Exercicis: La fotosíntesi

Escriu l'equació química global de la fotosíntesi i identifica els reactius, els productes i la font d'energia del procés.

Quin pigment captura la llum en la fotosíntesi i en quin orgànul cel·lular es troba? Explica per què les fulles són verdes i què passa amb aquest color a la tardor en les espècies caducifòlies.

Cita i explica tres raons per les quals la fotosíntesi és imprescindible per a la vida a la Terra, pensant en la matèria, l'energia i l'atmosfera.

Anomena els principals pigments fotosintètics (clorofil·les a i b, carotenoides) i explica què és l'espectre d'absorció: quins colors de la llum aprofiten i quin reflecteixen, relacionant-ho amb el color que veiem.

Explica on té lloc la fotosíntesi dins del cloroplast: què són els tilacoides i els grana i què és l'estroma, indicant quina fase del procés té lloc a cada compartiment.

De quina molècula procedeix l'oxigen que allibera la fotosíntesi: del $\text{CO}_2$ o de l'aigua? Explica com es va comprovar utilitzant isòtops marcats ($\text{O-18}$) i per què el resultat va ser decisiu.

Explica què és la fotòlisi de l'aigua i quins tres productes genera (electrons, protons i oxigen), indicant per a què utilitza la planta els dos primers.

Cita tres factors ambientals que influeixen en la taxa fotosintètica (intensitat de llum, concentració de $\text{CO}_2$ i temperatura) i explica breument com actua cadascun quan escasseja o quan és excessiu.

Distingeix la fase lumínica i la fase fosca (cicle de Calvin) de la fotosíntesi: en quina part del cloroplast té lloc cadascuna, quines substàncies hi entren i què s'obté en cada fase.

Les equacions globals de la fotosíntesi i de la respiració cel·lular semblen simètriques. Raona per què, malgrat això, no són processos inversos: compara orgànuls, mecanismes i el sentit energètic de cadascun.

L'esquema mostra l'intercanvi de matèria en una fulla durant la fotosíntesi. a) Indica quina substància transporta la fletxa marcada amb «?» que surt pel nervi i cap a quines parts de la planta viatja. b) Escriu l'equació global del procés i relaciona cada fletxa amb els reactius o productes. c) Anomena l'estructura de l'epidermis per la qual entra el $\text{CO}_2$.

Què és el punt de compensació de la llum? Explica què passa quan la fotosíntesi iguala la respiració, què li passa a una planta que viu setmanes per sota d'aquest punt (d'on treu l'energia?) i per què les plantes de sotabosc tenen punts de compensació més baixos que les de ple sol.

Dissenya un experiment amb una planta aquàtica (Elodea) per mesurar com varia la fotosíntesi amb la distància a un llum: hipòtesi, variable independent, com es mesura el ritme (bombolles de $\text{O}_2$ per minut), dos controls necessaris i una limitació del mètode.

Els hivernacles enriqueixen l'aire amb $\text{CO}_2$ per augmentar la collita. Explica per què funciona recorrent a la llei del mínim (factor limitant), si l'augment de producció que es pot aconseguir és il·limitat i quins altres factors passen a ser limitants un cop corregit el $\text{CO}_2$.

Una fulla variegada té zones blanques sense clorofil·la. Després d'unes hores de llum, es decolora i es tenyeix amb lugol. Prediu quines zones es tenyiran de blau fosc, explica què demostra el resultat (què detecta el lugol?) i per què cal eliminar abans la clorofil·la de la fulla.

La concentració de $\text{CO}_2$ atmosfèric puja cada any, però amb una oscil·lació estacional (les «dents de serra» de la corba de Keeling). Explica què causa aquesta oscil·lació anual, per què reflecteix sobretot la fotosíntesi de l'hemisferi nord i què diu sobre l'escala de l'activitat de la biosfera.

Un hivernacle comercial de tomàquets a Almeria instal·la il·luminació LED suplementària per augmentar la producció hivernal. En augmentar la irradiància de $400$ a $800\ \mu\text{mol}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{s}^{-1}$, la taxa de fixació de $\text{CO}_2$ només s'incrementa un $4\,\%$, assolint un altiplà imprevist.

1. a) Justifica a escala fisiològica i molecular per què a partir de certa intensitat lluminosa la taxa fotosintètica es satura encara que continuï havent-hi més fotons disponibles.
2. b) Formula una hipòtesi sobre quin factor ambiental alternatiu està limitant el procés a l'hivernacle i dissenya un experiment amb variables controlades per contrastar-la.
3. c) Prediu raonadament com canviarà la corba de saturació lumínica i la taxa fotosintètica màxima si s'enriqueix l'atmosfera de l'hivernacle amb $\text{CO}_2$ gasós.

