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¿Cómo es que solo un puñado de animales puede realizar la fotosíntesis?

¿Cómo es que solo un puñado de animales puede realizar la fotosíntesis?


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Por lo que tengo entendido, toda la energía de la que dependen los seres vivos proviene del sol. Es procesado por plantas en fotosíntesis. Estas plantas son consumidas por herbívoros, que a su vez son consumidos por carnívoros. La energía se filtra de esa manera, siendo la fotosíntesis la base crucial para todas las demás capas.

Hace un par de días me preguntaba, ¿cómo es que los animales no hacen la fotosíntesis? Esta historia habla de algunos animales exóticos que pueden realizar la fotosíntesis, pero parecen ser un caso límite.

Parece que hay una regla general: si una criatura puede realizar la fotosíntesis, no puede moverse. ¿Por qué esto es tan? ¿No sería beneficioso para un mamífero parecido a un herbívoro poder crear azúcares directamente a partir de la luz solar? No tendrían que pastar en absoluto, solo encontrarían agua y luz solar. Es posible que les resulte más fácil evitar a los depredadores y expandirse a más territorio.

¿Puedes pensar en una buena razón por la que tales criaturas nunca se volvieron populares?


Se trata de energía.

Se estima que se necesitan 5000 metros cuadrados de plantas para alimentar a la persona promedio en el mundo desarrollado, mientras que la misma fuente da lo más bajo posible para un ser humano en condiciones ideales con 700 metros cuadrados. En comparación, la persona promedio cubre menos de 1 metro cuadrado. Si bien hay una gran cantidad de desechos (los animales pueden comer solo un pequeño porcentaje de la energía que produce la planta), la energía total disponible de la fotosíntesis es todavía órdenes de magnitud menor que las necesidades diarias de un animal típico.

Incluso en el caso de la babosa que vinculó (que esperaría necesitaría la menor cantidad de energía posible para un animal móvil), parece que obtienen poca o ninguna de su energía real de la fotosíntesis.

Por lo tanto, ve la fotosíntesis restringida a la vida que tiene requisitos de energía extraordinariamente bajos, lo que generalmente significa estar estacionario (o moverse muy, muy lentamente, como en el caso de algunas plantas). Tan pronto como se adapte a un nicho móvil de mayor energía, necesitará acceder a mucha más energía de la que puede proporcionar la fotosíntesis.


La cantidad de energía proveniente del Sol es limitada (alrededor de 750 W / m ^ 2, perpendicular a la luz entrante). Se necesita una cantidad relativamente grande de energía para moverse, por lo que un animal fotosintético no podría moverse mucho o muy a menudo. (Y de hecho, los ejemplos conocidos no lo hacen).


Una investigación sorprendente revela que la fotosíntesis podría ser tan antigua como la vida misma

El hallazgo también desafía las expectativas sobre cómo podría haber evolucionado la vida en otros planetas. Se cree que la evolución de la fotosíntesis que produce oxígeno es el factor clave en la eventual aparición de vida compleja. Se pensaba que esto tardaría varios miles de millones de años en evolucionar, pero si de hecho la vida más temprana pudo hacerlo, entonces otros planetas pueden haber desarrollado una vida compleja mucho antes de lo que se pensaba anteriormente.

"Ahora, sabemos que el Fotosistema II muestra patrones de evolución que generalmente solo se atribuyen a las enzimas más antiguas conocidas, que fueron cruciales para que la vida misma evolucionara". - Dr. Tanai Cardona

El equipo de investigación, dirigido por científicos del Imperial College de Londres, rastreó la evolución de las proteínas clave necesarias para la fotosíntesis hasta posiblemente el origen de la vida bacteriana en la Tierra. Sus resultados se publican y son de libre acceso en BBA - Bioenergética.

El investigador principal, el Dr. Tanai Cardona, del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial, dijo: “Anteriormente habíamos demostrado que el sistema biológico para realizar la producción de oxígeno, conocido como Fotosistema II, era extremadamente antiguo, pero hasta ahora no habíamos sido capaz de colocarlo en la línea de tiempo de la historia de la vida.

& # 8220 Ahora, sabemos que el Fotosistema II muestra patrones de evolución que generalmente solo se atribuyen a las enzimas más antiguas conocidas, que fueron cruciales para que la vida misma evolucionara ”.

Producción temprana de oxígeno

La fotosíntesis, que convierte la luz solar en energía, puede presentarse en dos formas: una que produce oxígeno y otra que no. Por lo general, se asume que la forma productora de oxígeno evolucionó más tarde, particularmente con la aparición de cianobacterias, o algas verdiazules, hace unos 2.500 millones de años.

Si bien algunas investigaciones han sugerido que los focos de fotosíntesis productora de oxígeno (oxigenada) pueden haber existido antes de esto, todavía se consideraba una innovación que tardó al menos un par de miles de millones de años en evolucionar en la Tierra.

La nueva investigación encuentra que las enzimas capaces de realizar el proceso clave en la fotosíntesis oxigenada (dividir el agua en hidrógeno y oxígeno) podrían haber estado presentes en algunas de las primeras bacterias. La evidencia más temprana de vida en la Tierra tiene más de 3.400 millones de años y algunos estudios han sugerido que la vida más temprana podría tener más de 4.000 millones de años.

Colonias de cianobacterias bajo el microscopio.

Al igual que la evolución del ojo, la primera versión de la fotosíntesis oxigénica puede haber sido muy simple e ineficaz, ya que los primeros ojos solo percibían la luz, la primera fotosíntesis puede haber sido muy ineficaz y lenta.

