La biología biológica, que se abre desde la biología del clima, se convierte en el motor de la vida en la Tierra, el proceso bioquímico por el cual las plantas, algas y cianobacteria convierten la luz solar en energía química. Este proceso no sólo sustenta los organismos que la realizan sino que también produce el oxígeno que respiramos y los compuestos orgánicos que forman la base de casi todos los ecosistemas.

Descubrimientos tempranos: Las fundaciones de la investigación de la fotosíntesis

El estudio científico de la fotosíntesis comenzó en el siglo XVII, pero los primeros experimentos claros fueron realizados por el clérigo inglés y el científico Joseph Priestley en los años 1770. Priestley puso una especie de menta en un recipiente cerrado con una vela que había quemado. Después de varios días, descubrió que la vela podía ser reliquiada, demostrando que las plantas podían “reparar” aire que había sido “injurado” por la quema.

Poco después, el médico holandés Jan Ingenhousz se expandió en la obra de Priestley. En una serie de experimentos, demostró que el efecto restaurativo de las plantas requería luz solar. Él mostró que sólo las partes verdes de las plantas eran capaces de producir oxígeno y que el proceso se detuvo en la oscuridad. Ingenhousz también observó que las plantas, como animales, consumen oxígeno por la noche, un proceso que ahora llamamos respiración.

En el siglo XIX, el botánico suizo Nicolas-Théodore de Saussure cuantificaba el papel del agua y el dióxido de carbono. Mediante la medición de la masa de plantas cultivadas en contenedores sellados, mostró que las plantas adquirieron masa de dióxido de carbono tomadas del aire y el agua del suelo. Esto fue un paso crítico en reconocer que la fotosíntesis es un proceso sintético que construye la materia orgánica de insumos inorgánicos.

El microbiólogo holandés Cornelis van Niel comparó la fotosíntesis en plantas verdes con fotosíntesis bacterianas. Propuso que el oxígeno liberado por las plantas provenía del agua, no del dióxido de carbono. La hipótesis de Van Niel fue confirmada en los años 40 usando el etiquetado isotópico con oxígeno-18, una técnica que siguió el destino de las moléculas de agua durante la comprensión de la luz.

La maquinaria molecular: cloroplastos y pigmentos

La comprensión moderna de la fotosíntesis se basa en el estudio de los cloroplastos, los organeles especializados donde se produce el proceso. Los cloroplastos se encuentran en las células mesofilas de las hojas y están atados por una membrana doble. En el interior, un complejo sistema de membrana interna llamado la tilakoidea alberga los pigmentos y complejos de proteína que capturan energía ligera.

El pigmento principal responsable de capturar la luz es la clorofila a], una molécula que absorbe la luz más fuertemente en las partes azul y roja del espectro y refleja la luz verde, dando hojas su color característico. Pigmentos accesorios como la onda de la onda de la chlorophyll

Las imágenes se organizan en complejos de captación de luz (LHCs) que embudon energía hacia centros de reacción. El centro de reacción es una molécula especializada de clorofila que se somete a separación cuando se excita, iniciando la conversión de energía ligera en energía química. En plantas, dos sistemas de fotograbados distintos trabajan en tándem: Photosystem II (PSII) y Photosystem I (PSI).

Las reacciones de luz-pendiente: De fotones a ATP y NADPH

Las reacciones dependientes de la luz son el escenario donde la luz solar se convierte en energía química. Estas reacciones ocurren en las membranas tilakoideas y involucran una serie de complejos de proteínas: PSII, el complejo de citocromo b6f, y PSI, junto con la sintetiza ATP.

Dividir agua y Evolución del oxígeno

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Cadena de transporte de electrones y síntesis ATP

Los electrones de alta energía de PSII se transmiten a lo largo de una serie de portadores, incluyendo plastoquinona, el complejo de citocromo b6f, y plastocyanina. Mientras los electrones se mueven por la cadena, la energía se utiliza para bombear protones de la estroma en el lumen de la tilakoide, construyendo un gradiente de protones.

