Las plantas realizan un tipo de fotosíntesis llamada fotosíntesis oxigénica. Este tipo de fotosíntesis utiliza agua (H2O) como donante primario de electrones y produce oxígeno molecular (O2) como subproducto.
2H2O ⟶ 4e− + 4H+ + O2
Esta reacción ocurre por foto-oxidación, la radiación solar es la que aporta la energía necesaria para que ocurra.
Los electrones liberados por el agua son entonces utilizados para reducir dióxido de carbono (CO2) y sintetizar glucosa y otras moléculas orgánicas.
Las plantas, por tanto, necesitan un aporte constante de agua y dióxido de carbono para construir materia orgánica. El agua la toman del suelo a través de la raíces y el CO2 lo toma del aire a través de las hojas.
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Generalidades del intercambio de gases en las plantas
Como se ha descrito, las plantas necesitan absorber dióxido de carbono del aire y producen oxígeno como subproducto de su metabolismo fotosintético. Absorben CO2 y expulsan O2, proceso que se suele denominar intercambio de gases.
El intercambio de gases en animales se denomina hematosis, pues se da entre el aire y la sangre, y se realizan en órganos y tejidos especializados. En el ser humano, por ejemplo, se realiza en los alvéolos pulmonares.
A diferencia de los animales y salvo algunas notables excepciones, las plantas no tienen órganos especializados en el intercambio de gases. De forma general, estas son las características del intercambio gaseoso en las plantas:
- Los gases se intercambian mediante difusión a través de la membrana y pared celular.
- Cada parte de la planta (hojas, tallos, raíces) se ocupa de sus propias necesidades de intercambio gaseoso. El sistema de transporte de fluidos (xilema y floema) no participa en el transporte de gases.
- La tasa de respiración en las plantas es mucho menor que en los animales. El mayor volumen de gases se produce durante la fotosíntesis.
- Como cada parte de la planta se ocupa del intercambio de gases que necesita, la distancia por la que tienen que difundir los gases es muy pequeña. Incluso en los tallos, las células vivas están cerca de la superficie, mientras que en el interior se disponen células muertas más o menos lignificadas que proveen de soporte mecánico.
- La mayoría de células de una planta tiene alguna parte expuesta al aire. El empaquetamiento de las células del parénquima vegetal es relativamente laxo, lo que crea un sistema de espacios con aire interconectados en raíces, tallos y hojas.
- El oxígeno y dióxido de carbono puede pasar a través de la membrana y de la pared celular por difusión. En el caso del dióxido de carbono, la difusión puede ser ayudada por canales de acuaporinas.
Intercambio de gases en las hojas
El intercambio de oxígeno y dióxido de carbono en las hojas ocurre principalmente a través de unos poros denominados estomas que se sitúan en la epidermis foliar. A través de estos poros también se produce la transpiración de vapor de agua.
Por lo general, los estomas se encuentran cerrados durante de la noche y se abren de día.
Cada estoma se forma por el espacio (poro estomático) que dejan entre ellas dos células especializadas llamadas células oclusivas o células de guarda. La pared de estas células es gruesa y elástica, dejando que los poros estomáticos se abran cuando están turgentes (llenas de agua) y que se cierren cuando se relajan.
El turgor en la pared celular de las células de guarda es, por tanto, lo que controla la amplitud de apertura y cierre de los estomas.
La fotosíntesis dependen de la difusión y absorción de CO2 a través de los estomas, y el oxígeno producido como subproducto también es expulsado por los estomas. Pero cuando los estomas están abiertos también se pierde agua por transpiración. Por tanto, las plantas tienen que regular la apertura de los estomas para absorber el CO2 que necesitan pero sin perder demasiada agua.
Cuando el agua está disponible en abundancia, los estomas suelen estar mayoritariamente abiertos, aunque el principal factor regulador de los estomas es la luz.
Las células oclusivas estomáticas cuentan con diversas fotoporinas, unas proteína quinasas que se activan con la luz (fotoactivadas). Al activarse, la célula capta iones potasio (K+) y aumenta la presión osmótica en el interior celular, lo que hace que la célula absorba agua y los estomas se abran.
Raíces y tallos
Los tallos y las raíces maduros están cubiertos por capas de tejido lignificado muerto impregnadas de sustancias aislantes para gases y agua, principalmente suberina. Pero estos tejidos suberizados cuenta también con poros, denominados lenticelas, que se utilizan para el intercambio de gases en estas partes de la planta.
El efecto fertilizante del CO2
Las plantas fijan dióxido de carbono, una sustancia inorgánica, en moléculas de glucosa, una sustancia orgánica. En este sentido, el CO2 se puede ver como un nutriente esencial para las plantas.
Aunque la fotosíntesis es proceso muy complejo que depende de numerosos factores, existen diversas evidencias y estudios que sugieren que a mayor concentración de CO2 en el aire, mayor tasa fotosintética.
Este aumento ocurre hasta un límite, cuando la maquinaria y capacidad de los cloroplastos queda saturada.
La mayor absorción de CO2 por las plantas cuando aumenta su concentración parece una buena noticia para que la propia naturaleza retire el exceso de CO2 que la actividad humana ha generado, pero hay que tener en cuenta que alrededor del 50% del CO2 absorbido por la planta es devuelto posteriormente a la atmósfera durante la respiración, y del 50% restante, hasta el 90% es devuelto también a la atmósfera por la acción de los organismos saprofitos y descomponedores.
No obstante, lo modelos climáticos más recientes muestran que la absorción de dióxido de carbono por las plantas es mayor de lo que se pensaba.