En la Tierra, las bacterias tardaron más de mil millones de años en perfeccionar el proceso que condujo a la evolución de las cianobacterias, y dos mil millones de años más para que los animales y las plantas conquistaran la tierra. Sin embargo, el hecho de que la producción de oxígeno estuviera presente tan pronto significa que en otros entornos, como en otros planetas, la transición a una vida compleja podría haber llevado mucho menos tiempo.

Medición de relojes moleculares

El equipo hizo su descubrimiento rastreando el "reloj molecular" de las proteínas clave de la fotosíntesis responsables de la división del agua. Este método estima la tasa de evolución de las proteínas observando el tiempo entre los momentos evolutivos conocidos, como la aparición de diferentes grupos de cianobacterias o plantas terrestres, que en la actualidad portan una versión de estas proteínas. La tasa de evolución calculada se extiende luego hacia atrás en el tiempo, para ver cuándo evolucionaron las proteínas por primera vez.

“Podríamos desarrollar fotosistemas que pudieran llevar a cabo nuevas reacciones químicas complejas, ecológicas y sostenibles impulsadas enteramente por la luz”. - Dr. Tanai Cardona

Compararon la tasa de evolución de estas proteínas de fotosíntesis con la de otras proteínas clave en la evolución de la vida, incluidas las que forman moléculas de almacenamiento de energía en el cuerpo y las que traducen secuencias de ADN en ARN, que se cree que se originó antes que el antepasado de toda la vida celular en la Tierra. También compararon la tasa con eventos que se sabía que habían ocurrido más recientemente, cuando la vida ya era variada y habían aparecido cianobacterias.

Las proteínas de la fotosíntesis mostraron patrones de evolución casi idénticos a los de las enzimas más antiguas, que se remontan a mucho tiempo atrás, lo que sugiere que evolucionaron de manera similar.

El primer autor del estudio, Thomas Oliver, del Departamento de Ciencias de la Vida en Imperial, dijo: “Usamos una técnica llamada Reconstrucción de Secuencia Ancestral para predecir las secuencias de proteínas de las proteínas fotosintéticas ancestrales.

& # 8220 Estas secuencias nos dan información sobre cómo habría funcionado el Fotosistema II ancestral y pudimos demostrar que muchos de los componentes clave necesarios para la evolución del oxígeno en el Fotosistema II se remontan a las primeras etapas de la evolución de la enzima ".

Dirigiendo la evolución

Saber cómo evolucionan estas proteínas clave de la fotosíntesis no solo es relevante para la búsqueda de vida en otros planetas, sino que también podría ayudar a los investigadores a encontrar estrategias para utilizar la fotosíntesis de nuevas formas a través de la biología sintética.

El Dr. Cardona, quien lidera un proyecto como parte de su Beca de Líderes Futuros de UKRI, dijo: “Ahora tenemos una buena idea de cómo evolucionan las proteínas de la fotosíntesis, adaptándose a un mundo cambiante, podemos usar la 'evolución dirigida' para aprender cómo para cambiarlos para producir nuevos tipos de química.

& # 8220 Podríamos desarrollar fotosistemas que podrían llevar a cabo nuevas reacciones químicas complejas, ecológicas y sostenibles, totalmente impulsadas por la luz ”.


Ciencia futurista

Los científicos han perseguido durante mucho tiempo la idea de mantener con vida a las personas mediante el uso de partes de animales, un proceso conocido como xenotrasplante. Pero durante mucho tiempo se pensó que era imposible. Los primeros experimentos demostraron que el cuerpo tarda unos cinco minutos en rechazar un órgano de otra especie. “Nadie se atrevería a hablar” sobre la realización de ensayos clínicos para xenotrasplantes, dice Leo Bühler, presidente de la Asociación Internacional de Xenotrasplantes.

Para que un riñón, corazón o pulmón de cerdo mantenga viva a una persona, el sistema inmunológico humano debe ser engañado para que no reconozca que proviene de una especie diferente. Ahí es donde entra en juego la tecnología de edición de genes Crispr, que permite a los investigadores realizar cambios específicos en un conjunto completo de genes en muchos lugares simultáneamente. Crispr, abreviatura de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas, ha sido utilizado por eGenesis para eliminar del genoma del cerdo un grupo de virus que algunos temen que puedan pasar a los humanos después de un trasplante. Ahora también están trabajando para eliminar los marcadores que identifican a las células como extrañas para que el sistema inmunológico humano no las rechace.

Wenning Qin en su laboratorio en eGenesis. Fotografía: Tony Luong / The Guardian


Fotosíntesis

La fotosíntesis es el proceso mediante el cual las plantas utilizan la luz solar, el agua y el dióxido de carbono para crear oxígeno y energía en forma de azúcar.

Hojas de arbol verde

Las hojas de la planta son verdes porque ese color es la parte de la luz solar reflejada por un pigmento en las hojas llamado clorofila.

Fotografía cortesía de Shutterstock

La mayor parte de la vida en la Tierra depende de la fotosíntesis, el proceso lo llevan a cabo las plantas, las algas y algunos tipos de bacterias, que capturan la energía de la luz solar para producir oxígeno (O2) y energía química almacenada en glucosa (un azúcar). Los herbívoros obtienen esta energía al comer plantas, y los carnívoros la obtienen al comer herbívoros.

