Es habitual referirse a los procesos metabólicos que sirven a las plantas como fuente de alimento como la la fijación de energía (la luz) del Sol en forma de hidratos de carbono. Al conjunto de estas reacciones se le denomina fotosíntesis, un nombre que data de 1893 cuando se identificaron los principales pasos del proceso.

Antes de la elucidación del proceso los filósofos solían referirse a las plantas, por analogía con los animales, como organismos que respiraban y que obtenían sus nutrientes exclusivamente a partir del agua y del aire. De hecho, durante los siglos XVII y XVIII la fisiología de plantas era considerada parte de la neumática.

Stephen Hales, que fue el primero en registrar el intercambio de gases entre las plantas y su entorno, creía que las plantas “transpiraban” durante el día y “se empapaban” durante la noche. Estas ideas alentaron la idea de que las plantas transformaban el aire viciado en aire fresco e impulsaron a varios investigadores, entre ellos Georg Ernst Stahl y Joseph Priestley, a intentar identificar los gases implicados en el proceso. Priestley probó convincentemente que las plantas verdes producían aire que él denominó desflogisticado, y que después Antoine Laurent Lavoisier llamaría oxígeno en 1777.

Jan Ingen-Housz vio este proceso como la contraparte necesaria a la respiración de los animales. El aire enrarecido por la respiración de los animales servía como una especie de alimento para las plantas y éstas, a su vez, suministraban a los animales aire purificado. Estas acciones recíprocas constituían un ciclo que demostraba la economía de la naturaleza. Ingen-Housz consideraba este ciclo, que describió con precisión, una prueba convincente del trabajo del creador.

A partir de 1772 Lavoisier desarrolló la teoría de que la combustión surgía a partir de la fijación o en la combinación del oxígeno del aire con cualquier sustancia que ardiese o se calcinase. La luz y y el calor eran una consecuencia del proceso. Más tarde llegaría a la conclusión de que la oxidación del carbono presente en los alimentos producía “aire fijado” (dióxido de carbono).

La presunta bondad y eficiencia de los intercambios cíclicos de gases, que tan atractivos eran tanto para el sentimiento religioso como para la razón, supusieron una magnífica base para investigaciones posteriores. Esencialmente, el siglo XVIII había demostrado que las plantas extraen carbono a partir del dióxido de carbono atmosférico y devolvía oxígeno a la atmósfera.

El interés pasó a las actividades de las células con la llegada del siglo XIX, con lo que la investigación comenzó a centrarse en los mecanismos mediante los que las plantas capturaban carbono del aire, si bien hubo que esperar a la segunda mitad del siglo para que pudiera apreciarse hasta qué punto las plantas sintetizan la mayor parte de sus componentes. Los investigadores reconocieron pronto la importancia de la luz y del pigmento verde (clorofila).

Julius von Sachs estableció cuales eran los lugares de las hojas en los que se absorbían los gases y las rutas bioquímicas que llevaban a la formación del almidón y otras sustancias. Demostró que el almidón presente habitualmente en las células verdes provenía del dióxido de carbono absorbido y decidió que el almidón era la sustancia principal producida en la fotosíntesis. Siguiendo la hipótesis de Sachs investigadores posteriores llegaron a la conclusión de que el almidón es sólo un subproducto del proceso de asimilación. Esas mismas investigaciones mostraron que el dióxido de carbono debe combinarse con la clorofila antes de que se produzca la reducción química en una serie de pasos en los que están implicados el oxígeno, el agua y la luz.

El descubrimiento de Andreas Franz Wilhelm Schimper de que el almidón almacena energía permitió a los científicos del incipiente siglo XX discutir la circulación de energía en el mundo en términos bioquímicos, como la síntesis y posterior rotura de carbohidratos y otros productos vegetales.

En 1919 Otto Warburg comenzó el trabajo para determinar el número mínimo de fotones necesarios para formar una molécula de oxígeno. Encontró que eran casi cuatro. Su iniciativa llevó a un periodo de investigación centrado en la conversión primaria de la luz usando algas unicelulares verdes del género Chlorella.

La opinión predominante de que la producción de oxígeno de una planta provenía del dióxido de carbono fue puesta en cuestión por primera vez por René Wurmser en los años treinta del siglo XX y, posteriormente, por Cornelius Bernardus von Niel, quien afirmó que procedía del agua. En 1937 Robin Hill confirmó que el oxígeno del agua era el que se convertía en la molécula de oxígeno como subproducto del proceso de fotosíntesis, y señaló que los cloroplastos son los lugares donde tenían lugar las reacciones relevantes.

Fue Melvin Calvin y su equipo el que describió las reacciones independientes de la luz (reacciones de la fase oscura) gracias a la disponibilidad de carbono-14 (radioactivo) y a los desarrollos de la cromatografía en los años cuarenta. Calvin recibiría el premio Nobel de química de 1961 por desentrañar el recorrido del carbono durante la fotosíntesis. Sería un miembro del equipo de Calvin, Daniel Arnon, quien establecería definitivamente que los cloroplastos aislados podían realizar todas las funciones asociadas a la fotosíntesis.

En la fotosíntesis se sabe hoy que el agua actúa tanto como donante de hidrógeno como fuente del oxígeno molecular liberado; que sólo parte del proceso depende de la luz (fase luminosa); que las plantas no crean energía sino que simplemente fijan en forma de carbohidratos la que reciben del Sol. A partir de los años sesenta la elucidación de los detalles moleculares ha avanzado sobremanera, pero hoy día la fotosíntesis sigue encerrando muchos misterios, como los efectos cuánticos macro que intervienen, y promesas, como paneles fotovoltaicos más eficientes.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance

Esta anotación participa en la XXX Edición del Carnaval de Biología que acoge Activa tu neurona y en la XXXIV del Carnaval de Química que alberga moles de química.