Conceptos básicos de la fotosíntesis
Las plantas son organismos autótrofos, lo que significa que producen su propio alimento y sustentan a otros organismos. Sin el sol, no habría fotosíntesis y la vida no sería sustentable.
La fotosíntesis es la reacción química donde el dióxido de carbono (CO2) y el agua forman azúcares y producen oxígeno en presencia de energía lumínica. Las plantas utilizan los azúcares producidos en la fotosíntesis como fuente de alimento que es energía para la planta. En condiciones naturales, el sol proporciona la energía para iniciar el proceso de fotosíntesis.
Las plantas utilizan una parte específica del espectro solar (luz) para la fotosíntesis, lo que se conoce como radiación fotosintéticamente activa (RFA) (Figura 1). La RFA es la región de la radiación solar entre 400 y 700 nm.
¿Por qué las hojas son verdes?
Es increíble, pero menos del 5 % de la energía que emite el sol se utiliza en la fotosíntesis. En las plantas, el proceso de fotosíntesis se desarrolla en los cloroplastos de las células vegetales. Este órgano contiene el pigmento llamado clorofila (pigmento verde) que se encarga de absorber la luz del sol. Las plantas contienen tanto clorofila a, que absorbe principalmente luz roja y violeta, como la clorofila b, que absorbe luz roja y azul.
Ambos tipos de clorofila reflejan la luz verde, este es el motivo de por qué las hojas son verdes. La clorofila b y los carotenoides (otro pigmento en los cloroplastos) son pigmentos accesorios. Los cloroplastos, que contienen la clorofila, están en membranas llamadas tilacoides. La ecuación general de la fotosíntesis es:
6CO2 + 6H2O + energía → C6H12O6 + 6O2
Estomas
La fotosíntesis ocurre principalmente en las hojas de las plantas; sin embargo, puede ocurrir en los tallos, pero en un porcentaje mínimo. Este proceso inicia cuando el CO2 entra a la hoja a través de los estomas (abertura de las hojas) (Figura 2). La mayoría de los estomas se encuentran en la parte inferior de la hoja para evitar la pérdida excesiva de agua. Los estomas permiten el intercambio de CO2, oxígeno y vapor de agua entre la hoja y el medio ambiente.
La fotosíntesis: un proceso de 2 pasos
El proceso de la fotosíntesis se realiza en dos pasos, la reacción dependiente de la luz y la reacción independiente de la luz. La reacción dependiente de la luz (se necesita luz) se lleva a cabo en los tilacoides y convierte la luz en energía química. La energía química que se produce en la reacción dependiente de la luz se usa para fijar el CO2 y reducirlo a carbohidratos, que es la reacción independiente de la luz o ciclo de Calvin. Este ciclo se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto. Los productos de estas reacciones son la glucosa, que es usado por la planta, y el oxígeno, que es liberado a la atmosfera a través de los estomas.
Las plantas se diferencian por la forma que utilizan para fijar el CO2; como resultado, se pueden clasificar las reacciones independientes de la luz como vía C3, vía C4 y vía CAM. Las plantas C3 están adaptadas a climas templados y las plantas C4 están adaptadas a climas cálidos y secos. Las plantas CAM son principalmente cactus; estas abren los estomas durante la noche para reducir la pérdida de agua por transpiración.
Factores que afectan a la fotosíntesis
Calidad de la luz
Como se mencionó anteriormente, las plantas realizan la fotosíntesis mientras están expuestas a la radiación RFA; esto se refiere a la calidad de la luz (Figura 1). Como se menciona anteriormente, la clorofila absorbe de forma más eficiente la luz azul violeta y la luz roja. Por lo tanto, es preferente exponer a las plantas a esta calidad de luz, a cierta intensidad (cantidad de energía). Al seleccionar luz suplementaria y, especialmente, cuando se trabaja únicamente con luz artificial, es importante elegir la fuente correcta de luz.
Por ejemplo, las bombillas incandescentes tienen una eficiencia baja ya que la mayor parte de la energía se usa para calentar la lámpara; además, la mayor parte de la energía luminosa se proporciona en la región roja. Las lámparas de sodio de alta presión (HPS, por sus siglas en inglés) y los diodos emisores de luz (LED) son las fuentes de luz más eficientes del mercado. Las lámparas HPS tienen dos puntos críticos en la región de RFA, uno pequeño en la región azul y uno más grande que se extiende a las regiones amarilla, naranja y roja del espectro.
