La fotosíntesis, el sistema natural de generación de energía solar

El Sol produce una enorme cantidad de energía y emite la mayor parte de esa energía al espacio, en forma de luz. De la luz que el Sol emite en todas las direcciones, la parte que llega a la Tierra es solo 1/2 200 000 000. El 30 % de esta se refleja en el espacio, y solo el 70 % penetra en la Tierra. Aun así, la cantidad total de energía que las personas del mundo utilizan durante un año equivale a la energía solar que ingresa en la Tierra solo durante una hora.

Todos los seres vivos necesitan energía para sobrevivir, pero la energía de la luz no puede usarse directamente. Debe transformarse en materia orgánica. No obstante, excepto algunos microorganismos, solo las plantas pueden almacenar la energía de la luz en las materias orgánicas de la Tierra. Todos los animales, incluidos los seres humanos, obtienen energía comiendo plantas o mediante otros animales que se alimentan de plantas. En otras palabras, el Sol es la fuente de energía que los seres vivos necesitan, y toda la energía necesaria para los seres vivos es materia orgánica que se obtiene a través de la fotosíntesis. Por lo tanto, la fotosíntesis, que tiene lugar en el cloroplasto, un orgánulo que mide menos de 10㎛, es la actividad más maravillosa e importante de todos los fenómenos vitales en la Tierra.

La fotosíntesis es un proceso que convierte la energía de la luz en energía eléctrica usando agua y almacenándola en una materia orgánica en forma de energía química. El proceso extremadamente complicado y delicado de la fotosíntesis, ha sido tema de interés para muchos científicos, y hubo tres galardonados con el Premio Nobel de Química por la fotosíntesis. A pesar de la historia de su estudio que abarca cerca de 400 años, aún no la comprendemos completamente. Entre muchos hechos sobre la fotosíntesis, el proceso de cómo la luz se convierte en energía eléctrica en la clorofila aún contiene muchos secretos.

Cuando la luz del Sol llega al cloroplasto, que es un conjunto de clorofilas, energiza los electrones que se encuentran en ellas, y los electrones energizados se mueven entre las clorofilas. Así es como la energía de la luz se transforma en energía eléctrica, que es el movimiento de los electrones. La energía eléctrica reunida en la clorofila central se almacena en las sustancias químicas y se utiliza para sintetizar glucosa, un material orgánico, mediante el uso de dióxido de carbono.

Ante nuestros ojos, parece que las plantas no se mueven, pero, de hecho, se mueven activamente para buscar la luz, que es un material para la fotosíntesis, y para obtener dióxido de carbono y agua. El nenúfar Victoria, que es la planta acuática más grande del mundo en América del Sur, extiende las hojas hacia la luz desde el tallo bajo el agua. Cuando las enormes hojas flotan sobre la superficie, se extienden rápidamente en forma circular. Las hojas de esta planta no solo absorben la luz, sino que también aceptan vapor, como dióxido de carbono, necesario para la fotosíntesis, a través de los estomas. Esta planta empuja sus hojas hacia la superficie porque el vapor no puede ingresar en las hojas si están bajo el agua. Las hojas de esta planta pueden crecer hasta 30 ㎝ por día, y una vez que se extienden completamente, su diámetro alcanza más de 2 m. Así como un globo encogido se agranda al llenarse de agua, las hojas se extienden a medida que las células de cada hoja absorben agua y se hinchan. Las hojas del nenúfar Victoria que parecen almohadillas grandes flotando en el agua, tienen suficiente flotabilidad como para sostener a una persona de 45 ㎏.

El secreto se puede encontrar en la parte posterior de las hojas. Si volteamos un nenúfar Victoria, veremos las venas que se extienden como radios de una rueda desde un pequeño punto en el centro que tiene unos pocos centímetros de ancho. Además, tienen venas que parecen tablas delgadas en forma de círculo concéntrico, que atrapan el aire y crean flotabilidad. Las venas gruesas tienen una estructura interna similar a la de una esponja, lo cual les permite flotar fácilmente como un tubo de goma.

