En esta lección
- Video de la lección (próximamente)
- Apuntes de la lección
- Ejemplos resueltos
- Ideas clave
- Alineación con NGSS
Llévatelo
Pregunta esencial
¿Cómo mueven el carbono por los sistemas de la Tierra la fotosíntesis y la respiración celular?
Los átomos de carbono de tu cuerpo vinieron de tu comida, y el carbono de esa comida vino del dióxido de carbono del aire. A lo largo de la historia de la Tierra, esos mismos átomos también han pasado tiempo en el océano, en las rocas y en otros seres vivos. En esta lección seguirás al carbono mientras la fotosíntesis lo saca del aire y la respiración celular lo regresa. También usarás datos para ver cómo las personas están cambiando el ciclo del carbono.
Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.
El carbono: la columna vertebral de la vida
- Los cuatro tipos de biomoléculas tienen esqueletos de carbono
- Los átomos de carbono forman cadenas y anillos
- Los átomos de carbono se reciclan, nunca se agotan
Un átomo de carbono puede formar cuatro enlaces, así que los átomos de carbono se unen en cadenas y anillos largos. Estos esqueletos de carbono son la columna vertebral de los cuatro tipos de moléculas biológicas grandes: carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos. La cantidad de carbono en la Tierra se mantiene igual. Los seres vivos construyen su cuerpo con carbono que ha circulado muchas veces por el aire, el agua, las rocas y otros organismos.
Fotosíntesis y respiración celular
- Fotosíntesis: CO2 + H2O + energía luminosa → glucosa + O2
- Respiración: glucosa + O2 → CO2 + H2O + energía utilizable
- Cada proceso usa los productos del otro
Los productores, como las plantas y las algas, usan energía luminosa para combinar dióxido de carbono y agua en glucosa, y liberan oxígeno: 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2. Esto mueve carbono del aire a los seres vivos. Casi todos los organismos, incluidas las plantas, descomponen después la glucosa en la respiración celular para liberar energía utilizable: C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Esto regresa carbono al aire. Los productos de cada proceso son los reactivos del otro.
Reservorios y flujos de carbono
- Reservorios: aire, seres vivos y suelo, océanos, rocas
- La fotosíntesis y los océanos quitan CO2 del aire
- La respiración, la descomposición y la combustión lo regresan
El carbono se almacena en cuatro reservorios principales: la atmósfera, la biosfera (los seres vivos y el suelo), los océanos y la geosfera (las rocas y los combustibles fósiles). Los números están en gigatoneladas de carbono (GtC); una gigatonelada es mil millones de toneladas métricas. Las flechas muestran flujos anuales aproximados, redondeados para este modelo. La flecha de fotosíntesis muestra solo la fotosíntesis en tierra, y las estimaciones publicadas de estos flujos varían. La fotosíntesis y los océanos quitan carbono del aire, mientras que la respiración, la descomposición, los océanos y la combustión lo regresan. Los combustibles fósiles se formaron durante millones de años a partir de organismos enterrados, así que al quemarlos se pasa carbono antiguo al aire muy rápidamente.
El dióxido de carbono del aire va en aumento
- El CO2 se mide en Hawái desde 1958
- Tendencia al alza: de cerca de 317 ppm a más de 420 ppm
- Zigzag anual: las plantas crecen y descansan
Desde 1958, los científicos del Observatorio de Mauna Loa, en Hawái, miden la cantidad de CO2 en el aire, en partes por millón (ppm). La gráfica es un modelo suavizado de esas mediciones. La tendencia a largo plazo sube de forma constante, principalmente por la quema de combustibles fósiles y la tala de bosques. El pequeño zigzag anual viene de las plantas. La mayor parte de la tierra está en el hemisferio norte, así que el CO2 baja durante la primavera y el verano del norte, cuando la fotosíntesis es más rápida, y sube en otoño e invierno, cuando la respiración y la descomposición superan a la fotosíntesis.
Las personas y el ciclo del carbono
- Quemar combustibles fósiles y bosques agrega cerca de 11 GtC por año
- Las plantas y los océanos absorben solo una parte
- El resto se acumula en el aire
La gráfica de barras muestra flujos anuales aproximados de carbono hacia la atmósfera y fuera de ella. Sin las personas, los flujos de entrada y de salida casi se equilibrarían. Quemar combustibles fósiles y talar bosques agregan cerca de 11 GtC cada año. Las plantas terrestres y los océanos absorben parte del extra, pero casi la mitad se queda en el aire. El CO2 extra atrapa calor y calienta el clima, y el CO2 que absorben los océanos vuelve más ácida el agua de mar, lo que daña a los corales y a los mariscos.
