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¿La fotosíntesis comienza instantáneamente cuando una planta se expone a la luz?

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Tengo curiosidad por saber si el proceso de fotosíntesis tiene un tiempo de "aceleración" para volverse útil para una planta, o si comienza instantáneamente cuando la planta se expone a la luz después de un período de oscuridad.

Por ejemplo, si estoy cultivando una planta en interiores con luz artificial, ¿la planta comienza a convertir CO2 en el mismo momento en que enciendo la luz, o se necesita un cierto período de tiempo para que la reacción alcance un impulso crítico para la planta? para poder producir azúcares?

O, como un experimento mental, si encendiera la luz durante 10 minutos, ¿la planta produciría aproximadamente la misma cantidad de azúcares que si encendiera la luz durante 1 minuto y luego la apagara durante 10 minutos, 10 veces seguidas?


¡Esta es una pregunta realmente interesante! Llega al corazón de cómo funciona la fotosíntesis.

Primero, tenga en cuenta que si la planta comenzará a producir glucosa inmediatamente o no, depende de una variedad de factores (qué tipo de planta, qué tipo de luz). Por ejemplo, muchas suculentas se someten a la fotosíntesis CAM (metabolismo del ácido crasuláceo) en la que la captura de luz y la fijación de CO2 se separan temporalmente (la primera durante las horas del día y la última durante la noche). Además, la luz artificial viene con diferentes composiciones de longitud de onda (la proporción de luz roja a roja lejana puede diferir) y las tasas de fotosíntesis cambiarán en consecuencia. Lea más aquí.

Pero aún no he abordado el meollo de su pregunta: ¿cuánto tiempo tarda una planta en comenzar a fotosintetizar una vez que se expone a la luz? Para pensar en esto, considere lo que realmente está sucediendo cuando la luz golpea una hoja. La energía luminosa es absorbida por los pigmentos de los cloroplastos, que transfieren energía a los pigmentos vecinos hasta que un electrón se transfiere a un centro de reacción. A partir de aquí, continúan las "reacciones de luz" de la fotosíntesis y se obtiene energía química utilizable. A partir de ahí, continúa el ciclo de CBB (a veces llamado ciclo de Calvin, Calvin-Benson o reacción "oscura"), que es donde entra en juego el CO2 de su pregunta y se producen azúcares de 6 carbonos. No se trata de "acelerar", sino de completar esta serie de reacciones químicas.

Así que ahora es el momento de considerar su experimento mental. Digamos que tiene una planta de frijoles en su cocina (fotosintetizador C3) y realiza su experimento encendiendo una lámpara de luz blanca en la planta con las condiciones experimentales descritas. Creo que produciría aproximadamente la misma cantidad de azúcares en cada uno porque la síntesis de glucosa ocurre en el orden de segundos (~ 30 s). Si expuso su planta de frijoles a la luz blanca durante incrementos de solo 5 segundos, no habría tiempo para producir la energía necesaria para completar el ciclo de broca.

Aparte: los experimentos que aclararon por primera vez el ciclo de la broca se llevaron a cabo exponiendo cianobacterias (una bacteria fotosintética) a carbono marcado (pesado) y exponiéndolo a la luz durante unos segundos, y caracterizando qué compuestos se produjeron a partir de ese carbono pesado dentro de esos pocos -segundo período de tiempo. Lea más sobre ese experimento en el enlace anterior. ¡Parece que el propio Calvin se preguntaba lo mismo que tú!

Para leer más sobre los conceptos básicos de la fisiología vegetal, incluida la fotosíntesis, siempre recomiendo la bio "biblia" vegetal: Plant Physiology and Development por Taiz L., Zeiger E., 2010. Todavía la consulto con frecuencia.

Espero que esto ayude. ¡Mantente inquisitivo!


Explicador: cómo funciona la fotosíntesis

Las plantas verdes absorben la luz del sol y convierten el agua y el dióxido de carbono en el oxígeno que respiramos y los azúcares que comemos.

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28 de octubre de 2020 a las 6:30 am

Tomar una respiración profunda. Entonces agradece a una planta. Si comes frutas, verduras, cereales o patatas, agradece también a una planta. Las plantas y las algas nos proporcionan el oxígeno que necesitamos para sobrevivir, así como los carbohidratos que utilizamos para obtener energía. Lo hacen todo a través de la fotosíntesis.

La fotosíntesis es el proceso de creación de azúcar y oxígeno a partir del dióxido de carbono, el agua y la luz solar. Sucede a través de una larga serie de reacciones químicas. Pero se puede resumir así: Entran dióxido de carbono, agua y luz. Sale glucosa, agua y oxígeno. (La glucosa es un azúcar simple).

La fotosíntesis se puede dividir en dos procesos. La parte de "foto" se refiere a las reacciones provocadas por la luz. La "síntesis", la elaboración del azúcar, es un proceso separado llamado ciclo de Calvin.

Ambos procesos ocurren dentro de un cloroplasto. Esta es una estructura especializada, u orgánulo, en una célula vegetal. La estructura contiene pilas de membranas llamadas membranas tilacoides. Ahí es donde comienza la reacción a la luz.

Los cloroplastos se encuentran en las células vegetales. Aquí es donde tiene lugar la fotosíntesis. Las moléculas de clorofila que absorben energía de la luz solar se encuentran en las pilas llamadas membranas tilacoides. blueringmedia / iStock / Getty Images Plus

Deja que la luz brille

Cuando la luz llega a las hojas de una planta, brilla sobre los cloroplastos y sus membranas tilacoides. Esas membranas están llenas de clorofila, un pigmento verde. Este pigmento absorbe la energía luminosa. La luz viaja como ondas electromagnéticas. La longitud de onda (distancia entre ondas) determina el nivel de energía. Algunas de esas longitudes de onda son visibles para nosotros como los colores que vemos. Si una molécula, como la clorofila, tiene la forma correcta, puede absorber la energía de algunas longitudes de onda de luz.

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La clorofila puede absorber la luz que vemos como azul y roja. Por eso vemos las plantas como verdes. El verde es la longitud de onda que reflejan las plantas, no el color que absorben.

Si bien la luz viaja como una onda, también puede ser una partícula llamada fotón. Los fotones no tienen masa. Sin embargo, tienen una pequeña cantidad de energía luminosa.

Cuando un fotón de luz solar rebota en una hoja, su energía excita una molécula de clorofila. Ese fotón inicia un proceso que divide una molécula de agua. El átomo de oxígeno que se separa del agua se une instantáneamente con otro, creando una molécula de oxígeno u O2. La reacción química también produce una molécula llamada ATP y otra molécula llamada NADPH. Ambos permiten que una célula almacene energía. El ATP y NADPH también participarán en la parte de síntesis de la fotosíntesis.

Observe que la reacción a la luz no produce azúcar. En cambio, suministra energía, almacenada en el ATP y NADPH, que se conecta al ciclo de Calvin. Aquí es donde se fabrica el azúcar.

Pero la reacción a la luz produce algo que usamos: oxígeno. Todo el oxígeno que respiramos es el resultado de este paso en la fotosíntesis, llevado a cabo por plantas y algas (que no son plantas) en todo el mundo.

Dame un poco de azúcar

El siguiente paso toma la energía de la reacción a la luz y la aplica a un proceso llamado ciclo de Calvin. El ciclo lleva el nombre de Melvin Calvin, el hombre que lo descubrió.

El ciclo de Calvin a veces también se denomina reacción oscura porque ninguno de sus pasos requiere luz. Pero todavía sucede durante el día. Eso es porque necesita la energía producida por la reacción de la luz que le precede.

Mientras que la reacción de luz tiene lugar en las membranas tilacoides, el ATP y NADPH que produce terminan en el estroma. Este es el espacio dentro del cloroplasto pero fuera de las membranas tilacoides.

El ciclo de Calvin tiene cuatro pasos principales:

  1. fijacion de carbon: Aquí, la planta aporta CO2 y lo une a otra molécula de carbono, usando rubisco. Esta es una enzima o sustancia química que hace que las reacciones se muevan más rápido. Este paso es tan importante que el rubisco es la proteína más común en un cloroplasto y en la Tierra. Rubisco une el carbono en CO2 a una molécula de cinco carbonos llamada ribulosa 1,5-bisfosfato (o RuBP). Esto crea una molécula de seis carbonos, que inmediatamente se divide en dos químicos, cada uno con tres carbonos.
  2. reducción: El ATP y el NADPH de la reacción de luz aparecen y transforman las dos moléculas de tres carbonos en dos pequeñas moléculas de azúcar. Las moléculas de azúcar se llaman G3P. Es la abreviatura de gliceraldehído 3-fosfato (GLIH-sur-AAL-duh-hide 3-FOS-fayt).
  3. formación de carbohidratos: Parte de esa G3P abandona el ciclo para convertirse en azúcares más grandes como la glucosa (C6H12O6).
  4. regeneración: Con más ATP de la continua reacción a la luz, el G3P sobrante recoge dos carbonos más para convertirse en RuBP. Este RuBP vuelve a emparejarse con rubisco. Ahora están listos para comenzar de nuevo el ciclo de Calvin cuando la siguiente molécula de CO2 llega.

Al final de la fotosíntesis, una planta termina con glucosa (C6H12O6), oxígeno (O2) y agua (H2O). La molécula de glucosa pasa a cosas más importantes. Puede convertirse en parte de una molécula de cadena larga, como la celulosa, que es la sustancia química que forma las paredes celulares. Las plantas también pueden almacenar la energía empacada en una molécula de glucosa dentro de moléculas de almidón más grandes. Incluso pueden poner la glucosa en otros azúcares, como la fructosa, para hacer que la fruta de una planta sea dulce.

Todas estas moléculas son carbohidratos, sustancias químicas que contienen carbono, oxígeno e hidrógeno. (El hidrato de carbono hace que sea fácil de recordar). La planta utiliza los enlaces de estos productos químicos para almacenar energía. Pero también usamos estos químicos. Los carbohidratos son una parte importante de los alimentos que comemos, en particular cereales, patatas, frutas y verduras.

Palabras de poder

algas: Organismos unicelulares, antes considerados plantas (no lo son). Como organismos acuáticos, crecen en el agua. Al igual que las plantas verdes, dependen de la luz solar para producir su alimento.

átomo: Unidad básica de un elemento químico. Los átomos están formados por un núcleo denso que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga. El núcleo está orbitado por una nube de electrones cargados negativamente.

ATP: Abreviatura de trifosfato de adenosina. Las células producen esta molécula para impulsar casi todas sus actividades. Las células utilizan oxígeno y azúcares simples para crear esta molécula, la principal fuente de energía. Las pequeñas estructuras de las células que llevan a cabo este proceso de almacenamiento de energía se conocen como mitocondrias. Como una batería, el ATP almacena un poco de energía utilizable. Una vez que la célula lo usa, las mitocondrias deben recargar la célula produciendo más ATP utilizando la energía recolectada de los nutrientes de la célula.

vínculo: (en química) Una unión semipermanente entre átomos - o grupos de átomos - en una molécula. Está formado por una fuerza atractiva entre los átomos participantes. Una vez unidos, los átomos funcionarán como una unidad. Para separar los átomos componentes, se debe suministrar energía a la molécula en forma de calor o algún otro tipo de radiación.

ciclo de Calvin: Llamado así por Melvin Calvin, el hombre que lo descubrió, este ciclo es el proceso por el cual las plantas y las algas convierten el dióxido de carbono en carbohidratos básicos.

carbohidratos: Cualquiera de un gran grupo de compuestos que se encuentran en los alimentos y los tejidos vivos, incluidos los azúcares, el almidón y la celulosa. Contienen hidrógeno y oxígeno en la misma proporción que el agua (2: 1) y, por lo general, pueden descomponerse en el cuerpo de un animal para liberar energía.

dióxido de carbono: (o CO2) Un gas incoloro e inodoro producido por todos los animales cuando el oxígeno que inhalan reacciona con los alimentos ricos en carbono que han ingerido. El dióxido de carbono también se libera cuando la materia orgánica se quema (incluidos los combustibles fósiles como el petróleo o el gas). El dióxido de carbono actúa como gas de efecto invernadero, atrapando el calor en la atmósfera terrestre. Las plantas convierten el dióxido de carbono en oxígeno durante la fotosíntesis, el proceso que utilizan para producir su propia comida.

celda: La unidad estructural y funcional más pequeña de un organismo. Por lo general, demasiado pequeño para verlo a simple vista, consiste en un líquido acuoso rodeado por una membrana o pared. Dependiendo de su tamaño, los animales están hechos de miles a billones de células. La mayoría de los organismos, como levaduras, mohos, bacterias y algunas algas, están compuestos por una sola célula.

celulosa: Un tipo de fibra que se encuentra en las paredes celulares de las plantas. Está formado por cadenas de moléculas de glucosa.

químico: Sustancia formada por dos o más átomos que se unen (enlazan) en una proporción y estructura fijas. Por ejemplo, el agua es una sustancia química que se produce cuando dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es H2O. Chemical también puede ser un adjetivo para describir las propiedades de los materiales que son el resultado de varias reacciones entre diferentes compuestos.

reacción química: Un proceso que implica la reordenación de las moléculas o la estructura de una sustancia, en contraposición a un cambio en la forma física (como de un sólido a un gas).

clorofila: Cualquiera de los varios pigmentos verdes que se encuentran en las plantas que realizan la fotosíntesis, creando azúcares (alimentos) a partir del dióxido de carbono y el agua.

cloroplasto: Una estructura diminuta en las células de las algas verdes y las plantas verdes que contienen clorofila y crean glucosa a través de la fotosíntesis.

electromagnético: Un adjetivo que se refiere a la radiación luminosa, al magnetismo oa ambos.

excitar: (en química y física) Para transferir energía a uno o más electrones externos en un átomo. Permanecen en este estado de mayor energía hasta que desprenden la energía extra mediante la emisión de algún tipo de radiación, como la luz.

fructosa: Un azúcar simple. Junto con la glucosa, la fructosa constituye la mitad de cada molécula de sacarosa (también conocida como azúcar de mesa).

glucosa: Un azúcar simple que es una fuente de energía importante en los organismos vivos. Como fuente de energía que se mueve a través del torrente sanguíneo, se conoce como "azúcar en sangre". Es la mitad de la molécula que compone el azúcar de mesa (también conocida como sacarosa).

gliceraldehído 3-fosfato o G3P: Molécula creada como parte de los pasos químicos que forman los carbohidratos simples. Dos moléculas de G3P se producen en plantas y algas como parte del ciclo de fotosíntesis de Calvin. Los animales y las bacterias también crean G3P como parte de sus propios pasos para producir carbohidratos.

hidrógeno: El elemento más ligero del universo. Como gas, es incoloro, inodoro y muy inflamable. Es una parte integral de muchos combustibles, grasas y sustancias químicas que forman los tejidos vivos. Está hecho de un solo protón (que le sirve de núcleo) orbitado por un solo electrón.

masa: Un número que muestra cuánto resiste un objeto a acelerar y desacelerar, básicamente una medida de la cantidad de materia de la que está hecho ese objeto.

membrana: Barrera que bloquea el paso (o el flujo a través) de algunos materiales en función de su tamaño u otras características. Las membranas son una parte integral de los sistemas de filtración. Muchos cumplen la misma función que la cubierta exterior de células u órganos de un cuerpo.

molécula: Grupo de átomos eléctricamente neutro que representa la menor cantidad posible de un compuesto químico. Las moléculas pueden estar formadas por tipos únicos de átomos o de diferentes tipos. Por ejemplo, el oxígeno del aire está formado por dos átomos de oxígeno (O2), pero el agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno (H2O).

