La fotosíntesis

Escribí la ecuación química global de la fotosíntesis e identificá 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? Explicá por qué las hojas son verdes y qué ocurre con ese color en otoño en las especies caducifolias.

¿De qué molécula procede el oxígeno que libera la fotosíntesis: del $\text{CO}_2$ o del agua? Explicá cómo se comprobó usando isótopos marcados ($\text{O-18}$) y por qué el resultado fue decisivo.

En 1882, T. W. Engelmann iluminó un filamento del alga verde Spirogyra con un espectro de luz visible obtenido con un prisma, utilizando bacterias móviles aerotácticas para mapear la producción de oxígeno.

1. a) Identificá la variable independiente, la variable dependiente y el biosensor en este diseño experimental, justificando el fundamento biológico del desplazamiento bacteriano.
2. b) Predecí a lo largo de qué longitudes de onda del espectro ($400\text{--}700\ \text{nm}$) se observaron los agregados bacterianos más densos y justificá por qué esta distribución se correlaciona sobre todo con el espectro de absorción de las clorofilas y no puede explicarse solo con el de los carotenoides accesorios.
3. c) Imaginá que se repite el experimento sustituyendo Spirogyra por una cianobacteria bentónica profunda dotada de ficobilinas (pigmentos con absorción óptima entre $500$ y $600\ \text{nm}$). Predecí cómo cambiaría el patrón de agregación bacteriana y deducí la ventaja ecológica de estos pigmentos en hábitats acuáticos.

Citá y explicá tres razones por las que la fotosíntesis es imprescindible para la vida en la Tierra, pensando en la materia, la energía y la atmósfera.

La curva de Keeling muestra la concentración de $\text{CO}_2$ atmosférico en Mauna Loa desde 1958, combinando una tendencia continua al alza con una oscilación periódica anual en «diente de sierra» (máximo en mayo, mínimo en octubre).

1. a) Interpretá la causa biológica planetaria de la oscilación anual y razoná por qué el mínimo de $\text{CO}_2$ se registra al inicio del otoño boreal (octubre) y no en el solsticio de verano, y por qué las estaciones del hemisferio sur no neutralizan esta oscilación.
2. b) En la estación de medición del Polo Sur, la tendencia de fondo ascendente es idéntica, pero la oscilación anual tiene una amplitud casi despreciable (inferior a $1\ \text{ppm}$ frente a las $\sim 6\ \text{ppm}$ de Hawái). Justificá biogeográficamente esta discrepancia.
3. c) Sabiendo que los sumideros biológicos terrestres y oceánicos absorben actualmente cerca del $50\,\%$ del $\text{CO}_2$ de origen antropogénico, predecí y justificá cómo se alteraría la pendiente de la curva de Keeling si el estrés térmico transformara los bosques boreales de sumideros netos a emisores netos de carbono.

Nombrá los principales pigmentos fotosintéticos (clorofilas a y b, carotenoides) y explicá qué es el espectro de absorción: qué colores de la luz aprovechan y cuál reflejan, relacionándolo con el color que vemos.

Explicá dónde ocurre la fotosíntesis dentro del cloroplasto: qué son los tilacoides y los grana y qué es el estroma, indicando qué fase del proceso ocurre en cada compartimento.

Explicá qué es la fotólisis del agua y qué tres productos genera (electrones, protones y oxígeno), indicando para qué usa la planta los dos primeros.

Distinguí 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.

Las ecuaciones globales de la fotosíntesis y de la respiración celular parecen simétricas. Razoná por qué, a pesar de ello, no son procesos inversos: compará organelos, mecanismos y el sentido energético de cada uno.

El esquema muestra el intercambio de materia en una hoja durante la fotosíntesis. a) Indicá qué sustancia transporta la flecha marcada con «?» que sale por el nervio y hacia qué partes de la planta viaja. b) Escribí la ecuación global del proceso y relacioná cada flecha con los reactivos o productos. c) Nombrá la estructura de la epidermis por la que entra el $\text{CO}_2$.

La concentración de $\text{CO}_2$ atmosférico sube cada año, pero con una oscilación estacional (los «dientes de sierra» de la curva de Keeling). Explicá qué causa esa oscilación anual, por qué refleja sobre todo la fotosíntesis del hemisferio norte y qué dice sobre la escala de la actividad de la biosfera.

Citá tres factores ambientales que influyen en la tasa fotosintética (intensidad de luz, concentración de $\text{CO}_2$ y temperatura) y explicá brevemente cómo actúa cada uno cuando escasea o cuando es excesivo.

Los invernaderos enriquecen el aire con $\text{CO}_2$ para aumentar la cosecha. Explicá por qué funciona recurriendo a la ley del mínimo (factor limitante), si el aumento de producción que puede lograrse es ilimitado y qué otros factores pasan a ser limitantes una vez corregido el $\text{CO}_2$.

Un invernadero comercial de tomates en Ahuachapán instala iluminación LED suplementaria para aumentar la producción en la época lluviosa. 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.

1. a) Justificá a nivel fisiológico y molecular por qué a partir de cierta intensidad luminosa la tasa fotosintética se satura aunque siga habiendo más fotones disponibles.
2. b) Formulá una hipótesis sobre qué factor ambiental alternativo está limitando el proceso en el invernadero y diseñá un experimento con variables controladas para contrastarla.
3. c) Predecí 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.

A pesar de que el fitoplancton marino representa menos del $1\,\%$ de la biomasa fotosintética global, es responsable de casi el $50\,\%$ de la producción primaria neta de la biosfera.

1. a) Resolvé esta aparente paradoja ecológica comparando el tiempo de residencia de la materia orgánica y la tasa de renovación (cociente producción/biomasa, $P/B$) de las microalgas marinas frente a los árboles de un bosque templado.
2. b) En mares tropicales donde la radiación solar y la temperatura son óptimas todo el año, la productividad fotosintética suele ser extraordinariamente baja. Justificá el papel de la termoclina permanente en este fenómeno y predecí el impacto del calentamiento superficial de los océanos sobre la extensión de estas áreas oligotróficas.
3. c) Explicá el funcionamiento de la denominada «bomba biológica de carbono» oceánica y predecí las consecuencias de un declive del fitoplancton tanto sobre el calentamiento global como sobre los niveles tróficos superiores de la red marina pelágica.

¿Qué es el punto de compensación de la luz? Explicá qué ocurre cuando la fotosíntesis iguala a la respiración, qué le pasa a una planta que vive semanas por debajo de ese punto (¿de dónde saca la energía?) y por qué las plantas de sotobosque tienen puntos de compensación más bajos que las de pleno sol.

Diseñá un experimento con una planta acuática (Elodea) para medir cómo varía la fotosíntesis con la distancia a una lámpara: hipótesis, variable independiente, cómo se mide el ritmo (burbujas de $\text{O}_2$ por minuto), dos controles necesarios y una limitación del método.

Una hoja variegada tiene zonas blancas sin clorofila. Tras unas horas de luz, se decolora y se tiñe con lugol. Predecí qué zonas se teñirán de azul-negro, explicá qué demuestra el resultado (¿qué detecta el lugol?) y por qué hay que eliminar antes la clorofila de la hoja.