La fotosíntesis: qué es, sus fases y de dónde sale la madera

La fotosíntesis es el proceso por el que las plantas, las algas y algunas bacterias usan la energía de la luz para fabricar azúcar a partir de dióxido de carbono y agua, y liberan oxígeno como residuo. Es la reacción química más importante del planeta. De ella sale casi toda la energía que mueve a los seres vivos, porque los animales se comen a las plantas o a otros animales que se las comieron; de ella sale el oxígeno que respiramos; y de ella sale también, aunque cueste creerlo, casi toda la masa de un árbol.

La ecuación que se enseña en la escuela resume el proceso completo:

6 CO₂ + 6 H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Seis moléculas de dióxido de carbono y seis de agua, con la energía de la luz, dan una molécula de glucosa y seis de oxígeno. La glucosa es el combustible que la planta usa para vivir y la materia prima con la que fabrica almidón, para guardar energía, y celulosa, para construir sus paredes. La ecuación es un balance final: en realidad hay decenas de reacciones intermedias.

La historia del descubrimiento empieza con un sauce. Hacia 1640 el médico flamenco Jan Baptista van Helmont plantó un sauce de cinco libras en una maceta con doscientas libras de tierra seca, la regó solo con agua de lluvia y la tapó para que no le cayera polvo. Cinco años después el árbol pesaba unas ciento sesenta y nueve libras y la tierra había perdido apenas dos onzas. Van Helmont concluyó que el árbol estaba hecho de agua. Acertó a medias, y su error es muy instructivo: nunca se le ocurrió pesar el aire.

Un siglo después el químico inglés Joseph Priestley hizo un experimento famoso. Encerró una vela encendida bajo una campana de vidrio hasta que se apagó, y comprobó que un ratón metido en ese aire moría. Pero si dejaba una ramita de menta bajo la campana durante unos días, el aire se «restauraba» y la vela volvía a arder y el ratón vivía. Lo publicó en 1772. En 1779 el médico holandés Jan Ingenhousz, que trabajaba en Inglaterra, descubrió lo que faltaba: la planta solo purificaba el aire cuando estaba iluminada, y solo lo hacían sus partes verdes. En la oscuridad, las plantas también viciaban el aire, como los animales. Poco después el suizo Jean Senebier mostró que las plantas absorben el «aire fijo», lo que hoy llamamos dióxido de carbono, y Nicolas-Théodore de Saussure demostró en 1804 que la planta gana más peso del que corresponde al carbono que toma, porque incorpora también agua.

Una de las preguntas más persistentes era de dónde sale el oxígeno: del dióxido de carbono o del agua. Durante mucho tiempo se pensó que la luz rompía el CO₂. En los años treinta el microbiólogo neerlandés Cornelis van Niel, estudiando bacterias que hacen fotosíntesis con ácido sulfhídrico en lugar de agua y liberan azufre en lugar de oxígeno, propuso que en las plantas el oxígeno debía venir del agua. En 1941 Samuel Ruben, Martin Kamen y sus colaboradores lo confirmaron en Berkeley con agua marcada con un isótopo pesado del oxígeno, el oxígeno 18: el oxígeno que desprendían las algas llevaba la marca del agua, no la del dióxido de carbono. Por eso la ecuación de la escuela, aunque correcta en el balance, esconde algo: el oxígeno que respiramos procede de romper moléculas de agua.

Hoy se sabe que la fotosíntesis ocurre en dos fases, dentro de los cloroplastos. La fase luminosa tiene lugar en unas membranas apiladas llamadas tilacoides, donde está la clorofila. La clorofila absorbe sobre todo la luz roja y la azul y refleja la verde, que es la que vemos. La energía de la luz se usa para romper moléculas de agua, lo que libera oxígeno, y para fabricar dos moléculas que funcionan como baterías cargadas, el ATP y el NADPH. Intervienen dos grandes complejos de proteínas y pigmentos, los fotosistemas II y I, que trabajan en serie.

La fase oscura, que se llama así porque no necesita luz directamente aunque en la práctica ocurre de día, se conoce como ciclo de Calvin, por el químico estadounidense Melvin Calvin, que la desentrañó con Andrew Benson y James Bassham entre los años cuarenta y cincuenta. Usaron carbono radiactivo, recién disponible tras la guerra, y siguieron su camino dentro de las algas parando la reacción a los pocos segundos. Calvin recibió el Premio Nobel de Química en 1961. En esta fase, que ocurre en el estroma del cloroplasto, la energía del ATP y el NADPH se usa para fijar el CO₂ del aire y convertirlo en azúcar. La enzima que da el primer paso se llama rubisco. Es lenta y a veces se equivoca y fija oxígeno en lugar de dióxido de carbono, pero es tan necesaria que las plantas fabrican cantidades enormes: se calcula que en la Tierra hay unas setecientas millones de toneladas de rubisco, lo que la convierte en la proteína más abundante del planeta.

Aquí está la respuesta a la pregunta del sauce. La madera, las hojas y las raíces están hechas sobre todo de celulosa y otros compuestos de carbono, y ese carbono viene del aire. El agua aporta hidrógeno, y la tierra solo proporciona una pequeña fracción de minerales como el nitrógeno, el fósforo o el potasio. Un árbol es, en su mayor parte, aire convertido en sólido con energía del Sol. Cuando se quema un tronco, el carbono vuelve a la atmósfera como dióxido de carbono y la energía que la luz guardó en él sale como calor.

La fotosíntesis es menos eficiente de lo que se podría pensar. Zhu, Long y Ort calcularon en 2008 que, en teoría, una planta no puede convertir en biomasa más de un 4,6 % de la energía solar que recibe si es del tipo más común, y un 6 % si tiene el mecanismo que usan el maíz y la caña de azúcar, que concentra el CO₂ alrededor de la rubisco. En los campos de cultivo, la eficiencia real a lo largo de una temporada suele quedar muy por debajo, en torno al 1 %. Por eso mejorar la fotosíntesis de los cultivos es uno de los grandes objetivos de la investigación agrícola.

Sus efectos se han acumulado durante miles de millones de años. Las cianobacterias, que inventaron la fotosíntesis que libera oxígeno, llenaron poco a poco la atmósfera hace unos dos mil cuatrocientos millones de años, en lo que se llama la gran oxidación. Ese oxígeno permitió la respiración aerobia y, con el tiempo, la vida compleja. Los cloroplastos de las plantas, según la teoría de la endosimbiosis, son descendientes de aquellas cianobacterias que quedaron dentro de otra célula. El petróleo y el carbón, por su parte, son restos de seres vivos antiguos: al quemarlos liberamos la luz solar que la fotosíntesis almacenó hace millones de años.

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