NADPH o NADP +: Abreviatura de fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (pero nadie lo llama así). Esta molécula es una forma en que las células almacenan y transfieren energía. Cuando la molécula de NADP + se transforma en NADPH, contiene energía, que luego puede usar para impulsar otras reacciones en una célula.

orgánulo: Estructuras especializadas, como las mitocondrias, que se encuentran dentro de una célula.

oxígeno: Un gas que constituye aproximadamente el 21 por ciento de la atmósfera de la Tierra. Todos los animales y muchos microorganismos necesitan oxígeno para impulsar su crecimiento (y metabolismo).

partícula: Una pequeña cantidad de algo.

fotón: Partícula que representa la menor cantidad posible de luz u otro tipo de radiación electromagnética.

fotosíntesis: (verbo: fotosintetizar) Proceso mediante el cual las plantas verdes y algunos otros organismos utilizan la luz solar para producir alimentos a partir de dióxido de carbono y agua.

proteína: Un compuesto formado por una o más cadenas largas de aminoácidos. Las proteínas son una parte esencial de todos los organismos vivos. Forman la base de las células vivas, los músculos y los tejidos. También realizan el trabajo dentro de las células. Entre las proteínas independientes más conocidas se encuentran la hemoglobina (en la sangre) y los anticuerpos (también en la sangre) que intentan combatir las infecciones. Los medicamentos con frecuencia actúan adhiriéndose a las proteínas.

reducción: (v. reducir) Una reacción química que agrega uno o más electrones. También se considera lo opuesto a la oxidación. A medida que el óxido oxida el hierro, el proceso reduce los átomos de oxígeno cercanos. Eso significa que ganan electrones, que tienen carga negativa.

ribulosa 1,5-bisfosfato: (RuBP) Una molécula que completa el primer y último paso del ciclo de Calvin, que crea azúcar a partir del dióxido de carbono. Esta molécula contiene cinco carbonos y se une a la enzima rubisco. Rubisco conecta RuBP con dióxido de carbono del aire, el primer paso para producir un carbohidrato.

rubisco: Este acrónimo significa ribulosa bisfosfato carboxilasa / oxigenasa. Es la proteína más común en la Tierra. En su función de enzima, juega un papel fundamental en la fotosíntesis.

almidón: Un químico blanco suave producido por todas las plantas verdes. Es una molécula relativamente larga hecha de unir muchos bloques de construcción idénticos y más pequeños, todos ellos glucosa, un azúcar simple. Las plantas y los animales utilizan la glucosa como fuente de energía. Las plantas almacenan esa glucosa, en forma de almidón, como reserva de energía. Los animales que consumen almidón pueden descomponer el almidón en moléculas de glucosa para extraer la energía útil.

estroma: (en botánica) El líquido incoloro dentro de un cloroplasto, donde tiene lugar la parte de la fotosíntesis del ciclo de Calvin. (en anatomía) La estructura de apoyo que rodea un órgano. Incluye el tejido conectivo que mantiene el órgano en su lugar y los vasos sanguíneos que le aportan oxígeno y azúcares.

síntesis: (v. sintetizar) La producción de una sustancia mediante la combinación de componentes químicos más simples.

membranas tilacoides: Un sistema interno de membranas conectadas dentro de un cloroplasto. Las membranas contienen no solo el pigmento verde clorofila, sino también proteínas. Estas membranas son donde tiene lugar la parte de la fotosíntesis de reacción a la luz, que produce oxígeno y energía para impulsar las partes de la fotosíntesis que producen azúcar.

longitud de onda: La distancia entre un pico y el siguiente en una serie de ondas, o la distancia entre un valle y el siguiente. También es uno de los "criterios" que se utilizan para medir la radiación. La luz visible, que, como toda la radiación electromagnética, viaja en ondas, incluye longitudes de onda entre aproximadamente 380 nanómetros (violeta) y aproximadamente 740 nanómetros (rojo).La radiación con longitudes de onda más cortas que la luz visible incluye rayos gamma, rayos X y luz ultravioleta. La radiación de longitud de onda más larga incluye luz infrarroja, microondas y ondas de radio.

Citas

Libro: N.A. Campbell, J.B. Reese y L.G. Mitchell. Biología, 5ª edición. Publicación Co. de Benjamin-Cummings, 1999.

Acerca de Bethany Brookshire

Bethany Brookshire fue escritora durante mucho tiempo en Noticias científicas para estudiantes. Tiene un doctorado. en fisiología y farmacología y le gusta escribir sobre neurociencia, biología, clima y más. Ella cree que los Porgs son una especie invasora.

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¿La fotosíntesis comienza instantáneamente cuando una planta se expone a la luz? - biología

Objetivo del experimento

El propósito de este experimento es demostrar que las hojas de una misma planta tienen diferentes características fotosintéticas según el entorno en el que crecen. Las plantas tienen una plasticidad fenotípica que les permite adaptarse a condiciones ambientales específicas, a menudo para optimizar el uso de un recurso limitante. En este experimento compararás hojas de la misma planta que han crecido en ambientes con mucha luz y poca luz, y observarás que la planta con poca luz se ha adaptado para aumentar su eficiencia de captura de luz para la fotosíntesis.

Las plantas son autótrofas: es decir, no necesitan comer alimentos para ganar energía. Obtienen la energía que necesitan para las actividades metabólicas al capturar la energía solar y convertirla en energía de enlace químico. Este proceso se llama fotosíntesis y se lleva a cabo principalmente en las hojas de una planta. Obviamente, cuantas más hojas reciban luz solar directa, más energía se capturará para el crecimiento, la reproducción, etc. Una estructura tridimensional, como un árbol, tiene algunas de sus hojas potencialmente sombreadas por otras hojas. Sería más eficiente para un árbol tener algún mecanismo que permita que algo de luz solar pase por sus hojas más externas y estimule la fotosíntesis en sus hojas interiores.

Muchas especies de árboles están adaptadas para que la luz solar pueda penetrar en el interior del dosel y posteriormente ser absorbida por las hojas sombreadas para mantener una alta tasa fotosintética. La relación entre la intensidad de la luz y la fotosíntesis es curvilínea, por lo que una hoja no tiene que estar a plena luz del sol para realizar la fotosíntesis a una velocidad máxima. Cualquier hoja que reciba aproximadamente 250 w / m 2 de luz solar, incluso si está parcialmente sombreada, realizará la fotosíntesis al igual que las hojas que estén más expuestas.

Un árbol con un dosel grande puede tener adaptaciones para evitar el sombreado excesivo de las hojas interiores. Una de las formas de ayudar a todo el árbol a realizar la fotosíntesis máxima sería darle forma a las hojas exteriores para permitir que entre más luz al interior. Las hojas en las capas más profundas tienen la forma de interceptar la mayor parte de la pelea recibida (Figura 2). Además, las hojas en el borde del dosel tienen capas más gruesas de células de fotosíntesis porque la luz intensa penetra en la hoja a una mayor profundidad. En este ejercicio de laboratorio investigaremos si existe o no una diferencia en la forma de las hojas entre las hojas exteriores (sol) y las interiores (sombra). Esta parte del laboratorio será ejecutada por la clase Bgy 32. Además, la clase Bgy 32 determinará la diferencia en el peso de la hoja en relación con el tamaño de la hoja para determinar si el grosor de una hoja se correlaciona con la posición de la hoja en el árbol. La clase Bgy 34 determinará la eficiencia fotosintética de las hojas de sol y sombra. Además, usaremos un espectrofotómetro para determinar si existe una diferencia en la concentración de clorofila, la molécula que es más responsable para una fotosíntesis exitosa. Si descubrimos una diferencia, es nuestra tarea decidir si coincide con la posición de las hojas y ayuda al árbol a realizar la fotosíntesis lo mejor posible. Finalmente, será su tarea de toda la vida agradecer a un árbol cada día por proporcionarle el oxígeno que respira.

Figura 1. Cambio en la forma de la hoja asociado con la posición en el dosel. (A) Una hoja solar tiende a tener senos más profundos (B) una hoja de sombra tiene lóbulos grandes y senos poco profundos.

Procedimiento experimental: Habrá cuatro partes en este experimento 1 Mediciones de temperatura y transpiración foliar Una vez que su grupo haya comenzado las mediciones con la fotosíntesis con el sistema Qubit, y se sienta cómodo con el procedimiento, dos estudiantes de cada grupo deben medir la transpiración y la temperatura de las hojas de 10 hojas de sol y 10 hojas de sombra de una Magnolia o una Roja. Árbol de arce. Los datos se pueden registrar en la tabla al final de este folleto. 2. Medición de la fotosíntesis en hojas de sol y sombra Consulte las instrucciones detalladas para el uso del sistema Qubit a continuación. 3. Relaciones de clorofila a / clorofila b No pierda el sol y la sombra de la hoja que utiliza para las mediciones de la fotosíntesis. Extraeremos la clorofila total de estas hojas y determinaremos rápidamente la proporción de clorofila a a clorofila b. Consulte la descripción de este procedimiento que aparece después de la sección "Medición de la fotosíntesis". 4. Medidas del área foliar y pesos frescos / secos (clase Bgy 32) La clase Bgy 32 del Dr. Worthen recopilará estos datos. Lo pondré a disposición lo antes posible. 2. Medición de la fotosíntesis en hojas de sol y sombra:

Cada equipo de estudiantes recolectará medidas de fotosíntesis en una hoja solar y una hoja de sombra de una planta solar Red Maple o Magnolia. No recolecte estas hojas hasta que esté listo para realizar la medición real de la fotosíntesis.

(1) Disponga los componentes del paquete de fotosíntesis del sistema Qubit como lo describe el instructor, asegurándose de que la base del accesorio de luz esté colocada a 11 cm de la superficie de la cámara de la hoja. Asegúrese de que la luz esté apagada deslizando el control del atenuador a su configuración mínima antes de continuar.

(2) Encienda la computadora y calibre el O2 y sensores de luz. Haga clic en el botón "Inicio" para ver las salidas de los dos sensores.

20,7% en aire ambiente normal. Use un buzo de tornillo para ajustar el control de ganancia en la caja del amplificador de modo que la pantalla muestre

(3) Con la luz apagada, selle una hoja solar dentro de la cámara de la hoja para que ninguna parte de la hoja quede sombreada por la O2 sensor o los puertos de entrada y salida de gas. No importa si la hoja es demasiado grande para estar completamente sellada dentro de la cámara, y el "exceso" puede sobresalir de la cámara sin influir en los resultados. Al cerrar la cámara, apriete los tornillos de mariposa solo con los dedos.

(4) Coloque la placa de Petri en la parte superior de la cámara de modo que cubra la mayor parte del área de la hoja y llene la placa con agua.

(5) Haga clic en el botón "Inicio". El botón cambiará a un botón "Detener" y los datos comenzarán a aparecer en los dos gráficos de la pantalla y como números en la parte inferior de la pantalla. La inicial O2 la concentración debe estar cerca de

20,7% O2, y el flujo de fotones inicial debe ser cercano a cero.

(6) Con una pajita, infle una bolsa de plástico de gas con el aliento, teniendo cuidado de no ejercer presión sobre las costuras inflando demasiado la bolsa. Selle la bolsa con el tapón luer lok provisto. Dependiendo de su condición metabólica, su aliento exhalado debe contener entre 16 y 18% de O2y 3 a 5% CO2. En condiciones normales en humanos, una molécula de CO2 se produce en la respiración por cada molécula de O2 consumido por lo que si su aliento contiene 18% O2 también debe contener 2,75% CO2 es decir, O atmosférico2 concentración (20,7%) menos respiración O2 concentración (18%) más el CO2 concentración en el laboratorio (típicamente 0.05%).

(7) Retire el tapón luer lok del tubo de la bolsa y conecte este tubo a uno de los puertos de gas en la superficie superior de la cámara de la hoja. Presione la bolsa suavemente para que su respiración fluya a través de la cámara. Después de aproximadamente 10 segundos de lavado, retire la bolsa del puerto de entrada, selle la bolsa y selle ambos puertos de la cámara de la hoja con los tapones luer lok provistos. Observe el declive en el O2 lectura en la pantalla de la computadora hasta que alcance un valor estable (

(8) Cuando el O2, la lectura en la pantalla ha alcanzado un valor constante, encienda la luz deslizando el control del atenuador a su ajuste máximo. Tome nota de la lectura de irradiancia en la parte inferior de la pantalla y luego apague la luz inmediatamente deslizando el control del atenuador a su configuración mínima.

(9) Detenga la recopilación de datos haciendo clic en el botón "Detener" en la pantalla de la computadora. Ahora debe ajustar el rango de valores que se muestran en los ejes de la parte superior O2 gráfico de modo que el valor más bajo esté cerca del de su aliento exhalado, y el valor más alto esté ligeramente por encima del de la pO atmosférica2. Con el mouse, haga clic en el valor más bajo que se muestra actualmente en el gráfico. El valor se resaltará, lo que le permitirá escribir un nuevo número. Seleccione un número que sea 0,5 unidades más bajo que el O2 concentración de tu respiración. A continuación, haga clic en el número más alto que se muestra en la O2 eje y cámbielo a 22% O2. Además, ajuste el valor más alto del gráfico de respuesta a la luz a un valor 10 unidades por encima del valor medido cuando encendió la lámpara.

