Cada vez que respiras, aprovechas el trabajo de una fábrica química que funciona en silencio en cada hoja verde: la fotosíntesis. Gracias a ella las plantas, las algas y algunas bacterias convierten la luz del sol, el agua y el dióxido de carbono en azúcares y oxígeno.
En este artículo verás qué es exactamente la fotosíntesis, su ecuación química, sus dos fases, dónde ocurre dentro de la célula, cómo la descubrieron los científicos paso a paso y un experimento sencillo para comprobarla en casa o en clase.
Qué es la fotosíntesis
La fotosíntesis es el proceso por el que los organismos fotosintéticos transforman la energía de la luz en energía química, que queda guardada en moléculas orgánicas como la glucosa. La palabra viene del griego: photo (luz) y synthesis (composición). Es decir, «fabricar con luz».
Los seres vivos que la realizan se llaman autótrofos, porque producen su propio alimento a partir de materia inorgánica. Los animales, los hongos y la mayoría de las bacterias somos heterótrofos: necesitamos comer materia orgánica que, directa o indirectamente, salió de la fotosíntesis.
La ecuación de la fotosíntesis
La reacción global, simplificada, se escribe así:
6 CO2 + 6 H2O + luz → C6H12O6 + 6 O2
Es, a grandes rasgos, la reacción inversa de la respiración celular, en la que la glucosa se «quema» con oxígeno para obtener energía y se libera CO2 y agua.
Dónde ocurre: los cloroplastos
En plantas y algas, la fotosíntesis tiene lugar en unos orgánulos llamados cloroplastos, muy abundantes en las células de las hojas. Un cloroplasto está rodeado por una doble membrana (si quieres repasar cómo funcionan las membranas biológicas, tienes la guía sobre la membrana plasmática en la biología celular) y en su interior contiene:
- Tilacoides: sacos membranosos apilados (las pilas se llaman grana) donde está la clorofila y donde ocurre la fase luminosa.
- Estroma: el líquido que rodea a los tilacoides, donde se fija el CO2 en la fase oscura o ciclo de Calvin.
El pigmento protagonista es la clorofila, que absorbe sobre todo luz azul y roja y refleja la verde. Por eso vemos las hojas de ese color. Junto a ella hay pigmentos accesorios, como los carotenoides (amarillos y naranjas), que captan otras longitudes de onda y protegen a la planta del exceso de luz.
Las dos fases de la fotosíntesis
1. Fase luminosa (dependiente de la luz)
Ocurre en las membranas de los tilacoides y solo funciona con luz. Sus pasos principales son:
- Captación de la luz: la clorofila de los fotosistemas absorbe fotones y algunos de sus electrones pasan a un estado de mayor energía.
- Fotólisis del agua: para reponer esos electrones, la planta rompe moléculas de agua. De esa ruptura sale el oxígeno que se libera a la atmósfera.
- Producción de ATP y NADPH: los electrones viajan por una cadena de transporte que bombea protones; el flujo de esos protones mueve la enzima ATP sintasa, que fabrica ATP. Al final de la cadena se forma NADPH.
El ATP y el NADPH son, por así decirlo, la energía y el poder reductor que la planta necesita para el siguiente paso.
2. Fase oscura o ciclo de Calvin (independiente de la luz)
Tiene lugar en el estroma. Se llama «oscura» porque no usa la luz directamente, pero en la práctica ocurre sobre todo de día, cuando hay ATP y NADPH disponibles. Consta de tres etapas:
- Fijación del carbono: la enzima RuBisCO une el CO2 del aire a una molécula de cinco carbonos (la ribulosa-1,5-bisfosfato).
- Reducción: con el ATP y el NADPH de la fase luminosa, el producto se convierte en gliceraldehído-3-fosfato, un azúcar de tres carbonos.
- Regeneración: la mayor parte de ese azúcar se recicla para volver a formar ribulosa-1,5-bisfosfato y que el ciclo continúe; el resto se usa para fabricar glucosa, sacarosa y almidón.
Este ciclo lleva el nombre de Melvin Calvin, que lo describió junto a Andrew Benson y James Bassham usando carbono radiactivo. Calvin recibió el Premio Nobel de Química en 1961. Todo este campo, el estudio de las reacciones químicas de los seres vivos, es el terreno de la bioquímica.
Plantas C3, C4 y CAM
No todas las plantas fijan el carbono igual. La mayoría (trigo, arroz, la mayor parte de los árboles) son C3. Las C4, como el maíz o la caña de azúcar, concentran primero el CO2 en unas células especiales y así trabajan mejor con calor y mucha luz. Las CAM, como los cactus o las piteras, abren sus estomas de noche para captar CO2 y perder menos agua, y lo usan durante el día.
Cómo se descubrió la fotosíntesis: un ejemplo de método científico
La fotosíntesis no se entendió de golpe. Es un buen ejemplo de cómo la ciencia avanza con preguntas, experimentos y nuevas hipótesis:
- Jan Baptista van Helmont (siglo XVII) plantó un pequeño sauce en una maceta con tierra pesada y lo regó solo con agua durante cinco años. El árbol ganó decenas de kilos, mientras que la tierra apenas perdió unos gramos. Concluyó, con razón, que la masa no salía del suelo, aunque pensó erróneamente que venía solo del agua.
