La fotosíntesis
Un maizal en Jalisco crece de unas semillas a una planta de dos metros en pocos meses. ¿De dónde sale toda esa materia, si el suelo casi no pierde masa? La respuesta está en las hojas, y es la base de toda la energía que circula en un ecosistema.
La ecuación global y los pigmentos
Sumerge una rama de una planta acuática en agua iluminada y verás subir burbujas continuas que cesan al apagar la luz. ¿Qué gas es, y de qué materias procede la masa que gana la planta?
$$6\,\mathrm{CO_2}+6\,\mathrm{H_2O}\xrightarrow{\text{luz}}\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\,\mathrm{O_2}$$En palabras: dióxido de carbono más agua, con energía de la luz, producen glucosa y oxígeno. Los reactivos son el CO₂ y el H₂O, los productos son la glucosa y el O₂, y la fuente de energía es la luz solar.
Las plantas no son las únicas: las algas y el fitoplancton de mares y lagos también fotosintetizan, y producen gran parte del oxígeno del planeta.
La respiración celular, el proceso complementario
Los seres vivos necesitan energía útil. En la respiración celular, tanto de plantas como de animales, las moléculas del alimento (como la glucosa) se rompen y se libera energía que la célula puede usar.
$$\mathrm{C_6H_{12}O_6}+6\,\mathrm{O_2}\rightarrow 6\,\mathrm{CO_2}+6\,\mathrm{H_2O}+\text{energía}$$Las plantas hacen las dos cosas: fotosintetizan cuando hay luz y respiran todo el tiempo. Los animales solo respiran. Juntas, fotosíntesis y respiración son las dos etapas del ciclo del carbono: la primera saca carbono de la atmósfera y lo pone en moléculas orgánicas; la segunda lo devuelve.
| Fotosíntesis | Respiración celular | |
|---|---|---|
| Dónde | Cloroplastos | Mitocondrias (y citoplasma) |
| Reactivos | CO₂ y H₂O | Glucosa y O₂ |
| Productos | Glucosa y O₂ | CO₂, H₂O y energía útil |
| Energía | Se capta (luz) y se almacena | Se libera |
| Quién | Organismos fotosintéticos | Casi todos los seres vivos |
En otoño, en las especies caducifolias, la clorofila se degrada antes que los carotenoides y aparecen los amarillos y naranjas que antes quedaban tapados.
Escribe la ecuación química global de la fotosíntesis e identifica los reactivos, los productos y la fuente de energía del proceso.
Escribe la ecuación química global de la fotosíntesis e identifica los reactivos, los productos y la fuente de energía del proceso.
¿Qué pigmento captura la luz en la fotosíntesis y en qué orgánulo celular se encuentra? Explica por qué las hojas son verdes y qué ocurre con ese color en otoño en las…
¿Qué pigmento captura la luz en la fotosíntesis y en qué orgánulo celular se encuentra? Explica por qué las hojas son verdes y qué ocurre con ese color en otoño en las especies caducifolias.
Por qué importa la fotosíntesis
Pensando en materia, energía y atmósfera, la fotosíntesis es imprescindible por tres razones:
-
Materia: convierte carbono inorgánico (CO₂) en materia orgánica. Con ella se forman la planta y, al comerla, los herbívoros y toda la red trófica. La masa de una planta viene sobre todo del CO₂ y del agua, no del suelo.
-
Energía: transforma la energía de la luz en energía química almacenada en las moléculas orgánicas. Es la entrada de energía de casi todos los ecosistemas.
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Atmósfera: libera O₂, que usamos para respirar, y retira CO₂, un gas de efecto invernadero.
Cita y explica tres razones por las que la fotosíntesis es imprescindible para la vida en la Tierra, pensando en la materia, la energía y la atmósfera.
Cita y explica tres razones por las que la fotosíntesis es imprescindible para la vida en la Tierra, pensando en la materia, la energía y la atmósfera.
El cloroplasto: tilacoides y estroma
La estructura explica la función. La fotosíntesis ocurre en los cloroplastos, orgánulos de las células vegetales y de las algas. Es una de las «estructuras responsables» de capturar la energía solar.
Distingue la fase lumínica y la fase oscura (ciclo de Calvin) de la fotosíntesis: en qué parte del cloroplasto ocurre cada una, qué sustancias entran y qué se obtiene en…
Distingue la fase lumínica y la fase oscura (ciclo de Calvin) de la fotosíntesis: en qué parte del cloroplasto ocurre cada una, qué sustancias entran y qué se obtiene en cada fase.
De la hoja al ciclo del carbono
Las hojas intercambian gases con el aire a través de los estomas, pequeños poros de la epidermis. Por ellos entra el CO₂ y sale el O₂ (y vapor de agua). El agua llega por los nervios, y la glucosa formada viaja también por los nervios hacia otras partes de la planta.
La fotosíntesis es la puerta de entrada del carbono a la biosfera: el carbono del CO₂ atmosférico pasa a los azúcares, de ahí a la red trófica y, por la respiración y la descomposición, regresa a la atmósfera. Verás este ciclo completo en otra sección del curso.
Las ecuaciones globales de la fotosíntesis y de la respiración celular parecen simétricas. Razona por qué, a pesar de ello, no son procesos inversos: compara orgánulos,…
Las ecuaciones globales de la fotosíntesis y de la respiración celular parecen simétricas. Razona por qué, a pesar de ello, no son procesos inversos: compara orgánulos, mecanismos y el sentido energético de cada uno.
El esquema muestra el intercambio de materia en una hoja durante la fotosíntesis. a) Indica qué sustancia transporta la flecha marcada con «?» que sale por el nervio y…
El esquema muestra el intercambio de materia en una hoja durante la fotosíntesis. a) Indica qué sustancia transporta la flecha marcada con «?» que sale por el nervio y hacia qué partes de la planta viaja. b) Escribe la ecuación global del proceso y relaciona cada flecha con los reactivos o productos. c) Nombra la estructura de la epidermis por la que entra el $\text{CO}_2$.