El proceso

Durante la fotosíntesis, las plantas absorben dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) del aire y el suelo. Dentro de la célula vegetal, el agua se oxida, lo que significa que pierde electrones, mientras que el dióxido de carbono se reduce, lo que significa que gana electrones. Esto transforma el agua en oxígeno y el dióxido de carbono en glucosa. Luego, la planta libera el oxígeno al aire y almacena energía dentro de las moléculas de glucosa.

Dentro de la célula vegetal hay pequeños orgánulos llamados cloroplastos, que almacenan la energía de la luz solar. Dentro de las membranas tilacoides del cloroplasto hay un pigmento absorbente de luz llamado clorofila, que es responsable de darle a la planta su color verde. Durante la fotosíntesis, la clorofila absorbe energía de las ondas de luz azul y roja y refleja las ondas de luz verde, lo que hace que la planta parezca verde.

Reacciones dependientes de la luz frente a reacciones independientes de la luz

Si bien hay muchos pasos detrás del proceso de fotosíntesis, se puede dividir en dos etapas principales: reacciones dependientes de la luz y reacciones independientes de la luz. La reacción dependiente de la luz tiene lugar dentro de la membrana tilacoide y requiere un flujo constante de luz solar, de ahí el nombre luz-dependiente reacción. La clorofila absorbe energía de las ondas de luz, que se convierte en energía química en forma de moléculas ATP y NADPH. La etapa independiente de la luz, también conocida como ciclo de Calvin, tiene lugar en el estroma, el espacio entre las membranas tilacoides y las membranas del cloroplasto, y no requiere luz, de ahí el nombre de luz.independiente reacción. Durante esta etapa, la energía de las moléculas de ATP y NADPH se usa para ensamblar moléculas de carbohidratos, como glucosa, a partir de dióxido de carbono.

Sin embargo, no todas las formas de fotosíntesis son iguales. Hay diferentes tipos de fotosíntesis, incluida la fotosíntesis C3 y la fotosíntesis C4. La mayoría de las plantas utilizan la fotosíntesis C3. Implica producir un compuesto de tres carbonos llamado ácido 3-fosfoglicérico durante el ciclo de Calvin, que se convierte en glucosa. La fotosíntesis C4, por otro lado, produce un compuesto intermedio de cuatro carbonos, que se divide en dióxido de carbono y un compuesto de tres carbonos durante el ciclo de Calvin. Un beneficio de la fotosíntesis C4 es que al producir niveles más altos de carbono, permite que las plantas prosperen en ambientes sin mucha luz o agua.

Las hojas de la planta son verdes porque ese color es la parte de la luz solar reflejada por un pigmento en las hojas llamado clorofila.


Le planteamos esta pregunta a Howard Griffiths, del departamento de Ciencias Vegetales de la Universidad de Cambridge.

Cuando me hicieron esta pregunta por primera vez sobre el papel de la luz de la luna en la fotosíntesis, ¡mi respuesta inicial no fue una casualidad! Porque la intensidad de la luz que obtenemos reflejada en la luna es un orden de 100 a 1000 veces demasiado pequeña para apoyar la fotosíntesis en la mayoría de las plantas terrestres en macetas y plantas que tenemos en nuestro jardín.

Sin embargo, investigué un poco y miré algunos de los últimos análisis de las tasas de fotosíntesis en las algas. Sorprendentemente, parece que algunos grupos de fitoplancton muy pequeños podrían realizar la fotosíntesis utilizando la luz de la luna, siempre que estuviera en los trópicos y no estuviera siendo atenuada por una columna de agua, que tiende a absorber luz exponencialmente.

Entonces, la respuesta sigue siendo "probablemente no" porque, obviamente, el fitoplancton crece en una columna de agua, por lo que no es probable que puedan captar la intensidad de la luz.

Sin embargo, también abre una serie de preguntas intrigantes porque las plantas ciertamente intentan evitar la luz de la luna. Estoy seguro de que muchos de ustedes están familiarizados con el plegado de hojas que vemos en el trébol que crece en su césped y muchas plantas en el jardín pliegan sus hojas por la noche. Darwin estaba interesado en esto y pensó que tenía que ver con las hojas tratando de mantener su equilibrio de calor por la noche.

Lo que creemos que está sucediendo ahora es que las hojas están tratando de evitar la luz de la luna para evitar que sus ritmos circadianos sean interrumpidos por esas intensidades de luz variables, porque ciertamente responden a la luz de la luna. De hecho, ahora se sabe que muchos animales, animales tan diversos como serpientes y cocodrilos, y una gran variedad de plantas y diferentes sistemas, incluidos los humanos, son altamente sensibles a la luz de la luna y a la forma en que puede interrumpir nuestro control circadiano y nuestra percepción de Dia largo.


¿Cómo es que solo un puñado de animales puede realizar la fotosíntesis? - biología

Al utilizar la energía de la luz solar, las plantas pueden convertir el dióxido de carbono y el agua en carbohidratos y oxígeno en un proceso llamado fotosíntesis. Como la fotosíntesis requiere luz solar, este proceso solo ocurre durante el día. A menudo nos gusta pensar en esto como plantas que "inhalan dióxido de carbono y" exhalan oxígeno ". Sin embargo, el proceso no es tan sencillo. Como animales, las plantas necesitan descomponer los carbohidratos en energía. Se requiere oxígeno para hacer esto. Luego ¿Por qué las plantas se deshacen de todo el oxígeno que producen durante la fotosíntesis? La respuesta es, ellos no. Las plantas en realidad retienen una pequeña cantidad del oxígeno que producen en la fotosíntesis y usan ese oxígeno para descomponer los carbohidratos y darles energía.