En un assaig agronòmic en una zona semiàrida sotmesa a una onada de calor ($38\ ^\circ\text{C}$) i sequera estival, es monitoritzen tres parcel·les confrontants: blat (C3), sorgo (C4) i figuera de moro (Opuntia, CAM).

1. a) Es mesura l'acidesa vacuolar (concentració de malat) i l'obertura estomàtica a les 03:00 de la matinada i a les 14:00 del migdia. Prediu quin conreu mostrarà màxima acidesa a les 03:00 i justifica com aquesta adaptació li permet sobreviure amb una despesa hídrica mínima.
2. b) Durant les hores centrals del dia, el blat redueix dràsticament la seva taxa neta d'assimilació de carboni fins a valors propers a zero, mentre que el sorgo manté una taxa neta positiva molt elevada. Justifica aquest contrast a escala enzimàtica (RuBisCO enfront de PEP carboxilasa) en relació amb el tancament estomàtic i la fotorespiració.
3. c) En un escenari experimental amb $\text{CO}_2$ enriquit artificialment però sense dèficit hídric, prediu quin dels dos conreus (C3 o C4) experimentarà un increment percentual més gran en la seva taxa fotosintètica i raona el perquè.

Per reforestar un vessant degradat, es planta un plançó amb una massa seca inicial de $50\ \text{g}$. Al cap de dos anys, la seva biomassa seca (constituïda principalment per cel·lulosa, polímer de glucosa) arriba als $2{,}5\ \text{kg}$, mentre que el sòl circumdant només ha perdut $15\ \text{g}$ de sals minerals netes.

1. a) Rebat l'error comú que la massa de les plantes procedeix del sòl: justifica l'origen dels $2450\ \text{g}$ de matèria orgànica guanyada i calcula quina massa mínima de $\text{CO}_2$ atmosfèric ha hagut d'assimilar la planta per sintetitzar aquesta quantitat de glucosa equivalent ($M_m(\text{glucosa}) = 180\ \text{g/mol}$; $M_m(\text{CO}_2) = 44\ \text{g/mol}$).
2. b) Les mesures amb analitzadors de gasos indiquen que la planta va fixar en realitat una massa significativament superior de $\text{CO}_2$ a la calculada a l'apartat anterior. Explica biològicament aquesta discrepància a partir del balanç entre fotosíntesi bruta, fotosíntesi neta i respiració cel·lular.
3. c) Si es regués l'arbre amb aigua marcada amb l'isòtop pesant $^{18}\text{O}$ ($\text{H}_2^{18}\text{O}$) i se subministrés $\text{CO}_2$ ordinari, prediu justificadament en quin dels productes de la fotosíntesi (en la glucosa o en l'$\text{O}_2$ emès) es detectarà aquest isòtop, detallant la fase fotosintètica implicada.

La corba de Keeling mostra la concentració de $\text{CO}_2$ atmosfèric a Mauna Loa des de 1958, combinant una tendència contínua a l'alça amb una oscil·lació periòdica anual en «dent de serra» (màxim al maig, mínim a l'octubre).

1. a) Interpreta la causa biològica planetària de l'oscil·lació anual i raona per què el mínim de $\text{CO}_2$ es registra a l'inici de la tardor boreal (octubre) i no en el solstici d'estiu, i per què les estacions de l'hemisferi sud no neutralitzen aquesta oscil·lació.
2. b) A l'estació de mesurament del Pol Sud, la tendència de fons ascendent és idèntica, però l'oscil·lació anual té una amplitud gairebé negligible (inferior a $1\ \text{ppm}$ enfront de les $\sim 6\ \text{ppm}$ de Hawaii). Justifica biogeogràficament aquesta discrepància.
3. c) Sabent que els embornals biològics terrestres i oceànics absorbeixen actualment prop del $50\,\%$ del $\text{CO}_2$ d'origen antropogènic, prediu i justifica com s'alteraria el pendent de la corba de Keeling si l'estrès tèrmic transformés els boscos boreals d'embornals nets a emissors nets de carboni.

El 1882, T. W. Engelmann va il·luminar un filament de l'alga verda Spirogyra amb un espectre de llum visible obtingut amb un prisma, utilitzant bacteris mòbils aerotàctics per mapar la producció d'oxigen.