- Joseph Priestley (1771) comprobó que una vela se apagaba en un recipiente cerrado, pero que si dentro había una ramita de menta, el aire se «restauraba» y la vela podía volver a arder.
- Jan Ingenhousz (1779) repitió esos ensayos y demostró que las plantas solo purifican el aire cuando les da la luz y que esa acción depende de sus partes verdes.
- Samuel Ruben y Martin Kamen (1941) usaron agua marcada con el isótopo oxígeno-18 y demostraron que el oxígeno liberado procede del agua, no del CO2.
Fíjate en cómo cada investigador corrigió o completó al anterior.
Experimento casero: las burbujas de oxígeno de la elodea
Este es el experimento clásico de los laboratorios escolares y se puede hacer con material muy sencillo. Sirve para ver la fotosíntesis en directo y, de paso, practicar el método científico.
Material
- Una ramita de planta acuática (elodea o egeria, de venta en tiendas de acuarios).
- Un vaso o tubo de ensayo transparente con agua.
- Una pizca de bicarbonato sódico (aporta CO2 disuelto).
- Una lámpara o una linterna potente, un cronómetro y una regla.
Procedimiento
- Disuelve el bicarbonato en el agua y mete la ramita con el corte hacia arriba.
- Coloca la lámpara a 10 cm del vaso y espera dos minutos a que la planta se estabilice.
- Cuenta las burbujas que salen del tallo durante un minuto. Repite tres veces y haz la media.
- Aleja la lámpara a 20, 30 y 40 cm y repite el recuento en cada distancia.
- Por último, apaga la luz o tapa el vaso y vuelve a contar.
Qué deberías observar
Cuanto más cerca está la luz, más burbujas aparecen; con la lámpara lejos o a oscuras, las burbujas casi desaparecen. Esas burbujas son en su mayor parte oxígeno producido en la fase luminosa. En este diseño, la distancia a la lámpara es la variable independiente y el número de burbujas es la variable dependiente; si quieres repasar estos conceptos, tienes la explicación de variable dependiente e independiente.
Para que el resultado sea fiable, mantén constantes el resto de factores: la misma planta, la misma cantidad de agua y bicarbonato y la misma temperatura (las lámparas incandescentes calientan el agua; mejor usar una LED).
Factores que influyen en la fotosíntesis
- Intensidad de la luz: al aumentar, la fotosíntesis se acelera hasta alcanzar un máximo.
- Concentración de CO2: más CO2 suele significar más fotosíntesis, hasta cierto límite. Por eso algunos invernaderos enriquecen el aire con este gas.
- Temperatura: las enzimas tienen un rango óptimo; con demasiado calor la RuBisCO pierde eficiencia y los estomas se cierran.
Por qué la fotosíntesis es tan importante
Sin fotosíntesis no habría oxígeno libre en el aire ni la inmensa mayoría de la vida actual. Además de producir oxígeno, es la puerta de entrada de la energía en los ecosistemas: los herbívoros comen plantas, los carnívoros comen herbívoros y así sucesivamente. También retira CO2 de la atmósfera, por lo que bosques, praderas marinas y fitoplancton son claves en el ciclo del carbono y en la regulación del clima.
Preguntas frecuentes sobre la fotosíntesis
¿Las plantas respiran o hacen la fotosíntesis?
Hacen las dos cosas. Respiran día y noche, consumiendo oxígeno y liberando CO2, igual que nosotros. Durante el día, la fotosíntesis suele superar a la respiración, así que en conjunto liberan oxígeno.
¿De dónde sale el oxígeno que liberan las plantas?
Del agua. Se demostró en 1941 con agua marcada con oxígeno-18: el oxígeno liberado llevaba ese isótopo, mientras que el del CO2 acababa en los azúcares y en el agua que se forma en el proceso.
¿Hacen la fotosíntesis por la noche?
La fase luminosa no, porque necesita luz. El ciclo de Calvin depende del ATP y el NADPH de esa fase, así que también se frena. Las plantas CAM captan CO2 de noche, pero lo transforman en azúcar durante el día.
¿Solo las plantas hacen la fotosíntesis?
No. También la realizan las algas y las cianobacterias. De hecho, los cloroplastos descienden de antiguas cianobacterias que fueron englobadas por otra célula, según la teoría endosimbiótica.
¿Qué diferencia hay entre fotosíntesis y respiración celular?
La fotosíntesis almacena energía: usa luz, CO2 y agua para fabricar glucosa y oxígeno. La respiración celular la libera: usa glucosa y oxígeno para obtener ATP y desprende CO2 y agua. Una alimenta a la otra.
En resumen
La fotosíntesis convierte la luz en energía química en dos fases: la luminosa, en los tilacoides, que rompe el agua, libera oxígeno y produce ATP y NADPH, y el ciclo de Calvin, en el estroma, que fija el CO2 y fabrica azúcares. Su descubrimiento, de van Helmont a Calvin, es una lección práctica de cómo funciona el método científico, y con una ramita de elodea y una lámpara puedes comprobarla tú mismo.