ESTUDIO DE LA FISIOLOGÍA VEGETAL

La Fisiología Vegetal es una de las múltiples ramas de la Biología y al igual que otras ramas, estudia los procesos de la vida, los cuales son similares o idénticos en muchos organismos, incluyendo a las plantas. El desarrollo de cada rama del saber científico es un proceso que atraviesa por varias etapas. La etapa contemporánea de la fisiología vegetal es el resultado de un largo desarrollo en el que han ejercido una gran influencia adelantos de otras ramas científicas, como son la fisiología animal, la física y la química.

 
Las plantas y los animales han desarrollado un patrón o hábito de vida diferente. Los animales tienen un desarrollo y funcionamiento definidos, y lo llevan a cabo acorde con las leyes del movimiento, es decir mecánicamente, mientras que las plantas crecen y se desarrollan sobre una base estructural. Los animales deben buscar su alimento  y sus límites a los cuales deben sujetarse, están dados por  su propia naturaleza, tamaño, etc. 

Las plantas en cambio, son sedentarias en general y producen su propio alimento y sus únicos limitantes están dados por su entorno inmediato y no están limitadas por condiciones mecánicas o de tamaño.
 

La Fisiología Vegetal estudia los fenómenos naturales en las plantas vivas, es la ciencia que trata los procesos y las funciones que se llevan a cabo en las plantas. Por proceso se puede entender una secuencia continua de eventos como: fotosíntesis, respiración, absorción, transpiración, etc, por lo que en primera instancia, la Fisiología Vegetal describe y explica los procesos de las plantas.

Como función se entiende la actividad natural de algo; ya sea una célula, un tejido o un órgano, por lo que el segundo papel de la Fisiología Vegetal es explicar la función de cada tipo de organelo celular así como la función de cada constituyente químico ya sea un ion mineral, una molécula o una macromolécula.

Los procesos y las funciones son dependientes uno de otro y pueden ser modificados por factores externos (del medio ambiente) como la luz, la temperatura, el suelo, etc, por lo que en un tercer nivel la Fisiología Vegetal describe y explica como los procesos y las funciones responden a las variaciones  de los factores del medio ambiente.

En resumen, se puede decir que la Fisiología Vegetal se encarga del estudio de los procesos y las funciones de los organismos vegetales y de las interacciones de estos procesos y funciones con los cambios que ocurren en el medio ambiente donde habitan las plantas.

La Fisiología Vegetal como ciencia independiente se formó entre finales del siglo XVIII y principios del XIX debido a los trabajos de muchos científicos como el inglés J. Priestley, el holandés J. Ingen Housz y el suizo T. de Saussure los cuales trabajando sobre la alimentación de las plantas con sustancias nutritivas, agua y CO₂, descubrieron las leyes principales de la vitalidad de las plantas.

Posteriormente, el fisiólogo alemán J. von Saks, y el científico ruso K.A. Timiriasev contribuyeron al desarrollo de la Fisiología Vegetal con investigaciones sobre algunos aspectos de la fotosíntesis; el químico alemán J. von Leibig y  D.A. Sabin, trabajaron sobre  aspectos  de la nutrición mineral de las plantas; y  los bioquímicos Garden y G. Krebs sobre la teoría de la respiración y el metabolismo de las plantas; así como de los científicos rusos E.P. Votchala y Maximov en aspectos del régimen hídrico.

RELACIÓN DE LA FISIOLOGÍA VEGETAL CON OTRAS CIENCIAS

El desarrollo de  la Fisiología Vegetal esta en correspondencia con el desarrollo de otras disciplinas. Muchas son las ciencias que apoyan el estudio de la fisiología vegetal y a menudo es necesario contar con conocimientos básicos de muchas de ellas para poder tener la capacidad de entender los procesos y funciones que se llevan a cabo en las plantas.

 
El campo de las ciencias botánicas experimentales se divide generalmente en varias partes y esta división se basa en los objetivos y métodos de investigación que pertenecen a cada una de ellas; la química orgánica vegetal trata del aislamiento e identificación de los compuestos que se encuentran en las plantas; la bioquímica de las transformaciones químicas que se llevan a cabo entre dichos compuestos; la genética trata de la forma en que las diferentes especies transmiten sus características específicas y particulares de generación en generación; la ecología comprende el estudio de las relaciones entre la planta y el medio. 

De esta manera, la fisiología vegetal, considerada como el estudio de las funciones y procesos que intervienen en el crecimiento y desarrollo de las plantas interfiere y se mezcla con todas las disciplinas botánicas descritas.  

