Métodos alternativos de fijación de carbono en plantas

Fijación de carbono en plantas

Fuera de la ciencia ficción, las plantas generalmente no comen a las personas. Eso es Biología 101 para ti. Entonces, si no comen, ¿cómo producen energía las plantas? Bueno, como la mayoría de los autótrofos , o seres vivos que crean su propia energía, las plantas dependen de una forma de fijación de carbono ; Básicamente, este es el proceso de conversión, denominado “fijación”, de carbono inorgánico en compuestos orgánicos. En las plantas, la fijación de carbono es el primer paso de un proceso más grande de tres pasos llamado ciclo de Calvin., que agrega dióxido de carbono a los carbohidratos glucosa para producir energía. Pero realmente, ¿algo de esta nueva información? Quiero decir, todos sabemos que para producir energía, las plantas necesitan luz solar, dióxido de carbono y agua. Espera, ¿dónde está el agua cuando estás en el desierto? Este es un entorno bastante duro, pero todavía hay plantas. ¿Cómo es esto posible? Bueno, para algo sin cerebro, las plantas son bastante inteligentes, y cuando las cosas se ponen difíciles, encuentran métodos alternativos de fijación de carbono para que las cosas funcionen.

Fotorrespiración

Entonces, comencemos por ver algunos de los desafíos que enfrentan las plantas en un ambiente seco y cálido, como este. Ahora, en condiciones normales, las plantas absorben dióxido de carbono a través de los estomas , que son pequeños poros que permiten que el gas ingrese a la planta. Sin embargo, cuando hace mucho calor y se seca, las plantas cierran sus estomas para evitar que el agua del interior se evapore. Esto significa que entra menos CO2 en la planta. Cuando la concentración de dióxido de carbono es demasiado baja, la enzima responsable de la fijación de carbono, RuBisCO , deja de fijar el dióxido de carbono y comienza a fijar moléculas de oxígeno. Esto da como resultado que cualquier resto de CO2 se libere realmente de la planta. Llamamos fotorrespiración al proceso cuando las plantas reemplazan CO2 por O2 en la fijación de carbono.. Ahora, técnicamente, la planta aún puede sobrevivir de esta manera y aún generar energía, pero es drásticamente menos. De hecho, solo alrededor del 25% de la tasa normal. Entonces es un problema.

Fotosíntesis C4

Si los climas secos y cálidos conducen a la fotorrespiración, ¿cómo es posible que las plantas sigan creciendo? Bueno, algunas plantas adaptaron técnicas para minimizar la fotorrespiración y optimizar el ciclo de Calvin en climas cálidos. Una de esas técnicas es la fotosíntesis de C4 , en la que las plantas fijan CO2 en carbonos adicionales que se almacenan y utilizan como energía. Así es como funciona; las hojas de las plantas C4 tienen un sistema adicional de células que rodean las venas que contienen el agua, por lo que los estomas pueden permanecer abiertos. El CO2 entra en los estomas y luego es absorbido por una célula mesófila , que fija el CO2 en una molécula de 3 carbonos, almacenándola como una molécula con cuatro carbonos. De aquí proviene el nombre C4. Esta molécula de 4 carbonos luego debe bombearse activamente a través de una membrana gruesa hacia una celda de envoltura de haz., que rodea la vena, donde la molécula de 4 carbonos se vuelve a separar en una molécula de 3 carbonos y una molécula de CO2 separada. Que luego entra en el ciclo de Calvin y se convierte en energía. Entonces, ¿por qué este proceso de dos etapas es tan efectivo? Básicamente, la membrana gruesa entre el mesófilo y la vaina del haz significa que el oxígeno no puede simplemente flotar. Solo se pueden transportar activamente cuatro moléculas de carbono, y esto crea una escasez artificial de oxígeno dentro de la célula de la vaina del haz, donde realmente ocurre el ciclo de Calvin. Dado que hay mucho más CO2 que oxígeno, RuBisCo nunca deja de fijar el CO2 y el ciclo de Calvin se mantiene muy eficiente.

La desventaja es que crear, transportar y romper cuatro moléculas de carbono en realidad requiere mucha energía, lo que aumenta la cantidad de energía que la planta necesita producir. Pero la fotosíntesis C4 es lo suficientemente eficiente como para que esto no sea un problema. En nuestro mundo real, las plantas C4 más exitosas son el maíz, el antepasado del maíz y la caña de azúcar. La caña de azúcar, en particular, puede producir una cantidad increíble de energía, a pesar del clima cálido, todo debido a este ciclo C4.

Plantas CAM

El proceso C4 de dividir la fijación de carbono entre diferentes células es solo una forma de ajustar la fotorrespiración. Varias otras plantas encontraron otra solución efectiva, simplemente haga el trabajo duro por la noche. En el metabolismo del ácido crasuláceo , o proceso CAM, los estomas solo se abren por la noche, cuando las temperaturas son más frías. La planta absorbe dióxido de carbono toda la noche, pero en realidad no lo procesa. En cambio, la planta lo fija en un carbono 3, formando una molécula de 4 carbonos. ¿Suena familiar? Esa molécula de 4 carbonos se almacena dentro de la vacuola de la célula., un orgánulo utilizado como recipiente. Más tarde, cuando sale el sol y vuelve a hacer calor, los estomas se cierran, pero el RuBisCo no necesita comenzar a fijar el oxígeno. ¿Por qué? Porque la célula tiene más que suficiente dióxido de carbono almacenado en las moléculas de C4 de la vacuola. Entonces, el ciclo de Calvin continúa normalmente durante el día y luego se apaga nuevamente por la noche mientras la célula recolecta y almacena más CO2. Mientras que las plantas C4 previenen la fotorrespiración al crear dos celdas separadas para manejar el procesamiento de energía, las plantas CAM dividen el proceso en día y noche, pero lo mantienen dentro de una sola celda.

¿Dónde puedes encontrar estas plantas? La piña, el cactus, las orquídeas, el musgo español y el agave son todas plantas CAM que utilizan este ciclo para detener la fotorrespiración y mantener el ciclo de Calvin en funcionamiento.

Resumen de la lección

Las plantas necesitan agua, luz solar y dióxido de carbono para producir energía. Una parte importante de esto es la fijación de carbono , cuando el dióxido de carbono se une a un carbohidrato orgánico, por lo que puede procesarse en energía, un proceso general llamado ciclo de Calvin . Pero en climas cálidos y secos, las plantas cierran sus estomas para reducir la precipitación y dejar de absorber tanto dióxido de carbono. Cuando esto sucede, la enzima responsable de la fijación de carbono, RuBisCo , deja de fijar el dióxido de carbono y fija las moléculas de oxígeno en su lugar, un proceso llamado fotorrespiración .

Hay dos estrategias principales que utilizan las plantas para detener la fotorrespiración. La fotosíntesis de C4 implica dividir la producción de CO2 entre dos células diferentes. Una célula absorbe CO2 y lo fija en una molécula de C4, que luego se transporta activamente a través de una membrana gruesa hacia una célula protegida donde el ciclo de Calvin sigue funcionando.

La otra estrategia es el metabolismo del ácido crasuláceo , o el proceso CAM, en el que la célula divide la fijación de carbono entre la noche y el día. El CO2 se recolecta durante las noches frescas y se almacena, luego se procesa en el ciclo de Calvin durante el día, después del cierre de los estomas. Puede que no tengan cerebro, pero resulta que las plantas pueden ser bastante inteligentes.