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Fotosíntesis: la base de las cadenas alimentarias
Fotosíntesis: la base de las cadenas alimentarias
La fotosíntesis consiste en una serie de procesos mediante los cuales las plantas, algas y algunas bacterias utilizan energía luminosa para transformar compuestos inorgánicos presentes en el medio, en materia orgánica indispensable para su crecimiento y desarrollo.
Los organismos que realizan fotosíntesis (fotoautótrofos) constituyen la base de la gran mayoría de las cadenas alimentarias que caracterizan la vida actual en la tierra, pues proveen de materia orgánica a los organismos que se alimentan de ellos y, por su intermedio, al resto de los organismos.
La fotosíntesis es muy importante también porque, con excepción de lo que ocurre en algunas bacterias, libera oxígeno molecular a la atmósfera, desde donde puede ser tomado por los organismos aeróbicos. Incluso, se sabe actualmente que fue gracias a la actividad masiva de los primeros organismos fotosintéticos (cianobacterias) que el contenido de la atmósfera primitiva, pobre en oxígeno, cambió, facilitando el desarrollo y la diversificación de la vida en la tierra. Las reacciones involucradas en la fotosíntesis se pueden resumir en la siguiente ecuación:
Estructuras fotosintéticas de las plantas
En las plantas, la fotosíntesis se realiza en órganos y tejidos específicos, cuyas células contienen cloroplastos. Las hojas son los principales órganos fotosintetizadores y, en menor medida, los tallos verdes.
En un corte transversal, a través de la lámina de la hoja se observan diferentes tejidos:
Epidermis. Es el tejido externo, formado por células sin cloroplastos que recubren la lámina de la hoja. Se encuentra cubierta por una secreción cerosa llamada cutícula, que reduce la pérdida de agua. En la epidermis se ubican los estomas, principalmente, en el envés de la hoja.Mesófilo. Es un tejido formado por células con numerosos cloroplastos, por lo que es allí donde ocurre la fotosíntesis. Se organiza en dos subtipos de tejido: el parénquima en empalizada, que contiene las células expuestas a la luz y el parénquima esponjoso, cuyas células están separadas por espacios que facilitan la difusión del CO2 y O2.
Tejido conductor. Se observa a simple vista como la nervadura de la hoja. Está compuesto por vasos del xilema y el floema, los que se distribuyen entre las células del mesófilo.
En los organismos fotoautótrofos eucarióticos (algas y plantas), la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos. Estos organelos están limitados por dos membranas, una interna y otra externa. Su estructura interna está formada por los grana (granum en singular), que son agrupaciones de sacos membranosos en forma de disco, denominados tilacoides. En las membranas de los tilacoides se ubican los pigmentos y las proteínas necesarias para captar la energía de la luz, organizados en los llamados fotosistemas. Los grana están inmersos en una fase acuosa llamada estroma, donde ocurre otro grupo de reacciones que completan la fotosíntesis.
Fuentes:
– www.uc.cl/sw_educ/biologia/bio100/html/portadaMIval10.1.4.html
– linux.ajusco.upn.mx/fotosintesis/cloroplasto.htmlPigmentos y fotosistemas
El principal pigmento fotosintético es la clorofila, que es de color verde. Existen varios tipos – clorofila a, b, c y d- siendo típicas de las plantas, la clorofila a y b. Además, las plantas presentan pigmentos auxiliares de color amarillo, anaranjado o rojizo, llamados carotenoides (carotenos y xantofilas), los que también se encuentran en otros organismos fotosintéticos. Las ficobilinas son pigmentos rojos y azules, presentes en algas y cianobacterias.
Un fotosistema es un conjunto funcional formado, por más de 200 moléculas de pigmento. Existen dos tipos de fotosistemas: El fotosistema I (FSI), asociado a moléculas de clorofila. que absorben longitudes de onda de 700 nm, por lo que se las conoce como P700, y el fotosistema II (FSII), asociado a moléculas de clorofila que absorben en 680 nm, por lo que se les denomina P680.
Fases de la fotosíntesis
La fotosíntesis se divide en dos fases, que inicialmente fueron llamadas fase luminosa y fase oscura, pues se pensaba que solo la primera dependía de la luz. Actualmente, la primera fase se denomina frecuentemente fase fotoquímica o reacción de Hill y la segunda, suele denominarse fase de fijación del dióxido de carbono o ciclo de Calvin-Benson, pues se plantea que la principal enzima de esta etapa es estimulada indirectamente por la luz.