En ocasiones es imposible trazar una línea divisoria entre los  aspectos de estas ciencias, pues estos no son sino diferentes puntos de vista y diferentes enfoques para estudiar las plantas. Sin embargo, el conocimiento de la fisiología es completamente esencial para estudiar y comprender los restantes aspectos de las plantas, así como, recíprocamente, se necesitan ciertas bases de bioquímica, genética y ecología para el estudio y comprensión de la Fisiología Vegetal.
 

Muchos de los procesos que tratan de explicar el funcionamiento integral de las plantas, están basados en leyes físicas y químicas por lo que es de vital importancia el papel de estas ciencias en proporcionar nuevas técnicas no solo para la solución de los viejos problemas sino también en el reconocimiento de los nuevos. Debido a que los procesos y las funciones no pueden entenderse a menos que se conozca algo de las estructuras a las que están asociados, se necesita también del conocimiento de la Anatomía Vegetal. 

La microscopia electrónica, la electroforesis, la  espectrofotometría y las técnicas de trazadores radiactivos, han resultado ser excelentes herramientas de trabajo para la investigación a fondo de las funciones de las plantas. También se usan muchas técnicas asociadas con la Biología Celular.

Las plantas han evolucionado constantemente a través del tiempo y todavía lo siguen haciendo. Aun las plantas más primitivas poseen sistemas altamente complejos de fotosíntesis, respiración, síntesis proteica y otros. En ellas también ha ocurrido la evolución de los procesos bioquímicos y fisiológicos sin embargo, los mecanismos que controlan la forma y patrón de desarrollo debieron evolucionar paralelamente a los que coordinan el funcionamiento de todas sus partes. 

Existe evidencia de que, aunque los procesos básicos de fotosíntesis y respiración no han cambiado por largo tiempo, algunos de los procesos subsidiarios y las interrelaciones bioquímicas entre ellos pueden estar sufriendo alteraciones considerables a medida que las plantas modernas evolucionan como respuesta a un medio ambiente en constante cambio.

Como resultado de este patrón estructural de crecimiento, las plantas enfrentan varios problemas especiales para conseguir la materia prima para fabricar sus alimentos los cuales han logrado resolver de diferentes maneras. 

IMPORTANCIA DE LA FISIOLOGIA VEGETAL      

La Fisiología Vegetal es una ciencia que puede contribuir en gran medida. dada su aplicación, al mejoramiento de las condiciones de vida de la población  y al desarrollo económico del país. Además de su considerable significación en ayudar al hombre en el entendimiento del  mundo que lo rodea, sirve también como fundamento en los numerosos avances recientes de la  agricultura.

La Fisiología Vegetal debe asumir un papel cada vez más importante en los programas de investigación de todos los cultivos. Nuestro país, con el gran incremento de la población, necesita cada vez más alimentos y su solución requiere de muchos esfuerzos en muchas disciplinas; los programas de investigación agrícola deberán tener como principal objetivo la producción de nuevas y mejores variedades de plantas de cultivo; el mejoramiento de las técnicas para la protección de las plantas contra insectos, enfermedades y hierbas indeseables; el control de la fertilidad de los suelos, y el incremento de la eficiencia de la mecanización. 

Se han obtenido grandes avances en la área de la agricultura, pero aun, como consecuencia de los atrasos acumulados y la falta de tradición en la aplicación de nuevas tecnologías y descubrimientos  científicos en la agricultura, nos quedan muchos aspectos por desarrollar. Todavía en los principales cultivos agrícolas como maíz, trigo, frijol, etc, tenemos fuertes deficiencias en su explotación. 

Por lo anterior, debe haber una intensificación de esfuerzos multidisciplinarios, lo cual demanda de los fisiólogos vegetales no solamente el suministro de información básica que considere como las plantas crecen y se desarrollan, sino también la implementación de programas de investigación diseñados para incrementar los rendimientos de los cultivos.

  

  De lo antes señalado, se puede comprender la íntima relación entre la fisiología vegetal y la agricultura; ella sirve de base y apoya científicamente al desarrollo agrícola.

      
DESCRIPCIÓN DE LAS FUNCIONES

Las plantas, al igual que todos los organismos, cumple con las funciones básicas de todos los seres vivos; nacer, crecer, reproducirse y morir. Para llevar a cabo esas funciones, las plantas necesitan realizar actividades diversas y que están relacionadas de alguna manera.

Al igual que para el estudio del ciclo de vida de un organismo podemos empezar por cualquier estadio ya que en un momento dado regresaremos a la fase de inicio (por eso es un ciclo), para estudiar el funcionamiento de una planta también podemos iniciarla con cualquier función ya que siempre regresaremos al punto de partida.

Absorción.- Trata de cómo la planta absorbe el agua a través de sus raíces, explica como ocurre el movimiento del agua en el suelo y cuáles son las fuerzas que entran en acción  para que el agua pase del suelo hacia el interior de la planta.

