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Fotosíntesi i vida vegetal

En aquest article parlarem de la fotosíntesi i de les primeres formes de vida vegetal. En la sistemàtica actual , el nom de planta s’ajusta a plantes principalment del medi terrestre, en canvi, el terme vegetal és més antic i de connotació aristotèlica que fa referència a organismes amb funcions fotosintètiques. Però, com en tot, hi ha excepcions. 

La paraula planta va sorgir fa moltíssim temps. Però, prèviament, Aristòtil va ser qui va diferenciar els éssers vius en tres grans grups:

  • Vegetals (ànima vegetativa): realitzen la nutrició i reproducció.
  • Animals (ànima sensitiva): nutrició, reproducció, percepció, moviment i desig.
  • Ésser humà: afegeix a la llista anterior la capacitat de raonament.
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Aristòtil (Domini públic)

Aquesta manera simplista de percebre el món ha perdurat durant molt de temps, tot i que ha anat variant amb els estudis de diferents autors com Linné o Whittaker, entre d’altres.

Una classificació molt actual és la proposada en 2012, The Revised Classification of Eukaryotes. J. Eukariot. Microbiol. 59 (5): 429-493; i ens revela un veritable àrbre de la vida.

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Sina ;. Adl, et al. (2012) The revised classification of Eukaryotes.  J Eukaryot Microbiol.; 59 (5): 429-493

¿QUÈ ÉS LA FOTOSÍNTESI? ¿ÉS UN PROCÉS ÚNIC?

La fotosíntesi és un procés metabòlic que permet utilitzar l’energia lumínica per transformar compostos simples i inorgànics en complexos orgànics. Per això és necessari un conjunt de pigments fotosintètics  que captin els raigs de llum i que mitjançant una sèrie de reaccions químiques puguin realitzar processos interns que donin lloc a compostos orgànics.

Aquesta opció nutritiva ha sigut desenvolupada per molts organismes en múltiples grups i branques de l’arbre de la vida dels eucariotes I entre ells trobem als Archaeplastida, el llinatge d’organismes que ha donat peu a les plantes terrestres.

Les plantes terrestres (Embryophyta) es poden definir fàcilment, però i les algues? En general, es diu que són organismes eucariotes que viuen principalment en medi aquàtic i que tenen organització relativament simple (colònies simples o amb òrgans senzills), però això no és sempre cert. Per aquest motiu, tot els grups d’Archeaplastida que queden fora del concepte de planta terrestre (petit grup dins dels Archaeplastida) es denominen “algues“.

També hi ha procariotes fotosintètics dins del domini Eubacteria, i es en aquests on la fotosíntesi presenta una gran variabilitat. En canvi, en els eucariotes és única: la fotosíntesi oxigénica.

El domini eubacteria és molt ampli, i en les seves ramificacions hi ha fins a 5 grans grups d’organismes fotosintètics: Chloroflexi, Firmicutes, Chlorobi, Proteobacteria i Cianobacteris. Aquests últims són els únics eubactèris que realitzen una fotosíntesi oxigénica; amb alliberació d’oxigen de les molècules d’aigua i utilitzant com a donar d’electrons l’hidrogen de l’aigua. La resta duu a terme la fotosíntesi anoxigénica on el donador d’electrons és el sofre o sulfur d’hidrogen, però mai alliberen O2 i molt rarament intervé l’aigua en el procés; és per això que es coneixen com les bactèries vermelles o porpres del sofre.

La fotosíntesi és, probablement més antiga que la vida mateixa. La oxigénica que està circumscrita a aquest grup de bactèries és probablement posterior, però va resultar imprescindible per al desenvolupament de la vida en el nostre planta, ja que va transformar l’atmosfera en una molt més oxigenada i gràcies a això la vida a la Terra ha pogut evolucionar.

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Amazones, el pulmó de la Terra (Autor: Christian Cruzado; Flickr)

¿QUINS PIGMENTS S’UTILITZEN?

