Nutrición aérea de las plantas (fotosíntesis)

Nutrición aérea de las plantas, o fotosíntesis, es el proceso de formación de sustancias orgánicas sin nitrógeno (carbohidratos) por las plantas a partir del dióxido de carbono atmosférico y agua bajo la acción de la luz solar:

Las plantas que crecen en tierra firme absorben anualmente de la atmósfera aproximadamente 20 mil millones de t de carbono en forma de dióxido de carbono, o en promedio 1300 kg por 1 ha; el conjunto total de plantas, incluidas las algas marinas, alrededor de 150 mil millones de t. Las plantas terrestres transforman 4217 kJ de energía solar cósmica en productos de asimilación cada año.

Sin embargo, los coeficientes de utilización de la radiación fotosintéticamente activa (RFA), es decir, de la luz solar con una longitud de onda de 380 a 720 nm, para la creación de materia orgánica constituyen el 47–49% de la radiación solar integral. En los cultivos, los coeficientes de utilización de RFA no superan el 0,5–3%. La eficiencia máxima posible para la fotosíntesis se considera del 28% de RFA. La acumulación de biomasa más intensa —hasta 700 kg/ha por día— ocurre en buenas condiciones de iluminación, temperatura y suministro de agua, y con un alto nivel de disponibilidad de nutrientes, y constituye hasta el 14% del aporte total de RFA por día.

Los carbohidratos simples formados durante la fotosíntesis sirven como material de partida para la síntesis de carbohidratos complejos: sacarosa C₁₂H₂₂O₁₁, almidón (C₆H₁₀O₅)_n, celulosa (C₆H₁₀O₅)_n.

La actividad fotosintética depende de las características específicas de la planta, la edad de las hojas individuales y de toda la planta, la intensidad y la longitud de onda de la luz, y el nivel de nutrición nitrogenada.

Solo el 2–4% de la energía solar que incide sobre la superficie de las plantas en vegetación se utiliza para la síntesis de sustancias orgánicas. El resto se gasta en transpiración y reflexión. La planta evapora agua para enfriarse. El proceso mismo de evaporación conlleva un gran gasto de energía. En la evaporación por las hojas se gasta más del 25% de la energía solar; en las regiones del sur, hasta el 70–95%, lo que es aproximadamente 10–45 veces más de lo que se almacena en la cosecha.

Una de las tareas de la ciencia moderna es buscar formas de aumentar el coeficiente de utilización de la energía solar.

Si las consecuencias de una economía depredadora, que elimina involuntariamente los nutrientes del suelo, son aún corregibles de una u otra manera mediante el abono de la tierra, entonces solo es definitivamente irreparable el uso despilfarrador e inepto de la principal fuente de riqueza del pueblo: la luz solar.

K. A. Timiriázev

Para la formación de sustancias orgánicas complejas a partir de los productos primarios de la fotosíntesis, se gasta energía generada en la planta como resultado de los procesos respiratorios, es decir, la oxidación de carbohidratos por oxígeno. Este proceso es opuesto a la fotosíntesis:

La energía liberada durante la respiración se utiliza para:

• la síntesis de otros compuestos orgánicos;
• la absorción por las raíces de sales y agua del suelo y su desplazamiento por las partes de la planta;
• la realización por las raíces de trabajo en el suelo durante su crecimiento.

La energía de la respiración también se utiliza para que los brotes superen la resistencia del suelo durante la germinación.

La energía liberada en el proceso de oxidación respiratoria de las sustancias pasa a una forma específica de acumulación de energía: los enlaces fosfato macroérgicos del ácido adenosintrifosfórico (ATP).

Los compuestos macroérgicos se pueden dividir en dos grupos:

• glicerofosfato, ácido 3-fosfoglicérico, glucosa-6-fosfato, fructosa-6-fosfato. Los compuestos de este grupo acumulan de 0,8 a 3,0 kcal por 1 mol de sustancia;
• ácido adenosintrifosfórico (ATP), ácido adenosindifosfórico (ADP), ácido 1,3-difosfoglicérico, ácido fosfoenolpirúvico. Los compuestos de este grupo acumulan de 6 a 16 kcal por 1 mol.

En todas las reacciones del metabolismo, la energía se utiliza en procesos acoplados de liberación y utilización de energía, y la transferencia de energía de una reacción a otra solo puede ocurrir cuando dos reacciones transcurren secuencialmente y tienen productos intermedios comunes. Así, la formación de sacarosa puede transcurrir acoplada a la hidrólisis de ATP:

Total:

De manera similar transcurren los procesos de formación de almidón a partir de glucosa y de proteínas a partir de aminoácidos.

En los años secos y calurosos con vientos secos, la fotosíntesis en las plantas solo es posible en las primeras horas de la mañana y en la tarde. El resto del tiempo se produce una pérdida de sustancias plásticas y de energía para la resistencia y las reacciones defensivas frente a condiciones ambientales desfavorables (déficit de humedad y temperatura elevada). Al mismo tiempo, se altera el equilibrio entre la formación y el consumo de compuestos fosforados macroérgicos, disminuye el potencial energético y aumenta el potencial oxidativo en la célula, lo que conduce a la destrucción oxidativa de carbohidratos y proteínas; por ello, en los tejidos del organismo vegetal se acumula amoníaco y se produce su intoxicación.

Se observó un efecto positivo del fósforo y el potasio sobre el contenido de agua de los coloides del protoplasma, lo que conduce a una disminución del gasto de humedad en la transpiración. Los tejidos vegetales provistos de fósforo se caracterizan por una gran capacidad de retención de agua. Tales plantas tienen un intercambio hídrico más estable, debido al aumento del contenido de agua osmótica y coloidalmente ligada y a una mayor hidratación de los componentes del protoplasma. El efecto del fósforo se manifiesta especialmente en condiciones de suministro insuficiente de agua en los primeros períodos de desarrollo de las plantas.

En la etapa actual de desarrollo de la ciencia agrícola, las posibilidades de regular los procesos de fotosíntesis son limitadas. La superficie de asimilación de las hojas en los cultivos puede variar de 5–6 a 40–50 mil m² por 1 ha. Los cultivos ralos absorben solo el 20–25% de la RFA incidente y utilizan para la fotosíntesis solo el 1–2% de la absorbida. Con una densidad suficiente de cultivo durante el período de vegetación, las plantas pueden absorber el 50–60% de la RFA incidente y acumular en las sustancias orgánicas de la cosecha hasta el 2–3% de la energía absorbida. Teóricamente, este indicador puede elevarse hasta el 20–25%. Si el coeficiente de utilización de la energía absorbida para la fotosíntesis se eleva al 6–8%, esto conducirá a una reducción del consumo de agua para crear 1 t de materia seca de 400–500 a 75–100 t.