La fase fotoquímica ocurre en los tilacoides y consiste, en términos generales, en la captación de la energía luminosa por los pigmentos fotosintéticos y su almacenamiento en dos moléculas sencillas (ATP y NADPH).
El ciclo de Calvin-Benson se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto y consiste en la utilización de la energía almacenada en el ATP y NADPH para asimilar del CO2 captado del medio y producir hidratos de carbono (y otras moléculas orgánicas).
Esquema resumido de las fases de la fotosíntesis
I. Fase fotoquímica
En esta fase se produce la activación de la clorofila de ambos fotosistemas, que libera electrones:
En el fotosistema II, los electrones excitados van activando secuencialmente a electrones de diferentes moléculas en la llamada cadena transportadora de electrones. Su energía es usada para bombear protones de hidrógeno y sintetizar ATP, a partir de un grupo fosfato y ADP, en una reacción llamada fotofosforilación. La energía de la luz produce, además, la descomposición (fotólisis) del agua, en oxígeno, protones y electrones. El oxígeno sale al exterior y los electrones son incorporados al fotosistema II, en reemplazo de los que salieron al inicio de las reacciones.
En el fotosistema I, los electrones excitados también entran en una cadena transportadora y su energía es utilizada para sintetizar NADPH a partir de NADP+, protones provenientes del agua y los electrones cedidos por el fotosistema I.
Cuando actúan ambos fotosistemas, se produce la llamada fotofosforilación no cíclica, que genera ATP y NADPH. Si solo actúa el fotosistema I, el proceso se denomina fotofosforilación cíclica y se genera solamente ATP, sin liberación de oxígeno. Este último proceso es considerado una forma primitiva de la fotosíntesis, pero se suele producir de manera simultánea a la fotofosforilación no cíclica.
Esquema de la fase luminosa
Tomado de:
http://webs.uvigo.es/mmegias/5-celulas/imagenes/cloro-cadena.pngII. Ciclo de Calvin-Benson
Durante estas reacciones, el dióxido de carbono que ha sido captado de la atmósfera por las plantas terrestres, o del agua, en los organismos acuáticos, es modificado por la adición de hidrógeno para formar carbohidratos. La energía que requieren estas reacciones proviene de la fase fotoquímica de la fotosíntesis (ATP y NADPH) y queda almacenada en los carbohidratos, desde donde puede ser liberada posteriormente por la glicólisis y otros procesos metabólicos.
Las reacciones de fijación del carbono en los organismos fotosintéticos fueron estudiadas inicialmente por Melvin Calvin y sus colaboradores en los laboratorios de Berkeley (California), lo que hizo a este científico acreedor del premio Nobel, en 1961.
El ciclo de Calvin llamado también vía de los tres carbonos o C3 – porque el primer producto formado contiene tres carbonos- ocurre en el estroma de los cloroplastos y genera, a partir de seis moléculas de dióxido de carbono, una molécula de glucosa.
La enzima que cataliza esta fijación del carbono es la RuBP carboxilasa, llamada comúnmente rubisco. Esta enzima también puede combinarse con oxígeno en un proceso llamado fotorrespiración, que libera CO2 en lugar de fijarlo. Para evitar la fotorrespiración, ciertas plantas han desarrollado una vía previa al ciclo de Calvin, llamada vía de los cuatro carbonos (o C4). Algunas plantas que usan la vía de los cuatro carbonos, como la caña de azúcar y el maíz, crecen en los trópicos y están adaptadas a mayores temperaturas.
Otra variante del ciclo de Calvin-Benson está representada por la vía CAM (en español, metabolismo ácido de las crasuláceas). Este ciclo se diferencia del C4 en un producto intermedio de sus reacciones: un ácido que se acumula en la vacuola de la célula, desde donde es luego tomado para continuar el ciclo.
Como parte de las características de este proceso, los estomas se abren de noche y se cierran de día, de forma inversa a las demás plantas. Esto reduce enormemente la pérdida de agua en las plantas CAM, lo que las habilita para vivir en ambientes secos y calurosos. Los cactus y las plantas suculentas presentan la vía CAM.