Els cianobacteris comparteixen pigments amb les plantes terrestres i la resta d’eucariotes fotosintètics. Aquests pigments són principalment clorofil·les a i b (les universals), essent la c i d només presents en alguns grups. A més hi ha dos pigments que també són universals: els carotens, que actuen com antenes que transfereixen l’energia a les clorofil·les i protegeixen el centre de reacció contra l’autooxidació, i les ficobiliproteínes (ficocianina, ficoeritrina, etc.), que apareixen tant en cianobacteris com en altres grups fotosintètics i s’encarreguen de capturar l’energia lumínica.

Però, perquè hi ha aquesta variabilitat de pigments accessoris? perquè cada pigment té un espectre d’absorció diferent, i al presentar diferents molècules es pot recollir molt millor l’espectre de la llum solar, és a dir, la captació d’energia és molt més eficient.

La resta de bacteris fotosintètics anoxigènics no tenen clorofil·les, i, en el seu lloc, tenen molècules especifiques de procariotes, les bacterioclorofil·les.

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Espectre d’absorció de diferents pigments (Font: York University)

¿On es situen els pigments?

En organismes amb fotosíntesi oxigénica, els cianobacteris i els eucariotes fotosintètics, els pigments es troben en estructures complexes. En els cianobacteris, en el citoplasma perifèric hi ha una sèrie de sacs aplanats concèntrics denominats tilacoides, els quals només estan rodejats per una membrana. Al lumen tilacoïdal és on es localitzen els pigments. En els eucariotes, en canvi, trobem els cloroplasts: orgànuls intracel·lulars propis dels eucariotes fotosintètics on es realitza la fotosíntesi, que tenen com a mínim dues membranes, encara que poden ser més, i que presenten diversos tilacoides disposats de diferents maneres segons els organismes. Tots dos grups, per tant, realitzen la fotosíntesi oxigénica i tenen tilacoides; la diferencia és que en els eucariotes, els tilacoides es troben a l’interior dels cloroplasts.

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Cél·lules vegetals en les que són visibles els cloroplasts (Autor: Kristian Peters – Fabelfroh)

En canvi, en organismes amb fotosíntesi anoxigénica hi ha diverses opcions.Les bactèries porpres contenen pigments en cromatòfors, una espècie de vesícules al centre o la perifèria de la cèl·lula. Per una altra banda, en les bactèries verdes (Chlorobi y Chloroflexi) es troben vesícules aplanades a la perifèria de la cèl·lula sobre la membrana plasmàtica on estan les bacterioclorofil·les. En Heliobacterium, el pigment està adossat a la cara interna de la membrana plasmàtica. Generalment no són estructures complexes, i acostumen a presentar membranes simples.

ORIGEN DELS ORGANISMES FOTOSINTÉTICS

L’evidència fòssil dels primers organismes fotosintètics són els estromatòlits (3,2 Ga).Són unes estructures formades per capes fines superposades d’organismes juntament amb els seus depòsits de carbonat càlcic. Aquestes formacions apareixen en zones someres, de mars càlids i ben irradiats. Encara que moltes tenen forma de columna, s’observen desviacions, ja que s’orienten cara al Sol. En el seu moment, van tenir una importància capital en la construcció de formacions d’esculls i, també, en els canvis de composició de l’atmosfera. Actualment hi ha alguns que encara segueixen vius.

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Estromatòlits (Autor:Alessandro, Flickr)

REFERÉNCIES

  • Apunts obtinguts en diverses assignatures durant la realització del Grau de Biologia Ambiental (Universitat Autònoma de Barcelona) y el Màster de Biodiversitat (Universitat de Barcelona).
  • Font Quer, P. (1953): Diccionario de Botánica. Editorial Labor, Barcelona.
  • Izco, J., Barreno, E., Brugués, M., Costa, M., Devesa, J. A., Fernández, F., Gallardo, T., Llimona, X., Parada, C., Talavera, S. & Valdés, B. (2004) Botánica 2.ªEdición. McGraw-Hill, pp. 906.
  • Willis, K.J. & McElwain, J.C. (2014) The Evolution of Plants (second edition). Oxford University Press, 424 pp.

