Fotossíntese

Quando os sacerdotes das religiões primitivas prestavam culto ao Sol, estavam certamente executando algo mais que um mero ato simbólico. De uma forma ou de outra, reconheciam um fato mais tarde confirmado pela ciência moderna: toda a vida terrestre depende em última análise das radiações solares, graças às quais se forma a matéria orgânica.

Fotossíntese é o processo pelo qual as plantas verdes e alguns outros organismos transformam energia luminosa em energia química. Nas plantas verdes, a fotossíntese aproveita a energia da luz solar para converter dióxido de carbono, água e minerais em compostos orgânicos e oxigênio gasoso. Além das plantas verdes, incluem-se entre os organismos fotossintéticos certos protistas (como as diatomáceas e as euglenoidinas), as cianófitas (algas verde-azuladas) e diversas bactérias.

Características gerais. Por meio da fotossíntese constituem-se substâncias complexas integradas por  elevado número de átomos. Para isso, parte-se de compostos muito simples, por meio dos quais se cria o alimento básico de que dependem numerosos organismos, entre os quais os fungos e os animais, incapazes de realizar o processo por si mesmos e, por isso, obrigados a obter a matéria orgânica já elaborada. As bactérias fotossintéticas que executam esse processo são chamadas autotróficas, isto é, promovem a síntese do próprio alimento, em oposição às heterotróficas, que vivem à custa de outros seres vivos.

Aristóteles já havia observado que as plantas necessitavam de luz solar para adquirir a cor verde, mas o estudo propriamente dito da fotossíntese começou em 1771 com as observações efetuadas por  Joseph Priestley. Esse químico inglês comprovou que uma planta confinada numa redoma de cristal produzia uma substância (mais tarde identificada como o oxigênio) que permitia a combustão. Também na segunda metade do século XVIII o holandês Jan Ingenhousz sustentou que o dióxido de carbono do ar era utilizado como nutriente pelas plantas, e no começo do século XIX Nicolas-Théodore de Saussure demonstrou que os vegetais incorporavam água a seus tecidos.

Outros dados vieram completar os conhecimentos  até então disponíveis sobre a nutrição vegetal. Observou-se, por exemplo, que o nitrogênio era sempre retirado do solo, assim como diversos sais e minerais, e que a energia proveniente do Sol se transformava de algum modo em energia química, que ficava armazenada numa série de produtos em virtude de um processo já então denominado fotossíntese.

Na segunda década do século XIX, isolou-se uma substância, a clorofila, que é a responsável pela cor verde das plantas e desempenha papel importante na síntese da matéria orgânica; mais tarde, Julius von Sachs demonstrou que esse composto se localizava em orgânulos celulares característicos, posteriormente chamados cloroplastos. O desenvolvimento das técnicas bioquímicas possibilitou em 1954 isolar e extrair intactos esses orgânulos, quando Daniel Israel Arnon obteve cloroplastos a partir das células do espinafre e conseguiu reproduzir em laboratório as reações completas da fotossíntese.

Essas e outras descobertas permitiram determinar que a fotossíntese ocorre em duas fases: uma clara, em que a energia luminosa solar é captada e a molécula de água se decompõe para utilização do hidrogênio e liberação do oxigênio, e outra escura, em que se verifica o chamado ciclo de Calvin, assim denominado em homenagem ao bioquímico americano Melvin Calvin, que o pesquisou. Nessa fase, o carbono procedente do dióxido de carbono do ar se fixa e se integra numa molécula carboidratada.

Cloroplastos. A fotossíntese produz-se em orgânulos especiais da célula vegetal denominados cloroplastos, de forma alongada, elíptica ou globular e revestidos de uma membrana dupla. Em certas algas unicelulares só existe um cloroplasto, enquanto em outras, como as do gênero Spirogyra, o orgânulo é achatado como uma fita, e dispõe-se helicoidalmente. Nas plantas superiores pode haver várias dezenas de cloroplastos, cujo tamanho se mede em micrômetros (um micrômetro é a milésima parte de um milímetro).

A membrana externa é muito frágil e a interna apresenta numerosas dobras que formam discos achatados chamados tilacóides, que por sua vez se empilham e formam estruturas denominadas granos (ou grana, plural latino de granum). Aqui se realiza a fase clara da fotossíntese. Os granos são unidos entre si por pequenas lâminas semelhantes a varetas, as lamelas. O resto do conteúdo do cloroplasto, semifluido, é o que se conhece como estroma e nele ocorrem a fase escura e o ciclo de fixação do carbono. Os cloroplastos encontram-se nos órgãos verdes da planta, mas são especialmente abundantes nas folhas, órgãos em que se realiza a maior parte da fotossíntese nos vegetais superiores.

