Luz Solar e Produção de Açúcar

Os açúcares fornecem a todos os organismos vivos a energia necessária para se moverem, crescerem e se reproduzirem. Alguns organismos (incluindo os humanos) obtêm os açúcares de que necessitam comendo alimentos. Outros organismos, chamados produtores primários — organismos capazes de produzir seu próprio alimento transformando luz solar, água, minerais e dióxido de carbono em carbono orgânico (açúcar) — não precisam comer, pois podem produzir seus próprios açúcares. A maioria dos produtores primários usa a luz solar para combinar dióxido de carbono e outros compostos em açúcares, por meio de um processo chamado fotossíntese. A fotossíntese é essencial para todos os seres vivos, pois retira o dióxido de carbono (um importante gás de efeito estufa) do ar, libera oxigênio e produz os alimentos que outros organismos consomem.

As plantas são os produtores primários mais famosos, mas você sabia que elas não são os únicos organismos que realizam fotossíntese? Existem muitos outros tipos de produtores primários que são fotossintéticos. A Terra se formou há mais de 4,6 bilhões de anos, e as plantas terrestres existem há apenas 500 milhões de anos. Algumas bactérias, chamadas cianobactérias, vivem no oceano, realizando fotossíntese e liberando oxigênio, há 3 bilhões de anos a mais do que as plantas [1]. Outros organismos não vegetais, incluindo algas, também são produtores primários e realizam fotossíntese em lagos e oceanos. Todos os organismos não vegetais que realizam fotossíntese produzem, na verdade, a maior parte do oxigênio que respiramos.

Onde ocorre a fotossíntese?

A produção de açúcares por produtores primários é um processo químico complexo que utiliza luz solar, água e dióxido de carbono (Figura 1). Plantas e bactérias utilizam cloroplastos (pequenas estruturas semelhantes a órgãos (organelas) encontradas dentro da célula vegetal, onde ocorre a fotossíntese) para realizar a fotossíntese. Esses minúsculos órgãos possuem clorofila verde, pigmento encontrado no cloroplasto das células vegetais, responsável por absorver a luz azul e vermelha, usada na produção de açúcar, pigmentos usados ​​para capturar energia da luz solar e produzir açúcares.

A fotossíntese consiste em dois tipos principais de reações: aquelas que dependem de luz e aquelas que não dependem. As reações dependentes de luz são o primeiro passo na produção de açúcares. Durante essa etapa, dois pares de moléculas de clorofila absorvem a energia luminosa e a transformam em energia química. Como resultado, as plantas geram duas moléculas importantes: ATP (trifosfato de adenosina), a “moeda energética” da célula, usado para realizar reações celulares que requerem energia, e o NAPDH (fosfato de dinucleotídeo de nicotinamida adenina), uma molécula transportadora de energia que fornece energia para o ciclo de Calvin, na forma de átomos de hidrogênio.

Ciclo de Calvin também é o nome dado às reações independentes de luz. Nessas reações, as plantas usam as moléculas de ATP e NADPH criadas nas reações dependentes de luz. O ATP e o NAPDH ajudam as plantas a transformar o dióxido de carbono, que elas absorvem do ar através de seus estômatos, em açúcares (Figura 2). As plantas podem então usar esses açúcares para continuar crescendo suas raízes, caules e folhas, bem como para produzir flores, frutos e sementes. Animais e fungos também usam esses açúcares como alimento quando comem as plantas. Então, da próxima vez que você vir uma planta, lembre-se de que ela usa energia solar para produzir seu próprio alimento — e para fazer todo o alimento que nós, animais, comemos. Obrigado, plantas!

As Plantas Terrestres de Hoje Enfrentam Desafios

Quando usamos combustíveis fósseis (por exemplo, carvão, gás natural e petróleo), aumentamos a quantidade de dióxido de carbono na atmosfera terrestre. Você pode pensar que mais dióxido de carbono seria bom para as plantas e permitiria que elas produzissem mais açúcar e oxigênio. Infelizmente, mais dióxido de carbono nem sempre se traduz em mais fotossíntese.

Isso ocorre porque as plantas também precisam de muita água para realizar a fotossíntese. As plantas obtêm água do solo, por meio de suas raízes. Essa água fornece hidrogênio à clorofila, para manter as reações dependentes de luz funcionando, e também é a fonte do oxigênio que as plantas liberam no ar. Além disso, quando as plantas abrem seus estômatos para absorver dióxido de carbono do ar, elas perdem muita água por evapotranspiração – que é o movimento de água da superfície da Terra para a atmosfera por meio da evaporação e da transpiração (perda de água pelas folhas das plantas). Na verdade, em média, as plantas perdem cerca de 400 moléculas de água para cada molécula de dióxido de carbono que recebem.