(10) Su experimento consta de dos partes (hoja de sol y hoja de sombra) cada una de las cuales debe tomar aproximadamente 60 minutos completar. Ajuste el eje de tiempo en ambos gráficos a un máximo de 60 minutos usando el mouse para resaltar el valor máximo presente y luego escribiendo 60. Presione "Enter" o haga clic con el mouse en cualquier lugar de la pantalla para implementar los cambios.
Nota: Si su experimento dura más de 60 minutos, no podrá guardar ninguno de los datos recopilados después del período de 60 minutos. Si prevé esto después de que se inicie el experimento, continúe recopilando datos durante el período de 60 minutos y luego detenga la recopilación de datos con el botón "Detener". Guarde sus datos de acuerdo con el punto # 18 a continuación y luego reinicie la recopilación de datos presionando el botón "Iniciar". Guarde la segunda parte de sus datos con un nombre de archivo diferente. Alternativamente, después de detener la recopilación de datos, transfiera la primera parte de sus datos de Data A a Data B seleccionando "Data" en el menú y luego "Data A & THORN Data B". Reinicie la recopilación de datos y complete su experimento. La segunda parte de sus datos se recopilará como Datos A. Los datos A y B se pueden mostrar juntos o por separado en la pantalla (consulte las opciones en el menú "Datos"). Cada parte de sus datos debe recibir un nombre de archivo separado seleccionando 'Guardar datos A como. "y" Guardar datos B como. "en el menú" Archivo ". (11) Haga clic en el botón" Inicio "en la pantalla de la computadora. Retire los tapones de la cámara de la hoja y vuelva a purgar la cámara con el aliento de la bolsa de gas. Vuelva a sellar la bolsa de gas y la cámara cuando el O2 La concentración en la cámara es estable a un valor bajo.

(12) Ilumine la hoja deslizando el control del atenuador a la salida máxima y observe los cambios en el O2 concentración dentro de la cámara. Si la hoja se ha mantenido casi en la oscuridad (por ejemplo, la luz de la habitación) antes del experimento, habrá pocos cambios en la O2 lectura durante los primeros 3-5 minutos de iluminación. Esto corresponde al "período de inducción" de la fotosíntesis durante el cual se sintetizan los metabolitos fotosintéticos hasta que alcanzan los tamaños críticos necesarios para que se produzca la fotosíntesis. Una vez logrado esto, la presión parcial de O2 (correos2) en la cámara aumentará a medida que O2 se libera en la fotosíntesis. Después del período de inducción fotosintética, la pO2 en la cámara aumentará lentamente al principio y luego aumentará linealmente.

(13) Después de observar la parte lineal del aumento durante 5 a 10 min, apaga la luz y retire los tapones luer lok de la cámara. Conecte la bolsa de gas a un puerto de entrada de la cámara y lave la cámara durante 10 segundos presionando suavemente sobre la bolsa y luego vuelva a sellar la cámara y la bolsa de gas con los tapones luer lok.

(14) Vuelva a encender la luz y reduzca su salida a aproximadamente el 80% de la intensidad inicial. Esto se puede lograr observando la respuesta de la pantalla del sensor de luz a medida que se ajusta el control del atenuador.

(15) Después encendiendo la luz, la fotosíntesis debe comenzar casi de inmediato, ya que la hoja ya está inducida fotosintéticamente. Mida el aumento de pO2 de la cámara durante 5 - 10 min. y luego repita el paso 14.

(16) Reduzca la salida de la lámpara al 60% de la inicial y repita los pasos 15 y 16 hasta que haya medido la tasa fotosintética a un número de intensidades de luz iguales al 100, 80, 60, 40 y 20% de la luz inicial. producción.

(17) Una vez que haya realizado todas sus mediciones, detenga el experimento haciendo clic en el botón "Detener".

(18) Guarde sus datos haciendo clic en "Archivo" en el menú y seleccionando "Guardar como.

(19) Retire la placa de Petri de la cámara, separe la hoja de la planta y separe la cámara de la hoja de su soporte de montaje. Tenga cuidado de no tocar ninguna superficie caliente de la lámpara o su accesorio mientras hace esto. Retire la hoja de la cámara y entregue esta hoja a los estudiantes de Bgy 32. Estos estudiantes ahora determinarán el peso y el área foliar de esta hoja.

(20) Vuelva a llenar la bolsa de gas (si es necesario) con su aliento y coloque una hoja de sombra en la cámara. Repita los pasos 12 a 19 anteriores.

Análisis de los datos
La O2 El sensor mide solo la presión parcial de O2 presente en la cámara de la hoja, no mide la velocidad a la que este O2 % producido. La tasa de un proceso, como la fotosíntesis, se expresa como la tasa de aumento en un producto de ese proceso (o una disminución en el sustrato para el proceso) por unidad de tiempo. Para medir la tasa de fotosíntesis en su experimento, deberá medir el aumento de pO2 dentro de la cubeta en función del tiempo. Esto se logra midiendo el gradiente de O2 respuesta que, cuando el eje X de sus gráficos se presenta en min, dará una tasa en% O2 por min. El procedimiento para analizar sus datos es el siguiente:
(1) Abra el archivo que contiene los datos recopilados para la hoja del sol. Aparecerá un cuadro de comando preguntándole si desea o no cargar la calibración almacenada con su archivo de datos. Responda "Sí". Sus datos aparecerán en la pantalla exactamente como aparecieron cuando los guardó al final del experimento.

(2) Seleccione "Analizar" en el menú haciendo clic y manteniendo presionado con el mouse. Seleccione "Analizar datos A" y luego suelte el botón del mouse. Aparecerá una línea vertical en sus gráficos que se puede mover a lo largo de los puntos de datos en los gráficos moviendo el mouse. Tenga en cuenta que a medida que mueve la línea vertical, la pantalla digital en la parte inferior de la pantalla cambiará para mostrarle la O exacta2 concentración, iluminación y valor de tiempo en el punto de cada gráfico donde se sitúa la línea.

(3) Mueva la línea vertical hasta el punto en el que expuso la hoja a una alta intensidad de luz y responda las siguientes preguntas: (i) Después de iluminar la hoja, ¿cuánto tiempo pasó antes de cualquier aumento en el O?2 ¿Se observó concentración de la cámara?

(ii) ¿Por qué no fotosintético O2 ¿Comenzará la evolución en el momento en que se suministró la luz?

(iii) Después de O2 La evolución de la hoja comenzó ¿el aumento en la cámara O2 ¿Continuar la concentración de forma lineal o no? (4) Mida la tasa fotosintética durante la parte lineal del aumento en la cámara O2 concentración. Para hacer esto, mueva la línea vertical al punto en su O2 datos donde desea iniciar la medición, haga clic en el botón del mouse y manténgalo presionado. Mueva el mouse sobre la parte de los datos que desea analizar y luego suelte el botón del mouse. La parte seleccionada de los datos se resaltará durante este procedimiento.

(5) Dentro del menú, seleccione "Analizar" nuevamente haciendo clic y manteniendo presionado con el mouse. Seleccione "Ajustar" en el menú "Analizar" y suelte el botón del ratón. Aparecerá un cuadro de comando en la parte inferior de la pantalla que le proporcionará opciones sobre el tipo de ajuste matemático que puede desear aplicar a sus datos. La opción predeterminada es la ecuación para una línea recta (y = bO + b1 * t), denotada por un círculo sólido en el lado izquierdo de la ecuación. Si se selecciona otra ecuación, vuelva a seleccionar la ecuación lineal haciendo clic con el mouse en el círculo abierto junto a la ecuación. (6) Haga clic en "Probar ajuste". Se realizará una regresión lineal de los datos que ha seleccionado y aparecerá una ecuación en la esquina superior derecha de la pantalla. Esto proporcionará valores para bO (la intersección de la línea de regresión en el eje y) y b1 (el gradiente de la línea).

(7) Haga clic en "Resultados" para obtener una medición muy precisa de b1 y regístrelo en la pestaña1e de la sección "Resultados y discusión".

(8) Haga clic en "Aceptar" para volver al cuadro de comando "Ajustar" y luego seleccione "Mantener ajuste". El cuadro de comando desaparecerá y la pantalla tendrá resaltados los datos previamente seleccionados.

(9) Mida la tasa fotosintética a la siguiente intensidad de luz más baja moviendo la línea vertical a la parte lineal del siguiente conjunto de datos. Haga clic en un punto al comienzo del conjunto de datos seleccionado y mantenga presionado el botón del mouse. Los datos resaltados anteriormente desaparecerán. Mueva la línea a lo largo de parte de los datos que se analizarán y luego suelte el botón del mouse. La ecuación en la pantalla cambiará para reflejar los nuevos valores de bO y b1 para el rango de datos que ha seleccionado. Seleccione "Analizar" en el menú y luego "Ajustar resultados". Registre el nuevo valor de b1 en la pestaña1e de la sección Resultados y discusión.

(10) Repita los puntos 8 y 9 para cada intensidad de luz en su conjunto de datos, y luego repita todo el procedimiento utilizando el conjunto de datos recopilado con la hoja de sombra. Exprese las tasas fotosintéticas para todas las partes del experimento en unidades de m mol O2/ m 2 / seg como se describe a continuación.

Cada valor de b1 de cada regresión que realizó representa la tasa de aumento de O2 concentración en la cámara con el tiempo. Como tal, cada uno de estos valores b1 son tasas de fotosíntesis expresadas como% O, por minuto. Sin embargo, la fotosíntesis generalmente se expresa en términos de m moles de O2 evolucionado por unidad de área foliar por unidad de tiempo, es decir, en unidades de m mol O2 / m 2 / min. Para realizar esta conversión se requiere el siguiente procedimiento.

Supongamos que el valor de b1 fue X es decir, la O2 concentración de la cámara aumentada en X% O2/ min. X% O, es equivalente a 10,000X partes por millón (PPM) O2 que, a su vez, es equivalente a 10,000x m L de O2 por L de gas en la cámara.

A temperatura y presión estándar (STP) 1 m mol de cualquier gas ocupa 22,413 m L, por lo que a la temperatura T del laboratorio, 10,000X m L de O2 contiene: 10,000X & cedil [(273 + T) / 273) x 22,413] m moles de O2

Sea este número = y m moles de O2 (es decir, y es el número de m moles de O2 que se produjeron por litro de gas en la cámara por minuto).

Para obtener la tasa fotosintética ahora debemos multiplicar por el volumen de la cámara expresado en litros. La cámara está diseñada para que cuando esté cerrada tenga un volumen interno fijo de 0.047L. Por lo tanto, en nuestro ejemplo, la tasa fotosintética sería de 0.047 m mol / O2/ min / hoja. Para expresar esta tasa sobre una base específica del área foliar (por ejemplo, m mol O2/ min) es necesario dividir el valor por el área de la hoja (en m 2) que han obtenido los alumnos de Bgy 32. Registre sus datos en la tabla proporcionada en la siguiente sección.

Cuando haya calculado las tasas de fotosíntesis en cada intensidad de luz utilizada en su experimento, Presente sus datos como un gráfico con la fotosíntesis trazada en el eje y y la intensidad de la luz en el eje x. Entregue este gráfico con las hojas de datos al final del folleto del laboratorio.

A continuación se muestra una curva de respuesta a la luz fotosintética para una hoja generalizada. Tenga en cuenta que a bajas intensidades de luz, la fotosíntesis aumenta linealmente a medida que aumenta la luz. Esto se debe a que a estas intensidades, la velocidad de la fotosíntesis está limitada por la velocidad de las reacciones a la luz. La hoja recibe una cantidad insuficiente de fotones para producir el ATP y el reductor necesarios para mantener las tasas de fotosíntesis máximas. A intensidades de luz más altas, hay menos aumento en la tasa de fotosíntesis por unidad de aumento en la intensidad de la luz y, finalmente, la fotosíntesis alcanza la saturación de luz a las intensidades de luz más altas utilizadas en el experimento. En estas condiciones, las reacciones a la luz de la fotosíntesis se maximizan y la tasa de fotosíntesis está limitada por el suministro de CO2 para suministrar las reacciones oscuras fotosintéticas, o por la tasa de renovación de las enzimas fotosintéticas.

La curva de respuesta a la luz fotosintética de una planta en particular está influenciada por muchos factores, y un estudio de los componentes de la curva puede decirnos mucho sobre la fisiología y ecofisiología de la planta. Los aspectos importantes de la curva de respuesta a la luz se enumeran a continuación. Las preguntas se pueden responder en el formulario de informe de laboratorio al final de este folleto de laboratorio. (I) El punto de compensación de luz: Extrapolar la porción lineal de la curva de respuesta a la luz para interceptar el eje x en el punto donde la tasa fotosintética es cero. La intensidad de la luz en este punto se denomina punto de compensación de la luz y representa la intensidad de la luz a la que la producción de O2 en la fotosíntesis se equilibra con el consumo de O2 en la respiración.

(ii) La tasa de respiración oscura: Si la parte lineal de la curva de respuesta a la luz se extrapola para interceptar el eje y con una intensidad de luz cero, la tasa negativa de fotosíntesis en este punto da una estimación de la tasa de respiración "oscura". Critique este método para estimar la respiración oscura y sugiera una forma de medirla directamente.

(iii) Eficiencia fotoquímica: La eficiencia fotoquímica puede definirse como el aumento de la tasa fotosintética logrado por aumento unitario de luz absorbida por la hoja. En su experimento, no midió la absorbancia de luz de la hoja, sino solo la cantidad de luz transmitida a través de la hoja. Sin embargo, aún se puede realizar una medición cualitativa de la eficiencia fotoquímica calculando la pendiente inicial de la curva de respuesta a la luz. Analice cómo cambiaría el diseño del experimento para realizar mediciones más precisas de la eficiencia fotoquímica.

(iv) El punto de saturación de luz de la fotosíntesis: La intensidad de la luz más allá de la cual la curva de respuesta a la luz se estabiliza se denomina punto de saturación de luz de la fotosíntesis. En este punto, los aumentos en la intensidad de la luz no provocan aumentos en la tasa fotosintética, por lo que otros factores además del suministro de luz deben estar limitando el proceso fotosintético. Estos factores incluyen: (i) El suministro de CO2 a la hoja

(ii) La capacidad de la hoja para transducir la energía luminosa suministrada en energía química para la fotosíntesis (que depende de la capacidad de fotofosforilación de la hoja.

(iii) La capacidad de la hoja para utilizar la energía de la fotofosforilación para fijar CO2 (depende de la cantidad y la tasa de rotación de las enzimas involucradas en las "reacciones oscuras" de la fotosíntesis). ¿Midió el punto de saturación de la luz en su experimento? Si no es así, ¿por qué crees que no se alcanzó el punto de saturación de la pelea? Si se alcanzó el punto de saturación de luz, ¿cree que el CO2 ¿La oferta era el factor principal que limitaba la fotosíntesis en este punto? ¿Cómo probarías esto? Recuerde que su aliento contiene aproximadamente 100 veces la concentración de CO2 en la atmósfera.

