Analisis Articulo No.3 Bravo Guaman Robles Maya Untuña Grupo #4
Analisis y articulo n°2
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ANÁLISIS DE ARTÍCULOS CIENTÍFICOS / ABSTRACT
Autor (es) Carolina Dominguez CastroTítulo/Subtitulo ¿Cuál es la máxima eficiencia con la que la
fotosíntesis puede convertir la energía solar en biomasa?
Tema Como generar energía por medio de la biomasa
Contenidos generales de la investigación Que la biomasa también se puede generar por la energía solar
Contenido especifico de la investigación Que la fotosíntesis puede hacer que la energía solar se convierta en biomasa, y la energía solar puede producirse en biomasa hasta un 4,6%
Tipo de proyecto de investigación energíaInformación previa/antecedentes Que la fotosintes aprovecha diferentes longitudes de
onda de energía radiante con diferentes eficienciasImportancia de la investigación. La importancia en el artículo es la
fotosintesisVariablesIndependientesDependientesConexión entre ambasProcedimiento / Protocolos Primero el articulo mostraba lo que la fotosíntesis
podía hacer con la energía solar, después cuanta energía solar se puede convertir en biomasa, y después empezó a explicarse todo
AnálisisTipo de Estadísticas usadas/Mencionadas
Que la fotosíntesis no es solo la fuente de nuestro alimento y fibra, además yo ni siquiera sabia que la fotosíntesis también podía hacer biomasa
Resultado principal Buenísimo el articuloRecomendaciones En realidad todo me gusto así que no se que
recomendarObservaciones. Me gusto mucho el articulo porque estaba
muy bien explicado parte por parte y todo eso
Fuente de consulta y referencia acorde a normas APA
NOMBRE DEL EQUIPO: Power Energy LIDER: Santiago Cano Molina
GRADO:6°2 FECHA DE LA CONSULTA: 26 de julio de 2014
UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE ZACATECAS
MATERIA
SEMINARIO DE INGENIERÍA EN ENERGÍA DE LA BIOMASA
NOMBRE DEL ARTÍCULO
¿CUÁL ES LA MÁXIMA EFICIENCIA CON QUE LA FOTOSÍNTESIS PUEDE CONVERTIR LA
ENERGÍA SOLAR EN BIOMASA?
NOMBRE DE LA ALUMNA
CAROLINA DOMINGUEZ CASTRO
18/01/2013
"El presente escrito es una traducción y/o interpretación del artículo cuya referencia se
muestra al final del documento, se realizó el blog con fines de divulgación "
Resumen
La fotosíntesis es la fuente de nuestro alimento y fibra. El aumento de la población mundial, el desarrollo
económico, y la disminución de los recursos de tierras pronostica que la duplicación de la productividad
es fundamental para satisfacer la demanda antes de finales de este siglo. Para cumplir con este objetivo
se establece la máxima eficiencia de conversión de energía solar fotosintética, un punto de partida para
evaluar el potencial global es examinar la eficacia potencial de cada paso del proceso fotosintético
de captura de la luz a síntesis de carbohidratos. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión máxima
de energía solar en biomasa, de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y 380 ppm atmosférico [CO2], y 6%
para la fotosíntesis C4. Esta ventaja sobre C3 desaparecerá cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.
INTRODUCCIÓN
Se prevé que la población mundial crezca a 10 mil millones, y con ello también el aumento de la
prosperidad económica de los países en desarrollo además del crecimiento de la demanda aún mayores en
la producción agrícola. Con muy pocas perspectivas de expansión sostenible 1,5 mil millones ha de tierras
de cultivo se necesita la duplicación de la productividad para satisfacer la creciente demanda antes del final
de este siglo. Como consecuencia surge actualmente la biomasa que a través de la fotosíntesis se
utiliza para la producción de todos nuestros alimentos, fibras y biocombustibles que es cada vez más visto
como una fuente de energía renovable. Es más la energía solar que llega a la superficie de la Tierra cada
hora (4.3 x1020 J) que la que se consume en el planeta en un año (4.1 x1020 J).
Un importante objetivo de investigación en energía solar para las próximas décadas fue la aplicación de
los avances revolucionarios en la biología y la biotecnología para el diseño de plantas y organismos. Un
punto clave de partida para la identificación y evaluación de los objetivos de la biotecnología para mejorar
la eficiencia fotosintética de conversión de energía solar es una revisión crítica de la máxima eficiencia
de conversión fotosintética de energía solar que, teóricamente, se podría lograr en los
ecosistemas gestionados. El propósito del análisis realizado aquí es aprovechar el estado del arte
de la comprensión del mecanismo de la fotosíntesis de las plantas para establecer el límite teórico de la
eficiencia de la fotosíntesis por medio del aprovechamiento de la energía solar para beneficio de la
agronomía y la biotecnología.