Intensidad de la luz
Sin importar la fuente de energía luminosa, las plantas necesitan una intensidad de luz mínima para iniciar el proceso de fotosíntesis; esto se llama punto de compensación de la luz. Este punto es donde el CO2 absorbido es igual al CO2 liberado. A medida que aumenta la intensidad de la luz y la cantidad de energía proveniente de una fuente de luz, mayor será la velocidad de la fotosíntesis.
Sin embargo, no significa que la intensidad de la luz pueda ser infinita. Cuando la intensidad de la luz alcanza cierto nivel, la velocidad de la fotosíntesis es plana. Es más, se puede dañar la clorofila a causa de la extrema intensidad de la luz, lo que provoca que disminuya la velocidad de la fotosíntesis.
Cobertura del Invernadero
Conocer el punto de compensación de la luz de los cultivos es muy importante al momento de escoger un tipo de cobertura para el invernadero. Los materiales de cobertura para el invernadero tienen diferentes transmitancias de la luz, al igual que las mallas de sombreo. Los materiales viejos transmiten menos luz que los materiales nuevos debido a la opacidad o acumulación de residuos. Otro factor importante en la transmitancia de la luz en un invernadero es la estructura. Por ejemplo, los invernaderos de vidrio tienen más estructura (arcos, largueros, columnas, etc.) que un invernadero de polietileno.
Por lo tanto, un invernadero de vidrio tendrá más sombras que un invernadero de polietileno. La velocidad de la fotosíntesis de las plantas disminuye en el mismo porcentaje que la cantidad de luz entrante es bloqueada. De forma similar, el rendimiento de la producción también disminuye en el mismo porcentaje. Por consiguiente, se requiere la limpieza adecuada de los materiales de cobertura del invernadero al inicio de la temporada para garantizar la máxima transferencia de luz.
Temperatura
La temperatura afecta a la actividad de las enzimas responsables de ayudar en las reacciones químicas en el ciclo de Calvin. A temperaturas bajas, la actividad de las enzimas es lenta. A medida que aumenta la temperatura, las enzimas que ayudan en estas reacciones químicas aumentan su actividad hasta un punto crítico, que es el valor óptimo de temperatura. A esta temperatura, las plantas logran la velocidad de fotosíntesis más alta.
A medida que la temperatura sigue aumentando sobre este punto, la actividad de las enzimas disminuye hasta que se detiene la fotosíntesis. Es importante tener presente que la velocidad de fotosíntesis en plantas C3 es más alta en condiciones templadas; mientras que, en plantas C4, es más alta en condiciones cálidas.
Dióxido de carbono
Además del agua y la luz, el otro componente principal necesario para la fotosíntesis es el dióxido de carbono (CO2). Es importante mantener valores de CO2 suficientemente altos para la fotosíntesis. El CO2 ingresa a través de los estomas de la hoja (Figura 2); este organelo se abre y cierra según diversos parámetros. Cuando la planta está bajo estrés hídrico, expuesta a vientos de gran velocidad, experimenta deficiencias de nutrientes o el déficit de presión de vapor es muy alto, los estomas se cierran, lo que interrumpe el intercambio de oxígeno, CO2 y vapor de agua entre la planta y la atmósfera. Como resultado, disminuye la velocidad de la fotosíntesis.
Dentro del invernadero
En los invernaderos, es importante intercambiar todo el volumen de aire rico en oxígeno desde el interior del invernadero con aire exterior y fresco varias veces por hora para mantener niveles de CO2 favorables dentro del invernadero. Esto es más importante durante el invierno, ya que el invernadero se cierra al entorno para minimizar la pérdida de calor.
Las plantas C3 se podrían beneficiar de la inyección de CO2 en un invernadero ya que aumentaría la velocidad de fotosíntesis de estas plantas, hasta cierto punto, a medida que aumenta el CO2. La velocidad de fotosíntesis de las plantas expuestas a altas concentraciones de CO2 puede aumentar aún más a medida que aumenta la temperatura hasta el valor óptimo de temperatura.