3. Cuantificación de clorofilas a y B ratios por espectrofotometría

Aunque la mayoría de las hojas de las plantas parecen verdes a nuestros ojos, en los cloroplastos de las hojas verdes suelen estar presentes varios pigmentos de diferentes colores. Las clorofilas a y B proporcionan el color verde y absorben la energía luminosa necesaria para la fotosíntesis.

Estrechamente asociado con las clorofilas en el cloroplasto hay otro grupo de pigmentos, los carotenoides, son de color amarillo a rojo y probablemente juegan un papel en la recolección de energía luminosa para la fotosíntesis. Los carotenoides también ayudan a proteger las clorofilas contra la fotooxidación.

Las clorofilas ayb son pigmentos tetrapirrol que contienen Mg 2+ como un metal quelado centralmente. Aunque las estructuras son por lo demás idénticas, la clorofila a tiene un grupo metilo en la posición en la que la clorofila b tiene un grupo formilo. El grupo metilo le da a la clorofila una afinidad ligeramente mayor por los disolventes no polares relativamente hidrófobos que la clorofila b. Esta diferencia de afinidad permite su separación mediante técnicas cromatográficas y da como resultado un espectro de absorción ligeramente diferente que utilizaremos para la cuantificación de la clorofila ay b.

Extracción de clorofila:
1. Mantenga las muestras de hojas de sol y sombra separadas a lo largo de esta parte del experimento. Cortar la hoja de sol o sombra en trozos pequeños y pesarlos. Peso de la hoja solar: ________________________

Peso de la hoja de sombra: _______________________ 2. Coloque los trozos de hojas en un mortero, agregue una "pizca" de arena blanca y agregue 10 ml de acetona. Utilice el pestel para moler el material vegetal.

3. Coloque este extracto en un tubo de centrífuga y centrifugue el extracto durante 2 minutos a 2500 RPM.

4. Después de la centrifugación, use una pipeta Pasture para transferir parte del extracto de acetona a una cubeta de espectrofotómetro de vidrio. Deberá llenar la cubeta de 1/2 a 2/3 de su capacidad.

5. Utilice acetona como blanco para calibrar el espectrofotómetro. Mida la absorbancia de la clorofila a solución a 663 nm y de la Clorofila B solución a 645 nm. Registre sus datos en el siguiente cuadro. Fuente de material vegetal (es decir, el árbol): ______________________

Hoja de sol Hoja de sombra
Absorbancia a 663 nm Clorofila a
Absorbancia a 645 nm Clorofila B

Cuanto mayor sea la concentración de un pigmento en una solución, mayor será la proporción de luz que absorberá la muestra a una determinada longitud de onda. Esta relación se expresa cuantitativamente mediante la ley de Beer-Lambert:

A = e C l o C =A/ e l A = la absorbancia = densidad óptica o DO

e = el coeficiente de extinción milimolar, que depende del material y la longitud de onda y relaciona las otras cantidades entre sí, en unidades de L / mmol-cm.

C = la concentración en solución (mmol / L)

l = la longitud de la trayectoria de la luz (cm) La concentración de un pigmento en solución puede calcularse utilizando esta ecuación si se conoce el coeficiente de extinción milimolar. Los coeficientes de extinción se pueden encontrar en libros de referencia como Datos para la investigación bioquímica. Para el solvente usamos (acetona), C = 75.05 L / mmol-cm para clorofila a a 663 nm y C = 47,0 L / mmol-cm para la clorofila B a 645 nm. Por ejemplo, las cubetas tienen una longitud de trayectoria de luz media de 1 cm. Por lo tanto:

Indique la concentración de estos pigmentos en la solución de acetona en unidades de mmol / L om mol / L.

Dado que queremos determinar la cantidad de clorofila como parte del tejido fresco, debemos tener en cuenta que esta muestra se disolvió en 10 ml de acetona, y que esta contenía todos los pigmentos de la muestra pesada de tejido foliar. Por lo tanto:

cantidad de
Chl a = [A663 / (75,05 ml / m mol-cm) (1 cm)] X 10 ml X peso total del tejido en gramos = ?? (A663) m mol / g peso fresco cantidad de
Chl b = [A645 /(47.0 ml / m mol-cm) (1 cm)] X 10 ml X peso total del tejido en gramos = ?? (A.45) m mol / g peso fresco Calcule estas cantidades. Determine la proporción de la cantidad de Chl a a Chl B.

Fuente de material vegetal (es decir, el árbol): ___________________________

Hoja de sol Hoja de sombra
m mol / g de peso fresco Clorofila a
m mol / g de peso fresco Clorofila B
Proporción de Chl a / Chl B

Hoja de trabajo para resultados y discusión

______________________________

______________________________

______________________________

Fecha: ______________________

Parte 1: Mediciones de la temperatura y la transpiración de las hojas.

Especies de árboles objeto de muestreo: _______________________________________

Hábitat y número de hojas Tasa de difusión (mmol / m 2 / seg) Temperatura de la hoja (o C) Fluencia de luz (m mol / m 2 / seg)
Sol # 1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
Promedio del sol
Sombra # 1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
Promedio de sombra

Cuando haya terminado, comparta sus promedios con la clase.


Árbol Habitat Promedio
Tasa de difusión (mmol / m 2 / seg)
Temperatura promedio de la hoja
(o C)
Promedio
Fluencia de luz (m mol / m 2 / seg)
Grupo 1 Arce sol
Sombra
Arce Grupo 2 sol
Sombra
Grupo 3
Arce
sol
Sombra
Grupo 1 Magnolia sol
Sombra
Grupo 2 Magnolia sol
Sombra
Grupo 3 Magnolia sol
Sombra

1. ¿Qué conclusiones puede sacar sobre la velocidad de difusión de las hojas (transpiración), la temperatura de las hojas y la fluencia de la luz (intensidad) en el sol y las hojas de sombra de estas dos especies de plantas? ¿Cuál podría ser el propósito de la transpiración? Use su libro de texto para ayudar a responder esta pregunta.


2. Medición de la fotosíntesis en sol y hojas de sombra:

Hoja de sol Hoja de sombra
Irradiancia
(m mol cuantos / m 2 / seg)
b1 Tasa fotosintética
(m mol O2.m 2 .seg)
b1 Tasa fotosintética
(m mol O2.m 2 .seg)

Recuerde entregar su gráfico

2. Critique este método para estimar la respiración oscura y sugiera una forma de medirla directamente.


3. ¿Midió el punto de saturación de luz en su experimento? Si no es así, ¿por qué crees que no se alcanzó el punto de saturación de la pelea? Si se alcanzó el punto de saturación de luz, ¿cree que el CO2 ¿Fue la oferta el factor principal que limitaba la fotosíntesis en este punto? ¿Cómo probarías esto? Recuerde que su aliento contiene aproximadamente 100 veces la concentración de CO2 en la atmósfera. 4. Compare los puntos de compensación de luz en las plantas de sol y sombra. ¿Las diferencias indican alguna adaptación a la poca luz en las plantas de sombra?


5. Las plantas de sombra pueden adaptarse para la captura efectiva de fotones a niveles bajos de luz, pero ¿utilizan estos fotones en la fotosíntesis de manera más efectiva que las plantas solares? Utilice sus datos para corroborar su respuesta.


6. Explique por qué las plantas de sol y sombra tienen diferentes tasas máximas de fotosíntesis y diferentes puntos de saturación de luz.


7. ¿Cómo esperaría que las curvas de respuesta a la luz del sol y las hojas de sombra difieran si las tasas de fotosíntesis se expresaran por unidad de masa de clorofila foliar en lugar de por área foliar?


8. ¿Las tasas de respiración oscura difieren en plantas de sol y sombra? Comente su respuesta. Critique el método para estimar la respiración oscura y sugiera una forma de medirla directamente.

9. ¿Puede identificar alguna adaptación no fisiológica de las hojas de sombra a ambientes con poca luz? 3. Cuantificación de clorofilas y relaciones b por espectrofotometría

Fuente del material vegetal (es decir, el árbol) _____________________________ Peso de la hoja solar: ________________________________

Peso de la hoja de sombra: ______________________________

Hoja de sol Hoja de sombra
Absorbancia a 663 nm de clorofila a
Absorbancia a 645 nm Clorofila b
Hoja de sol Hoja de sombra
m mol / g de peso fresco Clorofila a
m mol / g de peso fresco Clorofila b
Proporción de Chl a / Chl B

Datos de clase:

Árbol Habitat Ratios de Chl a / Chl B
Grupo 1 Arce sol
Sombra
Arce Grupo 2 sol
Sombra
Arce Grupo 3 sol
Sombra
Grupo 1 Magnolia sol
Sombra
Grupo 2 Magnolia sol
Sombra
Grupo 3 Magnolia sol
Sombra

10. ¿Viste alguna diferencia en la concentración de clorofila ay clorofila b en las diferentes hojas? Usando su libro de texto como referencia, ¿qué podría concluir acerca de las diferencias observadas?


11. ¿Cómo cambió la proporción de clorofila a a clorofila b en las dos hojas? ¿Qué podría concluir sobre estas observaciones?


4. Medidas del área foliar y pesos frescos / secos (clase Bgy 32) Área foliar promedio, peso seco promedio de las hojas y área foliar específica del sol y las hojas de sombra de los árboles de arce y magnolia que crecen al sol o en la sombra

Árbol Hoja Peso seco medio de la hoja (g) Área foliar promedio
(cm 2)
Área de hoja específica
(cm 2 / g)
Arce sol
Sombra
Arce sol
Sombra
Magnolia sol
Sombra
Magnolia sol
Sombra

12. ¿Qué tendencias ve en el área de las hojas, el peso fresco y el peso seco de las plantas de sol y sombra? Utilizando su libro de texto como referencia, explique estas diferencias y su importancia para maximizar la fotosíntesis en las hojas de sol y sombra.


Los científicos buscan piratear la fotosíntesis para un planeta "más verde"

Los científicos están analizando cómo las plantas convierten la luz solar en azúcares, un proceso conocido como fotosíntesis, como modelo para formas más limpias de producir energía para las personas y la industria. Su investigación incluso sugiere formas en que las personas pueden ayudar a las plantas a realizar la fotosíntesis de manera más eficiente.

Xurzon / iStock / Getty Images Plus

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5 de diciembre de 2019 a las 6:45 am

La fotosíntesis es tan natural para las plantas como la respiración para las personas. Este proceso convierte los ingredientes simples de dióxido de carbono, agua y luz solar en energía. La fotosíntesis permite que las plantas crezcan. A su vez, confiamos en la fotosíntesis como base de nuestra vida en la Tierra.

Carina Baskett recuerda la primera vez que aprendió sobre la fotosíntesis. Ella dice: "Recuerdo haber sentido que esto parece tan mágico".

Ahora es bióloga de plantas en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria en Klosterneuburg. "Es tan sorprendente que las plantas estén tomando aire, agua y luz, cosas en las que caminamos, todo el tiempo, y lo están convirtiendo en energía y alimento para todo el mundo".

La energía del sol nos hace sentir cálidos cuando golpea nuestra piel desnuda. Pero cuando la luz del sol toca las hojas de una planta, lo hace más. Impulsa una reacción química que convierte un tipo de energía en otro. Esas hojas de plantas contienen mucha agua. Esa agua está formada por átomos de oxígeno unidos a átomos de hidrógeno. La energía del sol puede excitar los electrones dentro de la molécula de agua lo suficiente como para que se rompan los enlaces.

Esto desencadena una reacción “que quita el oxígeno del agua. Y eso se convierte en el oxígeno del aire que todos respiramos ”, explica Baskett. Mientras tanto, señala, "el hidrógeno del agua se mezcla con el dióxido de carbono [en el aire] y eso produce azúcar".

Las personas y todos los demás animales utilizan este azúcar, la glucosa, como fuente de energía de los alimentos. Las plantas se convierten en el alimento que nuestro cuerpo puede convertir en energía. Básicamente, la fotosíntesis es la razón por la que podemos existir, explica Baskett.

No es ningún misterio por qué la fotosíntesis la fascina a ella y a otros científicos. Muchos de ellos ahora quieren saber más sobre él, imitarlo e incluso mejorarlo.

Plantas parpadeantes

Los conceptos básicos de la fotosíntesis son bien conocidos. La clorofila, los pigmentos verdes de las plantas, utilizan la luz solar para producir azúcares. Pero aún queda mucho por aprender sobre cómo las plantas controlan el proceso y su eficiencia. Entra Avihai Danon. Es biólogo de plantas en el Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot, Israel. Estudia cómo las plantas regulan o controlan la fotosíntesis. En un artículo publicado el año pasado en iScience, su equipo describió uno de esos procesos. Lo describe como plantas "parpadeando".

"Demasiada luz puede quemar las células de la planta", dice Danon. Compara una planta expuesta a demasiada luz con una persona que juega con la electricidad. “Si de repente hay un aumento en el nivel de luz, ¿cómo lo manejan? ¿Se queman? "

Cualquier jardinero sabe que las especies de plantas están adaptadas para vivir en cantidades particulares de luz solar. Pero las condiciones de luz cambian naturalmente. Las nubes viajan por el cielo, el viento agita las hojas y la posición del sol se mueve a lo largo del día. Para estudiar cómo se ajusta la fotosíntesis a estos cambios, Danon estudió las plantas de mostaza en su laboratorio con poca luz.

En una prueba, aumentó la intensidad de la luz cada 10 minutos. Esto fue para imitar el sol naciente. A medida que cambiaba la luz, Danon midió la fluorescencia de la planta (Fluor-ESS-ents). Esta es una forma de energía luminosa liberada por la fotosíntesis. La medición de la fluorescencia ayudó a Danon a ver cuánta fotosíntesis se producía bajo diferentes niveles de luz.

A medida que el día se aclaraba, Danon esperaba ver un aumento constante de la fotosíntesis. En cambio, el patrón se parecía más a un parpadeo. La fotosíntesis se ralentizaría y luego volvería a subir un poco. Abajo y luego hacia arriba. Una y otra vez, poco a poco, se fue adaptando a la luz cada vez más intensa.

"Se trata de adoptar un enfoque de más vale prevenir que lamentar", explica Danon. La planta estaba anticipando las peores condiciones, dice, antes de adaptarse a los cambios reales.

Danon no pudo evitar hacer una comparación de cómo los ojos humanos responden a la luz solar repentina y brillante. Cuando salimos en un día soleado, nuestras pupilas se contraen. Esa respuesta protege nuestros ojos del daño mientras se asegura de que aún podamos ver cosas importantes a nuestro alrededor.

