La fotosíntesis y la respiración celular
En el Área de Conservación Guanacaste, un guanacaste enorme da sombra a un potrero. Durante el día toma CO₂ del aire y crece; de noche, ese mismo árbol libera CO₂. ¿Cómo puede el mismo árbol absorber y liberar el mismo gas? Para responderlo, usted necesita entender dos procesos que se complementan: la fotosíntesis y la respiración celular.
Fotosíntesis: capturar la energía de la luz
Un árbol puede pesar toneladas, pero casi toda su masa viene del aire y del agua, no del suelo. Las plantas, las algas y algunas bacterias construyen su propio alimento: son autótrofas.
En palabras y con fórmulas:
$$\text{dióxido de carbono} + \text{agua} \xrightarrow{\text{luz}} \text{glucosa} + \text{oxígeno}$$ $$6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{luz, clorofila}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2$$En las células vegetales ocurre en los cloroplastos. Estos contienen el pigmento clorofila, que absorbe sobre todo luz roja y azul y refleja la verde (por eso las hojas se ven verdes). Esa energía luminosa se usa para fabricar ATP y otras moléculas transportadoras, que a su vez se emplean para construir la glucosa.
Escriba la ecuación general de la fotosíntesis, con los reactivos y los productos en palabras o con fórmulas químicas. Luego indique en qué organelo de la célula vegetal…
Escriba la ecuación general de la fotosíntesis, con los reactivos y los productos en palabras o con fórmulas químicas. Luego indique en qué organelo de la célula vegetal ocurre este proceso y qué pigmento principal capta la luz.
Respiración celular aerobia: liberar la energía
Una planta fabrica glucosa, pero la célula no puede «gastar» glucosa directamente. Necesita ATP, la molécula que transporta la energía lista para usar en cada tarea celular (transporte, crecimiento, contracción muscular).
$$\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\,\text{O}_2 \longrightarrow 6\,\text{CO}_2 + 6\,\text{H}_2\text{O} + \text{ATP (y calor)}$$Parte de la energía se libera como calor; por eso usted siente calor al correr un partido de fútbol. En una célula, un buen rendimiento es de unas 30 a 32 moléculas de ATP por cada glucosa.
Todas las células con mitocondrias respiran: las de los animales, los hongos y también las de las plantas, de día y de noche. Las plantas hacen fotosíntesis y respiran.
Una forma práctica de organizar los datos del proceso:
| Elemento | ¿Entrada o salida? |
|---|---|
| Glucosa | Entrada |
| Oxígeno | Entrada (acepta los electrones al final y permite degradar del todo la glucosa) |
| CO₂ | Salida |
| Agua | Salida |
| ATP | Salida (energía útil) |
Una estudiante del colegio afirma que las plantas hacen fotosíntesis y por eso no necesitan respirar. Explique brevemente por qué esa afirmación es incorrecta y nombre…
Una estudiante del colegio afirma que las plantas hacen fotosíntesis y por eso no necesitan respirar. Explique brevemente por qué esa afirmación es incorrecta y nombre el organelo donde se realiza la respiración celular aerobia en las células de una planta.
Clasifique cada uno de los siguientes elementos como «entrada» o «salida» de la respiración celular aerobia: glucosa, dióxido de carbono, oxígeno, agua y ATP. Justifique…
Clasifique cada uno de los siguientes elementos como «entrada» o «salida» de la respiración celular aerobia: glucosa, dióxido de carbono, oxígeno, agua y ATP. Justifique en una frase la clasificación del oxígeno.