Clorofila. A substância a que as plantas devem sua cor verde e que é um dos principais pigmentos captadores da luz é a clorofila. Além dela, existem outros compostos fotossintéticos como as ficobilinas, de cor azul ou avermelhada, ou os carotenóides, amarelados e responsáveis pelas cores purpúreas, vermelhas ou alaranjadas de muitas algas.

A molécula da clorofila apresenta grande complexidade estrutural e compõe-se de diversos elementos como carbono, oxigênio, hidrogênio e nitrogênio, mais um átomo de magnésio. Este último se encontra unido a quatro átomos de nitrogênio, que constituem uma série de anéis ou estruturas químicas fechadas, os núcleos pirrólicos. Existe ainda uma longa cadeia chamada fitol, que se forma como uma comprida cauda e é integrada, quase totalmente, por átomos de carbono e de hidrogênio.

Diferenciam-se vários tipos de clorofila, cada um dos quais se encontra preferencialmente num determinado organismo vegetal. Assim, as plantas superiores dispõem dos tipos a e b, enquanto as algas vermelhas têm clorofila d e as bactérias fotossintéticas possuem uma molécula mais simples, a bacterioclorofila. A clorofila tem a propriedade de absorver energia luminosa e emitir um elétron de sua molécula, o qual é transferido para outros compostos e transportado para utilização na fase escura.

Fase clara. A fase clara da fotossíntese verifica-se na presença da luz, pois é ela que fornece a energia necessária para que ocorra todo o processo. A energia luminosa quebra a molécula de água, formada por dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio (H2O), e libera o hidrogênio componente, enquanto o oxigênio se desprende, reação que se denomina fotólise da água. Os hidrogênios serão empregados na formação de uma série de moléculas redutoras (passam elétrons para outras), que mais tarde cedem o mesmo hidrogênio ao dióxido de carbono (CO2), na fase escura.

Ao mesmo tempo, a luz chega à clorofila e faz com que desta se desprendam elétrons, que passarão aos hidrogênios originados na fotólise da água por meio de uma cadeia de substâncias transportadoras.

Na fase clara, portanto, prepara-se o material redutor (que cede elétrons) necessário à segunda fase do processo fotossintético; produz-se oxigênio como resultado da quebra da molécula de água; e formam-se, graças à contribuição energética da luz, substâncias ricas em energia conhecidas como ATP (trifosfato de adenosina). Estas contêm átomos de fósforo e, quando se decompõem, liberam a energia nelas encerrada e possibilitam a ocorrência de reações biológicas imprescindíveis à vida do organismo. O ATP pode ser considerado o combustível molecular dos seres vivos.

Em algumas bactérias fotossintéticas, a fase clara não determina o desprendimento de oxigênio para o meio, já que contêm um tipo de clorofila diferente daquele que possuem as plantas superiores.

Fase escura. Na ausência da luz, ocorrem no estroma do cloroplasto diversas e complicadas reações (o ciclo de Calvin), graças às quais se formam as moléculas de açúcares de que a planta necessita para viver. O carbono da molécula de dióxido de carbono (CO2), que o vegetal tira do ar, capta os elétrons cedidos pelas moléculas redutoras presentes no cloroplasto e passa a fazer parte de uma molécula de pentose, açúcar de cinco átomos de carbono, que mais tarde se fraciona em duas moléculas, cada uma com três átomos de carbono.

Esses últimos compostos sofrem uma série de modificações e, após sucessivos ciclos, formam uma molécula de glicose, açúcar de grande importância para o metabolismo de numerosos seres vivos. Como ocorre com todas as reações produzidas nos organismos vivos, esses processos são regulados por diversas enzimas, compostos que possibilitam e aceleram a conversão de umas substâncias em outras.

Fotossíntese e respiração. As células das plantas têm determinadas necessidades energéticas para poderem realizar suas funções, e para tal requerem um consumo contínuo de oxigênio. Dessa forma, os vegetais produzem oxigênio na fase clara da fotossíntese e, paralelamente, absorvem esse elemento do meio em que se encontram. Do que se acaba de expor, poder-se-ia deduzir que o balanço líquido estaria equilibrado e que, em definitivo, não se geraria excedente de oxigênio, mas isso não é certo: na realidade, a quantidade produzida durante o dia ultrapassa significativamente a consumida.

A maior percentagem de oxigênio produzido corresponde às algas marinhas e às plantas unicelulares. Entre as plantas superiores, a contribuição mais notável é a dos grandes bosques e florestas tropicais. Nesse sentido, justifica-se classificar a Amazônia como o autêntico pulmão da Terra, pelo que a intervenção humana na região deve ser particularmente prudente, a fim de não alterar de forma irreversível esse verdadeiro paraíso: a alteração acarretaria conseqüências imprevisíveis em escala planetária.