OpenStax-CNX module: m53389 1 La fotosíntesis OpenStax College Based on Overview of Photosynthesis by OpenStax College This work is produced by OpenStax-CNX and licensed under the Creative Commons Attribution License 4.0 Al nal de esta sección serás capaz de: Abstract Resumir el proceso de la fotosíntesis. Explicar la relevancia de la fotosíntesis para otros organismos. Identicar los reactantes y productos de la fotosíntesis. Describir las principales estructuras involucradas en la fotosíntesis. Todos los organismos vivos sobre la Tierra constan de una o más células. Cada célula depende de la energía química que se encuentra principalmente en los carbohidratos, y éstos se producen principalmente por medio de la fotosíntesis. Algunos organismos convierten la energía lumínica (luz solar), a través de la fotosíntesis, en energía química, misma que se utiliza para sintetizar moléculas de carbohidratos. La energía que mantiene unidas estas moléculas se libera cuando un organismo procesa y "rompe" su comida; las células utilizan esta energía liberada para realizar trabajo, como la respiración. La energía que se utiliza en el proceso de la fotosíntesis entra continuamente a los ecosistemas de nuestro planeta y se transere de un organismo a otro; por lo tanto, directa o indirectamente, el proceso de la fotosíntesis provee el mayor porcentaje de energía que requieren los organismos vivos sobre la Tierra. Durante la fotosíntesis también se libera oxígeno a la atmósfera. En pocas palabras, para comer y respirar, los humanos dependen casi totalmente de los organismos que llevan a cabo la fotosíntesis. Version 1.2: May 26, 2015 11:15 am -0500 http://cnx.org/content/m45448/1.7/ http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
OpenStax-CNX module: m53389 2 : Para aprender más acerca de la fotosíntesis, haz clic en http://openstaxcollege.org/l/photosynthesis2 1 1 Dependencia de la energía solar y producción de alimentos No todos los organismos son capaces de efectuar el proceso de fotosíntesis; sin embargo, los organismos autótrofos pueden producir su propio alimento. La palabra autótrofo proviene del griego auto ("sí mismo") y trofo ("alimentar"); las plantas son los organismos autótrofos más conocidos, pero hay otros organismos, como ciertas algas y bacterias, que también son fotosintéticos (Figure 1). Las algas que viven en los océanos contribuyen con la producción de oxígeno y con las cadenas trócas a nivel global. Las plantas son también fotoautótrofas, un tipo de autotrofía en la que para la síntesis de energía química en forma de carbohidratos se utiliza la luz solar como fuente de energía y el dióxido de carbono como fuente de carbono; todos los organismos que llevan a cabo la fotosíntesis requieren de la luz solar. 1 http://openstaxcollege.org/l/photosynthesis2
OpenStax-CNX module: m53389 3 Figure 1: (a) plantas; (b) algas; y (c) cianobacterias, bacterias fotoautótrofas capaces de realizar fotosíntesis. Las algas pueden cubrir grandes áreas en los cuerpos de agua, cubriendo algunas veces por completo la supercie. (créditos: (a) Steve Hillebrand, U. S. Fish and Wildlife Service; (b) eutrozación e hipoxia/flickr; (c) NASA, barra de escala de Matt Russell) Los heterótrofos son organismos incapaces de llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis, y obtienen energía y carbono a través del consumo de otros organismos. La palabra heterótrofo proviene del griego hetero (otro) y trofo (alimentar), y se reere a los organismos que obtienen su alimento consumiendo otros organismos. Aunque el alimento sea otro organismo animal, en un principio este alimento obtuvo su energía a partir de un organismo autótrofo, el cual se mantuvo por medio de la fotosíntesis. Los humanos y todos los animales son heterótrofos y dependen de los autótrofos para sobrevivir, ya sea directa o indirectamente. Los venados y los lobos son heterótrofos, pero los venados obtienen su energía alimentándose de plantas; un lobo se alimenta de venados para obtener energía, pero esta energía provienen inicialmente de las plantas que consumió el venado. La energía de la planta viene de la fotosíntesis, y por lo tanto, es el único autótrofo en este ejemplo (Figure 2). Siguiendo este razonamiento, todo el alimento que consumimos los humanos está ligado a los autótrofos, es decir, a los organismos que realizan fotosíntesis.