Factores que influyen en la fotosíntesis
La actividad fotosintética de una planta se mide indirectamente por el CO2 consumido o por el O2 liberado. La actividad fotosintética depende de diferentes factores, algunos propios del organismo o internos y otros externos o ambientales
Los factores internos influyen directamente en la difusión del CO2 y O2 y también en la pérdida de agua. Están asociados, principalmente, con la estructura de la hoja: grosor de la cutícula, la epidermis, el número de estomas y los espacios entre las células del mesófilo. Además, la actividad fotosintética está sujeta a retroalimentación negativa: cuando es muy alta, se produce mucha glucosa que es almacenada como almidón en los cloroplastos, lo que inhibe las reacciones fotosintéticas.
En cuanto a los factores ambientales, los más importantes son la intensidad luminosa y la temperatura. También influyen la disponibilidad de agua, la concentración de CO2 y de O2.
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Flujo de materia y energía en el ecosistema
Flujo de materia y energía en el ecosistema
En la naturaleza, los organismos no viven aislados, sino formando parte de lo que en ecología se define como comunidad, que es el componente biótico del ecosistema.
Una comunidad es un conjunto de poblaciones, de especies diferentes, que comparten un espacio determinado en un tiempo determinado. Entre los seres vivos que forman parte de una comunidad, se establecen relaciones que pueden ser intra o interespecíficas.
Toda comunidad posee, entre otras características, una estructura trófica que hace referencia a las relaciones de alimentación que se establecen entre las poblaciones que la integran. Esta suele representarse a través de diagramas, llamados redes o tramas alimentarias, que ilustran el flujo de materia y energía entre las poblaciones. La forma más simple que adopta la estructura trófica de una comunidad es lineal y se representa a través de una cadena alimentaria. Una trama alimentaria, por su parte, está compuesta por varias cadenas alimentarias entrelazadas.
Niveles tróficos
En las tramas alimentarias se distinguen diferentes niveles tróficos, de acuerdo a la ubicación y al papel alimentario que desempeñan los diferentes organismos. Un mismo nivel trófico puede estar representado por más de una población y los organismos de una población pueden ocupar diferentes niveles tróficos en las distintas cadenas de una trama:
Productores. Organismos autótrofos que elaboran materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos, por ejemplo, plantas y algas.
Consumidores primarios. Organismos que se alimentan de autótrofos. En aquellas tramas en que los productores son vegetales, se les denomina herbívoros; por ejemplo, conejos, roedores, venados.
Consumidores secundarios. Organismos que se alimentan de los consumidores primarios, por lo que suele llamárseles carnívoros; por ejemplo, pumas, serpientes, tigres.
Consumidores terciarios. Organismos que se alimentan de los consumidores secundarios. También son carnívoros o pueden ser carroñeros; por ejemplo, águila, cóndor, aves de rapiña, en general. Por lo común, este es el nivel más elevado de consumidores al que llegan las tramas alimentarias.
Descomponedores. Organismos heterótrofos, generalmente bacterias y hongos, que degradan los tejidos muertos de organismos de cualquiera de los demás niveles tróficos. Cumplen una importante función al devolver muchos compuestos al medio, desde donde pueden ser nuevamente tomados por los productores, que los reintegran a la trama alimentaria.
Ejemplo de trama alimentaria
Fuente: http://es.geocities.com/cienciesterra/ecologia02.html
Un mismo nivel trófico puede estar representado por más de una población y los organismos de una población pueden ocupar diferentes niveles tróficos en las distintas cadenas de una trama.
Ciclos biogeoquímicos
En un ecosistema, la materia y la energía están constantemente fluyendo a través de las tramas tróficas y del ambiente. Sin embargo, el flujo de materia y energía es diferente.
El flujo de energía es abierto, es decir, la energía está constantemente degradándose y disipándose en forma de calor, al ser empleada por los organismos de los diferentes niveles tróficos, sin que pueda ser reutilizada. Esto hace que los ecosistemas requieran un suministro constante de energía, la que es aportada por la energía luminosa incorporada por los productores.
En cambio, el flujo de materia en el ecosistema es, en gran medida, cerrado, puesto que esta se mueve en ciclos en la naturaleza: Los elementos y compuestos inorgánicos que forman parte de la materia viva están presentes también en la atmósfera, hidrosfera y geosfera, y circulan naturalmente, alternando su paso por el ambiente y por los seres vivos, a lo que se le denomina ciclo biogeoquímico. Tal es el caso del agua, carbono, oxígeno, nitrógeno y azufre, entre otros. En términos generales, los ciclos biogeoquímicos se caracterizan porque los elementos están presentes en grandes cantidades en el ambiente, que constituye su reservorio, y solo una pequeña cantidad circula a través de los seres vivos.