Así como las plantas que viven en el agua elevan las hojas hasta la superficie para la fotosíntesis, los árboles que viven en el suelo crecen hacia la luz. Las secoyas, los árboles más altos del mundo, crecen a una velocidad asombrosa de 1,8 m por año, y el más alto tiene 115,3 m de largo.

La fotosíntesis requiere agua y luz. El agua siempre fluye cuesta abajo. Pero las plantas crecen en dirección opuesta. ¿Cómo pueden estos árboles gigantes, que nos hacen ver como personas pequeñas, impulsar el agua hasta la cima de árboles tan altos?

El pelo radical de la raíz de las plantas son membranas semipermeables que solo permiten el paso de solventes como el agua, sin dejar pasar solutos grandes. Por lo tanto, el agua se mueve a las raíces que tienen una concentración relativamente mayor que la del suelo, y a esto se le conoce como ósmosis. Esta es la razón por la cual, al sazonar repollo para hacer kimchi, sale agua del interior de las coles que tienen menos concentración.

La acción capilar ocurre para impulsar agua hacia arriba desde las raíces. Si insertamos un tubo de vidrio delgado en un recipiente con agua, podemos ver que el agua sube más en el tubo de vidrio. Las plantas también tienen tubos de agua que comienzan desde las raíces y pasan a través de los tallos hasta las hojas. Son demasiado delgados para ser vistos, y así es como tienen la fuerza para impulsar agua como tubos de vidrio.

Mientras que las raíces y los tallos empujan el agua hacia arriba, las hojas levantan el agua. Las moléculas de agua, que consisten de oxígeno cargado negativamente e hidrógeno cargado positivamente, actúan como una cadena, atrayéndose como un imán. Por lo tanto, cuando el agua se evapora a través de los estomas de las hojas, las moléculas de agua conectadas al fondo se levantan. El poder de las raíces, los tallos y las hojas está en el trabajo complejo de extraer agua fácilmente a las partes altas de las plantas.

La humanidad ha pasado mucho tiempo tratando de aprovechar la enorme cantidad de energía solar que se vierte de forma gratuita. Las células fotoeléctricas, que se desarrollaron originalmente para usarse en el espacio, se han comercializado y podemos verlas en los techos de algunas casas. La energía solar se considera como una alternativa de energía limpia a los combustibles fósiles en muchos países y sus industrias relacionadas están creciendo.

La célula fotoeléctrica producida por la humanidad, tiene una historia bastante larga de 130 años, pero aún tiene la desventaja de que ocupa mucho espacio y su eficacia es solo de 8 a 15 %. Para compensar las deficiencias, los científicos volvieron sus ojos a las plantas. La eficiencia de los cloroplastos para convertir la energía de la luz en energía eléctrica es mayor al 95 %. A través de la fotosíntesis, las plantas pueden producir electricidad para el hogar durante un día con solo dos botellas de 1,5 litros de agua y suficiente luz solar. Los científicos están desarrollando células fotoeléctricas más eficientes imitando el sistema de la fotosíntesis de las plantas.

Las plantas no se mueven ni siquiera un paso, pero obtienen suficiente energía con una estrategia alta llamada fotosíntesis. Todos los seres vivos de la Tierra obtienen energía de la luz del Sol que llega a la Tierra, a través de las plantas que contienen misterios verdes. En las hojas verdes que brillan en la luz solar, podemos sentir la tranquila pero dinámica respiración de vida. Incluso a partir de una hoja fresca, podemos ver la gran providencia de la vida.

Referencias

Lee Heung-wu, La historia de la fotosíntesis contada por Engelmann (en coreano, 엥겔만이 들려주는 광합성 이야기), Jaeumgwa Moeum, 2010

Hong Jun-eui y otros tres, Libro de la Ciencia Viva I (en coreano, 살아 있는 과학 교과서 1), Humanist, 2011

Equipo Editorial Newton, Plantas maravillosas, el mundo desconocido de las plantas (en coreano, 경이로운 식물들-알려지지 않은 식물의 세계), octubre de 2013

Lee Seong-gyu, Los hijos del Sol prestan atención a las hojas artificiales (en coreano, 인공 잎’에 주목하는 태양의 아이들), Science Times, 24 de enero de 2014