Pero ¿Qué sucede por la noche cuando no hay luz solar necesaria para la fotosíntesis? Curiosamente, para mantener su metabolismo y continuar la respiración durante la noche, las plantas deben absorber oxígeno del aire y emitir dióxido de carbono (que es exactamente lo que hacen los animales). Afortunadamente para todos los que respiramos oxígeno, las plantas producen aproximadamente diez veces más oxígeno durante el día que el que consumen por la noche.

Las plantas descomponen el azúcar en energía utilizando los mismos procesos que nosotros. Se necesita oxígeno para convertir el azúcar en dióxido de carbono, liberando energía que las plantas pueden usar para mantenerse vivas.

Sin embargo, las plantas también absorben energía del sol (luz), dióxido de carbono de la atmósfera y agua del suelo que utilizan para producir azúcar y liberar oxígeno. (Usan el 'carbono' en el dióxido de carbono para construir la molécula de azúcar). Dado que no hay luz solar por la noche, esto les da a las plantas una forma de mantenerse vivas, incluso cuando no hay luz.

Sin embargo, ¡Las plantas usan azúcar para construir casi todo! La celulosa, la sustancia dura de las plantas, es solo un montón de moléculas de azúcar unidas entre sí. Sin embargo, no podemos digerirlo, pero algunos animales sí. De manera similar, las plantas producen almidón (azúcar unido entre sí, pero no tan fuerte) para almacenar energía para cuando oscurece. Podemos digerir el almidón.

Dado que las plantas usan el azúcar, producen más que solo energía, producen más oxígeno del que utilizan.

¡Gran pregunta! Las plantas producen oxígeno, porque cuando realizan la fotosíntesis, toman dióxido de carbono (CO2 una forma gaseosa de carbono unido a dos moléculas de oxígeno) y agua (H2O un oxígeno unido a dos átomos de hidrógeno) y combinarlos utilizando energía luminosa para producir azúcares y oxígeno. Esto almacena la energía en enlaces químicos (en los azúcares) y libera O2. La ecuación química para esto es:
6CO2 + 6H2 C6H12O6(azúcar) + 6O2

Las plantas usan esos azúcares como nosotros cuando los consumimos, para obtener energía. Las plantas usan los azúcares que producen oxidándolos (con O2, al igual que nosotros) para liberar la energía almacenada en los enlaces. Liberan CO2 (como nosotros, cuando respiramos). Pero, cuando las plantas están realizando la fotosíntesis, liberan más O2 durante la fotosíntesis de lo que consumirán en la respiración (oxidando los azúcares que han producido). Liberan el oxígeno a través de los mismos poros que permiten que el CO2 para entrar en sus células foliares.

La respuesta rápida a tu pregunta es que el oxígeno es solo un producto de desecho cuando las plantas realizan la fotosíntesis.

Las plantas pueden hacer dos cosas importantes:
Usa la energía del sol para convertir el CO2 (dióxido de carbono) y H2O (agua) en azúcar (C6H12O6) con oxígeno (O2) sobrante. Este es fotosíntesis.

Y ellos pueden:
Romper el azúcar (C6H12O6) en CO2 (dióxido de carbono) y H2O (agua), pero necesitan (O2) oxígeno para hacerlo. Este es respiración celular.

Solo podemos hacer lo segundo.
los primera ley de la termodinámica nos dice que la materia no se puede crear ni destruir. No puede surgir de la nada y no puede desaparecer. Entonces, el mismo número de átomos (C, H, O) tienen que entrar y salir. Escribamos la fotosíntesis como una ecuación balanceada.

Fotosíntesis:
6CO2 + 6H2O da C6H12O6 + 6O2
Cuente el número de átomos de carbono a cada lado de la flecha. Si tiene seis en un lado, necesita seis en el otro. Ahora cuenta los átomos de hidrógeno. (6 X 2) en un lado y 12 en el otro. ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en el lado izquierdo?
(6 X 2) + (6 X 1) = ___. Ahora ¿Cuántos átomos de oxígeno hay en la glucosa? 6.
Entonces te sobran átomos de oxígeno. Ahí es donde el O2 viene de. Es el material sobrante de la elaboración del azúcar. Al igual que cuando haces algo, los trozos que cortas no desaparecen. La planta respira el oxígeno, que es bueno para todos los animales porque necesitamos oxígeno, como saben.

¿Podría haber animales sin plantas? ¿Podría haber plantas sin animales?

Las plantas producen oxígeno como un producto de desecho de la producción de azúcar utilizando la luz solar, el dióxido de carbono y el agua. Si una planta necesita energía, pero no tiene luz solar, entonces puede quemar el azúcar que producía cuando tenía luz solar, y hacerlo requiere oxígeno.


Sale de

El intercambio de oxígeno y dióxido de carbono en la hoja (así como la pérdida de vapor de agua en la transpiración) ocurre a través de poros llamados estomas (singular = estoma).

Normalmente, los estomas se abren cuando la luz incide en la hoja por la mañana y se cierran durante la noche. La causa inmediata es un cambio en la turgencia del celdas de guardia. La pared interior de cada celda de protección es gruesa y elástica. Cuando se desarrolla turgencia dentro de las dos células protectoras que flanquean cada estoma, las delgadas paredes externas sobresalen y fuerzan a las internas a adoptar una forma de media luna. Esto abre el estoma. Cuando las células de guarda pierden turgencia, las paredes internas elásticas recuperan su forma original y el estoma se cierra.

