Fotosíntesis y respiración celular

Existe una estrecha relación entre la fotosíntesis y la respiración celular ya que, los productos de un sistema son los reactivos del otro. Ambos consumen y crean las mismas sustancias como agua, glucosa, oxígeno y dióxido de carbono, pero de diferentes maneras. Juntos, permiten que la vida en la Tierra reúna energía para su uso en otras reacciones.

 

Fotosíntesis Respiración celular
Utiliza Luz solar, agua y dióxido de carbono. Glucosa y oxígeno.
Producto Glucosa y oxígeno. Dióxido de carbono y agua.
Ocurre en: Plantas y otros organismos fotosintéticos. Todos los seres vivos.
Propósito Capturar, convertir y almacenar la energía. Liberar energía.
Función en común Sintetizar y usar ATP Sintetizar y usar ATP
Proceso metabólico Anabólico Catabólico
Ubicación Cloroplasto Citoplasma y mitocondrias
Fuente de energía Luz solar Glucosa
Portadores de electrones NADPH NADH y FADH2
Etapas Reacciones de luz y ciclo de Calvin. Glucólisis, oxidación del piruvato, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones.

 

Los ciclos de la naturaleza

Los ciclos en los ecosistemas son de vital importancia para el funcionamiento óptimo de estos, y es que cada ser vivo depende de los nutrientes que estos le aportan para realizar sus funciones vitales; por lo que una variación en ellos generaría cambios drásticos a corto y largo plazo.

Un ciclo es definido por la Real Academia Española como una “serie de fases por las que pasa un fenómeno periódico”; por lo que al aplicarlo a los ciclos de la naturaleza podemos decir que son eventos o procesos naturales que ocurren continuamente.

Los seres vivos, tanto plantas como animales, están formados por elementos químicos (oxígeno, fósforo, carbono, entre otros) que funcionan como nutrientes esenciales para su funcionamiento normal y además el del ambiente circundante.

Dichos nutrientes se encuentran en las capas de la Tierra (atmósfera, hidrósfera y geósfera) durante un período de tiempo, pero pronto siguen una trayectoria hasta la superficie terrestre (suelo, agua) y a los individuos que en ella se encuentran, para posteriormente regresar a las capas de la Tierra y continuar el ciclo, formando lo que se conoce como ciclos biogeoquímicos.

Los nutrientes van circulando entre la superficie terrestre y las capas de la Tierra a través de diferentes procesos (lluvias, evaporación, condensación, transpiración, etc.).
Ciclos biogeoquímicos
bio”: organismos vivos.
geo”: capas de la Tierra (rocas, aire, agua).
químicos”: elementos químicos.

Si decimos que los nutrientes siguen un ciclo constante en la Tierra, podemos calificarla entonces como un sistema cerrado, en el que los nutrientes están siendo aprovechados primero por los organismos y luego por los ecosistemas o viceversa.

Los ciclos biogeoquímicos de los nutrientes que circulan constantemente en la naturaleza son:

Ciclo del Carbono (C): El carbono es, si se quiere, el elemento principal del esqueleto de las biomoléculas (carbohidratos, lípidos, proteínas y ácidos nucleicos) que constituyen a los seres vivos; lo encontramos en el aire, en el suelo o disuelto en el agua.

Atmósfera: capa de gas que rodea la Tierra.

Hidrósfera: capas de agua que se encuentran debajo o cubriendo la superficie de la Tierra.

Geósfera: capa de rocas (sólidas o fluidas) que se encuentra en la Tierra.

La forma en la que principalmente se presenta el carbono es como dióxido de carbono (CO2).

El dióxido de carbono (CO2) que se encuentra en la atmósfera es utilizado por las plantas para realizar la fotosíntesis. De igual forma, durante la respiración éstas tomarán oxígeno para convertirlo en moléculas de CO2 que serán devueltas a la atmósfera.

La superficie terrestre, específicamente el suelo, presenta grandes cantidades de carbono producto de la descomposición de los desechos orgánicos de plantas y animales (excremento, hojas secas, etc.); de este proceso de descomposición realizado principalmente por bacterias, se produce CO2.

En el subsuelo, por su parte, existen los llamados combustibles fósiles, que no son más que yacimientos de carbón, gas natural y petróleo. Al extraerlos del suelo y realizar la combustión desprenden CO2 como un subproducto.

Las rocas, la acción de las industrias, los vehículos, las erupciones volcánicas y los incendios son fuentes de carbono, que es liberado a la atmósfera para que continúe el ciclo.

Ciclo del carbono.
En la naturaleza se presentan varios ciclos geoquímicos.

