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Por que dióxido de carbono + água → glicose + oxigênio é a equação mais importante em biologia

Crédito: Jackie DiLorenzo / Unsplash

• Toda criatura viva precisa de três coisas: uma fonte de energia, uma fonte de carbono e uma fonte de elétrons.
• A fotossíntese é a forma final de auto-suficiência.
• Também fornece às formas de vida famintas de energia o oxigênio de que precisamos para sobreviver, juntamente com moléculas sólidas contendo carbono que consumimos para energia e crescimento.

Recentemente, meu colega Dr. Ethan Siegel escreveu um artigo explicando por que F = ma — isto é, força = massa x aceleração — é a equação mais importante da física. Essa equação aparentemente humilde, conhecida como a segunda lei do movimento de Newton, é útil para os físicos em todos os níveis e até dá dicas sobre a relatividade especial.

Isso me fez pensar: todo campo científico tem uma equação como essa? Uma equação tão importante que o próprio tópico ou campo não poderia existir sem ela? Eu ponderei isso como microbiologista e cheguei à conclusão de que, sim, existe uma equação para a biologia: CO_dois+ H_doisO → C₆H₁₂OU₆+ OU_dois. (Esta é a versão não balanceada. A versão balanceada é: 6CO_dois+ 6H_doisO → C₆H₁₂OU₆+ 6O_dois.)

Em termos simples: dióxido de carbono + água → glicose + oxigênio. Isso é fotossíntese e, sem ela, provavelmente não haveria plantas ou animais.

Por que a fotossíntese dominou o mundo

Por razões que descreverei com mais detalhes posteriormente, toda criatura viva precisa de três coisas: uma fonte de energia, uma fonte de carbono e uma fonte de elétrons. Plantas (e micróbios que fotossintetizam) obtêm sua energia da luz solar, seu carbono do CO_dois, e seus elétrons de H_doisO. No entanto, por mais importante que seja a fotossíntese, observe que é não necessário para a própria vida. Os microrganismos encontraram uma maneira de sobreviver em praticamente qualquer lugar da Terra. Por exemplo, alguns sobrevivem no fundo do oceano (onde não há luz), obtendo sua energia de produtos químicos sulfurosos. É bom ter luz, mas não é necessário para que a vida evolua.

Embora a fotossíntese não seja especialmente eficiente em termos de energia, é a forma final de autossuficiência. As primeiras células complexas (chamadas eucariontes) a desenvolver a capacidade de fotossíntese engoliram bactérias que já tinham essa capacidade, formando uma relação mutuamente benéfica – a célula menor e fotossintetizadora conseguiu um bom lar dentro de uma célula maior que foi alugada na forma de alimentos e energia. A relação funcionou maravilhosamente, pois essas amálgamas ancestrais eventualmente evoluíram para a ampla diversidade de plantas que temos hoje. Como resultado, todas as plantas fotossintetizam (com exceção de algumas parasitas ).

Explicando o dióxido de carbono + água → glicose + oxigênio

A equação que representa a fotossíntese é enganosamente simples: dê a uma planta CO_doise água e cria comida (açúcar) e oxigênio. Mas nos bastidores há uma série incrivelmente complexa de reações bioquímicas, e talvez até uma pitada de mecânica quântica .

Comecemos pela água. A água é a fonte de elétrons que as plantas precisam para iniciar o processo. Quando a luz (a fonte de energia) atinge a clorofila (dentro de uma estrutura complexa conhecida como fotossistema, que está embutida em uma membrana chamada tilacóide), a molécula libera elétrons – que realizam coisas incríveis. Mas a clorofila quer seus elétrons de volta, então ela os rouba de uma molécula de água, que então se desmonta em dois prótons (H⁺) e um átomo de oxigênio. Isso torna o átomo de oxigênio solitário e infeliz, então ele se associa a outro átomo de oxigênio, formando O_dois, a forma molecular de oxigênio que respiramos.

Crédito : Rao, A., Ryan, K., Tag, A., Fletcher, S. e Hawkins, A. Departamento de Biologia, Texas A&M University / OpenStax

Agora, de volta àqueles elétrons incríveis. Como um jogo de batata quente, os elétrons são passados ​​de proteína para proteína. À medida que viajam, eles causam prótons (H⁺) para ser bombeado para o outro lado da membrana, criando um poderoso gradiente eletroquímico, semelhante a uma bateria. Quando esta bateria descarrega, cria uma molécula rica em energia chamada ATP. Se as células tivessem dinheiro, o ATP seria esse dinheiro.

Mas essa não é a única coisa que esses elétrons viajantes fazem. Quando eles terminam de jogar batata quente, eles pulam a bordo de uma molécula chamada NADPH, que pode ser pensada como um ônibus eletrônico. Essencialmente, o NADPH é uma molécula que pode transportar elétrons para outro lugar, geralmente com o objetivo de construir algo.

Vamos fazer uma pausa para resumir o que a planta realizou até agora: absorveu luz e usou essa energia para arrancar elétrons da água, produzindo oxigênio (O_dois) como um produto secundário. Em seguida, usou esses elétrons para gerar dinheiro (ATP), após o qual os elétrons embarcaram em um ônibus (NADPH). Agora, é hora de gastar esse dinheiro e colocar esses elétrons para usar mais uma vez em um processo chamado ciclo de Calvin.

Crédito : Crédito: Rao, A., Ryan, K., Tag, A., Fletcher, S. e Hawkins, A. Departamento de Biologia, Texas A&M University / OpenStax

O ciclo de Calvin é o ponto em que o dióxido de carbono (CO_dois) entra em cena. Este é o processo que fixa o dióxido de carbono em uma forma sólida, combinando-o com um açúcar de cinco carbonos para criar um açúcar de seis carbonos. (A enzima que realiza essa reação, chamada rubisco, é provavelmente a proteína mais abundante na Terra.) Observe que a célula precisa usar o ATP e o NADPH que ela gerou anteriormente para manter o ciclo. A saída final do ciclo é uma molécula chamada G3P, que a célula pode usar para uma variedade de coisas – desde a produção de alimentos (como a glicose do açúcar) até a construção de moléculas estruturais para que a planta possa crescer.

Obrigado, fotossíntese!

Cada parte da equação da fotossíntese agora foi contabilizada. Uma célula vegetal usa dióxido de carbono (CO_dois) e água (H_doisO) como insumos - o primeiro para que possa converter carbono em uma forma sólida e o segundo como fonte de elétrons - e cria glicose (C₆H₁₂OU₆) e oxigênio (O_dois) como saídas. O oxigênio é uma espécie de resíduo neste processo, mas não realmente. Afinal, a planta precisa comer a glicose que acabou de produzir e precisa de oxigênio para fazê-lo.

Crédito : Crédito: Rao, A., Ryan, K., Fletcher, S., Hawkins, A. and Tag, A. Texas A&M University / OpenStax

Embora alguns micróbios vivam sem luz ou fotossíntese, a maior parte da vida na Terra é completamente dependente dela. A fotossíntese fornece às formas de vida famintas de energia o oxigênio de que precisamos para sobreviver, juntamente com moléculas sólidas contendo carbono que consumimos para energia e crescimento. Sem a fotossíntese, não estaríamos aqui. Como corolário, planetas que não recebem luz solar suficiente para suportar a fotossíntese quase certamente não hospedam formas de vida complexas.

A vida e o campo da biologia em grande parte devem sua existência à fotossíntese. Abrace a planta da sua casa hoje.

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