Tiempo Presión osmótica lb / in 2
7 a.m. 212
11 A.M. 456
5 de la tarde 272
12 medianoche 191

La tabla muestra la presión osmótica medida en diferentes momentos del día en celdas de guarda típicas. La presión osmótica dentro de las otras células de la epidermis inferior se mantuvo constante en 150 lb / in 2 (

1000 kilopascal, kPa). Cuando la presión osmótica de las células de guarda se hizo mayor que la de las células circundantes, los estomas se abrieron. Por la noche, cuando la presión osmótica de las células de guarda se redujo casi a la de las células circundantes, los estomas se cerraron.

Estomas de apertura

El aumento de la presión osmótica en las células de guarda es causado por una captación de potasio iones (K +). La concentración de K + en las células de guarda abiertas supera con creces la de las células circundantes. Así es como se acumula:

  • La luz azul es absorbida por fototropina que activa una bomba de protones (una H + -ATPasa) en la membrana plasmática de la célula protectora.
  • El ATP, generado por las reacciones lumínicas de la fotosíntesis, impulsa la bomba.
  • A medida que se bombean protones (H +) fuera de la célula, su interior se vuelve cada vez más negativo.
  • Esto atrae iones de potasio adicionales a la célula, aumentando su presión osmótica.

Estomas de cierre

Aunque los estomas abiertos son esenciales para la fotosíntesis, también exponen a la planta al riesgo de perder agua por transpiración. Aproximadamente el 90% del agua absorbida por una planta se pierde por transpiración. En las angiospermas y gimnospermas (pero no en helechos y licopsidos), el ácido abscísico (ABA) es la hormona que desencadena el cierre de los estomas cuando el agua del suelo es insuficiente para mantener el ritmo de la transpiración (lo que a menudo ocurre alrededor del mediodía).

  • ABA se une a receptores en la superficie de la membrana plasmática de las células de guarda.
  • Los receptores activan varias vías de interconexión que convergen para producir
    • un aumento del pH en el citosol
    • transferencia de Ca 2+ de la vacuola al citosol

    Los estomas abiertos también proporcionan una abertura a través de la cual las bacterias pueden invadir el interior de la hoja. Sin embargo, las células de guarda tienen receptores que pueden detectar la presencia de moléculas asociadas con bacterias llamadas patrones moleculares asociados a patógenos (PAMP). LPS y flagelina son ejemplos. Cuando las células de guarda detectan estos PAMP, ABA media el cierre del estoma y, por lo tanto, cierra la puerta a la entrada de bacterias.

    Este sistema de inmunidad innata se parece al que se encuentra en los animales.

    Densidad de los estomas

    La densidad de los estomas producidos en las hojas en crecimiento varía con factores como la temperatura, humedad, y intensidad de luz alrededor de la planta. También depende de la concentración de dióxido de carbono en el aire alrededor de las hojas. La relación es inverso es decir, como la concentración de CO 2 sube, el número de estomas producidos desciende y viceversa. Alguna evidencia:

    • Plantas cultivadas en una atmósfera artificial con un alto nivel de CO 2 tienen menos estomas de lo normal.
    • Los especímenes de herbario revelan que el número de estomas en una especie determinada ha ido disminuyendo durante los últimos 200 años y mdash de la época de la revolución industrial y los niveles crecientes de CO 2 en la atmósfera.

    Estos datos pueden cuantificarse determinando la índice estomático: la proporción del número de estomas en un área determinada dividido por el número total de estomas y otras células epidérmicas en esa misma área.

    ¿Cómo determina la planta cuántos estomas producir?

    Resulta que las hojas maduras de la planta detectan las condiciones a su alrededor y envían una señal (su naturaleza aún se desconoce, pero ver más abajo * ) que ajusta el número de estomas que se formarán en las hojas en desarrollo.

    Dos experimentos (informados por Lake et al., En Naturaleza, 411: 154, 10 de mayo de 2001):

    • Cuando las hojas maduras de la planta (Arabidopsis) están envueltos en tubos de vidrio llenos de altos niveles (720 ppm) de CO 2 , las hojas en desarrollo tienen menos estomas de lo normal a pesar de que están creciendo en aire normal (360 ppm).
    • Por el contrario, cuando las hojas maduras reciben aire normal (360 ppm CO 2 ) mientras el brote está expuesto a niveles elevados de CO 2 (720 ppm), las hojas nuevas se desarrollan con el índice estomático normal.

    * Una señal que aumenta la densidad estomática en plántulas de Arabidopsis de 2 días de edad (una configuración experimental diferente a la anterior) es un péptido de 45 aminoácidos llamado stomagen que es liberado por las células del mesófilo e induce la formación de estomas en la epidermis de arriba.

    Los estomas revelan niveles pasados ​​de dióxido de carbono

    Porque CO 2 Los niveles y el índice estomático están inversamente relacionados, ¿podrían las hojas fósiles informarnos sobre los niveles pasados ​​de CO? 2 ¿en la atmósfera? Si. Según lo informado por Gregory Retallack (en Naturaleza, 411: 287, 17 de mayo de 2001), su estudio de las hojas fósiles del ginkgo y sus parientes muestra:

    • sus índices estomáticos fueron elevado a finales del período Pérmico (hace 275 & ndash290 millones de años) y nuevamente en la época del Pleistoceno (hace 1 & ndash8 millones de años). Ambos períodos son conocidos por la evidencia geológica de haber sido tiempos de bajo niveles de dióxido de carbono atmosférico y edades de hielo (con glaciares).
    • Por el contrario, los índices estomáticos fueron bajo durante el período Cretácico, una época de alto CO 2 Niveles y clima cálido.