-         Formas de absorción

El agua puede ser absorbida prácticamente a través de cualquier superficie vegetal, pero en el caso de las plantas terrestres la casi totalidad del agua es absorbida a través de las raíces y solo una pequeña porción mediante los órganos aéreos. El agua es absorbida fundamentalmente por los pelos radicales y otras zonas de la raíz, y después su transporte hacia la parte aérea debe realizarse por los tejidos del xilema. 

El xilema es el tejido más importante en el transporte de agua, está formado por varios tipos de diferentes de células vivas y no vivas, entre las que puede señalarse los elementos traqueales, a través de los cuales se realiza prácticamente todo el transporte del agua, también se encuentran en el xilema las fibras y las células parenquimáticas vivas.

Elementos traqueales

Los elementos traqueales (tráqueas y traqueidas) constituyen el sistema conductor del agua y son las células más directamente relacionadas con el transporte del agua en la planta. Ambas son más o menos alargadas, tienen paredes secundarias lignificadas y están muertas durante su fase funcional. No hay en su interior ningún tipo de citoplasma que impida el paso del líquido, lo cual facilita el transporte eficaz del agua en cantidades relativamente grandes. 

Las paredes apicales están perforadas, características típicas tanto de las células de las tráqueas como de las traqueidas. En los vasos más evolucionados las paredes de los extremos pueden faltar totalmente, con lo cual no queda ningún obstáculo que se oponga al paso del agua a través de la célula. 

Si tomamos un gran número de células traqueales y las empalmamos por sus extremos, obtendremos una larga estructura en forma de tubo. Esta es exactamente la disposición que reencuentran en las células que forman los vasos, unidas entre sí por sus paredes terminales, y forman lo que se llama un vaso o conducto xilemático. 

Los vasos del tejido del xilema forman una red de conductos que se extienden por todas las regiones de la planta, y llevan a todas las células vivas un suministro de agua fácilmente accesible, siendo de importancia primordial para la planta, no solamente para mantener su turgencia, sino también para el transporte de otras sustancias (por ejemplo los elementos minerales) que pueden ser llevadas de una a otra célula por el movimiento de agua.

El conjunto de los vasos es la vía principal por la cual el agua es transportada en las angiospermas. Sin embargo no existen vasos en las coníferas, y en este grupo son las traqueidas las que constituyen la vía principal de circulación del agua. Estas traqueidas son largas células fusiformes, provistas de paredes terminales inclinadas en ángulo agudo y perforadas. 

Estas paredes terminales de las traqueidas se superponen, y constituyen así una vía continua para el movimiento del agua. Claro está que el moviendo del agua en un grupo de traqueidas es mucho menos directo y encuentra una resistencia mucho mayor que en un sistema de tráqueas. 

Aunque las tráqueas y las traqueidas estén orientadas en la planta en dirección vertical y el movimiento de agua tenga lugar de modo predominante en esta dirección, también existe un cierto movimiento lateral. Las paredes laterales de las tráqueas y traqueidas están perforadas en numerosas punteaduras, poros a a través de los cuales puede pasar el agua.

-         Absorción de agua por las raíces

Prácticamente las plantas realizan toda la absorción de agua a través del sistema radical y principalmente por la región de las raíces donde se encuentran los pelos absorbentes. El agua que penetra por los pelos absorbentes y otras células de la epidermis de la raíz, lo hace por efecto de un gradiente de presión de difusión. Regularmente el déficit de presión de difusión de las células de las raíces es superior que el de la disolución del suelo, por lo cual el agua penetra en las raíces procedentes del suelo.

En la medida que aumenta la concentración de solutos de las células o disminuya la presión de turgencia, se incrementará el déficit de presión de difusión celular y como resultado de ello aumentará la absorción de agua.

Podemos afirmar que la mayor parte de la absorción del agua tiene lugar por medio de un mecanismo osmótico (absorción pasiva). Sin embargo, algunos investigadores estiman que puede existir cierta absorción activa, no osmótica, parta la cual se requiere un gasto de energía metabólica; tanto es así que las teorías que explican la absorción de agua suelen denominarse teorías de absorción pasiva y teorías de absorción activa.

Transporte.- La palabra transporte implica el movimiento de algo de un sitio a otro y en la planta se mueven o necesitan ser transportadas muchas substancias de diferente índole, desde el agua misma, los nutrientes minerales, los fotosintatos o los fitorreguladores. Cada substancia transportada se gobierna por diferentes métodos de movimiento, y así, los fotosintatos se mueven en forma diferente que el agua o que los nutrientes minerales, por lo que en cada caso se explicará su transporte dentro de la planta. 