El Ciclo Calvin: Fijando el carbono en el azúcar

El ciclo Calvin, descubierto por el bioquímico estadounidense Melvin Calvin y sus colegas en los años 50 usando carbono radiactivo-14, es la segunda etapa de la fotosíntesis. Se lleva a cabo en el estroma del cloroplast y utiliza el ATP y NADPH generado en las reacciones ligeras para fijar el dióxido de carbono en moléculas orgánicas.

El ciclo se desarrolla en tres fases: fijación de carbono, reducción y regeneración de la molécula de aceptador ribulose-1,5-bisfosfato (RuBP). En el primer paso, la enzima RuBisCO (ribulose-1,5-bisfosfato de la carboxilasa/oxigenasa) cataliza la reacción entre CO2 y RuBP para formar una enzima de seisificación inestable

En la fase de reducción, 3-PGA es fosforilada por ATP y reducida por NADPH para formar gliceroldehído-3-fosfato (G3P). Algunas moléculas G3P salen del ciclo para ser utilizado en la síntesis de glucosa, almidón y otros compuestos orgánicos; el resto continúa a través de la fase de regeneración para reconstruir RuBP utilizando la molécula adicional de ATP.

Fotorespiración: Una reacción lateral costosa y adaptaciones evolutivas

La fotorespiración comienza cuando RuBisCO utiliza oxígeno en lugar de dióxido de carbono, produciendo una molécula de 3-PGA y una molécula de fosfoglycolate (2-fosfoglycolate). La vía de rescate para fosfoglycolate, llamada fotorespiración, consume ATP y libera CO2, reduciendo la eficiencia general de la fotosíntesis por hasta un 30% bajo condiciones calientes y secas.

La fotosíntesis C4, que evolucionaba independientemente más de 60 veces, utiliza una separación espacial para concentrar CO2 en el sitio de RuBisCO. En las plantas C4 (por ejemplo, maíz, caña de azúcar), CO2 se fija inicialmente en un compuesto de cuatro carbono (oxaloaceta) en las células de mesofil, luego transportado a las células de vaina de carga donde libera CO2 para el ciclo de Calvin.

Comprender la base molecular de C4 y CAM ha sido un enfoque importante de la investigación moderna de la fotosíntesis, con el objetivo de ingeniería de estas vías en cultivos C3 como arroz y trigo para mejorar la eficiencia y rendimiento del uso del agua. Los enfoques de biología sintética están ahora tratando de introducir un mecanismo de concentración de carbono más simple (CCM) basado en bombas de bicarbonato que se encuentran en cianobacteria.

Moderno avance e ingeniería genética

Las últimas dos décadas han sido testigos de avances notables en la comprensión molecular y manipulación de la fotosíntesis. Con el advenimiento de secuenciación del genoma, edición de genes CRISPR-Cas9 y biología estructural de alta resolución, los investigadores ahora pueden modificar la maquinaria fotosintética con precisión sin precedentes.

Mejora de la eficiencia de RuBisCO

Los esfuerzos para diseñar una mejor RuBisCO han estado en marcha durante años. Al analizar las variantes de RuBisCO de diferentes organismos, incluyendo algas rojas, cianobacteria, e incluso ciertas bacterias químicamente, los científicos esperan identificar formas con tasas catalíticas más altas y menor afinidad de oxígeno. La evolución dirigida en el laboratorio ha producido enzimas mutantes con mejores rasgos, pero introduciendo a las plantas de bliografía funcional

Ingeniería: caminos de investigación

Los investigadores también han rediseñado el ciclo de Calvin. Por ejemplo, los científicos han introducido vías alternativas de fijación de carbono de otros organismos, como la vía de glicicina reductiva o el ciclo sintético de CETCH (un ciclo de fijación CO2 completamente artificial creado in vitro). En 2019, un equipo liderado por Tobias Erb demostró un ciclo sintético altamente eficiente que supera el ciclo natural de Calvin en vitro.