OpenStax-CNX module: m53389 4 Figure 2: La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos, provenientes de la fotosíntesis, se transmite a través de la cadena alimenticia. El depredador que se alimenta de este venado, obtendrá energía que originalmente provino de la fotosíntesis, y que estaba almacenada en la vegetación que consumió el animal. (créditos: Steve Van Riper, U. S. Fish and Wildlife Service) : Fotosíntesis en el supermercado
OpenStax-CNX module: m53389 5 Figure 3: La fotosíntesis es el origen de todos los productos que conforman la dieta humana. Los supermercados están ordenados por departamentos: lácteos, carnes, frutas y verduras, panes, cereales, etcétera. Cada pasillo contiene cientos de productos diferentes a la venta (Figure 3). Aunque hay una gran variedad de productos, todos ellos están ligados a la fotosíntesis. Las carnes y los lácteos están ligados a la fotosíntesis, ya que los animales que les dieron origen se alimentaron con alimentos de origen vegetal. Los panes, cereales y pastas están hechos de granos, que son las semillas de las plantas. ¾Qué pasa con los postres y los refrescos? Estos productos contienen azúcar, la molécula básica producto de la fotosíntesis. Al nal, todos los alimentos que consumimos están ligados a la fotosíntesis. 2 Estructuras principales y fotosíntesis La fotosíntesis requiere de luz solar, dióxido de carbono y agua, como reactants iniciales (Figure 4). Cuando el proceso de fotosíntesis termina se libera oxígeno y se producen moléculas de carbohidrato (comúnmente glucosa); estas moléculas de azúcar contienen la energía necesaria para que los organismos sobrevivan.
OpenStax-CNX module: m53389 6 Figure 4: En la fotosíntesis se utiliza energía lumínica, dióxido de carbono y agua para producir moléculas de azúcar que almacenan energía.
OpenStax-CNX module: m53389 7 Las reacciones de la fotosíntesis son muy complejas, pero se pueden resumir en la ecuación de la Figure 5. Figure 5: El proceso de la fotosíntesis se puede representar con una ecuación en donde el dióxido de carbono y agua producen azúcar y oxígeno, utilizando la energía solar. Aunque la ecuación es aparentemente muy simple, la mayoría de los pasos que tienen lugar durante la fotosíntesis son en realidad muy complejos, al igual que las reacciones que tienen lugar en la respiración, donde una ecuación sencilla representa muchas reacciones individuales. Antes de revisar los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz del sol en alimento, es importante familiarizarse con los orgánulos y estructuras celulares que toman parte en el proceso. En las plantas, la fotosíntesis sucede en las hojas principalmente, las cuales poseen muchas capas de células y son diferentes en la parte superior e inferior; el proceso de la fotosíntesis transcurre en las capas medias de la hoja, zona conocida como mesólo (Figure 6), y el intercambio gaseoso del dióxido de carbono y el oxígeno se lleva a cabo a través de unas pequeñas aperturas llamadas estomas. En todos los organismos eucariontes autótrofos, la fotosíntesis tiene lugar en los orgánulos llamados cloroplastos (en las plantas, las células que contienen a los cloroplastos se encuentran en el mesólo). Los cloroplastos poseen una doble membrana (interna y externa); dentro del cloroplasto hay una tercer membrana, con estructuras en forma de discos apilados llamados tilacoides; las moléculas de clorola (pigmento [molécula que absorbe luz] por medio del cual se inicia el proceso de la fotosíntesis) se encuentran embebidas en la membrana de los tilacoides; la clorola le da el color verde a las plantas. Existen otros pigmentos, además de la clorola, que pueden realizar la fotosíntesis, pero la clorola es la más común. Como se muestra en la Figure 6, a una pila de tilacoides se le conoce como grana, y al espacio que lo rodea se le llama estroma (no se debe confundir con los estomas, que son las aperturas en la supercie de la hoja); la membrana de los tilacoides encierra el espacio intratilacoidal. :
OpenStax-CNX module: m53389 8 Figure 6: La fotosíntesis no se lleva a cabo en todas las células de las hojas; las células que se encuentran en la capa media de las hojas poseen cloroplastos y éstos contiene la maquinaria fotosintética. (créditos: "hoja" modicación del trabajo de Cory Zanker