Las plantas no pueden moverse, por lo que su "parpadeo" ayuda a protegerlas de quemaduras o decoloración cuando están bajo el sol brillante. Los medidores de luz de una planta, puede pensar en ellos como antenas, registran cuando cambian los niveles de luz. Estas antenas se encogen y en el proceso reducen la fotosíntesis. Esta contracción también los protege de cambios repentinos que podrían dañar toda la planta.

Danon se inspira en lo que pueden hacer las plantas. “Si las plantas han desarrollado este tipo de sofisticado respuesta, y han tenido éxito durante cientos de millones de años, tal vez nos pueda ayudar en nuestra propia ingeniería ”, dice.

Fotosíntesis artificial

Los científicos ya han comenzado a copiar o imitar la fotosíntesis. Sus procesos artificiales también utilizan la luz para dividir el oxígeno y el hidrógeno, para obtener energía. El sueño es eventualmente reemplazar los combustibles fósiles.Si la gente pudiera producir energía a partir del sol, el aire y el agua, como lo hacen las plantas, reduciría las emisiones de dióxido de carbono que calientan el planeta. También podría crear una enorme fuente nueva de energía renovable.

Muchos investigadores consideran los combustibles solares, combustibles hechos a partir de la luz solar, como sustitutos "ecológicos" de los combustibles fósiles basados ​​en carbono de la actualidad. Estos incluyen petróleo, gas y carbón.

Los combustibles solares pueden adoptar muchas formas. Pueden parecerse a los combustibles tradicionales basados ​​en carbono, que utilizan dióxido de carbono para "reciclar" las emisiones de los combustibles fósiles. El hidrógeno y el oxígeno, los productos químicos de la fotosíntesis, pueden alimentar las pilas de combustible que permiten que los coches funcionen con electricidad. Además, la energía solar puede convertir la luz solar en electricidad que podría almacenarse en baterías. Independientemente de la forma que adopten los combustibles solares, el primer paso es dividir el agua en sus bloques de construcción elementales.

“La naturaleza tiene este poder”, explica Julien Warnan. Es químico que trabaja con Erwin Reisner en combustibles solares en la Universidad de Cambridge en Inglaterra. La naturaleza ha tenido mucho tiempo para descubrir cómo hacer esto de manera eficiente, señala. Cuando se trata de dividir los componentes básicos del agua, los ingenieros son "un poco más limitados", dice. "Todo el mundo está intentando desarrollar diferentes herramientas para hacerlo".

El año pasado en la revista Energía de la naturaleza, El equipo de Warnan describió una nueva forma de utilizar la luz solar para dividir el agua. La idea, explica Warnan, "es tomar agua y aire y ponerlos juntos en una caja". Luego agrega un Catalizador. Este es un material que puede provocar que los productos químicos reaccionen. Más tarde, dice: “Tú iluminas esta caja. Y lo que sale es combustible, como lo que pones en tu coche o en un avión ".

Científicos de todo el mundo están experimentando con dispositivos; considérelos hojas artificiales. Al igual que los procesos en las hojas, dividen el agua en hidrógeno y oxígeno. El equipo de Warnan no fue el primero en hacerlo. Pero lo hicieron con un tipo de catalizador diferente. Es el mismo que usa una planta para iniciar una reacción química.

Extraen ese catalizador de una planta, en lugar de crearlo a partir de productos químicos en un laboratorio. Eso significa que se utilizarían menos productos químicos agresivos en la fabricación de su combustible solar. Pero se necesita más trabajo antes de que la gente pueda producir un combustible solar a partir del agua tan fácilmente como lo hacen las plantas.

“El gran poder de la planta es que siempre se puede regenerar y reponer [el catalizador] si se descompone”, dice Warnan. "No podemos." Este tipo de combustible solar, por tanto, “sigue siendo muy caro”, apunta.

Explicador: ¿Qué es un catalizador?

Así que no espere gastar combustible con energía solar en un futuro próximo. Los dispositivos actuales no pueden recolectar suficiente luz solar de manera asequible. Por eso las plantas son tan buenas maestras. Habiendo realizado la fotosíntesis durante millones de años, ya han descubierto cómo hacerlo de manera eficiente.

Los analistas de energía predicen que las personas utilizarán el doble de energía para 2050 que ahora. Las hojas artificiales podrían ser una forma de alejar a la humanidad de su dependencia de los combustibles fósiles.

Hackear plantas

Casi 8 mil millones de personas comparten nuestro planeta hoy. Las Naciones Unidas estiman que habrá 9.700 millones de personas viviendo en este mundo en calentamiento para 2050. Llevarán la demanda de alimentos y energía al límite.

La fotosíntesis ha evolucionado para funcionar tan bien como es necesario para las plantas. Un grupo de científicos ahora está buscando mejorar la fotosíntesis, esta vez, para las personas. RIPE, que significa Realizing Increased Photosynthetic Efficiency, es un esfuerzo de investigación global. Su objetivo es "piratear" la fotosíntesis de formas que puedan producir más cultivos.

Amanda Cavanaugh es bioquímica de plantas en la Universidad de Illinois en Urbana. Ella trabaja con RIPE. Su investigación se centra en una pequeña enzima que tiene un gran impacto en la fotosíntesis. Se conoce como Rubisco (Rew-BIS-koh).

"No recibe mucho crédito, pero podría decirse que tiene el trabajo más importante del mundo", dice.

Rubisco extrae el dióxido de carbono del aire y ayuda a convertirlo en azúcar o glucosa. Ese es el proceso que convierte a las plantas en un sistema de conversión de energía que impulsa el crecimiento de los animales.

Toda la vida fotosintética se basa en la enzima Rubisco, dice Cavanaugh. Y aunque "es de vital importancia", agrega, "no es particularmente bueno en su trabajo".

Ella está hablando de un error común que cometen las plantas durante la fotosíntesis. Aproximadamente una de cada cinco veces, una planta "agarrará" una molécula de oxígeno del aire en lugar de dióxido de carbono. Eso es como poner accidentalmente sal en el café en lugar de azúcar. Entonces, en lugar de generar energía para el día, la planta produce compuestos tóxicos.

Las plantas han ideado una forma de reciclar los compuestos no deseados. Pero hacer esto usa energía que de otro modo la planta podría poner en crecimiento. Si la ciencia pudiera encontrar una manera de corregir el error de Rubisco, estima Cavanaugh, la agricultura podría alimentar a otros 200 millones de personas al año.

“Durante años, la gente ha estado fascinada con la posibilidad de diseñar un Rubisco mejor”, dice. Hacerlo podría permitir a los agricultores "cultivar más alimentos en menos tierra". Y eso, argumenta, es "el objetivo final de un biólogo de plantas".

Cuando Rubisco produce esos compuestos equivocados, una planta se deshace de ellos. Lo hace transportando estos productos químicos no deseados a tres estructuras diferentes dentro de la célula vegetal. Cavanaugh y sus colegas vieron este proceso de "reciclaje" como una pérdida de la valiosa energía y el tiempo de una planta. "Nos preguntamos si había una manera de acelerar eso", dice.

Los científicos de RIPE de la Universidad de Illinois están trabajando con investigadores del Departamento de Agricultura para hacer que la fotosíntesis de las plantas sea más eficiente. Han comenzado a centrarse en el papel de una enzima conocida como Rubisco.
IGBIllinois / YouTube

Para averiguarlo, ella y sus colegas trabajaron con plantas de tabaco en un invernadero. (El tabaco no es un cultivo alimenticio, pero lo usaron porque crece rápido). Los investigadores probaron plantas que tenían rasgos genéticos algo diferentes. Luego "privaron de hambre" a estas plantas del dióxido de carbono que necesitaban para crecer. El Rubisco de las plantas respondió cometiendo muchos errores.

Las plantas que prosperaron en estas condiciones demostraron ser las mejores recicladoras de compuestos tóxicos.

Luego, los científicos cultivaron superrecicladores en campos agrícolas. Estas plantas de tabaco crecieron un 40 por ciento más de lo normal. Los investigadores describieron su hazaña de ingeniería el 4 de enero pasado en Ciencias.

El siguiente paso es aplicar las lecciones aprendidas en el tabaco a cultivos como la papa, el caupí y la soja. Cavanaugh está entusiasmado con el probable éxito de trasladar este truco fotosintético a las plantas alimenticias.

"La fotosíntesis es uno de los procesos biológicos mejor comprendidos en la vida", dice Cavanaugh. “Pero hay tantas cosas que no sabemos al respecto. Ahora está comenzando a abrirse de una manera realmente ordenada ".

Palabras de poder

agricultura El crecimiento de plantas, animales u hongos para las necesidades humanas, incluidos alimentos, combustibles, productos químicos y medicamentos.

atmósfera La envoltura de gases que rodea la Tierra u otro planeta.

átomo Unidad básica de un elemento químico. Los átomos están formados por un núcleo denso que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga. El núcleo está orbitado por una nube de electrones cargados negativamente.

biología El estudio de los seres vivos. Los científicos que los estudian se conocen como biólogos.

vínculo (en química) Una unión semipermanente entre átomos - o grupos de átomos - en una molécula. Está formado por una fuerza atractiva entre los átomos participantes. Una vez unidos, los átomos funcionarán como una unidad. Para separar los átomos componentes, se debe suministrar energía a la molécula en forma de calor o algún otro tipo de radiación.

carbón El elemento químico que tiene el número atómico 6. Es la base física de toda la vida en la Tierra. El carbono existe libremente como grafito y diamante. Es una parte importante del carbón, la piedra caliza y el petróleo, y es capaz de autounirse, químicamente, para formar una enorme cantidad de moléculas de importancia química, biológica y comercial.

dióxido de carbono (o CO2) Un gas incoloro e inodoro producido por todos los animales cuando el oxígeno que inhalan reacciona con los alimentos ricos en carbono que han ingerido. El dióxido de carbono también se libera cuando la materia orgánica se quema (incluidos los combustibles fósiles como el petróleo o el gas). El dióxido de carbono actúa como gas de efecto invernadero, atrapando el calor en la atmósfera terrestre. Las plantas convierten el dióxido de carbono en oxígeno durante la fotosíntesis, el proceso que utilizan para producir su propia comida.

Catalizador Sustancia que ayuda a que una reacción química se desarrolle más rápidamente. Los ejemplos incluyen enzimas y elementos como platino e iridio.

celda La unidad estructural y funcional más pequeña de un organismo. Por lo general, demasiado pequeño para verlo a simple vista, consiste en un líquido acuoso rodeado por una membrana o pared. Dependiendo de su tamaño, los animales están hechos de miles a billones de células. La mayoría de los organismos, como levaduras, mohos, bacterias y algunas algas, están compuestos por una sola célula.

químico Sustancia formada por dos o más átomos que se unen (enlazan) en una proporción y estructura fijas. Por ejemplo, el agua es una sustancia química que se produce cuando dos átomos de hidrógeno se unen a un átomo de oxígeno. Su fórmula química es H2O. Chemical también puede ser un adjetivo para describir las propiedades de los materiales que son el resultado de varias reacciones entre diferentes compuestos.

reacción química Un proceso que implica la reorganización de las moléculas o la estructura de una sustancia, en contraposición a un cambio en la forma física (como de un sólido a un gas).

clorofila Cualquiera de los varios pigmentos verdes que se encuentran en las plantas que realizan la fotosíntesis, creando azúcares (alimentos) a partir del dióxido de carbono y el agua.

colega Alguien que trabaja con otro compañero de trabajo o miembro del equipo.

compuesto (utilizado a menudo como sinónimo de químico) Un compuesto es una sustancia que se forma cuando dos o más elementos químicos se unen (enlazan) en proporciones fijas. Por ejemplo, el agua es un compuesto formado por dos átomos de hidrógeno unidos a un átomo de oxígeno. Su símbolo químico es H2O.

cultivo (en agricultura) Un tipo de planta cultivada intencionalmente y cultivada por agricultores, como maíz, café o tomates. O el término podría aplicarse a la parte de la planta cosechada y vendida por los agricultores.

electricidad Un flujo de carga, generalmente por el movimiento de partículas cargadas negativamente, llamadas electrones.

electrón Una partícula cargada negativamente, que generalmente se encuentra orbitando las regiones externas de un átomo también, es el portador de electricidad dentro de los sólidos.

ingeniero Una persona que usa la ciencia para resolver problemas. Como verbo, diseñar significa diseñar un dispositivo, material o proceso que resolverá algún problema o necesidad insatisfecha.

enzima Moléculas que producen los seres vivos para acelerar las reacciones químicas.

excitar (en química y física) Para transferir energía a uno o más electrones externos en un átomo. Permanecen en este estado de mayor energía hasta que desprenden la energía extra mediante la emisión de algún tipo de radiación, como la luz.

fluorescente Absorber y luego reemitir luz en una longitud de onda diferente. Esa luz reemitida se conoce como fluorescencia.

combustible fósil Cualquier combustible, como carbón, petróleo (petróleo crudo) o gas natural, que se haya desarrollado dentro de la Tierra durante millones de años a partir de los restos descompuestos de bacterias, plantas o animales.

indicador Un dispositivo para medir el tamaño o el volumen de algo. Por ejemplo, los mareógrafos rastrean la altura siempre cambiante de los niveles de agua costera a lo largo del día. O cualquier sistema o evento que pueda usarse para estimar el tamaño o la magnitud de otra cosa. (v. calibrar) El acto de medir o estimar el tamaño de algo.

genético Tiene que ver con los cromosomas, el ADN y los genes contenidos en el ADN. El campo de la ciencia que se ocupa de estas instrucciones biológicas se conoce como genética. Las personas que trabajan en este campo son genetistas.

invernadero Una estructura llena de luz, a menudo con ventanas que sirven como materiales de paredes y techos, en la que se cultivan las plantas. Proporciona un entorno controlado en el que se pueden aplicar cantidades determinadas de agua, humedad y nutrientes, y se puede evitar la entrada de plagas.

cortar a tajos (en informática) Para obtener acceso no aprobado, a menudo ilegal, a una computadora, generalmente para robar o alterar datos o archivos. Alguien que hace esto se conoce como hacker. (fuera de la informática) Para hacerse cargo de un proceso y controlarlo por algún medio inteligente.

hidrógeno El elemento más ligero del universo. Como gas, es incoloro, inodoro y muy inflamable. Es una parte integral de muchos combustibles, grasas y sustancias químicas que forman los tejidos vivos. Está hecho de un solo protón (que le sirve de núcleo) orbitado por un solo electrón.

molécula Grupo de átomos eléctricamente neutro que representa la menor cantidad posible de un compuesto químico. Las moléculas pueden estar formadas por tipos únicos de átomos o de diferentes tipos. Por ejemplo, el oxígeno del aire está formado por dos átomos de oxígeno (O2), pero el agua está formada por dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno (H2O).

oxígeno Un gas que constituye aproximadamente el 21 por ciento de la atmósfera terrestre. Todos los animales y muchos microorganismos necesitan oxígeno para impulsar su crecimiento (y metabolismo).

fotosíntesis (verbo: fotosintetizar) Proceso mediante el cual las plantas verdes y algunos otros organismos utilizan la luz solar para producir alimentos a partir de dióxido de carbono y agua.

alumno (en biología) El centro oscuro de un ojo. La pupila es en realidad un agujero en el ojo que permite que la luz atraviese y golpee la retina, la parte de nuestro ojo que es sensible a la luz.

reciclar Para encontrar nuevos usos para algo, o partes de algo, que de otro modo podrían desecharse o tratarse como desechos.

regular (n. regulación) Controlar con acciones. Los gobiernos redactan reglas y regulaciones - leyes - que son aplicadas por la policía y los tribunales.

energía renovable Energía de una fuente que no se agota con el uso, como la energía hidroeléctrica (agua), la energía eólica o la energía solar.