Factores limitantes
En un laboratorio, al iluminar una planta con focos cada vez más potentes, la tasa fotosintética sube al principio y luego se estanca en una meseta. ¿Por qué más luz deja de acelerar el proceso?
Los factores principales son:
-
Luz: con poca luz, la tasa crece casi proporcional a ella; con mucha, se satura (la maquinaria de captura y las enzimas ya trabajan al máximo).
-
CO₂: entra por los estomas. Si los estomas se cierran para ahorrar agua, el CO₂ escasea.
-
Temperatura: las reacciones dependen de enzimas; con frío van lentas y con calor excesivo las enzimas se dañan.
Esto explica por qué la productividad cambia entre ecosistemas: una selva con mucha luz, calor y agua fotosintetiza mucho más que un desierto, donde el agua y los estomas cerrados limitan el proceso.
Un invernadero comercial de tomates en Almería instala iluminación LED suplementaria para aumentar la producción invernal. Al aumentar la irradiancia de $400$ a…
Un invernadero comercial de tomates en Almería instala iluminación LED suplementaria para aumentar la producción invernal. Al aumentar la irradiancia de $400$ a $800\ \mu\text{mol}\times\text{m}^{-2}\times\text{s}^{-1}$, la tasa de fijación de $\text{CO}_2$ solo se incrementa un $4\,\%$, alcanzando una meseta imprevista.
- a) Justifica a nivel fisiológico y molecular por qué a partir de cierta intensidad luminosa la tasa fotosintética se satura aunque siga habiendo más fotones disponibles.
- b) Formula una hipótesis sobre qué factor ambiental alternativo está limitando el proceso en el invernadero y diseña un experimento con variables controladas para contrastarla.
- c) Predice razonadamente cómo cambiará la curva de saturación lumínica y la tasa fotosintética máxima si se enriquece la atmósfera del invernadero con $\text{CO}_2$ gaseoso.
En un ensayo agronómico en una zona semiárida sometida a una ola de calor ($38\ ^\circ\text{C}$) y sequía estival, se monitorizan tres parcelas colindantes: trigo (C3),…
En un ensayo agronómico en una zona semiárida sometida a una ola de calor ($38\ ^\circ\text{C}$) y sequía estival, se monitorizan tres parcelas colindantes: trigo (C3), sorgo (C4) y chumbera (Opuntia, CAM).
- a) Se mide la acidez vacuolar (concentración de malato) y la apertura estomática a las 03:00 de la madrugada y a las 14:00 del mediodía. Predice qué cultivo mostrará máxima acidez a las 03:00 y justifica cómo esta adaptación le permite sobrevivir con mínimo gasto hídrico.
- b) Durante las horas centrales del día, el trigo reduce drásticamente su tasa neta de asimilación de carbono hasta valores cercanos a cero, mientras que el sorgo mantiene una tasa neta positiva muy elevada. Justifica este contraste a nivel enzimático (RuBisCO frente a PEP carboxilasa) en relación con el cierre estomático y la fotorrespiración.
- c) En un escenario experimental con $\text{CO}_2$ enriquecido artificialmente pero sin déficit hídrico, predice cuál de los dos cultivos (C3 o C4) experimentará un mayor incremento porcentual en su tasa fotosintética y razona el porqué.
Investigar con datos
Para saber cómo influye un factor hay que cambiar solo una variable, medir el resultado y mantener todo lo demás constante. Estos son datos simulados de intercambio neto de O₂ (unidades arbitrarias por minuto) de una planta acuática a temperatura y CO₂ constantes:
| Luz relativa | Réplica 1 | Réplica 2 | Réplica 3 | Media |
|---|---|---|---|---|
| 0 | −2 | −1 | −3 | −2 |
| 1 | 3 | 4 | 5 | 4 |
| 2 | 7 | 8 | 9 | 8 |
| 3 | 8 | 9 | 10 | 9 |
Para reforestar una ladera degradada, se planta un plantón con una masa seca inicial de $50\ \text{g}$. Al cabo de dos años, su biomasa seca (constituida principalmente…
Para reforestar una ladera degradada, se planta un plantón con una masa seca inicial de $50\ \text{g}$. Al cabo de dos años, su biomasa seca (constituida principalmente por celulosa, polímero de glucosa) alcanza los $2.5\ \text{kg}$, mientras que el suelo circundante solo ha perdido $15\ \text{g}$ de sales minerales netas.
- a) Rebate el error común de que la masa de las plantas procede del suelo: justifica el origen de los $2450\ \text{g}$ de materia orgánica ganada y calcula qué masa mínima de $\text{CO}_2$ atmosférico ha debido asimilar la planta para sintetizar esa cantidad de glucosa equivalente ($M_m(\text{glucosa}) = 180\ \text{g/mol}$; $M_m(\text{CO}_2) = 44\ \text{g/mol}$).
- b) Las mediciones con analizadores de gases indican que la planta fijó en realidad una masa significativamente superior de $\text{CO}_2$ a la calculada en el apartado anterior. Explica biológicamente esta discrepancia a partir del balance entre fotosíntesis bruta, fotosíntesis neta y respiración celular.
- c) Si se regase el árbol con agua marcada con el isótopo pesado $^{18}\text{O}$ ($\text{H}_2^{18}\text{O}$) y se suministrase $\text{CO}_2$ ordinario, predice justificadamente en cuál de los productos de la fotosíntesis (en la glucosa o en el $\text{O}_2$ emitido) se detectará dicho isótopo, detallando la fase fotosintética implicada.