OpenStax-CNX module: m53389 9 En los días calurosos las plantas cierran sus estomas para conservar agua; ¾qué impacto tiene esto sobre la fotosíntesis? 3 Las dos fases de la fotosíntesis La fotosíntesis está dividida en dos fases: las reacciones dependientes de la luz ( fase luminosa) y el ciclo de Calvin. La fase luminosa tiene lugar en la membrana de los tilacoides, en donde la clorola absorbe energía de la luz del sol y la convierte en energía química utilizando agua. Durante la fase luminosa se libera oxígeno como producto secundario, proveniente de la hidrólisis del agua. El ciclo de Calvin se lleva a cabo en el estroma, en donde la energía proveniente de las reacciones dependientes de la luz produce la captura del carbono de la molécula de dióxido de carbono y posteriormente lo ensambla a las moléculas de azúcar. En las dos reacciones se utilizan moléculas acarreadoras para transportar la energía de una fase a otra; los acarreadores que movilizan la energía de las reacciones de la fase luminosa a las reacciones del ciclo de Calvin se pueden considerar "llenos", pues transportan energía. Una vez que la energía se libera, los acarreadores "vacíos" regresan a la zona donde se realizan las reacciones de la fase luminosa para obtener más energía. 4 Resumen de la Sección El aprovechamiento de la energía solar en el proceso de la fotosíntesis transformó la vida en la Tierra. Gracias a la fotosíntesis los seres vivos tuvieron acceso a una cantidad prácticamente ilimitada de energía, lo que les permitió evolucionar nuevas estructuras y alcanzar la gran diversidad que encontramos actualmente. Únicamente los organismos autótrofos son capaces de llevar a cabo el proceso de la fotosíntesis, y para esto requieren de la clorola, pigmento capaz de absorber luz y convertir la energía lumínica en energía química. Durante la fotosíntesis se requiere de dióxido de carbono y agua para sintetizar moléculas de carbohidratos (generalmente glucosa) y liberar oxígeno a la atmósfera. Los organismos eucariontes autótrofos, como las plantas y las algas, poseen orgánulos, llamados cloroplastos, en donde se lleva a cabo la fotosíntesis. 5 PREGUNTAS DE CONEXIÓN ARTÍSTICA Exercise 1 (Solution on p. 11.) Figure 6 En los días calurosos las plantas cierran sus estomas para conservar agua; ¾qué impacto tiene esto sobre la fotosíntesis? 6 PREGUNTAS DE REVISIÓN Exercise 2 (Solution on p. 11.) ¾Cuál de los siguientes productos resultan de la fotosíntesis? a. Agua y dióxido de carbono b. Agua y oxígeno c. Glucosa y oxígeno d. Glucosa y dióxido de carbono Exercise 3 (Solution on p. 11.) De los siguientes enunciados sobre los tilacoides en las células eucariotas, ¾cuál es incorrecto? a. Los tilacoides están organizados en pilas b. Los tilacoides son pliegues de la membrana c. El espacio que rodea a los tilacoides se llama estroma d. Los tilacoides contienen clorola
OpenStax-CNX module: m53389 10 Exercise 4 (Solution on p. 11.) De dónde obtienen energía los organismos heterótrofos? a. Del sol b. Del sol y de otros organismos c. De otros organismos d. De compuestos químicos simples en el ambiente 7 PREGUNTAS DE PENSAMIENTO CRÍTICO Exercise 5 (Solution on p. 11.) ¾Cuál es el propósito nal de las reacciones de la fase luminosa en la fotosíntesis? Exercise 6 (Solution on p. 11.) ¾Por qué los carnívoros, como los leones, dependen de la fotosíntesis para sobrevivir?
OpenStax-CNX module: m53389 11 Solutions to Exercises in this Module to Exercise (p. 9) Figure 6 Los niveles de dioxido de carbono (reactante) disminuirán y los niveles de oxígeno (producto) aumentarán, como resultado disminuirá la tasa de fotosíntesis. to Exercise (p. 9) C to Exercise (p. 9) B to Exercise (p. 10) C to Exercise (p. 10) Transformar la energía solar en energía química que las células pueden utilizar para realizar algún trabajo. to Exercise (p. 10) Porque los leones se alimentan de animales que comen plantas. Glossary Denition 1: Autótrofo Organismo capaz de producir su propio alimento. Denition 2: Clorola Pigmento de color verde que captura la energía lumínica que hace posibles las reacciones de la fotosíntesis. Denition 3: Cloroplasto Orgánulo donde se lleva a cabo la fotosíntesis. Denition 4: Grana Pila de tilacoides dentro del cloroplasto. Denition 5: Heterótrofo Organismo que consume otros organismos para su alimentación. Denition 6: Fase luminosa Primer paso de la fotosíntesis donde se absorbe luz visible para formar dos acarreadores de energía (ATP y NADPH). Denition 7: Mesólo Capa media de células en una hoja. Denition 8: Fotoautótrofo Organismo capaz de sintetizar sus propias moléculas, utilizando la energía de la luz. Denition 9: Pigmento Molécula capaz de absorber energía lumínica. Denition 10: Estoma Apertura, en la supercie de las hojas, que regula el intercambio gaseoso y de agua entre las hojas y el ambiente. Denition 11: Estroma Espacio lleno de uido dentro del cloroplasto, que rodea los grana; en él se llevan a cabo las reacciones del ciclo de Calvin. Denition 12: Tilacoide Estructura membranosa en forma de disco, que se encuentra dentro del cloroplasto. En él se llevan a cabo las reacciones de la fase luminosa de la fotosíntesis.