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Photosynthesis and Respiration

Biología · Fotosíntesis y respiración

Conexión entre la fotosíntesis y la respiración

En esta lección

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Pregunta esencial

¿Por qué dependen los productores y los consumidores unos de otros?

La fotosíntesis y la respiración celular parecen opuestas, y en muchos sentidos lo son. Juntas mueven la materia en un ciclo y la energía en una sola dirección. En esta lección pondrás los dos procesos lado a lado y usarás datos de plantas en la luz y en la oscuridad para ver cómo se equilibran.

Video de la lección próximamente. Mientras tanto, lee la lección que aparece abajo.

Los productos de uno son los reactivos del otro

  • La fotosíntesis produce glucosa y O2
  • La respiración celular usa glucosa y O2
  • La respiración produce CO2 y H2O
  • La fotosíntesis usa CO2 y H2O
Ciclo con cuatro recuadros. La fotosíntesis en los cloroplastos envía glucosa y oxígeno a la respiración celular en las mitocondrias. La respiración celular devuelve dióxido de carbono y agua a la fotosíntesis. La energía de la luz entra a la fotosíntesis, y el ATP para el trabajo celular y el calor salen de la respiración celular.

Las dos ecuaciones son imágenes en espejo una de la otra: 6CO2 + 6H2O + energía de la luz → C6H12O6 + 6O2 y C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + energía. La glucosa y el O2 que producen los productores son los reactivos de la respiración en productores y consumidores, y el CO2 y el H2O que libera la respiración son los reactivos de la fotosíntesis. Los consumidores dependen de los productores para obtener glucosa y O2, y los productores dependen de los consumidores (y de su propia respiración, y de los descomponedores) para obtener parte de su CO2. En tierra, la fotosíntesis quita del aire entre 120 y 160 gigatoneladas de carbono (GtC) cada año, según cómo se calcule, y la respiración y la descomposición devuelven casi la misma cantidad. El modelo del ciclo del carbono de la Unidad 1 usa 120 GtC como valor redondeado de este flujo.

La materia cicla, la energía fluye

  • Materia (C, H, O): cicla entre los procesos
  • Energía: entra como luz y sale como calor
  • El ATP lleva energía para el trabajo celular, no entre organismos
  • El Sol tiene que seguir suministrando energía
Cadena de recuadros: el Sol, los productores que usan la fotosíntesis, todos los organismos que usan la respiración, y el calor que se pierde en el espacio. Arriba de las flechas aparecen la energía química en la glucosa y el ATP para el trabajo celular. Una flecha punteada regresa de todos los organismos a los productores, rotulada el CO2 y el H2O regresan a los productores, la materia cicla. El título dice que la energía fluye en una sola dirección y la materia cicla.

Los mismos átomos de carbono, hidrógeno y oxígeno se usan una y otra vez. La energía es distinta. La energía de la luz entra por la fotosíntesis, pasa a la glucosa y se usa para producir ATP y calor en la respiración celular. El ATP se usa para el trabajo celular, y toda esa energía termina como calor, que sale al espacio. La energía no cicla, así que el Sol tiene que seguir suministrándola. Es el mismo patrón de las redes alimenticias y las pirámides de energía de la Unidad 1.

Fotosíntesis bruta y neta

  • Bruta: todo el O2 que la planta produce por fotosíntesis
  • La planta también usa O2 en la respiración
  • Neta = bruta − respiración
  • Punto de compensación: neta = 0
Gráfica de la liberación neta de oxígeno en mL por hora contra la intensidad de la luz, de 0 a 60. Empieza en menos 4 en la oscuridad, cruza el cero en cerca de 17 y sube a 1 en 20, 4 en 30, 6 en 40 y 7 en 50 y 60.

Una planta respira de día y de noche, pero hace fotosíntesis solo con luz. Por eso el O2 que sale de la planta es solo el sobrante: liberación neta de O2 = O2 producido por la fotosíntesis (bruta) − O2 usado por la respiración. En la oscuridad no hay fotosíntesis, así que la cantidad neta es negativa: la planta usa 4 mL de O2 por hora (datos de muestra). El punto de compensación es la intensidad de luz en la que la fotosíntesis es justo igual a la respiración y la cantidad neta es cero. Por encima de ese punto, la planta libera O2 y le sobra glucosa para crecer.