Rubisco Este término es en realidad un acrónimo de ribulosa bisfosfato carboxilasa / oxigenasa. Es la proteína más común en la Tierra. En su función de enzima, juega un papel fundamental en la fotosíntesis.

sal Un compuesto que se obtiene al combinar un ácido con una base (en una reacción que también crea agua). El océano contiene muchas sales diferentes, llamadas colectivamente "sal marina". La sal de mesa común está hecha de sodio y cloro.

célula solar Un dispositivo que convierte la energía solar en electricidad.

sofisticado Un término para algo que es avanzado, complejo y / o elegante.

especies Un grupo de organismos similares capaces de producir descendencia que pueda sobrevivir y reproducirse.

tecnología La aplicación del conocimiento científico con fines prácticos, especialmente en la industria, o los dispositivos, procesos y sistemas que resultan de esos esfuerzos.

tabaco Una planta cultivada por sus hojas, que muchas personas queman en puros, cigarrillos y pipas. A veces también se mastican hojas de tabaco. La principal droga activa en las hojas de tabaco es la nicotina, un poderoso estimulante (y veneno).

tóxico Venenoso o capaz de dañar o matar células, tejidos u organismos completos. La medida de riesgo que representa un veneno de este tipo es su toxicidad.

rasgo Un rasgo característico de algo. (en genética) Cualidad o característica que se puede heredar.

destetar (adj. y v. destete) El proceso en mamíferos jóvenes de transición de una dieta de leche materna a otros alimentos.

Citas

Diario: K.E. Dalle y col. Síntesis de combustible impulsada por energía solar y eléctrica con complejos de metales de transición de primera fila. Reseñas de productos químicos. Vol. 119, 15 de febrero de 2019, pág. 2752. doi: 10.1021 / acs.chemrev.8b00392.

Diario: P.F. South et al. Las vías del metabolismo del glicolato sintético estimulan el crecimiento y la productividad de los cultivos en el campo. Ciencias. Vol. 363, 4 de enero de 2019, pág. eaat9077. doi: 10.1126 / science.aat9077.

Diario: A. Tendler y col. Respuesta de cambio de pliegues de la fotosíntesis a incrementos escalonados del nivel de luz. iScience, Vol. 8, 25 de septiembre de 2018 p. 126. doi: 10.1016 / j.isci.2018.09.019.

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Descripción general del experimento:

El sol es una fuente de energía renovable que juega un papel fundamental en nuestra vida diaria, desde el calentamiento de la tierra hasta el ciclo del agua, es una parte esencial de nuestra existencia diaria. ¿Sabías que el sol también juega un papel fundamental en el crecimiento de las plantas? Sin el sol, las plantas no obtendrían los alimentos necesarios para crecer, reproducirse y sobrevivir.

Las plantas necesitan tres cosas básicas para vivir: luz solar, agua y dióxido de carbono. A través de un proceso llamado fotosíntesis, las plantas usan la energía del sol para convertir el dióxido de carbono, los nutrientes del suelo y el agua en alimentos. En este experimento, vamos a 1) observar el germinación de semillas y rastrear el crecimiento a medida que emergen las plantas de 'Albahaca' (una hierba utilizada para condimentar) 2) rastrear el crecimiento de semillas de albahaca expuestas a tres fuentes de luz diferentes (pleno sol, algo de sol, limitado / sin sol) y observar la fotosíntesis en acción ! Antes de comenzar, pensemos en estas tres preguntas importantes:

¿Puede una semilla crecer / germinar / convertirse en una planta con luz solar limitada o nula?
¿Cómo crees que crecerá una semilla con luz solar parcial o parcial? ¿Cómo crees que se verá la planta después de dos semanas de crecimiento?
¿Cuál será la diferencia entre las tres plantas expuestas a la luz solar? ¿En qué crees que se parecerán las plantas?


CADENAS DE TRANSPORTE DE ELECTRONES

La fotoquímica primaria y varias de las primeras reacciones secundarias de transferencia de electrones tienen lugar dentro del complejo RC. Sin embargo, son necesarios procesos adicionales de transferencia de electrones antes de que se complete el proceso de almacenamiento de energía. Estos incluyen el citocromo antes de Cristo1 y B6f complejos. Estos complejos oxidan los quinoles producidos por fotoquímica en los RC de tipo II o mediante procesos cíclicos en los RC de tipo I y bombean protones a través de la membrana que, a su vez, contribuyen a la fuerza motriz del protón que se utiliza para producir ATP. Todos los organismos fototróficos tienen un citocromo. antes de Cristo1 o B6f complejo de arquitectura generalmente similar, con la excepción del filo FAP de fotótrofos anoxigénicos (Yanyushin et al., 2005). Este grupo contiene en cambio un tipo de complejo completamente diferente que se llama complejo alternativo III. El origen evolutivo de este complejo aún no está claro. Mientras que el citocromo antes de Cristo1 y B6f complejos son similares en muchos aspectos, el citocromo C1 y las subunidades f son muy diferentes y casi con certeza tienen un origen evolutivo distinto (Baniulis et al., 2008).


El sistema de fitocromo y la respuesta rojo / rojo lejano

los fitocromos son una familia de cromoproteínas con un cromóforo tetrapirrol lineal, similar al grupo de la cabeza absorbente de luz tetrapirrol anillado de la clorofila. Los fitocromos tienen dos formas fotointerconvertibles: Pr y Pfr. PAGr absorbe la luz roja

667 nm) y se convierte inmediatamente en Pfr. PAGfr absorbe la luz roja lejana

730 nm) y se convierte rápidamente de nuevo a Pr. La mínima diferencia entre la luz definida como roja o roja lejana es muy importante en esta reacción. La absorción de luz roja o roja lejana provoca un cambio masivo en la forma del cromóforo, alterando la conformación y la actividad de la proteína del fitocromo a la que está unido. PAGfr es la forma fisiológicamente activa de la proteína, por lo tanto, la exposición a la luz roja produce actividad fisiológica. La exposición a la luz roja lejana inhibe la actividad del fitocromo. Juntas, las dos formas representan el sistema de fitocromos (Figura 1).

Figura 1. La forma biológicamente inactiva del fitocromo (Pr) se convierte en la forma biológicamente activa Pfr bajo iluminación con luz roja. La luz y la oscuridad de color rojo lejano vuelven a convertir la molécula a la forma inactiva.

El sistema de fitocromo actúa como un interruptor de luz biológico. Controla el nivel, la intensidad, la duración y el color de la luz ambiental. El efecto de la luz roja es reversible al iluminar inmediatamente la muestra con luz roja lejana, que convierte la cromoproteína en la P inactiva.r formulario. Además, Pfr puede volver lentamente a Pr en la oscuridad o descomponerse con el tiempo. En todos los casos, la respuesta fisiológica inducida por la luz roja se invierte. La forma activa de fitocromo (Pfr) puede activar directamente otras moléculas en el citoplasma, o puede ser transportado al núcleo, donde activa o reprime directamente la expresión de genes específicos.

Una vez que evolucionó el sistema de fitocromos, las plantas lo adaptaron para satisfacer una variedad de necesidades. La luz solar plena y sin filtrar contiene mucha más luz roja que la luz roja lejana. Debido a que la clorofila se absorbe fuertemente en la región roja del espectro visible, pero no en la región del rojo lejano, cualquier planta a la sombra de otra planta en el suelo del bosque estará expuesta a una luz enriquecida en rojo lejano y empobrecida en rojo. La preponderancia de la luz roja lejana convierte el fitocromo en las hojas sombreadas en la Pr forma (inactiva), retardando el crecimiento. Las áreas no sombreadas (o incluso menos sombreadas) más cercanas en el suelo del bosque tienen más hojas de luz roja expuestas a estas áreas detectan la luz roja, que activa la Pfr forma e induce el crecimiento. En resumen, los brotes de plantas utilizan el sistema de fitocromos para crecer lejos de la sombra y hacia la luz. Debido a que la competencia por la luz es tan feroz en una comunidad vegetal densa, las ventajas evolutivas del sistema de fitocromos son obvias.

En las semillas, el sistema de fitocromos no se utiliza para determinar la dirección y la calidad de la luz (sombreada o no sombreada). En cambio, se usa simplemente para determinar si hay alguna luz. Esto es especialmente importante en especies con semillas muy pequeñas, como la lechuga. Debido a su tamaño, las semillas de lechuga tienen pocas reservas de alimentos. Sus plántulas no pueden crecer por mucho tiempo antes de que se les acabe el combustible. Si germinaran incluso un centímetro debajo de la superficie del suelo, la plántula nunca llegaría a la luz del sol y moriría. En la oscuridad, el fitocromo está en la Pr (forma inactiva) y la semilla no germinará, solo germinará si se expone a la luz en la superficie del suelo. Tras la exposición a la luz, Pr se convierte en Pfr y prosigue la germinación.

Las plantas también utilizan el sistema de fitocromos para detectar el cambio de estación. El fotoperiodismo es una respuesta biológica al momento y la duración del día y la noche. Controla la floración, el cuajado de los cogollos invernales y el crecimiento vegetativo. La detección de cambios estacionales es fundamental para la supervivencia de las plantas. Aunque la temperatura y la intensidad de la luz influyen en el crecimiento de las plantas, no son indicadores fiables de la estación porque pueden variar de un año a otro. La duración del día es un mejor indicador de la época del año.

Como se indicó anteriormente, la luz solar sin filtrar es rica en luz roja pero deficiente en luz roja lejana. Por lo tanto, al amanecer, todas las moléculas de fitocromo de una hoja se convierten rápidamente en el P activo.fr forma, y ​​permanecer en esa forma hasta la puesta del sol. En la oscuridad, la Pfr forma tarda horas en volver lentamente a la Pr formulario. Si la noche es larga (como en invierno), todos los Pfr la forma se revierte. Si la noche es corta (como en verano), una cantidad considerable de Pfr puede permanecer al amanecer. Al detectar la Pr/PAGfr relación al amanecer, una planta puede determinar la duración del ciclo día / noche. Además, las hojas retienen esa información durante varios días, lo que permite una comparación entre la duración de la noche anterior y las noches anteriores. Las noches más cortas indican la primavera para la planta cuando las noches se hacen más largas, se acerca el otoño. Esta información, junto con la detección de la temperatura y la disponibilidad de agua, permite a las plantas determinar la época del año y ajustar su fisiología en consecuencia. Las plantas de día corto (noche larga) usan esta información para florecer a fines del verano y principios del otoño, cuando las noches exceden una duración crítica (a menudo ocho horas o menos). Las plantas de día largo (noche corta) florecen durante la primavera, cuando la oscuridad es menor que la duración crítica (a menudo de ocho a 15 horas). No todas las plantas utilizan el sistema de fitocromos de esta forma. La floración en plantas de día neutro no está regulada por la duración del día.

Horticultor

La palabra "horticultor" proviene de las palabras latinas para jardín (hortus) y Cultura (cultura). Esta carrera se ha visto revolucionada por los avances logrados en la comprensión de las respuestas de las plantas a los estímulos ambientales. Los productores de cultivos, frutas, verduras y flores estaban previamente limitados por tener que programar su siembra y cosecha de acuerdo con la temporada. Ahora, los horticultores pueden manipular las plantas para aumentar la producción de hojas, flores o frutos al comprender cómo los factores ambientales afectan el crecimiento y desarrollo de las plantas.

La gestión de invernaderos es un componente esencial de la educación de un horticultor. Para alargar la noche, las plantas se cubren con un paño de sombra opaco. Las plantas de día largo se irradian con luz roja en invierno para promover la floración temprana. Por ejemplo, la luz fluorescente (blanca fría) alta en longitudes de onda azules estimula el crecimiento de las hojas y es excelente para comenzar las plántulas. Las lámparas incandescentes (bombillas de luz estándar) son ricas en luz roja y promueven la floración en algunas plantas. El tiempo de maduración de la fruta se puede aumentar o retrasar mediante la aplicación de hormonas vegetales. Recientemente, se ha logrado un progreso considerable en el desarrollo de variedades de plantas que se adapten a diferentes climas y sean resistentes a las plagas y a los daños causados ​​por el transporte. Tanto el rendimiento como la calidad de los cultivos han aumentado como resultado de las aplicaciones prácticas del conocimiento de las respuestas de las plantas a los estímulos externos y las hormonas.

Los horticultores encuentran empleo en laboratorios privados y gubernamentales, invernaderos, jardines botánicos y en los campos de producción o investigación. Mejoran los cultivos aplicando sus conocimientos de genética y fisiología vegetal. Para prepararse para una carrera en horticultura, los estudiantes toman clases de botánica, fisiología vegetal, patología vegetal, diseño de paisajes y fitomejoramiento. Para complementar estos cursos tradicionales, las especialidades de horticultura agregan estudios en economía, negocios, ciencias de la computación y comunicaciones.


8.2 La reacción de la fotosíntesis dependiente de la luz

En esta sección, explorará las siguientes preguntas:

  • ¿Cómo absorben las plantas la energía de la luz solar?
  • ¿Cuáles son las diferencias entre las longitudes de onda de luz corta y larga? ¿Qué longitudes de onda se utilizan en la fotosíntesis?
  • ¿Cómo y dónde ocurre la fotosíntesis dentro de una planta?