Las células utilizan diversos mecanismos para allegarse de agua y nutrientes, aprovechando fuerzas físicas como la difusión y cuando esto no es suficiente, utiliza estructuras y procesos que implican el movimiento de materiales en contra de los gradientes de concentración, aprovechando las diferencias en tamaño y muchas veces, involucra la utilización de energía, en forma de ATP.

Los elementos traqueales (tráqueas y traqueidas) constituyen el sistema conductor del agua y son las células más directamente relacionadas con el transporte del agua en la planta. Ambas son más o menos alargadas, tienen paredes secundarias lignificadas y están muertas durante su fase funcional. No hay en su interior ningún tipo de citoplasma que impida el paso del líquido, lo cual facilita el transporte eficaz del agua en cantidades relativamente grandes. 

Las paredes apicales están perforadas, características típicas tanto de las células de las tráqueas como de las traqueidas. En los vasos más evolucionados las paredes de los extremos pueden faltar totalmente, con lo cual no queda ningún obstáculo que se oponga al paso del agua a través de la célula. 

Si tomamos un gran número de células traqueales y las empalmamos por sus extremos, obtendremos una larga estructura en forma de tubo. Esta es exactamente la disposición que reencuentran en las células que forman los vasos, unidas entre sí por sus paredes terminales, y forman lo que se llama un vaso o conducto xilemático. 

Los vasos del tejido del xilema forman una red de conductos que se extienden por todas las regiones de la planta, y llevan a todas las células vivas un suministro de agua fácilmente accesible, siendo de importancia primordial para la planta, no solamente para mantener su turgencia, sino también para el transporte de otras sustancias (por ejemplo los elementos minerales) que pueden ser llevadas de una a otra célula por el movimiento de agua. 

El conjunto de los vasos es la vía principal por la cual el agua es transportada en las angiospermas. Sin embargo no existen vasos en las coníferas, y en este grupo son las traqueidas las que constituyen la vía principal de circulación del agua. Estas traqueidas son largas células fusiformes, provistas de paredes terminales inclinadas en ángulo agudo y perforadas. 

Estas paredes terminales de las traqueidas se superponen, y constituyen así una vía continua para el movimiento del agua. Claro está que el moviendo del agua en un grupo de traqueidas es mucho menos directo y encuentra una resistencia mucho mayor que en un sistema de tráqueas. 

Aunque las tráqueas y las traqueidas estén orientadas en la planta en dirección vertical y el movimiento de agua tenga lugar de modo predominante en esta dirección, también existe un cierto movimiento lateral. Las paredes laterales de las tráqueas y traqueidas están perforadas en numerosas punteaduras, poros a a través de los cuales puede pasar el agua.

En la difusión, los solutos se mueven gradualmente a través de un gradiente de concentración, esto es, una transición entre las regiones de mayor y menor concentración. En la difusión, el movimiento es a favor del gradiente de concentración, de una región de mayor a una de menor concentración. Dicho movimiento conduce a un equilibrio, una distribución aleatoria equitativa. La difusión es un tipo de transporte pasivo, pues no precisa de energía.

Puede tener lugar en soluciones abiertas o en dos soluciones separadas por una membrana, particularmente con respecto a sustancias liposolubles, que se mueven con facilidad entre las membranas.

Muchas moléculas hidrosolubles son asistidas por proteínas transportadoras para su difusión a través de la membrana plasmática, un proceso conocido como difusión facilitada. Las proteínas transportadoras suelen estar incrustadas en la membrana plasmática. El soluto produce cambios en la proteína, con lo cual esta entra o sale a la célula. La difusión facilitada es similar a la simple, ya que el soluto se mueve de una región de mayor a una de menor concentración.

Por lo mismo es un transporte pasivo.

Algunas proteínas transportadoras parecen actuar de manera independiente. Otras se asocian para formar canales en la membrana plasmática y pueden adoptar formas para cerrarse o abrirse, en cuyo caso se denominan proteínas de canal, regulando así el transporte de solutos.

El diámetro del canal regula el tamaño de las moléculas que pueden moverse de un lado al otro de la membrana. Los sitios de unión específicos también controlan los solutos que en concreto pueden entrar al canal. Los canales pueden abrirse o cerrarse según los solutos que se transporta o debido a la acción de otras moléculas que controlan la difusión. 

En ocasiones, el transporte a través de una membrana se produce en contra del gradiente de concentración, desde una región de menor a una de mayor concentración.  Dado que este transporte precisa energía para variar el gradiente, no es pasivo, como la difusión, sino que se dice que es un transporte activo. La energía para el transporte activo procede del ATP o de la liberación de energía de las cadenas de transporte de electrones. El transporte activo puede implicar la acción de una sola proteína o de dos proteínas.