DESARROLLO
Radiación fotosintéticamente activa en el espectro solar
La fotosíntesis aprovecha diferentes longitudes de onda de energía radiante con diferentes eficiencias, el
primer paso es definir el espectro de energía media de la superficie de la Tierra. La densidad relativa de
energía radiante del espectro solar en la superficie de la atmósfera terrestre está dada por la fórmula
de Planck de radiación de distribución: la densidad relativa del flujo de energía por unidad de intervalo
de longitud de onda:
Donde;
: es la longitud de onda (nm)
Ts: es la temperatura en la superficie del sol, que es de aproximadamente 5800 K, c es la velocidad de la luz
(3 x1017 nm s -1) k :es la constante de Boltzmann de (1,38 10 23 kg m 2 s 2 K 1 o JK 1)
h :es la constante de Planck (6,626 10 34 J s).
Fig.1
Moléculas Heteroatómicos de gas en la atmósfera de la Tierra (por ejemplo CO2, H2O, metano,
óxido nitroso, etc) absorben energía radiante en determinadas longitudes de onda infrarrojas.
Estos gases absorben la mayor fuerza en los rangos de longitud de onda de 900- 950, 1100-1150,1350-1450,
1800-1950 nm, mientras que el ozono y oxígeno eliminan gran parte de la energía por debajo de 400 nm
(Figura 1). Los fotones por encima de 740 nm de longitud de onda contiene la energía suficiente para
impulsar una mayor fotosíntesis de las plantas. Sobre la base de la medida promedio del espectro solar en la
superficie de la Tierra, la proporción de energía solar total dentro de la banda fotosintéticamente activa
(400-740) es 48,7%, es decir 51,3% de la energía solar incidente no está disponible para fotosíntesis de la
planta superior (Figuras 1 y 2).
Fig.2.
Pérdida de energía por reflectancia de la luz fotosintéticamente activa
Debido principalmente a la absorbancia relativamente débil de la clorofila en la banda verde, la vegetación
no es un absorbente perfecto de radiación fotosintéticamente activa (400 -740 nm). Esto, por supuesto, es la
razón por la cual la mayoría de las plantas son verdes y no negras y por lo tanto limita la
interceptación máximo de luz (400-740 nm) es de 90%, es decir, 10% de la radiación
fotosintéticamente activa se refleja. Esto representa una pérdida mínima del 4,9% de la radiación solar total
incidente por reflexión (Figura 2). Algunas plantas contienen cantidades variables
de pigmentos fotosintéticos que absorben la luz de estas longitudes de onda (por ejemplo, las antocianinas
en la epidermis), pero la energía no se transfiere a la fotosíntesis.
La rápida pérdida de energía en la relajación de los mayores estados excitados de la clorofila.
La energía de un fotón es determinada por ,con el resultado de que la energía de un fotón
azul (400 nm) es 75% mayor que el de un fotón rojo (700 nm). Sin embargo, el aumento de los estados
excitados de clorofila se relajan muy rápidamente y foto químicamente es accionado en el centro de
reacción fotosintética con la energía de un fotón rojo, independientemente de la longitud de
onda que se absorbe originalmente. Por lo tanto, la fotosíntesis no es capaz de almacenar la
energía adicional de los fotones azules. Para el espectro de superficie solar en el rango fotosintéticamente
activa (400-740 nm) la energía media por mol de fotones es 205 kJ. La energía necesaria para conducir un
evento separación de carga en el fotosistema II (PSII) es de aproximadamente 176 kJ mol -1 (Igual a la
energía de un fotón de longitud de onda 680 nm) o 171 kJ mol -1
para el fotosistema I (PSI).
Por lo tanto la pérdida de energía media entre la absorción y la carga de separación-en los fotosistemas será
aproximadamente (205 (176 + 171) / 2) KJ mol -1: Es decir, un mínimo de 6,6% de la energía solar
incidente se pierden irremediablemente como calor debido a la relajación de mayores estados
excitados de clorofila (Figura 2).
El tamaño de la pérdida de energía entre el centro de reacción y síntesis de
carbohidratos difiere entre C4 y C3 debido a los diferentes requisitos de ATP de las dos vías fotosintéticas.