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La fotosíntesis consta de dos etapas: las reacciones dependientes de la luz y las reacciones independientes de la luz o ciclo de Calvin. Las reacciones dependientes de la luz ocurren cuando hay luz disponible. La ecuación general para la fotosíntesis muestra que si se trata de una reacción redox, el dióxido de carbono se reduce y el agua se oxida para producir oxígeno:

Las reacciones dependientes de la luz ocurren en las membranas tilacoides de los cloroplastos, mientras que el ciclo de Calvin ocurre en el estroma de los cloroplastos. Incrustados en las membranas tilacoides hay dos fotosistemas (PS I y PS II), que son complejos de pigmentos que capturan la energía solar. Clorofilas a y B absorben las longitudes de onda violeta, azul y roja del espectro de luz visible y reflejan el verde. Los pigmentos carotenoides absorben la luz violeta-azul-verde y reflejan la luz de amarillo a naranja. Los factores ambientales como la duración del día y la temperatura influyen en qué pigmentos predominan en determinadas épocas del año. Aunque los dos fotosistemas se ejecutan simultáneamente, es más fácil explorarlos por separado. Comencemos con el fotosistema II.

Un fotón de luz incide en los pigmentos de la antena de PS II para iniciar la fotosíntesis. En la vía no cíclica, PS II captura fotones a un nivel de energía ligeramente más alto que PS I. (Recuerde que las longitudes de onda más cortas de la luz transportan más energía). La energía absorbida viaja al centro de reacción del pigmento de la antena que contiene clorofila. a y aumenta la clorofila a electrones a un nivel de energía superior. Los electrones son aceptados por una proteína primaria aceptora de electrones y luego pasan a la cadena de transporte de electrones también incrustada en la membrana tilacoide. La energía absorbida en PS II es suficiente para oxidar (dividir) el agua, liberando oxígeno a la atmósfera.Los electrones liberados por la oxidación del agua reemplazan a los electrones que fueron impulsados ​​por la clorofila del centro de reacción. A medida que los electrones del centro de reacción de la clorofila atraviesan la serie de proteínas transportadoras de electrones, los iones de hidrógeno (H +) se bombean a través de la membrana mediante quimiosmosis hacia el interior del tilacoide. (Si esto te suena familiar, debería serlo. Estudiamos la quimiosmosis en nuestra exploración de la respiración celular en Respiración celular.) Esta acción acumula una alta concentración de iones H + y, a medida que fluyen a través de la ATP sintasa, se forman moléculas de ATP. Estas moléculas de ATP se utilizarán para proporcionar energía libre para la síntesis de carbohidratos en el ciclo de Calvin, la segunda etapa de la fotosíntesis. La cadena de transporte de electrones conecta PS II y PS I. Similar a los eventos que ocurren en PS II, este segundo fotosistema absorbe un segundo fotón de luz, lo que resulta en la formación de una molécula de NADPH a partir de NADP.+. La energía transportada en NADPH también se utiliza para impulsar las reacciones químicas del ciclo de Calvin.

La información presentada y los ejemplos resaltados en la sección apoyan los conceptos y los objetivos de aprendizaje descritos en la Gran Idea 2 del Marco del Currículo de Biología AP ®, como se muestra en la tabla. Los objetivos de aprendizaje enumerados en el marco curricular proporcionan una base transparente para el curso de Biología AP®, una experiencia de laboratorio basada en la investigación, actividades de instrucción y preguntas del examen AP®. Un objetivo de aprendizaje fusiona el contenido requerido con una o más de las siete prácticas científicas.

Gran idea 2 Los sistemas biológicos utilizan energía libre y bloques de construcción moleculares para crecer, reproducirse y mantener la homeostasis dinámica.
Comprensión duradera 2.A El crecimiento, la reproducción y el mantenimiento de los sistemas vivos requieren energía y materia libres.
Conocimiento esencial 2.A.2 Las reacciones de fotosíntesis independientes de la luz en eucariotas implican una serie de reacciones que capturan la energía libre presente en la luz.
Práctica de la ciencia 1.4 El alumno puede utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones o resolver problemas de forma cualitativa y cuantitativa.
Práctica de la ciencia 3.1 El alumno puede plantear cuestiones científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.4 El estudiante puede usar representaciones para plantear preguntas científicas sobre qué mecanismos y características estructurales permiten que los organismos capturen, almacenen y usen energía libre.
Conocimiento esencial 2.A.2 Las reacciones de fotosíntesis independientes de la luz en eucariotas implican una serie de reacciones que capturan la energía libre presente en la luz.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 2.5 El estudiante es capaz de construir explicaciones de los mecanismos y características estructurales de las células que permiten a los organismos capturar, almacenar o utilizar energía libre.
Gran idea 4 Los sistemas biológicos interactúan y estos sistemas y sus interacciones poseen propiedades complejas.
Comprensión duradera 4.A Las interacciones dentro de los sistemas biológicos conducen a propiedades complejas.
Conocimiento esencial 4.A.2 Los cloroplastos son orgánulos especializados que capturan energía a través de la fotosíntesis.
Práctica de la ciencia 6.4 El estudiante puede hacer afirmaciones y predicciones sobre fenómenos naturales basados ​​en teorías y modelos científicos.
Objetivo de aprendizaje 4.4 El estudiante puede hacer una predicción sobre las interacciones de los orgánulos subcelulares.
Conocimiento esencial 4.A.2 Los cloroplastos son orgánulos especializados que capturan energía a través de la fotosíntesis.
Práctica de la ciencia 6.2 El alumno puede construir explicaciones de fenómenos basados ​​en evidencia producida a través de prácticas científicas.
Objetivo de aprendizaje 4.5 El estudiante es capaz de construir explicaciones basadas en evidencia científica sobre cómo las interacciones de las estructuras subcelulares proporcionan funciones esenciales.
Conocimiento esencial 4.A.2 Los cloroplastos son orgánulos especializados que capturan energía a través de la fotosíntesis.
Práctica de la ciencia 1.4 El alumno puede utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones o resolver problemas de forma cualitativa y cuantitativa.
Objetivo de aprendizaje 4.6 El estudiante es capaz de utilizar representaciones y modelos para analizar situaciones cualitativamente para describir cómo las interacciones de estructuras subcelulares, que poseen funciones especializadas, proporcionan funciones esenciales.

Apoyo a los profesores

Esta sección trata sobre la primera mitad de la fotosíntesis. Estas reacciones capturan la energía luminosa y la almacenan en sustancias químicas durante cortos períodos de tiempo para alimentar la segunda mitad de la fotosíntesis. Aquí también es donde se puede liberar el oxígeno libre, pero el dióxido de carbono no se captura ni se fija.

Las preguntas del desafío de práctica científica contienen preguntas de prueba adicionales para esta sección que lo ayudarán a prepararse para el examen AP. Estas preguntas abordan los siguientes estándares:
[APLO 2.5] [APLO 2.16] [APLO 2.18] [APLO 1.9] [APLO 1.32] [APLO 4.14] [APLO 2.2] [APLO 2.3] [APLO 2.23] [APLO 1.15] [APLO 1.29]

¿Cómo se puede utilizar la luz para hacer alimentos? Cuando una persona enciende una lámpara, la energía eléctrica se convierte en energía luminosa. Como todas las otras formas de energía cinética, la luz puede viajar, cambiar de forma y ser aprovechada para realizar un trabajo. En el caso de la fotosíntesis, la energía de la luz se convierte en energía química, que los fotoautótrofos utilizan para construir moléculas de carbohidratos (Figura 8.9). Sin embargo, los autótrofos solo usan algunos componentes específicos de la luz solar.

¿Qué es la energía luminosa?

Apoyo a los profesores

Todo el mundo sabe qué es un arco iris, pero es posible que algunos estudiantes no puedan conectarlo a fuentes de luz reales. Obtenga alguna forma de refracción de la luz, como un prisma, y ​​utilícela para separar los componentes de varias fuentes de luz, como una bombilla incandescente más antigua, un nuevo tipo de bombilla fluorescente y la luz solar real.

Cuando hable del espectro electromagnético, incluya el hecho de que cuando alguien establece una estación de radio en su número, como 92.1 o 1450 en el dial, realmente está configurando la radio en la longitud de onda específica del espectro utilizado por la estación.

El sol emite una enorme cantidad de radiación electromagnética (energía solar). Los seres humanos pueden ver solo una fracción de esta energía, por lo que se hace referencia a esta parte como "luz visible". La forma en que viaja la energía solar se describe como ondas. Los científicos pueden determinar la cantidad de energía de una onda midiendo su longitud de onda, la distancia entre puntos consecutivos de una onda. Una sola onda se mide desde dos puntos consecutivos, como de cresta a cresta o de vaguada a vaguada (Figura 8.10).

La luz visible constituye solo uno de los muchos tipos de radiación electromagnética emitida por el sol y otras estrellas. Los científicos diferencian los diversos tipos de energía radiante del sol dentro del espectro electromagnético. El espectro electromagnético es el rango de todas las posibles frecuencias de radiación (Figura 8.11). La diferencia entre las longitudes de onda se relaciona con la cantidad de energía que transportan.

Cada tipo de radiación electromagnética viaja en una longitud de onda particular. Cuanto más larga sea la longitud de onda (o cuanto más estirada aparezca en el diagrama), menos energía se transporta. Las ondas cortas y estrechas son las que transportan la mayor cantidad de energía. Esto puede parecer ilógico, pero piénselo en términos de mover una cuerda pesada. Una persona necesita poco esfuerzo para mover una cuerda en ondas largas y anchas. Para hacer que una cuerda se mueva en ondas cortas y apretadas, una persona necesitaría aplicar mucha más energía.

El espectro electromagnético (Figura 8.11) muestra varios tipos de radiación electromagnética que se originan en el sol, incluidos los rayos X y los rayos ultravioleta (UV). Las ondas de mayor energía pueden penetrar los tejidos y dañar las células y el ADN, lo que explica por qué tanto los rayos X como los rayos UV pueden ser dañinos para los organismos vivos.

Absorción de luz

Apoyo a los profesores

Destaque las diferencias en la cantidad de energía en cada longitud de onda y la utilidad de las longitudes de onda para la captura de energía. Discuta qué hay en una “luz de crecimiento” (fuente de luz artificial para plantas que crecen en interiores).

La energía luminosa inicia el proceso de fotosíntesis cuando los pigmentos absorben la luz. Los pigmentos orgánicos, ya sea en la retina humana o en el tilacoide del cloroplasto, tienen un rango estrecho de niveles de energía que pueden absorber. Los niveles de energía más bajos que los representados por la luz roja son insuficientes para elevar un electrón orbital a un estado (cuántico) excitado y poblado. Los niveles de energía más altos que los de la luz azul romperán físicamente las moléculas, lo que se denomina blanqueamiento. Por lo tanto, los pigmentos de la retina solo pueden "ver" (absorber) luz de 700 nm a 400 nm, por lo que se denomina luz visible. Por las mismas razones, las moléculas de pigmento de las plantas absorben solo luz en el rango de longitud de onda de 700 nm a 400 nm, los fisiólogos de plantas se refieren a este rango para las plantas como radiación fotosintéticamente activa.

La luz visible que ven los humanos como luz blanca existe en realidad en un arco iris de colores. Ciertos objetos, como un prisma o una gota de agua, dispersan la luz blanca para revelar los colores al ojo humano. La porción de luz visible del espectro electromagnético muestra el arco iris de colores, donde el violeta y el azul tienen longitudes de onda más cortas y, por lo tanto, mayor energía. En el otro extremo del espectro hacia el rojo, las longitudes de onda son más largas y tienen menor energía (Figura 8.12).

Entendiendo los pigmentos

Apoyo a los profesores

Concéntrese en los tipos y funciones de las clorofilas y carotenoides que se encuentran en las hojas. Discuta cómo todos ellos siempre están ahí aunque no sean visibles en el verano. Son visibles en el otoño.

Pregunte a la clase qué colores de abrigos suelen usar las personas en el verano y en el invierno. Discuta por qué hacen esto.

Existen diferentes tipos de pigmentos y cada uno absorbe solo ciertas longitudes de onda (colores) de luz visible. Los pigmentos reflejan o transmiten las longitudes de onda que no pueden absorber, haciendo que aparezcan en el color correspondiente.

Las clorofilas y los carotenoides son las dos clases principales de pigmentos fotosintéticos que se encuentran en las plantas y las algas, cada clase tiene múltiples tipos de moléculas de pigmento. Hay cinco clorofilas principales: a, B, C y D y una molécula relacionada que se encuentra en los procariotas llamada bacterioclorofila. Clorofila a y clorofila B se encuentran en los cloroplastos de plantas superiores y serán el foco de la siguiente discusión.

Con docenas de formas diferentes, los carotenoides son un grupo de pigmentos mucho más grande. Los carotenoides que se encuentran en la fruta, como el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o la naranja de una cáscara de naranja (β-caroteno), se utilizan como anuncios para atraer a los dispersores de semillas. En la fotosíntesis, los carotenoides funcionan como pigmentos fotosintéticos que son moléculas muy eficientes para la eliminación del exceso de energía. Cuando una hoja se expone a pleno sol, se requieren reacciones dependientes de la luz para procesar una enorme cantidad de energía; si esa energía no se maneja adecuadamente, puede causar un daño significativo. Por lo tanto, muchos carotenoides residen en la membrana tilacoide, absorben el exceso de energía y disipan de manera segura esa energía en forma de calor.

Cada tipo de pigmento puede identificarse por el patrón específico de longitudes de onda que absorbe de la luz visible, que es el espectro de absorción. El gráfico de la Figura 8.13 muestra los espectros de absorción de la clorofila. a, clorofila By un tipo de pigmento carotenoide llamado β-caroteno (que absorbe la luz azul y verde). Observe cómo cada pigmento tiene un conjunto distinto de picos y valles, lo que revela un patrón de absorción muy específico. Clorofila a absorbe longitudes de onda de cualquier extremo del espectro visible (azul y rojo), pero no verde. Debido a que el verde se refleja o se transmite, la clorofila aparece verde. Los carotenoides se absorben en la región azul de longitud de onda corta y reflejan las longitudes de onda más largas de color amarillo, rojo y naranja.

Muchos organismos fotosintéticos tienen una mezcla de pigmentos que los utilizan, el organismo puede absorber energía de una gama más amplia de longitudes de onda. No todos los organismos fotosintéticos tienen acceso total a la luz solar. Algunos organismos crecen bajo el agua donde la intensidad y la calidad de la luz disminuyen y cambian con la profundidad. Otros organismos crecen compitiendo por la luz. Las plantas en el suelo de la selva deben poder absorber cualquier parte de la luz que entra, porque los árboles más altos absorben la mayor parte de la luz solar y dispersan la radiación solar restante (Figura 8.14).

