. Buscando catalizadores puramente inorgánicos que disolvieran el agua, que mimetizaran las propiedades del manganeso en la naturaleza, pero que fueran más robustos, los investigadores dieron con el óxido de cobalto, un material muy abundante.

Cuando Frei y su equipo probaron con micropartículas de óxido de cobalto, descubrieron que eran poco eficientes y no lo suficientemente rápidas como para propiciar la fotosíntesis. Sin embargo, cuando usaron nanopartículas de ese mismo material, la historia cambió.

Proseso de Fotosintesis artificial

Una nueva investigación nos acerca a la fotosíntesis artificial

Investigadores estadounidenses pertenecientes al Berkeley Lab han dado un paso más para conseguir un sistema capaz de imitar a la función fotosintética que realizan las plantas, mediante la cual captan energía solar y la convierten en energía electromecánica. Este grupo de investigadores ha descubierto que nanocristales de óxido de cobalto son capaces de llevar a cabo una de las fases más importantes de la fotosíntesis, como es la de dividir moléculas de agua. Este es sólo un primer paso, pero sus descubridores consideran que este componente es lo suficientemente eficaz como para dar el paso de desarrollar una fotosíntesis artificial. Esto permitiría obtener energía limpia y abundante. Por Raúl Morales de Tendencias Científicas.

Fotosintesis

El proceso biológico más importante de la Tierra es la fotosíntesis de las plantas verdes. A partir de ésta se produce prácticamente toda la materia orgánica de nuestro planeta y se garantiza toda la alimentación de los seres vivos.

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.

Las plantas verdes poseen en su estructura celular orgánulos especiales denominados cloroplastos, que tienen la cualidad de llevar a cabo reacciones químicas conocidas como fotosíntesis, o sea, de realizar síntesis con ayuda de la luz solar.

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.

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.

Fotosintesis

El proceso de la fase luminosa, supuesto para dos electrones, es el siguiente: Los fotones inciden sobre el fotosistema II, excitando y liberando dos electrones, que pasan al primer aceptor de electrones, la feofitina. Los electrones los repone el primer dador de electrones, el dador Z, con los electrones procedentes de la fotólisis del agua en el interior del tilacoide (la molécula de agua se divide en 2H⁺ + 2e^- + 1/2O₂). Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del tilacoide, y el oxígeno es liberado.

Los electrones pasan a una cadena de transporte de electrones, que invertirá su energía liberada en la síntesis de ATP. ¿Cómo? La teoría quimioosmótica nos lo explica de la siguiente manera: los electrones son cedidos a las plastoquinonas, las cuales captan también dos protones del estroma. Los electrones y los protones pasan al complejo de citocromos bf, que bombea los protones al interior del tilacoide. Se consigue así una gran concentración de protones en el tilacoide (entre éstos y los resultantes de la fotólisis del agua), que se compensa regresando al estroma a través de las proteínas ATP-sintasas, que invierten la energía del paso de los protones en sintetizar ATP. La síntesis de ATP en la fase fotoquímica se denomina fotofosforilación.

Los electrones de los citocromos pasan a la plastocianina, que los cede a su vez al fotosistema I. Con la energía de la luz, los electrones son de nuevo liberados y captados por el aceptor A₀. De ahí pasan a través de una serie de filoquinonas hasta llegar a la ferredoxina. Ésta molécula los cede a la enzima NADP⁺-reductasa, que capta también dos protones del estroma. Con los dos protones y los dos electrones, reduce un NADP⁺ en NADPH + H⁺.

El balance final es: por cada molécula de agua (y por cada cuatro fotones) se forman media molécula de oxígeno, 1,3 moléculas de ATP, y un NADPH + H⁺.

Fotofosforilación cíclica [editar]

Tiene lugar al mismo tiempo que la acíclica. En ella sólo interviene el fotosistema I. Los electrones liberados, después de llegar a la ferredoxina, pasan a las plastoquinonas, y siguen la cadena de transporte de electrones hasta regresar a la plastocianina y al fotosistema I. Por tanto, se genera ATP en lugar de NADPH. Sirve para compensar el hecho de que en la fotofosforilación acíclica no se genera suficiente ATP para la fase oscura.

Fase bioquímica o ciclo de Calvin: biosíntesis orgánica [editar]

Esquema simplificado del ciclo de Calvin-Benson

La fase bioquímica o ciclo de Calvin o ciclo reductivo de las pentosas-fosfato consiste en un ciclo de reacciones químicas en las que se incorpora el CO₂ de la atmósfera en moléculas orgánicas, y se originan triosas fosfato, los primeros azúcares previos a la formación de sacarosa y almidón. Durante este ciclo se emplean el ATP y el NADPH producidos en la etapa fotoquímica. Se divide en tres etapas: carboxilación, reducción y regeneración.

Este ciclo comienza con una pentosa, la ribulosa-1,5-fosfato, que se carboxila con el CO₂, y se descompone en dos moléculas de ácido-3-fosfoglicérico. Con el gasto de un ATP, el ácido-3-fosfoglicérico se fosforila en ácido-1,3-bifosfoglicérico. Éste se reduce con el NADPH, y se libera una molécula de ácido fosfórico, formándose el gliceraldehído-3-fosfato. La molécula formada puede seguir ahora dos vías: una es dar lugar a más ribulosa-1,5-fosfato para seguir el ciclo, y la otra es dar lugar a los distintos principios inmediatos: glucosa o fructosa, almidón y a partir de ellos los demás glúcidos, y los lípidos, proteínas y nucleótidos que requiere la célula...

Hay que destacar que tanto la fase fotoquímica como la fase biosintética se producen a la vez. Son inseparables, ya que los productos de la fase fotoquímica son empleados en la fase biosintética. Por otro lado al consumir en la fase biosintética el ATP y NADPH se obtienen ADP y NADP⁺ para la fase fotoquímica. Para asegurar que ambas fases se produzcan a la vez existe una fuerte fotorregulación sobre las enzimas del ciclo de Calvin para que estén activas por el día e inactivas por la noche, en especial sobre la enzima rubisco. No obstante existe una variante de fotosíntesis presente en ciertas plantas que permite separar la fijación del CO₂ de la fase fotoquímica. Se trata de la fotosíntesis tipo CAM, empleada por plantas adaptadas a climas desérticos, para evitar que se abran los estomas por el día para fijar el CO₂, con la consiguiente pérdida de agua.