Además, el flujo a través del ambiente suele ser lento, a diferencia del flujo a través de los seres vivos, que es rápido.
Ver Animación Ciclo del Carbono
Tomado de: www.lenntech.com/espanol/ciclo-carbono.htm
El nitrógeno es un elemento fundamental para los seres vivos, pues forma parte de moléculas orgánicas tan importantes como las proteínas y los ácidos nucleicos.
Aunque este elemento es muy abundante en la atmósfera (alrededor de un 78%), son muy pocos los organismos capaces de utilizarlo directamente, pues la mayoría requiere nitrógeno fijado (incorporado a compuestos).
Los principales organismos que llevan a cabo la fijación del nitrógeno son las bacterias nitrificantes que suelen encontrarse asociadas a plantas, a las que proveen de compuestos nitrogenados. También algunas algas verde-azules son capaces de fijar el nitrógeno atmosférico y el ser humano a través de procesos industriales de fabricación de abonos.
El nitrógeno incorporado por los productores va pasando a los organismos de los diferentes niveles tróficos. En cada nivel se libera nitrógeno en forma de amoníaco, que es utilizado por organismos descomponedores y convertido en nitritos y nitratos, en el proceso de nitrificación.
El proceso de desnitrificación se produce por la acción catabólica de microorganismos que habitan en ambientes con escasez de oxígeno como sedimentos y suelos profundos. Estos organismos reducen los nitratos a nitrógeno, el que retorna a la atmósfera.
Ver Animación Ciclo del Nitrógeno
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Demografía
Demografía
La población estimada de la República de Chile según el censo de 2012 era de 16 634 603 habitantes, con una densidad de 23,01 hab/km². De ellos, aproximadamente el 38 % se concentra en el área metropolitana del Gran Santiago. La evolución demográfica de Chile ha progresado a un perfil de país desarrollado.
De acuerdo a los últimos datos del INE en 2009 la tasa bruta de natalidad se situó en 15,0 por mil y la tasa bruta de mortalidad en un 5,4 por mil con un crecimiento natural de la población del 9,6 por mil o el 0,96 %. De esta forma se ha experimentado un notable descenso en la cantidad de nacimientos, ya que la tasa bruta de natalidad se situaba en 18,5‰ en 1997. En la región, Chile integra junto a la Argentina, Cuba y Uruguay, el grupo de países con una transición demográfica avanzada, caracterizada por poblaciones con natalidad y mortalidad moderada o baja, lo que se traduce en un crecimiento natural bajo, del orden del 1 %. A continuación se presenta la pirámide de edades de la población chilena proyectada al año 2014.
La masiva intervención de los ríos del mundo es una de las razones fundamentales que explican por qué las aguas dulces están en mucho peor estado que cualquier otro tipo importante de ecosistema, incluyendo las selvas tropicales lluviosas.
La vegetación y los suelos en descomposición en los embalses producen grandes cantidades de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono y el metano.
Un efecto innegable de la actividad humana se relaciona con la disminución de la biodiversidad. La pesca industrial ha tenido un efecto sobre las especies marinas, muchas de las cuales han tenido que tener medidas de protección como la veda para permitir en parte su recuperación (merluza). La sobreexplotación de los recursos naturales.
Autoevaluaciones
Pregunta Nº 1
Observa y analiza los siguientes gráficos, relacionados con factores que intervienen en la actividad fotosintética y responde las preguntas que aparecen a continuación.
a) ¿Cómo influye la concentración de CO2 en la actividad fotosintética?
b) ¿Qué fenómeno explicaría que a mayor concentración de O2 el rendimiento fotosintético es menor?
a) A mayor concentración de CO2, mayor actividad fotosintética, hasta llegar a un punto en el que esta última se estabiliza.
b) Al aumentar la concentración de O2, el rendimiento de la fotosíntesis puede disminuir debido a la fotorrespiración.