Opuestos y complementarios
Si compara las dos ecuaciones, verá que los productos de una son los reactivos de la otra. La fotosíntesis almacena energía; la respiración la libera.
| Criterio | Fotosíntesis | Respiración celular aerobia |
|---|---|---|
| Entradas | CO₂, H₂O, luz | Glucosa, O₂ |
| Salidas | Glucosa, O₂ | CO₂, H₂O, ATP (y calor) |
| Organelo | Cloroplasto | Mitocondria |
| Energía | Luminosa → química (glucosa) | Química (glucosa) → química (ATP) y calor |
| Tipo | Anabólico | Catabólico |
| ¿Quién la realiza? | Plantas, algas, algunas bacterias | Casi todos los seres vivos |
Son opuestos porque la materia fluye en sentidos contrarios, y complementarios porque cada uno aporta lo que el otro necesita. Pero cuidado con una diferencia importante: la materia circula en ciclos, mientras que la energía no (se verá al final).
Elabore un cuadro comparativo de la fotosíntesis y la respiración celular aerobia con estos criterios: entradas, salidas, organelo donde ocurre, tipo de transformación…
Elabore un cuadro comparativo de la fotosíntesis y la respiración celular aerobia con estos criterios: entradas, salidas, organelo donde ocurre, tipo de transformación de la energía (de qué forma a qué forma) y si el proceso es anabólico o catabólico. Después explique en dos o tres líneas en qué sentido se dice que ambos procesos son opuestos y complementarios.
Sin oxígeno: respiración anaerobia y fermentación
¿Qué pasa si no hay oxígeno? Algunas células pueden obtener energía de la glucosa sin él, pero sacan mucho menos: 2 ATP por glucosa, frente a unas 30 en la aerobia. La glucosa no se degrada por completo y quedan productos todavía ricos en energía.
Las levaduras (hongos unicelulares) se usan para el pan: el CO₂ liberado forma burbujas que quedan atrapadas en la masa, y esta «crece». El etanol se evapora al hornear. Con la misma idea se elaboran el queso y el yogur (fermentación láctica), y las bebidas fermentadas.
| Aerobia | Fermentación alcohólica | |
|---|---|---|
| Oxígeno | Necesario | No |
| ATP por glucosa | ≈ 30 | 2 |
| Productos finales | CO₂ y H₂O | Etanol y CO₂ |
Algunas bacterias de los sedimentos de humedales y manglares hacen respiración anaerobia con otras sustancias (nitratos o sulfatos) en lugar de oxígeno. Por eso en el lodo de un manglar a veces huele a huevo podrido: se libera sulfuro de hidrógeno.
Una finca de la zona de San Carlos produce levadura para elaborar pan. En un recipiente cerrado y sin oxígeno, las células de levadura degradan glucosa y producen etanol…
Una finca de la zona de San Carlos produce levadura para elaborar pan. En un recipiente cerrado y sin oxígeno, las células de levadura degradan glucosa y producen etanol y dióxido de carbono. (a) Nombre este proceso. (b) Compárelo con la respiración aerobia en cuanto a la cantidad de ATP que se obtiene por molécula de glucosa y a los productos finales. (c) Explique por qué la masa de pan «crece» durante el proceso.
Observar los procesos: una planta acuática
Valeria coloca una planta acuática en un frasco con agua, bajo una lámpara. Observa burbujas en las hojas. Cuando cubre el frasco con papel oscuro, las burbujas desaparecen.
El gas de las burbujas es oxígeno, producido por la fotosíntesis. Sin luz, esa etapa se detiene y no hay O₂ nuevo. Pero la planta sigue respirando: consume O₂ y libera CO₂, que en el agua se disuelve, así que no se ven burbujas. Una forma de comprobar ese CO₂ es medir el pH del agua (baja un poco porque se forma ácido carbónico).
Valeria coloca una planta acuática en un frasco transparente con agua y la expone a la luz; observa burbujas de gas que suben desde las hojas. Luego tapa el frasco con…
Valeria coloca una planta acuática en un frasco transparente con agua y la expone a la luz; observa burbujas de gas que suben desde las hojas. Luego tapa el frasco con papel oscuro y las burbujas dejan de aparecer. (a) Identifique el gas de las burbujas. (b) Explique por qué dejan de aparecer en la oscuridad. (c) Indique qué proceso sigue ocurriendo en la planta durante la oscuridad y qué gas consume.
