5.1: Visão geral da fotossíntese
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Todos os organismos vivos na Terra consistem em uma ou mais células. Cada célula funciona com a energia química encontrada principalmente nas moléculas de carboidratos (alimentos), e a maioria dessas moléculas é produzida por um processo: a fotossíntese. Por meio da fotossíntese, certos organismos convertem a energia solar (luz solar) em energia química, que é então usada para construir moléculas de carboidratos. A energia usada para manter essas moléculas unidas é liberada quando um organismo decompõe os alimentos. As células então usam essa energia para realizar trabalhos, como a respiração celular.
A energia que é aproveitada pela fotossíntese entra continuamente nos ecossistemas do nosso planeta e é transferida de um organismo para outro. Portanto, direta ou indiretamente, o processo de fotossíntese fornece a maior parte da energia necessária aos seres vivos na Terra. A fotossíntese também resulta na liberação de oxigênio na atmosfera. Resumindo, para comer e respirar, os humanos dependem quase inteiramente dos organismos que realizam a fotossíntese.
CONCEITO EM AÇÃO
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Dependência solar e produção de alimentos
Alguns organismos podem realizar a fotossíntese, enquanto outros não. Um autotrófico é um organismo que pode produzir seu próprio alimento. As raízes gregas da palavra autotrofo significam “eu” (automático) “alimentador” (troféu). As plantas são as autótrofas mais conhecidas, mas existem outras, incluindo certos tipos de bactérias e algas (Figura\(\PageIndex{1}\)). As algas oceânicas contribuem com enormes quantidades de alimentos e oxigênio para as cadeias alimentares globais. As plantas também são fotoautotróficas, um tipo de autótrofo que usa a luz solar e o carbono do dióxido de carbono para sintetizar energia química na forma de carboidratos. Todos os organismos que realizam a fotossíntese requerem luz solar.
Os heterotróficos são organismos incapazes de fotossíntese que, portanto, devem obter energia e carbono dos alimentos consumindo outros organismos. As raízes gregas da palavra heterotrófico significam “outro” (hetero) “alimentador” (trofo), o que significa que sua comida vem de outros organismos. Mesmo que o organismo alimentar seja outro animal, esse alimento tem suas origens nos autótrofos e no processo de fotossíntese. Os humanos são heterotróficos, assim como todos os animais. Os heterotróficos dependem dos autotróficos, direta ou indiretamente. Veados e lobos são heterotróficos. Um cervo obtém energia comendo plantas. Um lobo comendo um cervo obtém energia que veio originalmente das plantas comidas por esse cervo. A energia na planta veio da fotossíntese e, portanto, é o único autotrófico neste exemplo (Figura\(\PageIndex{2}\)). Usando esse raciocínio, todo alimento ingerido por humanos também está ligado aos autótrofos que realizam a fotossíntese.
BIOLOGIA EM AÇÃO: Fotossíntese na mercearia
As principais mercearias dos Estados Unidos estão organizadas em departamentos, como laticínios, carnes, produtos hortifrutícolas, pães, cereais e assim por diante. Cada corredor contém centenas, senão milhares, de produtos diferentes para os clientes comprarem e consumirem (Figura\(\PageIndex{3}\)).
Embora haja uma grande variedade, cada item está vinculado à fotossíntese. Carnes e laticínios estão ligados à fotossíntese porque os animais foram alimentados com alimentos vegetais. Os pães, cereais e massas vêm principalmente de grãos, que são sementes de plantas fotossintéticas. E quanto a sobremesas e bebidas? Todos esses produtos contêm açúcar — a molécula básica de carboidratos produzida diretamente da fotossíntese. A conexão da fotossíntese se aplica a todas as refeições e a todos os alimentos que uma pessoa consome.
Estruturas principais e resumo da fotossíntese
A fotossíntese requer luz solar, dióxido de carbono e água como reagentes iniciais (Figura\(\PageIndex{4}\)). Depois que o processo é concluído, a fotossíntese libera oxigênio e produz moléculas de carboidratos, mais comumente glicose. Essas moléculas de açúcar contêm a energia que os seres vivos precisam para sobreviver.
As reações complexas da fotossíntese podem ser resumidas pela equação química mostrada na Figura\(\PageIndex{5}\).
Embora a equação pareça simples, as muitas etapas que ocorrem durante a fotossíntese são, na verdade, bastante complexas, pois a reação que resume a respiração celular representou muitas reações individuais. Antes de aprender os detalhes de como os fotoautotróficos transformam a luz do sol em alimento, é importante se familiarizar com as estruturas físicas envolvidas.