Pregunta Nº 2
Observa el ciclo del Carbono y analiza las afirmaciones que aparecen a continuación, indicando si son verdaderas o falsas. Justifica las falsas.
a)El carbono está presente en el ambiente en la atmósfera, la geosfera y la hidrosfera.
b) Los consumidores toman el carbono del ambiente y lo incorporan a las redes tróficas
c) El volcanismo atrapa el CO2 atmosférico.
d) El carbono es devuelto al ambiente en todos los niveles tróficos.
e) La combustión es otra manera de reincorporar el CO2 a la atmósfera.
f) Solo los descomponedores devuelven carbono al ambiente a través de la respiración.
a) V
b) F: Son los productores los que toman el carbono del ambiente y lo incorporan a las redes tróficas.
c) F: El volcanismo libera CO2 a la atmósfera.
d) V
e) V
f) F: Tanto los descomponedores, como los productores y los consumidores devuelven carbono al ambiente, a través de la respiración.
Pregunta Nº 3
Lee y analiza los datos entregados por la siguiente tabla, respecto de dos comunidades biológicas de Chile. Luego responde las preguntas que aparecen a continuación.
a) ¿Cuál de estas comunidades posee mayor número de especies?
b) ¿Cuál de las dos comunidades presenta mayor abundancia total de organismos?
c) ¿En cuál de estas comunidades es mayor la biodiversidad? ¿Por qué?
a) La comunidad central.
b) La comunidad antártica.
c) En la comunidad central, pues existe una mayor variedad de especies.
Pregunta Nº 4
Completa la siguiente tabla, clasificando algunos recursos naturales chilenos en renovables y no renovables. Averigua, además, si estos recursos son exportados.
Pregunta Nº 5
Averigua en qué categoría de conservación se encuentran las siguientes especies de la flora y fauna nativa de Chile y completa la tabla que aparece a continuación.
Ejercicios
Ejercicio Nº 2
¿Cuál(es) de los procesos fotosintéticos indicados ocurre(n) en los grana de los cloroplastos?
A) Solo I
B) Solo III
C) Solo I, II y III
D) Solo II, III y IV
E) I, II, III y IV
El objetivo de esta pregunta es evaluar la comprensión de la fotosíntesis como un proceso que se desarrolla en lugares específicos dentro del cloroplasto (en los eucariontes). Tanto la captación de energía luminosa (I), como la fotofosforilación (II) y la síntesis de ATP y NADPH (III) ocurren en los tilacoides que forman los grana
Respuesta correcta : Alternativa C
Ejercicio Nº 4
El siguiente gráfico ilustra el rendimiento fotosintético en diferentes plantas, en relación con la intensidad de la luz a la que están sometidas. Al respecto, ¿Cuál es la planta que alcanza un rendimiento fotosintético mayor con una intensidad luminosa intermedia?
A) Sorgo
B) Maíz
C) Plantas heliófilas
D) Haya
E) Plantas esciófilas
Esta pregunta tiene por objeto evaluar la capacidad para extraer e interpretar información gráfica. Para responderla correctamente, es necesario ubicar un valor intermedio de intensidad luminosa y comparar el rendimiento fotosintético de los diferentes tipos de plantas para ese valor. En este caso, el sorgo es el que alcanza un mayor rendimiento fotosintético para valores intermedios de intensidad luminosa.
Respuesta correcta : Alternativa A
Ejercicio Nº 5
¿Cuál de los siguientes organismos alcanza el nivel de consumidor cuaternario?
A) Pinzón
B) Zorro
C) Tejón
D) Musaraña
E) Insecto carnívoro
Con esta pregunta se evalúa tanto la capacidad para interpretar información gráfica, como la comprensión de los diferentes niveles tróficos dentro en una trama alimentaria. De acuerdo a la información entregada, el zorro y el águila alcanzan el nivel de consumidores cuaternarios.
Respuesta correcta : Alternativa B
Ejercicio Nº 6
¿Qué organismo(s) pertenece(n) a más de un nivel trófico, en diferentes cadenas alimentarias?
I. Zorro
II. Pinzón
III. Tejón
IV. Águila
A) Solo I
B) Solo II
C) Solo II y III
D) Solo I, II y IV
E) I, II, III y IV
Esta pregunta también apunta a evaluar la capacidad para interpretar información gráfica y la comprensión de que un mismo organismo puede pertenecer a más de una cadena alimentaria dentro de una trama, ocupando, en algunos casos, diferentes niveles tróficos. Al respecto, todos los organismos mencionados pertenecen a más de un nivel trófico, en diferentes cadenas. El zorro y el águila desempeñan roles de consumidores secundarios, terciarios y cuaternarios; el pinzón es consumidor secundario y terciario; mientras que el tejón puede ser consumidor primario o secundario.
Respuesta correcta : Alternativa E