Fotosíntesis C3
El ciclo de Calvin o C3 demuestra que tres de ATP y dos de NADPH se requieren para asimilar una
molécula de CO2 en carbohidratos y para regenerar una ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP) para completar el
ciclo.
En el transporte de toda la cadena lineal de electrones de la absorción de cuatro fotones reducirá una
molécula de NADPH mientras trasloca un máximo de seis protones en el tilacoide lumen; dos de oxidación
del agua y cuatro de oxidación plastoquinol por el citocromo complejo. Dado que dos NADPH, y por lo
tanto la absorción de ocho fotones, son necesarios para la asimilación de uno CO2 en carbohidratos, un
máximo de 12 protones son transportados
en el lumen para cada CO2 asimilados. Con 4 protones requeridos para la síntesis de ATP, los 12 protones
transportados, sería simplemente suficiente para soportar la síntesis del ATP 3 requerida para equilibrar
2 NADPH en la asimilación de uno de CO2. Los ocho moles de fotones rojos, el mínimo requerido para
convertir 1 mol de CO2 a carbohidratos, representa 1.388 kJ de energía. Una sexta parte de un mol de
glucosa, es decir, una unidad de carbohidrato 1C, contiene 477 kJ de energía. La pérdida de energía de
electrones mínimo en transporte y la síntesis de hidratos de carbono en el ciclo de Calvin - entre atrapar la
energía en los centros de reacción y la producción de hidratos de carbono es 1- (477/1388), lo que
equivale a una pérdida de 24,6% de la energía contenida en la radiación solar incidente original (Figura 2).
Por lo tanto, la energía máxima eficiencia de conversión de fotosíntesis C3, antes de la foto respiración y la
respiración es 12,6% (Figura 2).
Fotosíntesis C4
Por simplicidad entre los tres subtipos principales de C4, vamos a considerar sólo la enzima NADP-málico
(ME), C4 incluye todos los principales cultivos, tales como el maíz, el sorgo y caña de azúcar, y se considera
que es el más eficiente. Aquí, se requieren cinco ATP y dos NADPH para asimilar un CO2, ya que, además de
la necesidad de energía del ciclo de Calvin, dos ATP adicional son necesarios para la fosforilación del
piruvato para fosfoenol piruvato. En efecto, estos dos extra ATP representan una bomba accionada
por energía de luz, que transporta el CO2 del mesófilo exterior y la concentra en el sitio de Rubisco en la
vaina fotosintética . C4 elimina o minimiza la foto respiración. En la fotosíntesis C3, hemos demostrado que
la translocación de protones en la reducción de los NADPH se requieren dos para fijar uno CO2 es
justamente suficiente para generar el ATP tres también requerido. En C4, requiere dos ATP adicionales,
entonces, incluso con la máxima eficiencia,el protón de translocación resultante de la reducción
de NADPH no cíclico de transporte de electrones será inadecuado. El Cíclico de transporte de
electrones devuelve electrones PSI de vuelta al complejo citocromo b6 / f que resulta en la translocación de
dos protones por fotones dentro del lumen tilacoidal .Para que el flujo cíclico proporcione los otros
ocho protones necesarios para sintetizar los dos ATP , se necesita la absorción de cuatro
fotones adicionales en PSI para un total mínimo de 12 se requerirá por CO2 asimilados en fotosíntesis
C4. Siguiendo nuestro razonamiento anterior para la fotosíntesis C3, la pérdida de energía mínima en el
transporte de electrones y la síntesis de carbohidratos en fotosíntesis C4, entre el centro
de reacción fotoquímica y la producción primaria de hidratos de carbono es 1- (477/2052), lo que equivale a
una pérdida del 28,7% de la energía contenida en la radiación solar incidente original (Figura 2). Por lo
tanto, la conversión de energía máxima eficacia de la fotosíntesis C4, antes de
la respiración, es 8,5% (Figura 2).
Pérdida de energía debido a la fotorrespiración
Cataliza junto con la RuBP la oxigenación en la formación de una molécula de glicolato. Dos moléculas
de glicolato se metabolizan a través de la vía C2 libera una molecula de CO2 y la formación de una molécula
de fosfoglicerato, que vuelve a entrar en el ciclo de Calvin. Este proceso conocido
como fotorrespiración reduce la eficiencia de la fotosíntesis en tanto que requiere energía ATP .La
oxigenación es inhibida competitivamente por el CO2, de modo que en las plantas C4 la concentración
de CO2 en la Rubisco en las células de la vaina del haz elimina en gran medida la fotorrespiración. Sin
embargo, algunos podrían producirse pérdidas de liberación de CO2 de vuelta a la mesófilo donde será re-
fijada en el coste de energía adicional. Aquí consideramos la máxima eficiencia potencial, es decir, la
fotorrespiración cero en las especies C4.
