La fotosíntesis

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 especies caducifolias.

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

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) Identifica la variable independiente, la variable dependiente y el biosensor en este diseño experimental, justificando el fundamento biológico del desplazamiento bacteriano.
2. b) Predice a lo largo de qué longitudes de onda del espectro ($400\text{--}700\ \text{nm}$) se observaron los agregados bacterianos más densos y justifica 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) Imagina que se repite el experimento sustituyendo Spirogyra por una cianobacteria bentónica profunda dotada de ficobilinas (pigmentos con absorción óptima entre $500$ y $600\ \text{nm}$). Predice cómo cambiaría el patrón de agregación bacteriana y deduce la ventaja ecológica de estos pigmentos en hábitats acuáticos.

Menciona 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 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 $\text{CO}_2$.

Distingue la fase luminosa 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.

Explica 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.

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

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

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) Identifica la variable independiente, la variable dependiente y el biosensor en este diseño experimental, justificando el fundamento biológico del desplazamiento bacteriano.
2. b) Predice a lo largo de qué longitudes de onda del espectro ($400\text{--}700\ \text{nm}$) se observaron los agregados bacterianos más densos y justifica 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) Imagina que se repite el experimento sustituyendo Spirogyra por una cianobacteria bentónica profunda dotada de ficobilinas (pigmentos con absorción óptima entre $500$ y $600\ \text{nm}$). Predice cómo cambiaría el patrón de agregación bacteriana y deduce la ventaja ecológica de estos pigmentos en hábitats acuáticos.

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.

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

La enzima RuBisCO es bifuncional: cataliza tanto la carboxilación (fotosíntesis) como la oxigenación de la ribulosa-1.5-bisfosfato (fotorrespiración). En un experimento de fisiología vegetal, se cultivan ejemplares idénticos de soya (planta C3) a $30\ ^\circ\text{C}$ en dos cámaras con idéntica luz e igual concentración de $\text{CO}_2$ ($0.04\,\%$), pero variando el oxígeno: Cámara 1 ($21\,\%$ $\text{O}_2$) y Cámara 2 ($2\,\%$ $\text{O}_2$).

1. a) Predice en qué cámara será mayor la tasa fotosintética neta y la ganancia de biomasa. Justifica tu deducción explicando el balance energético y de carbono de la fotorrespiración.
2. b) Si se eleva la temperatura de ambas cámaras de $30\ ^\circ\text{C}$ a $40\ ^\circ\text{C}$, el rendimiento fotosintético en la Cámara 1 cae de forma drástica, mientras que en la Cámara 2 se mantiene casi constante. Justifica este resultado considerando la afinidad enzimática de la RuBisCO y la solubilidad relativa de ambos gases al calentarse el agua.
3. c) La biotecnología persigue introducir rutas C4 en cultivos C3 como el trigo o el arroz. Argumenta si esta modificación aportaría una ventaja adaptativa clara en latitudes frías y templadas o si, por el contrario, podría mermar su rendimiento frente a las variedades no modificadas.

Los invernaderos enriquecen el aire con $\text{CO}_2$ para aumentar la cosecha. Explica 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 el Valle Central de California 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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 de verano, se monitorean tres parcelas contiguas: trigo (C3), sorgo (C4) y nopal (Opuntia, CAM).

1. 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.
2. 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.
3. 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.

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

La concentración de $\text{CO}_2$ atmosférico sube cada año, pero con una oscilación estacional (los «dientes de sierra» de la curva de Keeling). Explica 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.

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) Interpreta la causa biológica planetaria de la oscilación anual y razona 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). Justifica 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, predice y justifica cómo se alteraría la pendiente de la curva de Keeling si el estrés térmico transformase los bosques boreales de sumideros netos a emisores netos de carbono.

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) Resuelve 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. Justifica el papel de la termoclina permanente en este fenómeno y predice el impacto del calentamiento superficial de los océanos sobre la extensión de estas áreas oligotróficas.
3. c) Explica el funcionamiento de la denominada «bomba biológica de carbono» oceánica y predice las consecuencias de un declive del fitoplancton tanto sobre el calentamiento global como sobre los niveles tróficos superiores de la red marina pelágica.