Al estudiar un organismo fotosintético, los científicos pueden determinar los tipos de pigmentos presentes generando espectros de absorción. Un instrumento llamado espectrofotómetro puede diferenciar qué longitudes de onda de luz puede absorber una sustancia. Los espectrofotómetros miden la luz transmitida y calculan a partir de ella la absorción. Al extraer pigmentos de las hojas y colocar estas muestras en un espectrofotómetro, los científicos pueden identificar qué longitudes de onda de luz puede absorber un organismo. Los métodos adicionales para la identificación de pigmentos vegetales incluyen varios tipos de cromatografía que separan los pigmentos por sus afinidades relativas a las fases sólidas y móviles.

Cómo funcionan las reacciones dependientes de la luz

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Los fotosistemas I y II pueden resultar confusos. Obtenga diagramas de ambos sistemas y utilícelos para seguir los pasos de las vías. Analice por qué algunas plantas usan la forma cíclica de los sistemas y otras la forma lineal. Analice por qué se libera oxígeno en una vía, pero no en la otra.

La función general de las reacciones dependientes de la luz es convertir la energía solar en energía química en forma de NADPH y ATP. Esta energía química apoya las reacciones independientes de la luz y alimenta el ensamblaje de moléculas de azúcar. Las reacciones dependientes de la luz se muestran en la figura 8.15. Los complejos de proteínas y las moléculas de pigmento trabajan juntos para producir NADPH y ATP.

El paso real que convierte la energía luminosa en energía química tiene lugar en un complejo multiproteico llamado fotosistema, dos tipos de los cuales se encuentran incrustados en la membrana tilacoide, el fotosistema II (PSII) y el fotosistema I (PSI) (Figura 8.16). Los dos complejos se diferencian en función de lo que oxidan (es decir, la fuente del suministro de electrones de baja energía) y de lo que reducen (el lugar al que entregan sus electrones energizados).

Ambos fotosistemas tienen la misma estructura básica, una serie de proteínas de antena a las que se unen las moléculas de clorofila rodean el centro de reacción donde tiene lugar la fotoquímica. Cada fotosistema es atendido por el complejo de captación de luz, que pasa la energía de la luz solar al centro de reacción. Consta de múltiples proteínas de antena que contienen una mezcla de 300-400 clorofila. a y B moléculas así como otros pigmentos como los carotenoides. La absorción de un solo fotón o una cantidad distinta o "paquete" de luz por cualquiera de las clorofilas empuja esa molécula a un estado excitado. En resumen, la energía de la luz ahora ha sido capturada por moléculas biológicas, pero aún no se almacena de ninguna forma útil. La energía se transfiere de la clorofila a la clorofila hasta que finalmente (después de aproximadamente una millonésima de segundo) se envía al centro de reacción. Hasta este punto, solo se ha transferido energía entre moléculas, no electrones.

Conexión visual

El centro de reacción contiene un par de clorofila. a moléculas con una propiedad especial. Esas dos clorofilas pueden sufrir oxidación tras la excitación; de hecho, pueden ceder un electrón en un proceso llamado fotoacto. Es en este paso del centro de reacción, este paso de la fotosíntesis, que la energía luminosa se convierte en un electrón excitado. Todos los pasos posteriores implican llevar ese electrón al portador de energía NADPH para entregarlo al ciclo de Calvin donde el electrón se deposita en el carbono para su almacenamiento a largo plazo en forma de carbohidrato. PSII y PSI son dos componentes principales del electrón fotosintético cadena de transporte, que también incluye el complejo citocromo. El complejo citocromo, una enzima compuesta por dos complejos proteicos, transfiere los electrones de la molécula portadora plastoquinona (Pq) a la proteína plastocianina (Pc), lo que permite tanto la transferencia de protones a través de la membrana tilacoide como la transferencia de electrones de PSII a PSI.

El centro de reacción de PSII (llamado P680) entrega sus electrones de alta energía, uno a la vez, al aceptor de electrones primario, y a través de la cadena de transporte de electrones (Pq al complejo de citocromo a plastocianina) a PSI. El electrón faltante de P680 se reemplaza extrayendo un electrón de baja energía del agua, por lo tanto, el agua se divide y el PSII se vuelve a reducir después de cada fotoacto. Dividiendo una H2La molécula de O libera dos electrones, dos átomos de hidrógeno y un átomo de oxígeno. Se requiere dividir dos moléculas para formar una molécula de O diatómico2 gas. Aproximadamente el 10 por ciento del oxígeno es utilizado por las mitocondrias en la hoja para apoyar la fosforilación oxidativa. El resto escapa a la atmósfera donde es utilizado por organismos aeróbicos para apoyar la respiración.

A medida que los electrones se mueven a través de las proteínas que residen entre PSII y PSI, pierden energía. Esa energía se usa para mover átomos de hidrógeno desde el lado estromal de la membrana hasta la luz del tilacoide. Esos átomos de hidrógeno, más los que se producen al dividir el agua, se acumulan en la luz del tilacoide y se utilizarán para sintetizar ATP en un paso posterior. Debido a que los electrones han perdido energía antes de su llegada a PSI, deben ser reactivados por PSI, por lo tanto, la antena de PSI absorbe otro fotón. Esa energía se transmite al centro de reacción de PSI (llamado P700). P700 se oxida y envía un electrón de alta energía a NADP + para formar NADPH. Por lo tanto, PSII captura la energía para crear gradientes de protones para producir ATP, y PSI captura la energía para reducir NADP + en NADPH. Los dos fotosistemas funcionan en conjunto, en parte, para garantizar que la producción de NADPH sea aproximadamente igual a la producción de ATP. Existen otros mecanismos para ajustar esa proporción para que coincida exactamente con las necesidades energéticas en constante cambio del cloroplasto.

Generando un portador de energía: ATP

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Discuta las similitudes entre la producción de ATP en las reacciones dependientes de la luz y en la respiración celular.

Al igual que en el espacio intermembrana de las mitocondrias durante la respiración celular, la acumulación de iones de hidrógeno dentro de la luz del tilacoide crea un gradiente de concentración. La difusión pasiva de iones de hidrógeno de alta concentración (en la luz del tilacoide) a baja concentración (en el estroma) se aprovecha para crear ATP, al igual que en la cadena de transporte de electrones de la respiración celular. Los iones acumulan energía debido a la difusión y porque todos tienen la misma carga eléctrica, repeliéndose entre sí.

Para liberar esta energía, los iones de hidrógeno se precipitarán a través de cualquier abertura, similar al chorro de agua a través de un agujero en una presa. En el tilacoide, esa abertura es un paso a través de un canal de proteínas especializado llamado ATP sintasa. La energía liberada por la corriente de iones de hidrógeno permite que la ATP sintasa adhiera un tercer grupo fosfato al ADP, que forma una molécula de ATP (figura 8.16). El flujo de iones de hidrógeno a través de la ATP sintasa se llama quimiosmosis porque los iones se mueven de un área de alta a un área de baja concentración a través de una estructura semipermeable.

Enlace al aprendizaje

Visite este sitio y haga clic en la animación para ver el proceso de fotosíntesis dentro de una hoja.

  1. Los electrones de PS I causan la reducción de NADPH a text^+! .
  2. Los electrones del PSII provocan la reducción de text^ + a NADPH.
  3. Los electrones de PS I causan la reducción de text^ + ! a NADPH.
  4. Se obtienen electrones, lo que provoca la oxidación de text^+! .

Conexión diaria para cursos AP®

Si los estomas estuvieran sellados, ¿qué pasaría con el oxígeno ( text_2) y dióxido de carbono ( text_2) niveles en una hoja que realiza la fotosíntesis?

  1. exto_2 niveles aumentarían y text_2 niveles disminuirían.
  2. exto_2 niveles aumentarían y text_2 niveles disminuirían.
  3. exto_2 y text_2 niveles ambos disminuirían.
  4. exto_2 y text_2 niveles aumentarían ambos.

Conexión de práctica científica para cursos AP®

Tu profesor ha preparado 3 demostraciones. Cada configuración incluye una bolsa de diálisis transparente llena de soluciones de almidón en tres concentraciones diferentes: 1%, 25% y 60%. El tubo de diálisis es semipermeable, ya que contiene poros que permiten el paso de pequeños iones y moléculas, como el agua, pero no permiten el paso de moléculas más grandes, como las proteínas. De esta forma, la bolsa de diálisis modela una membrana celular semipermeable.

Piénsalo

En un día caluroso y seco, las plantas cierran sus estomas para conservar agua. Predice el impacto de esto en la fotosíntesis y justifica tu predicción.

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Materiales: 3 bolsas de diálisis, 3 vasos de precipitados de tamaño mediano, solución madre de almidón, agua destilada, frasco gotero de yodo, hilo, balanza o escala

Preparación: Para preparar las soluciones porcentuales de almidón, determine el volumen de la solución que desea usar (por ejemplo, 100 ml) y agregue la masa de soluto, en gramos, equivalente a la concentración porcentual deseada:

Porcentaje de solución = [Masa de soluto (g) / Volumen de solución (ml)] x 100

Etiquete cada bolsa de diálisis con una de las tres concentraciones. Luego, humedezca el tubo de diálisis para facilitar su apertura. Llene cada tubo con la solución correspondiente aproximadamente tres cuartas partes del llenado para dejar espacio para atar la parte superior de la bolsa. Ate la parte superior de las bolsas firmemente con hilo estándar. No coloque las bolsas en la solución de yodo todavía, ya que primero se pesarán frente a los estudiantes.

Con los estudiantes presentes, explíqueles los detalles de la configuración y muéstreles cómo se usa el yodo como indicador de la presencia de almidón. Luego, llene cada vaso de precipitados aproximadamente a las tres cuartas partes del camino con agua destilada. Agregue de 3 a 8 gotas de yodo, según la concentración de su yodo, y revuelva para que la solución sea de color amarillo. Luego, pese cada bolsa de diálisis y registre los pesos en una tabla visible para la clase. Sumerja las bolsas de diálisis en la solución de yodo durante 45 minutos a 1 hora. Luego, retire las bolsas y enjuáguelas con cuidado con un toque suave. Pesa cada bolsa y coloca los resultados en la pizarra.

Resultados: las moléculas de almidón no pueden pasar a través del tubo de diálisis. Sin embargo, la solución de yodo puede pasar del vaso de precipitados a la bolsa de diálisis. Esto convierte la solución de almidón de incolora a violeta. La cantidad de yodo que se difunde en la bolsa está relacionada con la concentración de cada solución. A medida que aumenta la concentración de almidón, se difundirá más solución de yodo en la bolsa, lo que hará que la bolsa aumente de peso.

La pregunta Piénsalo es una aplicación del Objetivo de aprendizaje 4.4 y la Práctica de ciencias 6.4 porque los estudiantes están haciendo una predicción sobre cómo las interacciones de los orgánulos y estructuras celulares afectan la tasa de fotosíntesis.

Posible respuesta:

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    • Autores: Julianne Zedalis, John Eggebrecht
    • Editor / sitio web: OpenStax
    • Título del libro: Biología para cursos AP®
    • Fecha de publicación: 8 de marzo de 2018
    • Ubicación: Houston, Texas
    • URL del libro: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/1-introduction
    • URL de la sección: https://openstax.org/books/biology-ap-courses/pages/8-2-the-light-dependent-reaction-of-photosynthesis

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    Algunos organismos pueden realizar la fotosíntesis, mientras que otros no. Un autótrofo es un organismo que puede producir su propio alimento. Las raíces griegas de la palabra autótrofo significa "yo" (auto) "Alimentador" (trofeo). Las plantas son los autótrofos más conocidos, pero existen otros, incluidos ciertos tipos de bacterias y algas (Figura 5.2). Las algas oceánicas aportan enormes cantidades de alimento y oxígeno a las cadenas alimentarias mundiales. Las plantas también son fotoautótrofas, un tipo de autótrofos que utiliza la luz solar y el carbono del dióxido de carbono para sintetizar energía química en forma de carbohidratos. Todos los organismos que realizan la fotosíntesis requieren luz solar.

    Figura 5.2 (a) Las plantas, (b) las algas y (c) ciertas bacterias, llamadas cianobacterias, son fotoautótrofas que pueden realizar la fotosíntesis. Las algas pueden crecer en áreas enormes en el agua, a veces cubriendo completamente la superficie. (crédito a: Steve Hillebrand, U.S. Fish and Wildlife Service crédito b: & # 8220eutrophication & amphypoxia & # 8221 / Flickr credit c: datos de barra de escala de la NASA de Matt Russell)

    Los heterótrofos son organismos incapaces de realizar la fotosíntesis que, por tanto, deben obtener energía y carbono de los alimentos consumiendo otros organismos. Las raíces griegas de la palabra heterótrofo significa "otro" (hetero) "Alimentador" (trofeo), lo que significa que su alimento proviene de otros organismos. Incluso si el organismo alimenticio es otro animal, este alimento tiene sus orígenes en los autótrofos y el proceso de fotosíntesis. Los seres humanos son heterótrofos, como todos los animales. Los heterótrofos dependen de los autótrofos, ya sea directa o indirectamente. Los ciervos y los lobos son heterótrofos. Un ciervo obtiene energía comiendo plantas. Un lobo que se come a un ciervo obtiene energía que originalmente proviene de las plantas que comió ese ciervo. La energía de la planta proviene de la fotosíntesis y, por lo tanto, es la única autótrofa en este ejemplo (Figura 5.3). Usando este razonamiento, todos los alimentos ingeridos por los humanos también se vinculan con los autótrofos que llevan a cabo la fotosíntesis.

    Figura 5.3 La energía almacenada en las moléculas de carbohidratos de la fotosíntesis pasa a través de la cadena alimentaria. El depredador que se come a estos ciervos está obteniendo energía que se originó en la vegetación fotosintética que consumieron los ciervos. (crédito: Steve VanRiper, Servicio de Pesca y Vida Silvestre de EE. UU.)


    Espectro de absorción de pigmentos

    Propina: "Otra actividad con Spec 20 y el laboratorio de fotosíntesis es cortar las bandas de los cromatogramas. Por ejemplo, tomar todas las bandas de caroteno, sumergirlas en una pequeña cantidad de solvente, luego poner el solvente en un tubo de ensayo y ejecutar un espectro de absorción en ese pigmento en particular. Haga lo mismo con todas las demás bandas de pigmento. Si cada estudiante de una clase de 20 hace un cromatograma, hay mucho pigmento para extraer ".
    Bobbie Hinson, Escuela Diurna de Providence, Charlotte, Carolina del Norte. 9/3/00


    Ver el vídeo: Experimento. La Fotosíntesis. Así se alimentan las plantas (Agosto 2022).