Cuando piensa en la rama de la ciencia involucrada en cómo las plantas obtienen su "alimento", lo más probable es que considere primero la biología. Pero en realidad, es la física al servicio de la biología porque es la energía luminosa del sol la que primero se puso en marcha y ahora continúa alimentando toda la vida en el planeta Tierra. Específicamente, es una cascada de transferencia de energía puesta en movimiento cuando fotones en partes ligeras de un golpe clorofila molécula.
El papel de los fotones en fotosíntesis debe ser absorbido por la clorofila de una manera que hace que los electrones en una porción de la molécula de clorofila se "exciten" temporalmente, o en un estado de mayor energía. A medida que regresan a su nivel de energía habitual, la energía que liberan alimenta la primera parte de la fotosíntesis. Por lo tanto, sin clorofila, la fotosíntesis no podría ocurrir.
Células vegetales vs. Células animales
Tanto las plantas como los animales son eucariotas. Como tal, sus células tienen mucho más que el mínimo indispensable que deben tener todas las células (una membrana celular, ribosomas, citoplasma y ADN). Sus células son ricas en membranas
orgánulos, que realizan funciones especializadas dentro de la célula. Uno de ellos es exclusivo de las plantas y se llama cloroplasto. Es dentro de estos orgánulos oblongos donde se produce la fotosíntesis.Dentro de los cloroplastos hay estructuras llamadas tilacoides, que tienen su propia membrana. Dentro de los tilacoides es donde se encuentra la molécula conocida como clorofila, en cierto sentido esperando instrucciones en forma de un destello de luz literal.
Lea más sobre las similitudes y diferencias entre las células vegetales y animales.
El papel de la fotosíntesis
Todos los seres vivos necesitan una fuente de carbono como combustible. Los animales pueden obtener el suyo simplemente comiendo y esperando que sus enzimas digestivas y celulares conviertan la materia en moléculas de glucosa. Pero las plantas deben absorber carbono a través de sus hojas, en forma de gas dióxido de carbono (CO2) en la atmósfera.
El papel de la fotosíntesis es atrapar plantas hasta el mismo punto, metabólicamente hablando, en el que los animales han generado glucosa a partir de sus alimentos. En los animales, esto significa reducir el tamaño de varias moléculas que contienen carbono antes de que lleguen a las células, pero en las plantas significa hacer moléculas que contienen carbono mas grande y dentro de las células.
Las reacciones de la fotosíntesis
En el primer conjunto de reacciones, llamado reacciones de luz debido a que requieren luz directa, enzimas llamadas Fotosistema I y Fotosistema II en la membrana tilacoide se utilizan para convertir la energía luminosa para la síntesis de moléculas de ATP y NADPH, en un transporte de electrones sistema.
Lea más sobre la cadena de transporte de electrones.
En el llamado reacciones oscuras, que no requieren ni son perturbados por la luz, la energía recolectada en el ATP y NADPH (ya que nada puede "almacenar" luz directamente) se utiliza para generar glucosa a partir del dióxido de carbono y otras fuentes de carbono en el planta.
Química de la clorofila
Las plantas tienen muchos pigmentos además de la clorofila, como la ficoertrina y los carotenoides. La clorofila, sin embargo, tiene un porfirina estructura de anillo, similar a la de la molécula de hemoglobina en humanos. Sin embargo, el anillo de porfirina de la clorofila contiene el elemento magnesio, donde el hierro aparece en la hemoglobina.
La clorofila absorbe la luz en la parte verde de la sección visible del espectro de luz, que en total abarca un rango de aproximadamente 350 a 800 mil millonésimas de metro.
Fotoexcitación de clorofila
En cierto sentido, los receptores de luz de las plantas absorben fotones y los usan para impulsar a los electrones que han estado dormitando a un estado de vigilia excitada, lo que los lleva a correr escaleras arriba. Eventualmente, los electrones vecinos en las "casas" de clorofila cercanas también comienzan a correr. A medida que se acomodan en sus siestas, su regreso a la planta baja permite que el azúcar se construya a través de un mecanismo complejo que atrapa la energía de sus pisadas.
Cuando se transfiere energía de una molécula de clorofila a otra adyacente, esto se denomina transferencia de energía de resonancia, o exciton transferir.