Infelizmente, o aumento da quantidade de dióxido de carbono no ar está causando mudanças climáticas, tornando-o mais quente e fazendo com que muitos lugares tenham menos chuva ou estações secas mais longas. Menos chuva e temperaturas mais altas significam que muitas plantas têm menos água disponível. Portanto, quando usamos combustíveis fósseis e colocamos mais dióxido de carbono no ar, podemos, na verdade, estar dificultando a fotossíntese das plantas.

Cientistas testaram essa ideia cultivando plantas com dióxido de carbono extra no ar. Os cientistas descobriram que as plantas podiam, de fato, fazer mais fotossíntese e crescer mais rápido por um tempo devido ao dióxido de carbono extra — mas esse impulso não durou muito. Logo, as plantas começaram a crescer mais lentamente ou até mesmo a morrer porque não havia água ou nutrientes suficientes no solo para mantê-las vivas [2].

Como Medimos a Fotossíntese na Natureza?

Cientistas que estudam plantas usam máquinas muito sofisticadas chamadas analisadores de gases infravermelhos (IRGAs, na sigla em inglês) – que são detectores da luz infravermelha absorvida pelos gases no ar. Esses detectores usam sensores de luz especiais que medem a quantidade de dióxido de carbono para medir a rapidez com que as plantas realizam a fotossíntese e transformam o dióxido de carbono em açúcares (Figura 3). Os IRGAs detectam a luz infravermelha absorvida por vários gases no ar.

Para usar o IRGA, os cientistas colocam uma folha ou até mesmo uma pequena planta dentro de uma câmara hermética especial. Em seguida, enchem a câmara com ar que contém uma quantidade conhecida de dióxido de carbono. Em seguida, continuam medindo a quantidade de dióxido de carbono na câmara. Se a planta estiver realizando fotossíntese, ela retirará dióxido de carbono do ar e a concentração de dióxido de carbono na câmara diminuirá. Quanto mais rápido a planta realiza a fotossíntese, mais rápido o dióxido de carbono é removido da câmara.

Usando o IRGA, os cientistas também podem medir a concentração de água no ar dentro da câmara. Lembre-se de que as plantas perdem muita água por evapotranspiração à medida que absorvem dióxido de carbono — portanto, quanto mais água é adicionada ao ar, mais rápido a planta perde água durante a fotossíntese. Alguns tipos de plantas (por exemplo, cactos) podem realizar muita fotossíntese sem perder muita água. Essas plantas podem ter truques ou adaptações especiais para usar menos água, por isso são especialmente boas em viver em desertos ou outros locais secos. Outros tipos de plantas perdem muita água quando realizam a fotossíntese. Essas plantas sedentas teriam dificuldade em viver em locais secos e podem ter dificuldades para sobreviver se as mudanças climáticas continuarem a tornar o nosso mundo mais quente e seco.

Outra coisa que os cientistas podem testar com o IRGA é a quantidade de luz que as plantas precisam para fazer fotossíntese [3]. Eles também podem testar a rapidez com que as plantas fazem fotossíntese com diferentes quantidades de dióxido de carbono no ar ou em diferentes temperaturas [4].

Esses tipos de medições podem ser lentos. Por exemplo, leva cerca de 45 minutos para medir a quantidade de luz que uma folha precisa para a fotossíntese, já que o cientista deve expor a folha a muitos níveis de luz diferentes e deve dar tempo à planta para se ajustar e relaxar entre cada tratamento. Quarenta e cinco minutos podem não parecer muito, mas tenha em mente que alguns cientistas precisam medir a fotossíntese no meio de uma selva úmida ou um deserto quente.

Manter a máquina IRGA funcionando por tanto tempo pode ser desafiador, já que essas máquinas são muito frágeis e usam muita energia da bateria. Os cientistas também não medem apenas uma folha! Para fazer um bom estudo, eles podem tentar medir a fotossíntese em centenas de folhas de muitas plantas. É muito trabalho, mas vale a pena, se ajudar os cientistas a entender o que certos tipos de plantas precisam para fazer fotossíntese e se essas plantas estão em perigo devido às mudanças climáticas.

Por que precisamos dessas informações?