Carbono y energía: el balance de una hoja y el recorrido del carbono
Una hoja hace fotosíntesis y respiración al mismo tiempo de día, y solo respiración de noche. Lo que se mide desde fuera es el intercambio neto de CO₂:
$$\text{intercambio neto} = \text{CO}_2 \text{ absorbido (fotosíntesis)} - \text{CO}_2 \text{ liberado (respiración)}$$| Momento | Qué predomina | Intercambio neto |
|---|---|---|
| Mediodía | Fotosíntesis > respiración | Absorbe CO₂ |
| Noche | Solo respiración | Libera CO₂ |
| Amanecer o atardecer | Fotosíntesis = respiración | Cero (punto de compensación) |
Que el neto sea cero no significa que no ocurra nada: significa que los dos procesos tienen la misma tasa y el CO₂ que produce uno lo usa el otro. Para que una planta crezca, necesita más fotosíntesis que respiración durante el día.
El viaje del carbono
El carbono circula. Por ejemplo, un átomo de carbono exhalado por una persona:
-
Sale como CO₂ al aire.
-
Una planta de frijol lo absorbe y, mediante la fotosíntesis, lo incorpora en la glucosa y luego en almidón, proteínas y otras moléculas orgánicas.
-
Una persona come el frijol: el carbono pasa a su cuerpo en moléculas orgánicas (glucosa, aminoácidos).
-
Con la respiración celular, parte del carbono vuelve a salir como CO₂; otra parte forma tejidos.
-
Cuando algo muere, los desintegradores (bacterias y hongos) lo degradan y devuelven el carbono al ambiente como CO₂.
La energía no cierra el ciclo. Entra como luz, pasa de un nivel trófico a otro como energía química y en cada paso gran parte se pierde como calor (ley del diezmo ecológico: solo cerca del 10 % pasa al siguiente nivel). El calor no puede volver a usarse para hacer fotosíntesis, así que el ecosistema necesita un aporte continuo de luz solar. Por eso se dice que la energía fluye en un solo sentido y la materia circula.
En un bosque del Área de Conservación Guanacaste, durante el día una hoja de un árbol realiza fotosíntesis y respiración al mismo tiempo, mientras que de noche solo…
En un bosque del Área de Conservación Guanacaste, durante el día una hoja de un árbol realiza fotosíntesis y respiración al mismo tiempo, mientras que de noche solo respira. Un grupo de estudiantes mide el intercambio neto de CO₂ de la hoja y obtiene que al mediodía hay una absorción neta de CO₂, de noche hay una liberación neta y a cierta hora temprano en la mañana el intercambio neto es cero. Interprete cada uno de los tres resultados indicando qué proceso predomina, y argumente qué significa que el intercambio neto sea cero respecto a las tasas de fotosíntesis y respiración. Explique por qué, para que la planta crezca, la tasa de fotosíntesis debe superar en promedio a la de respiración.
Los átomos de carbono de una molécula de CO₂ liberada por un ser humano pueden terminar formando parte de un frijol que luego otra persona consume. Describa, paso a…
Los átomos de carbono de una molécula de CO₂ liberada por un ser humano pueden terminar formando parte de un frijol que luego otra persona consume. Describa, paso a paso, el recorrido de ese carbono a través de la fotosíntesis, el consumo, la respiración celular y la descomposición, indicando en cada paso en qué molécula se encuentra el carbono. Luego analice por qué la energía no recicla del mismo modo que el carbono y cómo se pierde a lo largo de la cadena alimentaria.
Resumen
Vuelva al principio: el guanacaste absorbe CO₂ de día porque su fotosíntesis supera a su respiración, y lo libera de noche porque solo respira; en ambos casos sus células usan ATP obtenido de la glucosa.