Ejemplos resueltos
Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.
Ejemplo 1: Seguir un átomo de carbono
Un átomo de carbono pasa del aire a una hoja de pasto, luego a un conejo que come el pasto y después regresa al aire. Nombra el proceso en cada paso.
Mostrar la solución
- Paso 1: fotosíntesis. El pasto usa energía luminosa para convertir CO2 en glucosa.
- Paso 2: alimentación y digestión. El conejo come el pasto y usa el carbono de la glucosa para construir sus propias moléculas, como las proteínas.
- Paso 3: respiración celular. El conejo descompone compuestos de carbono para obtener energía y exhala CO2. (Si el conejo muere antes, los descomponedores liberan el carbono.)
- Respuesta: Fotosíntesis, luego alimentación y después respiración celular.
Ejemplo 2: ¿Se está acumulando carbono en el aire?
Usa los flujos anuales de abajo, que son valores redondeados de un modelo simplificado. Calcula el carbono total que se agrega al aire y el total que se quita. ¿Cuál es el cambio neto cada año? Cerca de 2.1 GtC de carbono suben el CO2 del aire en 1 ppm. ¿Qué tan rápido sube el CO2?
| Flujo | Dirección | GtC por año |
|---|---|---|
| Respiración celular y descomposición | hacia el aire | 117 |
| Liberado por el océano | hacia el aire | 77 |
| Quema de combustibles fósiles y tala de bosques | hacia el aire | 11 |
| Fotosíntesis | fuera del aire | 120 |
| Absorbido por el océano | fuera del aire | 80 |
Mostrar la solución
- Hacia el aire: 117 + 77 + 11 = 205 GtC
- Fuera del aire: 120 + 80 = 200 GtC
- Cambio neto: 205 GtC − 200 GtC = +5 GtC por año
- Velocidad de aumento: 5 GtC ÷ 2.1 GtC por ppm ≈ 2.4 ppm por año
- Respuesta: El aire gana cerca de 5 GtC cada año, lo que sube el CO2 cerca de 2.4 ppm por año.
Ejemplo 3: El zigzag anual
La gráfica muestra valores mensuales de CO2 en Mauna Loa durante dos años (valores de ejemplo). ¿En qué meses baja el CO2? Explica por qué. Luego compara mayo de 2022 con mayo de 2023 para calcular el aumento anual.
Mostrar la solución
- Patrón: el CO2 baja desde mayo hasta septiembre u octubre, y luego vuelve a subir.
- Razonamiento: durante el verano del hemisferio norte, las plantas crecen rápido, y la fotosíntesis toma más CO2 del que liberan la respiración y la descomposición.
- Aumento anual: 423.4 ppm − 420.8 ppm = 2.6 ppm
- Respuesta: El CO2 baja de mayo a cerca de septiembre y subió 2.6 ppm de mayo de 2022 a mayo de 2023.
Práctica
Compara la fotosíntesis y la respiración, nombra los flujos de un modelo del ciclo del carbono, calcula el cambio neto de carbono en la atmósfera y explica datos de un experimento y de CO2. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.
- Hoja de práctica: El ciclo del carbono (PDF) (en inglés)
- Clave de respuestas: El ciclo del carbono (PDF) (en inglés)
Diapositivas de la lección
Ideas clave
- El carbono es la columna vertebral de todas las biomoléculas
- La fotosíntesis quita CO2; la respiración lo regresa
- El carbono circula entre el aire, los seres vivos, los océanos y las rocas
- Quemar combustibles fósiles agrega carbono más rápido de lo que se quita
De vuelta a la pregunta esencial: la fotosíntesis mueve carbono del aire a los azúcares de los productores, y la respiración celular de casi todos los organismos lo regresa al aire como CO2. El carbono también circula por los océanos, el suelo y las rocas. Hoy, quemar combustibles fósiles agrega carbono más rápido de lo que lo quitan las plantas y los océanos, así que el CO2 del aire sigue subiendo. A continuación, seguirás al nitrógeno, un elemento que los seres vivos necesitan pero no pueden tomar directamente del aire.
Alineación con NGSS
Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):
- HS-LS2-5: Desarrollar un modelo que ilustre la función de la fotosíntesis y la respiración celular en el ciclo del carbono entre la biosfera, la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera.
- HS-ESS2-6: Desarrollar un modelo cuantitativo que describa el ciclo del carbono entre la hidrosfera, la atmósfera, la geosfera y la biosfera.
Ideas disciplinarias básicas: LS2.B Ciclos de la materia y transferencia de energía en los ecosistemas; PS3.D La energía en los procesos químicos; ESS2.D Tiempo atmosférico y clima