A lo largo de un día

  • La respiración continúa todo el día y toda la noche
  • La fotosíntesis sigue a la luz
  • La fotosíntesis es mayor hacia el mediodía
  • De noche, solo ocurre la respiración
Gráfica de la velocidad en unidades relativas contra la hora del día, de las 12 de la noche a las 12 de la noche. La respiración es una línea punteada plana en 3. La fotosíntesis, una curva continua, es 0 hasta las 6 de la mañana, sube a un máximo de 10 al mediodía y baja a 0 a las 6 de la tarde.

Este modelo compara las dos velocidades de una planta durante un día. La respiración se mantiene constante en 3 unidades (datos de muestra), porque las células necesitan ATP todo el tiempo. La fotosíntesis sigue al Sol: es cero de noche y llega a un máximo de 10 al mediodía. Temprano en la mañana y al final de la tarde, la fotosíntesis cae por debajo de la respiración, así que la planta usa la glucosa más rápido de lo que la produce. Hacia el mediodía produce mucho más de lo que usa, y la glucosa sobrante se usa para crecer y para almacenar.

Evidencia: frascos sellados

  • Frascos sellados con plantas, en la luz y en la oscuridad
  • Luz: el CO2 baja (la fotosíntesis es más rápida)
  • Oscuridad: el CO2 sube (solo hay respiración)
  • El CO2 del frasco muestra cuál proceso es más rápido
Gráfica del CO2 en un frasco sellado, en partes por millón, contra el tiempo de 0 a 6 horas. El frasco en la luz baja de 420 a 318. El frasco en la oscuridad sube de 420 a 515.

Dos frascos sellados con las mismas plantas empiezan con el mismo CO2 (420 ppm en los datos de muestra). En la luz, la fotosíntesis usa el CO2 más rápido de lo que la respiración lo libera, así que el CO2 baja. En la oscuridad, las plantas no pueden hacer fotosíntesis, pero siguen respirando, así que el CO2 sube. Un aumento del CO2 muestra que hay respiración, y una disminución muestra que la fotosíntesis es más rápida que la respiración.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: Oxígeno bruto y neto

Usa la gráfica del oxígeno neto. En la oscuridad, la liberación neta es −4 mL por hora. (a) ¿Cuánto O2 usa la planta en la respiración por hora? (b) Halla la fotosíntesis bruta con intensidades de luz de 20 y 40. (c) Estima el punto de compensación.

Gráfica de la liberación neta de oxígeno contra la intensidad de la luz, como en la lección.
Mostrar la solución
  1. (a) Respiración: en la oscuridad, solo la respiración usa O2, así que respiración = 4 mL/h.
  2. (b) Bruta = neta + respiración: en 20, neta = 1, así que bruta = 1 + 4 = 5 mL/h. En 40, neta = 6, así que bruta = 6 + 4 = 10 mL/h.
  3. (c) Punto de compensación: la cantidad neta cruza 0 entre 10 (neta −2) y 20 (neta +1). Con una estimación en línea recta, 10 + 2/3 × 10 ≈ 17, así que es cerca de 17.
  4. Significado: por debajo de cerca de 17, la planta usa más O2 del que produce. Por encima, la planta gana glucosa.
  5. Respuesta: 4 mL/h. Bruta: 5 mL/h en 20 y 10 mL/h en 40. El punto de compensación está en cerca de 17.

Ejemplo 2: Sigue el carbono y la energía

Usa el modelo para seguir un átomo de carbono y la energía que empieza en la luz. Un átomo de carbono empieza como CO2 en el aire, pasa a una hoja, se lo come un conejo y regresa al aire. (a) Nombra el proceso en cada paso. (b) Indica qué forma tiene la energía en cada etapa. (c) ¿Cuál cicla y cuál sale del sistema?