Difusió-català

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Fotosíntesis y vida vegetal

En este artículo hablaremos de la fotosíntesis y de las primeras formas de vida vegetal. En la sistemática actual, el término de planta se ajusta a plantas fundamentalmente del medio terrestre, mientras que el término vegetal es un término antiguo de connotación aristotélica que alude a organismos con funciones fotosintéticas. Pero, como en todo, hay excepciones.

El término planta se acuñó hace muchísimos años. Pero, previamente, fue Aristóteles quién diferenció a los seres vivos en tres grandes grupos:

  • Vegetales (alma vegetativa): realizan la nutrición y reproducción.
  • Animales (alma sensitiva): nutrición, reproducción, percepción, movimiento y deseo.
  • Ser humano: añade a la lista anterior la capacidad de razonar.
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Aristóteles (Dominio público)

Esta manera simplista de percibir el mundo vivo ha perdurado durante mucho tiempo, y ha ido variando con los estudios de diferentes autores como Linneo o Whittaker, entre otros.

Una clasificación muy actual es la propuesta en 2012, The Revised Classification of Eukaryotes. J. Eukariot. Microbiol. 59 (5): 429-493; nos revela un verdadero árbol de la vida.

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Sina ;. Adl, et al. (2012) The revised classification of Eukaryotes.  J Eukaryot Microbiol.; 59 (5): 429-493

¿QUÉ ES LA FOTOSÍNTESIS? ¿ES UN PROCESO ÚNICO?

La fotosíntesis es un proceso metabólico que permite usar la energía lumínica para transformar compuestos simples e inorgánicos en complejos orgánicos. Para hacer esto necesitan una serie de pigmentos fotosintéticos que capten estos rayos de luz y que mediante una serie de reacciones químicas permitan realizar procesos internos que den lugar a los compuestos orgánicos.

Esta opción nutritiva ha  sido desarrollada por muchos organismos en múltiples grupos y ramas del árbol de la vida de los eucariotas. Y entre ellos encontramos a los Archaeplastida, el linaje de organismos que ha dado pie a las plantas terrestres.

Las plantas terrestres (Embryophyta) son fácilmente definibles, pero ¿y las algas? Por lo general, se dice que son organismos eucariotas que viven fundamentalmente en el medio acuático y que tienen una organización relativamente simple (coloniales simples o con órganos muy simples), pero esto no es siempre verdad. Por este motivo, todos los grupos de Archaeplastida que quedan fuera del concepto de plantas terrestres (un pequeño grupo dentro de Archaeplastida) son denominados “algas”.

También hay procariotas fotosintéticos del dominio Eubacteria, y es en estos donde la fotosíntesis presenta una gran variabilidad. Mientras que en los eucariotas es única: la fotosíntesis oxigénica.

El dominio eubacteria es muy amplio, y en sus ramificaciones hay hasta 5 grandes grupos de organismos fotosintéticos: Chloroflexi, Firmicutes, Chlorobi, Proteobacteria y Cianobacterias. Estas últimas son las únicas eubacterias que realizan una fotosíntesis oxigénica; con liberación de oxígeno de las moléculas de agua y usando como donador de electrones el hidrogeno del agua. En el resto, tienen lugar una fotosíntesis anoxigénica: el donador de electrones es el azufre o el sulfuro de hidrógeno, pero jamás liberan O2 dado que raras veces interviene el agua en el proceso; es por esto que son conocidas como bacterias rojas o lilas del azufre.

La fotosíntesis es, probablemente, más antigua que la vida misma. La oxigénica, que está circunscrita a este grupo de bacterias, las cianobacterias, probablemente es posterior, pero fue crucial para el desarrollo de vida en nuestro planeta, dado que transformó la atmosfera en una mucho más oxigenada y gracias a ello la vida en la Tierra pudo evolucionar.

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Amazonas, el pulmón de la Tierra (Autor: Christian Cruzado; Flickr)

¿QUÉ PIGMENTOS SE USAN?