Para determinar el costo energético de la fotorrespiración se define la relación de RuBP la oxigenación de
carboxilación como
, y calcular la cantidad de ATP asociada con una carboxilación y la oxigenación como 3 + 3,5 , donde
3,5 representa la red ATP en la vía C2 y el ciclo de Calvin asociado con un evento oxigenación. Por lo
tanto, el número de ATP por la fijación de CO2 es (3 + 3,5 ) / (1- 0,5 ) donde 0,5 representa el hecho
de que se libera uno CO2 por cada dos oxigenaciones. La disminución de la ec causada
por fotorrespiración (dpr) es por lo tanto:
La relación de oxigenaciones a carboxilaciones ( ) es:
Los símbolos O y C representan los O2 intercelulares y las concentraciones de CO2. t es el factor
de especificidad de la Rubisco para el CO2 donde la especificidad es la proporción de las probabilidades
de carboxilación a la oxigenación. Como resultado, la pérdida en la eficiencia causada por la
fotorrespiración aumenta con la temperatura. El efecto de la temperatura en t se calcula a partir de las
ecuaciones derivadas empíricamente de Bernacchi que producen un t de 71 a 30 °C. Dado este valor de t,
a 380 ppm de [CO2] y un equivalente [O2] del 21%, la máxima ec de las plantas C3 se redujo en 49%
a 30 °C, a una pérdida de 6,1% de la radiación solar interceptada originalmente (Figura 2).
Debido a que esta pérdida es dependiente tanto la temperatura atmosférica y [CO2], (la Figura 3 muestra
cómo varía la eficiencia de conversión de 15 a 45 °C y en diferente [CO2], que representan el promedio
de las condiciones del Pleistoceno (220 ppm), corriente (380 ppm) y los pronósticos para 2100
(700 ppm) .Estas simulaciones muestran una ventaja muy fuerte para la fotosíntesis C4 en la [CO2]
atmosférico que prevaleció durante la mayor parte de los últimos 25 M años (Figura 3). Esta ventaja ha
disminuido debido a la reciente subida de [CO2] y pueden ser eliminados, excepto en el temperaturas más
altas, para el final de este siglo (Figura 3).
Fig.3.
Energía debido a la respiración pérdida
Las pérdidas de energía hasta ahora computado se han derivado de los mecanismos conocidos, bien
entendidos y conservados de la fotosíntesis. Por el contrario no existe ningún mecanismo cuantitativa
mente definida de vinculación entre la tasa de fotosíntesis y la respiración mitocondrial. Esta pérdida final
(figura 2) por lo tanto, sólo puede ser una estimación basada en mediciones empíricas. Coeficientes medidos
de pérdida respiratoria CO2 como una fracción de la absorción de CO2 fotosintético de los principales
cultivos varían de 30% a 60%. Se ha demostrado que hay variaciones hereditarias en esta relación dentro
de las especies de cultivo, y la selección de una relación más baja en el caso de ballico (Lolium perenne)
resultó aparentemente en líneas más altas produciendo. Suponemos 30% aquí como la pérdida respiratorio
mínimo que podría lograrse de otra manera sin afectar adversa mente el crecimiento de plantas. Esto
representa una pérdida de la energía solar incidente original de 1,9% (C3) y 2,5% (C4), con el resultado de
que las eficiencias de conversión máximos de radiación solar en biomasa son 4,6% (C3) y% 6,0
(C4) en 30 8C.
CONCLUSIÓN
La fotosíntesis juega un papel muy importe en nuestra vida cotidiana ya que es la fuente de
nuestro alimento. En la vida actual la población mundial se ha ido incrementando y con ello la necesidad
de la duplicación de la productividad de tierras. Por esta razón el objetivo de indicar la máxima eficiencia
de la conversión de la energía solar fotosíntetica, un punto clave es la evaluación del proceso
de fotosíntesis para la captación de luz que va de (400-740 nm).a lo largo del proceso de evolucionista se
toman en cuenta las diferentes perdidas y como ya lo mencionamos el proceso entre
ellos fotosíntesis c3, fotosíntesis c4. Esto pone de manifiesto la eficiencia de conversión máxima de energía
solar en biomasa, de 4,6% para la fotosíntesis C3 a 30 °C y 380 ppm atmosférico [CO2], y 6% para
la fotosíntesis C4. Esta ventaja sobre C3 desaparecerá cerca de 700 ppm [CO2] atmosférico.