    Estos estudios también apoyan la importancia del dióxido de carbono como gas de efecto invernadero que juega un papel importante en el calentamiento global.


    Proceso de fotosíntesis paso a paso

    Por definición, la fotosíntesis es un proceso mediante el cual los fotoautótrofos convierten la energía derivada del Sol en energía química utilizable. Luz, agua, clorofila y dióxido de carbono son los requisitos básicos para este proceso.

    Paso 1

    El dióxido de carbono en la atmósfera ingresa a la hoja de la planta a través de los estomas, es decir, poros diminutos de la epidermis en las hojas y el tallo de las plantas que facilitan la transferencia de diversos gases y vapor de agua.

    Paso 2

    El agua entra en las hojas, principalmente a través de las raíces. Estas raíces están especialmente diseñadas para extraer el agua subterránea y transportarla a las hojas a través del tallo.

    Paso 3

    A medida que la luz del sol cae sobre la superficie de la hoja, la clorofila, es decir, el pigmento verde presente en la hoja de la planta, atrapa la energía en ella. Curiosamente, el color verde de la hoja también se atribuye a la presencia de clorofila.

    Paso 4

    Luego, el hidrógeno y el oxígeno se producen convirtiendo el agua utilizando la energía derivada del sol. El hidrógeno se combina con el dióxido de carbono para producir alimento para la planta, mientras que el oxígeno se libera a través de los estomas. De manera similar, incluso las algas y las bacterias usan dióxido de carbono e hidrógeno para preparar alimentos, mientras que el oxígeno se libera como producto de desecho.

    Los electrones de las moléculas de clorofila y los protones de las moléculas de agua facilitan las reacciones químicas en la célula. Estas reacciones producen ATP (trifosfato de adenosina), que proporciona energía para las reacciones celulares, y NADP (difosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina), esencial en el metabolismo de las plantas.

    Todo el proceso se puede explicar mediante una única fórmula química.

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    Mientras tomamos oxígeno y emitimos dióxido de carbono para producir energía, las plantas absorben dióxido de carbono y emitimos oxígeno para producir energía.

    La fotosíntesis tiene varios beneficios, no solo para los fotoautótrofos, sino también para humanos y animales. La energía química almacenada en las plantas se transfiere a los animales y a los humanos cuando consumen materia vegetal. También ayuda a mantener un nivel normal de oxígeno y dióxido de carbono en la atmósfera. Casi todo el oxígeno presente en la atmósfera se puede atribuir a este proceso, lo que también significa que la respiración y la fotosíntesis van juntas.

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    Estructuras principales y resumen de la fotosíntesis

    La fotosíntesis requiere luz solar, dióxido de carbono y agua como reactivos iniciales (Figura 4). Una vez que se completa el proceso, la fotosíntesis libera oxígeno y produce moléculas de carbohidratos, más comúnmente glucosa. Estas moléculas de azúcar contienen la energía que los seres vivos necesitan para sobrevivir.

    Figura 4. La fotosíntesis usa energía solar, dióxido de carbono y agua para liberar oxígeno y producir moléculas de azúcar que almacenan energía.

    Las complejas reacciones de la fotosíntesis se pueden resumir mediante la ecuación química que se muestra en la Figura 5.

    Figura 5. El proceso de fotosíntesis se puede representar mediante una ecuación, en la que el dióxido de carbono y el agua producen azúcar y oxígeno utilizando energía de la luz solar.

    Aunque la ecuación parece simple, los muchos pasos que tienen lugar durante la fotosíntesis son en realidad bastante complejos, ya que la reacción que resume la respiración celular representó muchas reacciones individuales. Antes de conocer los detalles de cómo los fotoautótrofos convierten la luz solar en alimento, es importante familiarizarse con las estructuras físicas involucradas.

    En las plantas, la fotosíntesis tiene lugar principalmente en las hojas, que constan de muchas capas de células y tienen lados superior e inferior diferenciados. El proceso de fotosíntesis no ocurre en las capas superficiales de la hoja, sino en una capa intermedia llamada mesófilo (Figura 6). El intercambio de gases de dióxido de carbono y oxígeno se produce a través de pequeñas aberturas reguladas llamadas estomas.

    En todos los eucariotas autótrofos, la fotosíntesis tiene lugar dentro de un orgánulo llamado cloroplasto. En las plantas, existen células que contienen cloroplasto en el mesófilo. Los cloroplastos tienen una membrana doble (interna y externa). Dentro del cloroplasto hay una tercera membrana que forma estructuras apiladas en forma de disco llamadas tilacoides. Incrustadas en la membrana tilacoide hay moléculas de clorofila, un pigmento (una molécula que absorbe la luz) a través del cual comienza todo el proceso de fotosíntesis. La clorofila es responsable del color verde de las plantas. La membrana tilacoide encierra un espacio interno llamado espacio tilacoide. Otros tipos de pigmentos también participan en la fotosíntesis, pero la clorofila es, con mucho, el más importante. Como se muestra en la Figura 6, una pila de tilacoides se llama granum, y el espacio que rodea al granum se llama estroma (que no debe confundirse con los estomas, las aberturas de las hojas).

    Conexión de arte

    Figura 6. No todas las células de una hoja realizan la fotosíntesis. Las células dentro de la capa media de una hoja tienen cloroplastos, que contienen el aparato fotosintético. (crédito & # 8220leaf & # 8221: modificación del trabajo de Cory Zanker)

    En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar agua. ¿Qué impacto tendrá esto en la fotosíntesis?