Os cientistas medem a fotossíntese por vários motivos. Um deles é estudar os efeitos das mudanças climáticas na quantidade de verduras e frutas que nossas plantas podem produzir [5]. Por exemplo, os cientistas podem cultivar as plantas que as pessoas gostam de comer, como feijão, tomate, cenoura ou abacate, em diferentes temperaturas e com quantidades variadas de água. Para alterar as temperaturas, os cientistas podem usar estufas especiais para aquecer as plantas. Eles também podem fornecer às plantas toda a água de que precisam ou bloquear a chuva e forçar as plantas a viver com menos água. Os cientistas podem até mesmo alterar a época do ano em que as plantas recebem água.

Por meio desses experimentos inteligentes, os cientistas podem monitorar a saúde e a fotossíntese de plantas cultivadas em diferentes condições, para verificar se elas serão capazes de continuar produzindo nossos alimentos quando o clima mudar. Dada a importância das plantas e dos produtores primários para o nosso planeta, esta é uma pesquisa muito interessante e importante.

Em poucas palavras, a fotossíntese é incrível!

Plantas e outros organismos fotossintéticos usam a energia solar para produzir seu próprio alimento e, no processo, nos fornecem alimento e oxigênio, removem dióxido de carbono do ar e ajudam a proteger o planeta das mudanças climáticas. Cientistas medem a fotossíntese para estudar como as plantas funcionam e como a fotossíntese pode ser afetada pelas mudanças climáticas. Cientistas usam sua criatividade e IRGAs para medir a fotossíntese em diferentes tipos de plantas e sob condições variadas. Essas informações importantes ajudarão os cientistas a entender como as plantas se comportarão em um mundo mais quente e seco e se elas serão capazes de continuar fazendo tantas coisas boas para os humanos e para toda a vida na Terra. Se você fosse um cientista, quais experimentos com plantas faria?

Glossário

Produtores Primários: Organismos capazes de produzir seu próprio alimento, transformando luz solar, água, minerais e dióxido de carbono em carbono orgânico (açúcar).

Cloroplastos: Pequenas estruturas semelhantes a órgãos (organelas) encontradas dentro da célula vegetal, nas quais ocorre a fotossíntese.

Clorofila: Pigmento encontrado no cloroplasto das células vegetais, responsável pela absorção da luz azul e vermelha, utilizada na produção de açúcar.

ATP: Trifosfato de adenosina, a “moeda energética” da célula. O ATP é usado para realizar reações celulares que requerem energia.

NADPH: Hidrogênio fosfato de nicotinamida adenina dinucleotídeo, uma molécula transportadora de energia que fornece energia para o ciclo de Calvin, na forma de átomos de hidrogênio.

Estômatos: Estruturas celulares nas folhas, compostas por uma abertura cercada por duas células-guarda, que controlam a troca de gases e água com o ambiente.

Evapotranspiração: Movimento de água da superfície da Terra para a atmosfera por meio da evaporação e da transpiração (perda de água pelas folhas das plantas).

Analisador de Gás Infravermelho: Detecta a luz infravermelha absorvida pelos gases presentes no ar. Esses detectores utilizam sensores de luz especiais que medem a quantidade de dióxido de carbono.

Conflito de Interesses

Os autores declaram que a pesquisa foi conduzida na ausência de quaisquer relações comerciais ou financeiras que pudessem ser interpretadas como um potencial conflito de interesses.

Referências

[1] Sánchez-Baracaldo, P., e Cardona, T. 2020. On the origin of oxygenic photosynthesis and Cyanobacteria. New Phytol. 225:1440–6. doi: 10.1111/nph.16249

[2] Li, F., Guo, D., Gao, X., e Zhao, X. 2021. Water deficit modulates the CO₂ fertilization effect on plant gas exchange and leaf-level water use efficiency: a meta-analysis. Front. Plant Sci. 12:775477. doi: 10.3389/fpls.2021.775477

[3] Aragón, L., Messier, J., Atuesta-Escobar, N., e Lasso, E. 2023. Tropical shrubs living in an extreme environment show convergent ecological strategies but divergent ecophysiological strategies. Ann. Bot. 2023:mcad002. doi: 10.1093/aob/mcad002

[4] Taylor, T. C., Smith, M. N., Slot, M., e Feeley, K. J. 2019. The capacity to emit isoprene differentiates the photosynthetic temperature responses of tropical plant species. Plant Cell Environ. 42:2448–57. doi: 10.1111/pce.13564

[5] Tito, R., Vasconcelos, H. L., e Feeley, K. J. 2018. Global climate change increases risk of crop yield losses and food insecurity in the tropical Andes. Glob. Change Biol. 24:e592–602. doi: 10.1111/gcb.13959

Citação

Aragón L e Feeley KJ (2024) Solar-Powered Life: How Plants And Other Organisms Produce Their Own Food. Front. Young Minds. 12:1337067. doi: 10.3389/frym.2024.1337067

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