Cadena de recuadros. 6 CO2 en el aire pasan por la fotosíntesis a glucosa en la hoja de una planta, y luego por alimentación a glucosa en un consumidor. Del consumidor, una flecha rotulada respiración celular regresa a 6 CO2 en el aire, y otra flecha de la hoja rotulada respiración en la planta también lleva al CO2. Una nota dice que los mismos átomos de carbono siguen ciclando, y que la energía de la luz entra una vez y sale como calor.
Mostrar la solución
  1. (a) Procesos: CO2 → glucosa: fotosíntesis. Hoja → conejo: alimentación. Conejo (o planta) → CO2: respiración celular.
  2. (b) Energía: energía de la luz → energía química en la glucosa → energía química en el alimento del conejo → ATP (trabajo celular) y calor.
  3. (c) Ciclo: los átomos de carbono ciclan entre el aire y los seres vivos. La energía no cicla: entra como luz y sale como calor, así que el Sol tiene que seguir suministrándola.
  4. Respuesta: Fotosíntesis, alimentación y luego respiración. El carbono cicla; la energía fluye en una sola dirección, de la luz al calor.

Ejemplo 3: Frascos en la luz y en la oscuridad

Usa los datos de los frascos sellados. (a) Halla el cambio de CO2 en cada frasco después de 6 horas. (b) Halla la velocidad promedio de cada uno, en ppm por hora. (c) Explica los dos resultados.

Gráfica del CO2 en un frasco sellado durante 6 horas, un frasco en la luz y otro en la oscuridad, como en la lección.
Mostrar la solución
  1. (a) Cambios: frasco en la luz: 318 − 420 = -102 ppm. Frasco en la oscuridad: 515 − 420 = +95 ppm.
  2. (b) Velocidades: luz: -102 ppm ÷ 6 h ≈ -17 ppm/h. Oscuridad: 95 ppm ÷ 6 h ≈ +15.8 ppm/h.
  3. (c) Frasco en la luz: la fotosíntesis fue más rápida que la respiración, así que el resultado neto fue que se quitó CO2.
  4. Frasco en la oscuridad: no hubo fotosíntesis, así que la respiración liberó CO2. La planta respira en los dos frascos; la luz es lo que cambia el equilibrio.
  5. Respuesta: Frasco en la luz: −102 ppm (cerca de −17 ppm/h). Frasco en la oscuridad: +95 ppm (cerca de +15.8 ppm/h). La luz deja que la fotosíntesis supere a la respiración.

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Práctica

Completa un modelo que conecta la fotosíntesis y la respiración, calcula la liberación bruta y neta de oxígeno y usa datos de frascos en la luz y en la oscuridad. Inténtalo primero por tu cuenta y luego revisa tu trabajo con la clave de respuestas.

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Diapositivas de la lección

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Ideas clave

  • Los productos de cada proceso son los reactivos del otro
  • La materia cicla; la energía fluye en una sola dirección
  • Neta = bruta − respiración
  • La respiración ocurre de día y de noche; la fotosíntesis necesita luz
  • Si el CO2 sube, hay respiración; si baja, hay fotosíntesis

De vuelta a la pregunta esencial: los productores y los consumidores dependen unos de otros: los productores producen la glucosa y el O2 que usa la respiración, y la respiración devuelve CO2 y H2O a los productores. El carbono, el hidrógeno y el oxígeno ciclan, pero la energía entra como luz y sale como calor. Una planta respira todo el tiempo y hace fotosíntesis solo con luz, así que su liberación neta de O2 depende de la luz. Con esto termina nuestra unidad sobre la fotosíntesis y la respiración. A continuación estudiarás el ADN.

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Alineación con NGSS

Esta lección avanza hacia estas expectativas de desempeño de los Estándares de Ciencias de Nueva Generación (NGSS):

  • HS-LS2-3: Construir y revisar una explicación basada en evidencia sobre el ciclo de la materia y el flujo de energía en condiciones aeróbicas y anaeróbicas.
  • HS-LS2-5: Desarrollar un modelo para ilustrar el papel de la fotosíntesis y la respiración celular en el ciclo del carbono entre la biosfera, la atmósfera, la hidrosfera y la geosfera.

Ideas disciplinarias básicas: LS2.B Ciclos de la materia y transferencia de energía en los ecosistemas; PS3.D Energía en procesos químicos

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