La eficiencia energética de la fotosíntesis
Energía absorbida y energía almacenada
La eficiencia energética de la fotosíntesis es la relación entre la energía de la luz absorbida y la energía almacenada. La energía química almacenada es la diferencia entre la contenida en oxígeno gaseoso y de los productos de compuestos orgánicos, agua, dióxido de carbono y otros reactivos.
La cantidad de energía almacenada sólo puede estimarse, ya que muchos productos se forman y varían según las especies de plantas y las condiciones ambientales. Se puede utilizar la ecuación de la formación de glucosa para aproximar el proceso de almacenamiento real; la producción de un mol (es decir, 6,02 × 1023 moléculas) de oxígeno, resulta en una sexta parte de almacenamiento de glucosa, alrededor de unas 117 kilocalorías de energía química. Esta cantidad debe compararse con la energía de luz absorbida necesaria para producir un mol de oxígeno, con el fin de calcular la eficiencia de la fotosíntesis.
La energía de la luz y las longitudes de onda
La luz puede ser descrita como una ola de partículas conocidas como fotones; éstas son unidades de energía o cuantos de luz. La cantidad (N) de radiación de fotones se llama un «Einstein». La energía de la luz varía inversamente con la longitud de las ondas de fotones; es decir, a más corta longitud de onda, mayor es el contenido de energía.
La energía (e) de un fotón está dada por la ecuación E = hc / λ, donde c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck (nombre del descubridor de esta constante), y λ es la longitud de onda de la luz.
La energía (E) de un einstein es E = Ne = Nhc / λ = 28.600 / λ, dando E en kilocalorías y λ en nanómetros (nm; 1 nm = 10-9 metros). Un Einstein de la luz roja con una longitud de onda de 680 nm tiene una energía de alrededor de 42 kcal. La luz azul tiene una longitud de onda más corta y por lo tanto más energía que la luz roja.
En la gráfica pueden observarse los puntos de mayor energía de la luz según su espectro; la luz azul y la roja son los que poseen mayor energía. Los puntos de máxima tasa fotosintética y de absorción se corresponden con esas dos zonas del espectro.
Independientemente de si la luz es de color azul o roja se requiere, no obstante, el mismo número de einsteins para la fotosíntesis por mol de oxígeno formado. La parte del espectro solar utilizado por las plantas tiene una longitud de onda media estimada de 570 nanómetros. Por lo tanto, la energía de la luz que se utiliza durante la fotosíntesis es de aproximadamente 28.600/570, o 50 kilocalorías por einstein.
Con el fin de calcular la cantidad de energía de la luz involucrados en la fotosíntesis, se necesita otro valor: el número de einsteins absorbidos por mol de oxígeno. Esto se llama «requisito cuántico», y el mínimo requerido para la fotosíntesis en condiciones óptimas es de aproximadamente 9. Por lo tanto la energía utilizada es de 9×50 ó 450 kilocalorías por mol de oxígeno. Así pues, el porcentaje de rendimiento energético máximo estimado de la fotosíntesis, es la energía almacenada por mol de oxígeno (recordemos que se estiman unas 117 kilocalorías por mol), divididos entre 450; es decir, 117/450, resultando en un 26%.
Las ficobilinas y los carotenoides
Las plantas responden al proceso fotosintético en diferentes grados de absorción dependiendo de la longitud de onda de la luz incidente y de sus tipos de pigmentos. Así, determinados pigmentos del grupo de las ficobilinas, como la ficocianina y la ficoeritrina, actúan como sustancias que absorben la luz ampliando la gama fotosintética de las plantas que poseen estos pigmentos, como las algas rojas (rodofíceas) en el caso de las ficoeritrinas, o las algas azul-verde (cianofíceas) en el caso de las ficocianinas.
En las rodofíceas, la ficoeritrina absorbe los espectros de luz verde, verde-azul y amarillo. Por su parte, en las cianofíceas, la ficocianina absorbe la luz anaranjada y la roja, especialmente la próxima a los 620 nm, y emite fluorescencia próximo a 650 nm, salvando las diferencias que haya entre las diferentes especies.
Aunque las clorofilas son los pigmentos principales de las plantas terrestres, existen otros pigmentos capaces de absorber la radiación de luz que se encuentra en el espectro del azul y verde, a la vez que reflejan las longitudes de onda del rojo, naranja y amarillo. Estos pigmentos son los llamados carotenoides, propios por ejemplo de hortalizas como la zanahoria.
En la gráfica se pueden observar los diferentes grados de absorción según el tipo de pigmento y longitud de onda en el espectro
Los carotenoides no sólo tienen las propiedades citadas, sino que cumplen además unas importantes funciones de equilibrio fotosintético de las plantas verdes, por ejemplo, actúan como disipadores de calor cuando la clorofila sufre un exceso de excitación energética durante la fotosíntesis; si no pudieran realizar esa absorción de energía excedente, podría transferirse al oxígeno y culminar con la destrucción de las células de la planta.
Relación entre energía real y eficiencia fotosintética máxima
El porcentaje real de la energía solar almacenada por las plantas es mucho menor que la máxima eficiencia energética de la fotosíntesis. Un cultivo agrícola en el que la biomasa (peso seco total) almacenase hasta el 1% de la energía solar total recibida es algo excepcional, aunque se han informado de casos de rendimientos más altos, hasta el 3,5%, en el caso de la caña de azúcar.
Hay varias razones para esta diferencia entre la máxima eficiencia de la fotosíntesis y la energía real almacenada en la biomasa. En primer lugar, más de la mitad de la luz solar incidente se compone de longitudes de onda demasiado largas para ser absorbidas, mientras que algunas restantes son reflejadas o se pierden en las hojas. En consecuencia, en el mejor de los casos las plantas pueden absorber sólo alrededor del 34% de la luz solar incidente.
En segundo lugar, las plantas deben llevar a cabo una variedad de procesos fisiológicos en los tejidos y las raíces de carácter no fotosintético. Estos procesos, así como la respiración celular en todas las partes de la planta, consumen energía de la que ya tienen almacenada.
En tercer lugar, las tasas de fotosíntesis con luz solar fuerte superan a veces las necesidades de las plantas, lo que resulta en la formación de excesos de azúcares y almidón. Cuando esto sucede, los mecanismos de regulación de la planta ralentizan el proceso de la fotosíntesis, lo que implica una mayor cantidad luz solar que no es usada.
En cuarto lugar, en muchas plantas, la energía se desperdicia por el proceso de la fotorrespiración.
Por último, la etapa de crecimiento puede durar sólo unos pocos meses del año, y no utilizarse la luz solar recibida durante otros periodos. Además, cabe indicar que si sólo son considerados los productos agrícolas (por ejemplo, semillas, frutas, tubérculos…) en lugar de la biomasa total, para la medida del producto final en el proceso de conversión de energía fotosintética, entonces la eficiencia cae aún más.