    ¿Cómo obtienen energía las plantas y los animales?

    Las plantas absorben la energía del sol y utilizan la fotosíntesis para producir azúcares. Los animales tienen mitocondrias que utilizan los azúcares proporcionados por las plantas para producir su propia energía celular. Las plantas que producen su propio alimento y alimento para otras plantas y animales mediante la fotosíntesis se denominan autótrofos.

    El sol proporciona energía a las plantas que la absorben en sus cloroplastos. Los cloroplastos utilizan esta energía para crear moléculas de azúcar que ayudan a las plantas a crecer y reproducirse. Luego, los animales se acercan y comen las plantas y absorben su energía. Utilizan la energía obtenida de las plantas para producir su propia energía y convertirla en agua y dióxido de carbono. Las plantas usan el dióxido de carbono y el agua, y el ciclo comienza de nuevo. Para obtener energía, los animales no siempre tienen que comer plantas. También pueden obtener energía al comer otros animales que comen plantas.

    Hay muchos procesos diferentes que ocurren en plantas y animales que requieren energía. El trabajo sintético involucra cosas como la producción de ADN y requiere energía para que ocurra. El trabajo mecánico involucrado en el movimiento de los músculos requiere energía, al igual que los impulsos eléctricos que viajan desde el cerebro al resto del cuerpo. Sin suficiente energía, estos procesos se vuelven difíciles o imposibles.


    Fotosíntesis, respiración celular y fermentación

    Ya has aprendido un poco sobre la fotosíntesis gracias a nuestro estudio de las células vegetales. Aprendiste que la fotosíntesis ocurre en los cloroplastos que se encuentran solo en las células vegetales. Piense en qué más ha aprendido.

    Ya ha aprendido que hay dos tipos básicos de organismos cuando se trata de alimentos: productores y consumidores. Los productores pueden hacer su propia comida. Los consumidores obtienen los alimentos que necesitan al comer otros organismos. Aprendiste que solo las plantas son productoras y que hacen su propio alimento combinando agua (H2O), dióxido de carbono (CO2) y energía del sol para producir azúcar (C6H12O6) y oxígeno (O2). Este proceso, como aprendiste, se llama fotosíntesis. En el proceso de producción de azúcar, las células vegetales también bloquean parte de la energía que recolectan de la luz solar en la molécula de azúcar.

    Ok genial. Entonces, ¿cómo las células (recuerde, tanto las células vegetales como las animales necesitan energía, y ninguna puede usar directamente la energía proporcionada por el sol) obtener la energía de la molécula de azúcar? Lo hacen con un proceso llamado respiración celular. En la respiración celular, las células usan oxígeno para romper la molécula de azúcar. Eso libera la energía que luego se transfiere a una molécula de ATP (trifosfato de adenosina). El ATP es el combustible que las células necesitan para obtener energía. ¿Y dónde ocurre la respiración celular? Como ha aprendido, sucede en esas prácticas mitocondrias.

    Entonces, realmente, ya conoces todos los conceptos básicos. Hay solo algunos detalles que necesita aprender y están cubiertos en la Sección 1 del Capítulo 5 en su libro de texto y, por supuesto, aquí mismo. Empecemos con la fotosíntesis

    Fotosíntesis

    Si observara las células vegetales con un microscopio y las comparara con las células animales, hay dos cosas que notaría de inmediato. Primero, notarías la pared celular que rodea la célula vegetal. Lo notarías de la misma manera que lo notó Robert Hooke. Lo segundo que notará es que una célula vegetal es verde y una célula animal es básicamente transparente. Si estuviera mirando una célula vegetal relativamente grande y estuviera usando un microscopio como los que tenemos en la escuela, notaría que no toda la célula vegetal era verde. En cambio, notaría que había grandes objetos verdes dentro de la celda de la planta. Estos grandes objetos verdes, por supuesto, son cloroplastos. Y la razón por la que son verdes es porque contienen un pigmento verde llamado clorofila.

    Eche un vistazo a esta ilustración de su libro:

    ¿Notas cómo la fórmula química que define la fotosíntesis se ve un poco diferente de la forma en que la aprendiste originalmente? En lugar de CO2 + H2O + luz muestra 6CO2 + 6H2O + luz. Eso es porque las ecuaciones químicas, al igual que las matemáticas, tienen que equilibrarse. La fórmula original toma un átomo de carbono (eso es cuántos átomos de carbono hay en CO2), 2 átomos de hidrógeno (eso es cuántos átomos de hidrógeno hay en H2O) y 3 átomos de oxígeno (2 que están en CO2 y uno que está en H2O) y lo convierte en glucosa (que contiene 6 átomos de carbono, 12 átomos de hidrógeno y 6 átomos de oxígeno) y una molécula de oxígeno (O2, que contiene 2 átomos de oxígeno). ¡Eso simplemente no cuadra! Puedes convertir mágicamente 1 átomo de carbono del CO2 en 6 átomos de carbono en C6H12O6. But if you do the math with the formula in the illustration above, you'll see that the number of atoms of carbon, oxygen, and hydrogen on both sides of the equation are correct. You will get way more practice balancing chemical equations when you study chemistry in 8th grade science.