Nas plantas, a fotossíntese ocorre principalmente nas folhas, que consistem em muitas camadas de células e têm lados superior e inferior diferenciados. O processo de fotossíntese ocorre não nas camadas superficiais da folha, mas em uma camada intermediária chamada mesófila (Figura\(\PageIndex{6}\)). A troca gasosa de dióxido de carbono e oxigênio ocorre por meio de pequenas aberturas reguladas chamadas estômatos.
Em todos os eucariotos autotróficos, a fotossíntese ocorre dentro de uma organela chamada cloroplasto. Nas plantas, existem células contendo cloroplasto no mesófilo. Os cloroplastos têm uma membrana dupla (interna e externa). Dentro do cloroplasto há uma terceira membrana que forma estruturas empilhadas em forma de disco chamadas tilacóides. Embutidas na membrana tilacóide estão moléculas de clorofila, um pigmento (uma molécula que absorve a luz) por meio do qual todo o processo de fotossíntese começa. A clorofila é responsável pela cor verde das plantas. A membrana tilacóide envolve um espaço interno chamado espaço tilacóide. Outros tipos de pigmentos também estão envolvidos na fotossíntese, mas a clorofila é de longe a mais importante. Conforme mostrado na Figura\(\PageIndex{6}\), uma pilha de tilacóides é chamada de grão, e o espaço ao redor do grão é chamado de estroma (não deve ser confundido com os estômatos, as aberturas nas folhas).
CONEXÃO ARTÍSTICA
Em um dia quente e seco, as plantas fecham seus estômatos para conservar água. Que impacto isso terá na fotossíntese?
As duas partes da fotossíntese
A fotossíntese ocorre em dois estágios: as reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin. Nas reações dependentes da luz, que ocorrem na membrana tilacóide, a clorofila absorve a energia da luz solar e a converte em energia química com o uso da água. As reações dependentes da luz liberam oxigênio da hidrólise da água como subproduto. No ciclo de Calvin, que ocorre no estroma, a energia química derivada das reações dependentes da luz impulsiona tanto a captura de carbono nas moléculas de dióxido de carbono quanto a subsequente montagem das moléculas de açúcar. As duas reações usam moléculas transportadoras para transportar a energia de uma para a outra. Os portadores que movem a energia das reações dependentes da luz para as reações do ciclo de Calvin podem ser considerados “cheios” porque trazem energia. Depois que a energia é liberada, os portadores de energia “vazios” retornam às reações dependentes da luz para obter mais energia.
Resumo
O processo de fotossíntese transformou a vida na Terra. Ao aproveitar a energia do sol, a fotossíntese permitiu que os seres vivos acessassem enormes quantidades de energia. Por causa da fotossíntese, os seres vivos ganharam acesso a energia suficiente, permitindo-lhes desenvolver novas estruturas e alcançar a biodiversidade que é evidente hoje.
Somente certos organismos, chamados autotróficos, podem realizar a fotossíntese; eles requerem a presença da clorofila, um pigmento especializado que pode absorver a luz e converter a energia da luz em energia química. A fotossíntese usa dióxido de carbono e água para reunir moléculas de carboidratos (geralmente glicose) e libera oxigênio no ar. Autótrofos eucarióticos, como plantas e algas, têm organelas chamadas cloroplastos nas quais ocorre a fotossíntese.
Conexões artísticas
Figura\(\PageIndex{6}\): Em um dia quente e seco, as plantas fecham seus estômatos para conservar água. Que impacto isso terá na fotossíntese?
- Resposta
-
Os níveis de dióxido de carbono (um reagente) diminuirão e os níveis de oxigênio (um produto) aumentarão. Como resultado, a taxa de fotossíntese diminuirá.
Glossário
- autotrófico
- um organismo capaz de produzir seu próprio alimento
- clorofila
- o pigmento verde que captura a energia luminosa que impulsiona as reações da fotossíntese
- cloroplasto
- a organela onde ocorre a fotossíntese
- grão
- uma pilha de tilacóides localizada dentro de um cloroplasto
- heterotrófico
- um organismo que consome outros organismos como alimento
- reação dependente da luz
- o primeiro estágio da fotossíntese em que a luz visível é absorvida para formar duas moléculas transportadoras de energia (ATP e NADPH)
- mesófila
- a camada média de células em uma folha
- fotoautotrófico
- um organismo capaz de sintetizar suas próprias moléculas alimentares (armazenando energia), usando a energia da luz
- pigmento
- uma molécula que é capaz de absorver a energia da luz
- estoma
- a abertura que regula as trocas gasosas e a regulação da água entre as folhas e o meio ambiente; plural: estômatos
- estroma
- o espaço cheio de fluido ao redor da grana dentro de um cloroplasto onde ocorrem as reações fotossintéticas do ciclo de Calvin
- tilacóide
- uma estrutura membranosa em forma de disco dentro de um cloroplasto onde as reações de fotossíntese dependentes da luz ocorrem usando clorofila embutida nas membranas