Las plantas terrestres absorben cada año unos 20.000 millones de toneladas de dióxido de carbono de la atmósfera en forma de dióxido de carbono, es decir, una media de 1.300 kg por hectárea; toda la comunidad vegetal, incluidas las algas, absorbe unos 150.000 millones de toneladas. Las plantas terrestres convierten anualmente 4.217 kJ de energía solar cósmica en productos asimilables.

Sin embargo, la radiación fotosintéticamente activa (RFA), es decir, la luz solar con una longitud de onda entre 380 y 720 nm, se utiliza para crear materia orgánica a un ritmo del 47-49% de la radiación solar integrada. En los cultivos, las tasas de utilización de la RFA no superan el 0,5-3%. Se considera que la máxima eficiencia fotosintética posible es del 28%. La acumulación más intensa de biomasa -hasta 700 kg/ha por día- se produce en buenas condiciones de luz, temperatura y suministro de agua, y con un alto nivel de suministro de nutrientes, y constituye hasta el 14% del aporte total de RFA por día.

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

La actividad fotosintética depende de la especie de la planta, de la edad de las hojas individuales y de toda la planta, de la intensidad y la longitud de onda de la luz y del nivel de nutrición de nitrógeno.

Sólo el 2-4% de la energía solar que llega a la superficie de las plantas con vegetación se utiliza para la síntesis de la materia orgánica. El resto se utiliza para la transpiración y la reflexión. La planta evapora el agua para la refrigeración. El proceso de evaporación en sí implica un gran gasto de energía. Más del 25% de la energía solar es gastada por las hojas para evaporarse, y en las regiones del sur hasta el 70-95%, lo que supone unas 10-45 veces más de lo que se almacena en la cosecha.

Una de las tareas de la ciencia moderna es encontrar formas de aumentar la tasa de utilización de la energía solar.

«Si las consecuencias de la agricultura depredadora, que retira involuntariamente los nutrientes del suelo, pueden rectificarse de una u otra manera, abonando la tierra, sólo el despilfarro y la ineptitud de la principal fuente de riqueza nacional, la luz solar, es definitivamente irreparable».

K.A. Timiryazev

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

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 674 kcal.

La energía liberada durante la respiración se utiliza para:

• síntesis de otros compuestos orgánicos;
• las raíces absorben las sales y el agua del suelo y las desplazan por la planta;
• las raíces trabajan en el suelo mientras crecen.

La energía respiratoria también se utiliza para vencer la resistencia de los brotes al suelo durante la germinación.

La energía liberada en el proceso de oxidación respiratoria de las sustancias se convierte en una forma específica de almacenamiento de energía: los enlaces de fosfato macroérgicos del ácido adenosín trifosfórico (ATP).

Los compuestos macroérgicos pueden dividirse en dos grupos:

1. 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;
2. Ácido trifosfórico de adenosina (ATP), ácido difosfórico de adenosina (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 metabólicas, la energía se utiliza en procesos conjugados de liberación y utilización de energía, y la transferencia de energía de una reacción a otra sólo puede producirse cuando dos reacciones van en serie y tienen productos intermedios comunes. Por lo tanto, la formación de sacarosa puede proceder conjuntamente con la hidrólisis del ATP:

ATP + glucosa → glucofosfato + ADP (ΔF = -7000);

glucosa-fosfato + fructosa → sacarosa + H3PO4.

Total:

ATP + glucosa + fructosa → sacarosa + ADP + H3PO4 (ΔF = -7000).

Los procesos de formación del almidón a partir de la glucosa y de las proteínas a partir de los aminoácidos proceden de forma similar.

Durante los años secos y calurosos con vientos secos, la fotosíntesis en las plantas sólo es posible en las primeras horas de la mañana y de la noche. El resto del tiempo, las sustancias plásticas y la energía se pierden para resistir y defender las condiciones ambientales adversas (déficit de humedad y aumento de la temperatura). El equilibrio entre la formación y el gasto de los compuestos de fósforo macroscópicos se altera, el potencial energético disminuye y el potencial oxidativo de la célula aumenta, lo que conduce a la destrucción oxidativa de los hidratos de carbono y las proteínas, lo que provoca la acumulación de amoníaco en los tejidos vegetales y su envenenamiento.

Se ha observado un efecto positivo del fósforo y el potasio en el contenido de agua de los coloides del protoplasma, lo que conduce a una reducción del consumo de humedad para la transpiración. Los tejidos vegetales a los que se les suministra fósforo tienen una gran capacidad de retención de agua. Dichas plantas tienen un intercambio de agua más estable debido a un mayor contenido de agua ligada osmótica y coloidalmente y a una mayor hidratación de los componentes del protoplasma. El efecto del fósforo es particularmente pronunciado en condiciones de suministro insuficiente de agua en los primeros períodos de desarrollo de la planta.

En el estado actual de la ciencia agrícola, las posibilidades de regular los procesos fotosintéticos son limitadas. La superficie asimilable de las hojas en los cultivos puede variar de 5-6 a 40-50 mil m2 por 1 ha. Los cultivos raleados absorben sólo el 20-25% de la RFA que cae sobre ellos y utilizan para la fotosíntesis sólo el 1-2% de la absorbida. Con una densidad suficiente de cultivos durante el periodo de vegetación las plantas pueden absorber el 50-60% de la RFA incidente y acumular en la materia orgánica del cultivo hasta el 2-3% de la energía absorbida. En teoría, esto puede aumentar hasta un 20-25%. Si el coeficiente de utilización de la energía absorbida para la fotosíntesis se incrementa hasta el 6-8%, se reducirá el consumo de agua para crear 1 tonelada de materia seca de 400-500 a 75-100 toneladas.