    Respiración celular

    It is tempting to think of cellular respiration as the opposite of photosynthesis. If you look at the illustration from our book, below, you'll see why:

    Do you see the way the chemical formula for cellular respiration is the reverse of the chemical formula for photosynthesis? The only real difference is that in one, the energy is sunlight and in the second, the energy is the ATP molecule. It's that reversal that makes many people think of photosynthesis and cellular respiration as being opposites. ¡No son! Rather, they are complementary to one another. Without photosynthesis, there would be no sugar, without which there could be no cellular respiration. On the other hand, cellular respiration produces the H2O y CO2 that are needed for photosynthesis. It's really important for you to remember that cellular respiration in eukaryotic cells takes place in the mitochondria. Both animal cells and plant cells depend on cellular respiration for their energy needs, because both animal cells and plant cells need ATP. Plant cells may be able to use the energy from the sun to make sugar, but they can't use the sun's energy as fuel. They need ATP the same way that animal cells do, and ATP can only be formed through cellular respiration. The illustration below from your book shows the way that photosynthesis and cellular respiration complement each other.

    Do you see what I don't like about this illustration? Is it clear from this illustration that plant cells also have mitochondria? Not clear enough, in my opinion! So remember! Plant cells have mitochondria, too!

    Fermentación

    What happens when there is not enough oxygen to keep the cellular respiration reaction alive? Your book makes it seem like the answer is very simple. Let's start with the simple answer in your book. If there is not enough oxygen for cells to perform cellular respiration, they resort to another method of producing energy called fermentation. They still break down the sugar molecule to release the energy so that it can be transferred to an ATP molecule, but they do it without oxygen. In cellular respiration, CO2 y H2O are produced along with the energy. In fermentation, CO2 and something called lactic acid are produced. Just like your book explains, you've probably experienced fermentation yourself when you've had to run the Wednesday mile and you've really pushed yourself to get a good grade. You know that burning or stinging sensation that you feel in your muscles when you push yourself running? That's caused by a buildup of lactic acid in your muscles. No matter how hard your lungs and heart work to get oxygen to the cells in your leg muscles, they still aren't getting enough to produce all the energy they need through cellular respiration. So, they are forced to switch to fermentation, and lactic acid is produced.

    There are some organisms that get all of their energy needs from fermentation. One common example is yeast. Sí. That same stuff that you drop into the bread maker. You should have noticed that there were lots of bubbles in the tubes containing the yeast and sugar water in our classroom. You've already seen live yeast cells in class that I projected from a microscope to the screen. A few classes got lucky and were able to see some yeast cells that were in the process of reproducing. I know you're going to be happy to hear this: yeast cells reproduce by budding! Just when you thought it was safe to forget all about budding and the pain it has caused you on past tests, it's back!

    So how does yeast make bread rise? It's pretty simple, really. Bread is made mostly of flour. You probably already know that bread is "carbs", or carbohydrates. Do you remember what carbohydrates are? That's right, they are just long strings of sugar molecules. Yeast uses those sugar molecules to get the energy it needs, and in the process it creates CO2. That CO2 makes bubbles inside of the bread dough, and those bubbles make the dough get larger, or rise.

    There is another way that fermentation caused by yeast is important. Grape juice also contains a lot of sugar. When yeast is added to grape juice, it uses the sugar for energy. Yes, it produces CO2, but it also produces alcohol. That's how grape juice is turned into wine!

    The Global Warming Connection

    Remember An Inconvenient Truth, the Al Gore documentary movie? One of the scenes in the movie showed the earth at night as photographed from space. Vice President Gore said that the large red areas were forests burning. There are plenty of naturally-occurring forest fires, but humans purposely set forests ablaze, too. In Brasil, for example, parts of the rainforest are burned to create more land for crops and housing. Think about what this means for global warming.

    Global warming is caused by too much carbon dioxide in the atmosphere. The carbon dioxide acts as a blanket. When sunlight hits the earth, it can't radiate back into space because of the carbon dioxide and other greenhouse gases that are present in the atmosphere. So, the earth gets hotter.

    Burning forests is a double-whammy. First, removing trees means that they aren't there anymore to convert carbon dioxide into sugar and oxygen. Second, when we burn the trees, we are releasing all of the carbon dioxide that they have collected. When mitochondria combine glucose with oxygen to produce energy, they are "burning" the sugar through a process called oxidation. There are many examples of oxidation in real life. When a nail gets rusty, that's oxidation. And, of course, when something burns, that's oxidation, too. The only difference between rusting, burning, and the way that mitochondria release the energy from a glucose molecule is the speed of the reaction. Rusting is very slow oxidation and burning is very fast oxidation. So burning the sugar in the trees is just a very fast version of what mitochondria do: the sugar releases carbon dioxide and energy in the form of heat. Some trees have been alive for hundreds or even thousands of years! So when we burn them, we are releasing hundreds or thousands of years worth of "captured" carbon dioxide.

    That's it, folks. If you can remember the chemical formula for both photosynthesis and cellular respiration, if you can explain how the two processes complement one another, and if you can explain what happens when there is not enough oxygen for cellular respiration, then you've learned what you need to have learned.

    These videos will help you to understand photosynthesis and cellular respiration. Don't be afraid of the complicated scientific vocabulary! You will understand more than you think if you just stop once in a while and try to make a connection between what is going on in the video and what you have already learned.



Comentarios:

  1. Felton

    ¡Es genial!

  2. Lucius

    Soy un spammer divertido y positivo. Por favor, no elimine mis comentarios. Deja que la gente se ría al menos :)

  3. Edingu

    Espero que todo esté bien

  4. Ammitai

    En mi opinión, admites el error. Puedo defender mi posición. Escríbeme por PM, hablamos.

  5. Alfredo

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