Las cianobacterias comparten pigmentos con las plantas terrestres y el resto de eucariotas fotosintéticos. Estos pigmentos son fundamentalmente clorofilas a y b (las universales), siendo los c y d solo presentes en algunos grupos. Además hay dos pigmentos que también son universales: los carotenos, que actúan como antenas que transmiten la energía a las clorofilas o protegen el centro de reacción contra la autooxidación, y las ficobiliproteínas (ficocianina, ficoeritrina, etc.), que aparecen tanto en cianobacterias como en otros grupos de eucariotas fotosintéticos y se encargan de capturar la energía lumínica.

¿Por qué hay esta variabilidad de pigmentos accesorios? Porque cada pigmento tienen un espectro de absorción diferente, y el tener diferentes moléculas permite recoger mucho mejor el espectro de la luz solar; es decir, la captación de energía es mucho más eficiente.

El resto de bacterias fotosintéticos anoxigénicos no tienen clorofilas y, en su lugar, tienen moléculas específicas de procariotas, las bacterioclorofilas.

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Espectro de absorción de diferentes pigmentos (Fuente: York University)

¿Dónde se localizan los pigmentos?

En organismos con fotosíntesis oxigénica, las cianobacterias y eucariotas fotosintéticos, los pigmentos están en estructuras complejas. En las cianobacterias, en el citoplasma periférico hay una serie de sacos aplanados concéntricos denominados tilacoides, los cuales solo están rodeados por una membrana. En el lumen del tilacoide es donde se encuentran los pigmentos. En los eucariotas, en cambio, encontramos los cloroplastos: orgánulos intracelulares propios de los eucariotas fotosintéticos donde se realiza la fotosíntesis con mínimo 2 membranas, aunque pueden ser más, y numerosos tilacoides dispuestos de diferentes maneras según los organismos. Ambos grupos, por lo tanto, realizan fotosíntesis oxigénica y presentan tilacoides; la diferencia es que en los eucariotas, los tilacoides se encuentran en el interior de los cloroplastos.

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Células vegetales en las que son visibles los cloroplastos (Autor: Kristian Peters – Fabelfroh)

En cambio, en organismos con fotosíntesis anoxigénica hay distintas opciones. Las bacterias púrpuras contienen los pigmentos en cromatóforos, una especie de vesículas en el centro o periferia de la célula. En cambio, en las bacterias verdes (Chlorobi y Chloroflexi) se encuentran vesículas aplanadas en la periferia de la célula sobre la membrana plasmática donde están las bacterioclorofilas. En Heliobacterium, el pigmento está adosado a la cara interna de la membrana plasmática. Generalmente no son estructuras complejas, y suelen tener membranas simples.

ORIGEN DE LOS ORGANISMOS FOTOSINTÉTICOS

La evidencia fósil de los primeros organismos fotosintéticos son los estromatolitos (3,2 Ga). Son unas estructuras formadas por láminas finas superpuestas de organismos junto con sus depósitos de carbonato cálcico. Estas formaciones aparecen en zonas someras, de mares cálidos y bien iluminados. Aunque muchas tienen forma de columna, se observan desviaciones porque se orientan hacia la luz del Sol. En su momento, tuvieron una importancia capital en la construcción de formaciones arrecíficas y, también, en los cambios de composición de la atmósfera.  Actualmente hay algunos que aún se encuentran vivos.

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Estromatolitos (Autor:Alessandro, Flickr)

REFERENCIAS

  • Apuntes obtenidos en diversas asignatura durante la realización del Grado de Biología Ambiental (Universidad Autónoma de Barcelona) y el Máster de Biodiversidad (Universidad de Barcelona).
  • Font Quer, P. (1953): Diccionario de Botánica. Editorial Labor, Barcelona.
  • Izco, J., Barreno, E., Brugués, M., Costa, M., Devesa, J. A., Fernández, F., Gallardo, T., Llimona, X., Parada, C., Talavera, S. & Valdés, B. (2004) Botánica 2.ªEdición. McGraw-Hill, pp. 906.
  • Willis, K.J. & McElwain, J.C. (2014) The Evolution of Plants (second edition). Oxford University Press, 424 pp.

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