Otro enfoque implica aumentar la eficiencia de la captura de luz. Al alterar el tamaño y la composición de la antena de la luz, los investigadores han creado plantas que pueden tolerar intensidades de alta luz sin fotoinhibición. Ajustar el mecanismo de “quenchamiento no fotoquímico” (NPQ) que disipa el exceso de energía se ha demostrado que aumentan los rendimientos en los ensayos de campo hasta un 20%.

Mejora de la eficiencia del uso del agua y la tolerancia al estrés

El cambio climático plantea amenazas crecientes a la productividad de los cultivos a través de niveles de sequía, calor y CO2 elevados. La ingeniería genética se está utilizando para mejorar la capacidad de las plantas para hacer frente a estas tensiones. Los genes que se intervienen en la síntesis de los osmoprotectores, enzimas antioxidantes o factores de transcripción resistentes al estrés pueden mejorar el rendimiento fotosintético en condiciones adversas.

Fotosíntesis y Cambio Climático

La comprensión de las fotosíntesis es crítica para abordar el cambio climático. Por un lado, los organismos fotosintéticos —especialmente las plantas terrestres y el fitoplancton— actúan como grandes sumideros de carbono, absorbiendo alrededor del 30% de las emisiones antropógenas de CO2 anualmente.Proteger y mejorar este sumidero natural mediante la reforestación, las prácticas agrícolas y la fertilización del océano es una estrategia clave.

Bioenergía con captura y almacenamiento de carbono (BECCS) depende de la fotosíntesis para producir biomasa que luego se quema para energía, con el CO2 resultante capturado y almacenado bajo tierra. Mejorar la eficiencia fotosintética de los cultivos de bioenergía (por ejemplo, las transmisiones, el álamo) aumenta directamente la viabilidad de esta tecnología de emisiones negativas.

Futuros: Fotonética artificial y más allá

El objetivo final de la investigación de fotosíntesis es replicar o incluso superar la eficiencia de la naturaleza en un sistema sintético. La fotosíntesis artificial pretende utilizar la luz solar para dividir el agua y producir combustible de hidrógeno, o reducir el CO2 en combustibles líquidos como el metanol. Mimicking el Z-scheme de fotosíntesis naturales con catalizadores inorgánicos (por ejemplo, dióxido de titanio, superfluencia solar

Otra frontera fascinante es el papel de los efectos cuánticos en la fotosíntesis. Los experimentos han demostrado que la transferencia de energía dentro de complejos de rayos de luz puede implicar la coherencia cuántica, donde la energía se mueve simultáneamente a lo largo de múltiples caminos antes de establecerse en el centro de reacción. Mientras que polémico, esta investigación de biología cuántica sugiere que la evolución puede haber explotado fenómenos cuánticos sutiles para optimizar la captura de luz.

Finalmente, el estudio de la fotosíntesis sigue informando de la astrobiología. Al comprender los requisitos mínimos para la fotosíntesis oxigena: agua, luz, CO2, y ciertos elementos de traza, los científicos refinan su búsqueda de exoplanetas habitables.La firma espectral de vapor de oxígeno y agua en la atmósfera de un planeta podría indicar la presencia de vida fotosintética.

Conclusión

El viaje científico para entender la fotosíntesis es uno de los grandes sagas de la biología. Desde la vela y la menta de Priestley a las estructuras de resolución atómica de los sistemas fotográficos, cada avance ha profundizado nuestro reconocimiento por este elegante proceso. Hoy en día, la ingeniería genética y la biología sintética ofrecen herramientas sin precedentes para mejorar la eficiencia fotosintética, que podría ayudar a alimentar a una población creciente, mitigar el cambio climático, y producir combustibles sostenibles.

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