1. a) Identifica la variable independent, la variable dependent i el biosensor en aquest disseny experimental, justificant el fonament biològic del desplaçament bacterià.
2. b) Prediu al llarg de quines longituds d'ona de l'espectre ($400\text{--}700\ \text{nm}$) es van observar els agregats bacterians més densos i justifica per què aquesta distribució es correlaciona sobretot amb l'espectre d'absorció de les clorofil·les i no es pot explicar només amb el dels carotenoides accessoris.
3. c) Imagina que es repeteix l'experiment substituint Spirogyra per un cianobacteri bentònic profund dotat de ficobilines (pigments amb absorció òptima entre $500$ i $600\ \text{nm}$). Prediu com canviaria el patró d'agregació bacteriana i dedueix l'avantatge ecològic d'aquests pigments en hàbitats aquàtics.

L'enzim RuBisCO és bifuncional: catalitza tant la carboxilació (fotosíntesi) com l'oxigenació de la ribulosa-1,5-bisfosfat (fotorrespiració). En un experiment de fisiologia vegetal, es cultiven exemplars idèntics de soja (planta C3) a $30\ ^\circ\text{C}$ en dues cambres amb idèntica llum i la mateixa concentració de $\text{CO}_2$ ($0{,}04\,\%$), però variant l'oxigen: Cambra 1 ($21\,\%$ $\text{O}_2$) i Cambra 2 ($2\,\%$ $\text{O}_2$).

1. a) Prediu a quina cambra serà més gran la taxa fotosintètica neta i el guany de biomassa. Justifica la teva deducció explicant el balanç energètic i de carboni de la fotorrespiració.
2. b) Si s'eleva la temperatura de les dues cambres de $30\ ^\circ\text{C}$ a $40\ ^\circ\text{C}$, el rendiment fotosintètic a la Cambra 1 cau de manera dràstica, mentre que a la Cambra 2 es manté gairebé constant. Justifica aquest resultat considerant l'afinitat enzimàtica de la RuBisCO i la solubilitat relativa de tots dos gasos en escalfar-se l'aigua.
3. c) La biotecnologia persegueix introduir rutes C4 en conreus C3 com el blat o l'arròs. Argumenta si aquesta modificació aportaria un avantatge adaptatiu clar en latituds fredes i temperades o si, per contra, podria minvar el seu rendiment respecte a les varietats no modificades.

Una companyia de transport aeri ofereix «compensar» la petjada de carboni d'una ruta que emet $132\ \text{t}$ de $\text{CO}_2$ al mes finançant una reforestació. La memòria del projecte indica que una hectàrea de pineda jove acumula en biomassa neta unes $6\ \text{t}$ de carboni elemental ($C$) a l'any.

1. a) Realitza el balanç de massa estequiomètric: calcula quantes tones de $\text{CO}_2$ atmosfèric retira a l'any una hectàrea d'aquest bosc i determina la superfície mínima de plantació requerida per compensar les emissions anuals d'aquesta ruta aèria ($M_m(C) = 12\ \text{g/mol}$; $M_m(\text{CO}_2) = 44\ \text{g/mol}$).
2. b) Des de la perspectiva del cicle biogeoquímic global, justifica per què substituir la reducció d'emissions fòssils per embornals forestals presenta una asimetria crítica pel que fa a temps geològic de fixació i vulnerabilitat del reservori.
3. c) A mesura que el bosc reforestat avanci cap a una comunitat clímax madura, prediu si continuarà retirant $\text{CO}_2$ net de l'atmosfera al mateix ritme per hectàrea. Justifica la teva resposta analitzant la relació entre fotosíntesi bruta ($P$) i respiració de l'ecosistema ($R$).

Tot i que el fitoplàncton marí representa menys de l'$1\,\%$ de la biomassa fotosintètica global, és responsable de gairebé el $50\,\%$ de la producció primària neta de la biosfera.

1. a) Resol aquesta aparent paradoxa ecològica comparant el temps de residència de la matèria orgànica i la taxa de renovació (quocient producció/biomassa, $P/B$) de les microalgues marines respecte als arbres d'un bosc temperat.
2. b) En mars tropicals on la radiació solar i la temperatura són òptimes tot l'any, la productivitat fotosintètica sol ser extraordinàriament baixa. Justifica el paper de la termoclina permanent en aquest fenomen i prediu l'impacte de l'escalfament superficial dels oceans sobre l'extensió d'aquestes àrees oligotròfiques.
3. c) Explica el funcionament de l'anomenada «bomba biològica de carboni» oceànica i prediu les conseqüències d'un declivi del fitoplàncton tant sobre l'escalfament global com sobre els nivells tròfics superiors de la xarxa marina pelàgica.