Ciclo del Oxígeno (O2): Este ciclo va de la mano del ciclo del carbono, ya que, producto de la fotosíntesis, a pesar de que se invierte CO2, se produce oxígeno que es liberado a la atmósfera. Caso contrario al proceso de respiración, donde se consume oxígeno por los animales y plantas.

¿Sabías qué...?
El dióxido de carbono representa el 0,03% de los compuestos gaseosos que están presentes en la atmósfera.

El oxígeno es indispensable para los seres vivos, debido a ello lo podemos encontrar como parte de las siguientes moléculas:

Ciclo del oxígeno.

Ciclo del agua o ciclo hidrológico: El 71 % de la superficie terrestre y el 65-75 % del peso corporal del hombre está formado por agua, por lo que la circulación de esta molécula es de gran importancia en los ecosistemas.

En la Tierra la podemos encontrar en forma líquida, sólida (glaciares, iceberg) o en forma de vapor, dependiendo de la fase del ciclo en la que se encuentre.

El ciclo del agua está condicionado principalmente por la energía emitida por el Sol y por la fuerza de gravedad.

En la atmósfera el agua se encuentra en forma de vapor (gas) proveniente de la transpiración de las plantas, animales y de la evaporación de esta en los océanos. Cuando desciende la temperatura, este vapor de agua se condensa y se forman las nubes, las cuales llegado el momento precipitan a la superficie terrestre (ríos, lagos, mares, suelo) en forma de granizo, nieve o lluvia.

En este punto el agua presente en la superficie se infiltra en el subsuelo, originando depósitos de aguas subterráneas, también puede evaporarse por el calor generado por acción del sol a medida que sigue su trayectoria hacia los océanos.

Ciclo del Nitrógeno (N): El nitrógeno es uno de los componentes principales de los aminoácidos, constituyentes de las proteínas de todos los seres vivientes; aunque este elemento se encuentra en gran abundancia en la atmósfera no es tan sencillo de aprovechar por los organismos vivos, debido a su carácter inerte (no es químicamente reactivo puesto que posee sus capas de valencia saturadas).

Ciclo del nitrógeno.

Sin embargo, para poder emplearlo, la naturaleza ha evolucionado de tal forma que el nitrógeno atmosférico debe fijarse en el suelo con otros elementos, ya sea por acción de un grupo de bacterias especializadas (de vida libre o asociadas a raíces de las plantas) o en menor medida por acción de los relámpagos.

Para esto las bacterias presentes en el suelo convierten parte del nitrógeno que se encuentra en los desechos de los animales y plantas (excremento, hojas secas, etc.) en proteínas, y los restos de nitrógeno lo liberan al suelo en forma de amoniaco (NH3) o amonio (NH4+), proceso conocido como amonificación; o como nitrato (NO3) , generando la nitrificación.

En dicho caso, el nitrato es absorbido por las plantas para formar las proteínas que servirán de alimento a los animales. Posteriormente este nitrógeno regresa al suelo a través de los desechos de los animales o al morir estos, y vuelven a la atmósfera producto de la desnitrificación, proceso en el que las bacterias transforman el nitrato en nitrógeno gaseoso.

Bacterias como Enterobacter, Rhizobium y Klebsiella transforman el nitrógeno para que este pueda ser aprovechado por plantas y animales.

Ciclo del Fósforo (P): El fósforo a diferencia de los elementos químicos anteriores, no se encuentra en la atmósfera sino más bien en el suelo, específicamente en las rocas o sedimentos en forma de fosfato inorgánico (Pi). Allí, como producto de la erosión por el agua, es liberado y tomado por los productores primarios (plantas, bacterias) para formar biomoléculas, las cuales servirán de alimento para organismos superiores, que podrán incorporar de esta forma el fósforo a su sistema, el cual posteriormente regresará al suelo cuando estos organismos mueran.

La degradación y transporte del suelo (erosión) proporciona el medio ideal para la movilización del fosfato inorgánico (Pi) a los diferentes ecosistemas.
Sedimento: partículas de rocas o suelo que son arrastrados por el agua y que tienden a depositarse en ríos, lagos, mares, océanos.

En la naturaleza, los nutrientes nunca se encuentran distribuidos de forma homogénea ni se encuentran presentes en la misma forma química en todo el ecosistema; he aquí donde radica la importancia de los ciclos para el ecosistema y para los seres vivos que lo componen.

Actualmente los avances en las actividades humanas han generado desequilibrios en la proporción de estos elementos y sus diferentes formas químicas presentes en los ecosistemas, trayendo como consecuencia el calentamiento global, que no es más que el aumento de la temperatura de la Tierra.

¿Sabías qué...?
La mayor cantidad de agua en la Tierra se encuentra en los mares y océanos (95 %).

Las actividades humanas que contribuyen con el desequilibrio en la dinámica de los ciclos biogeoquímicos son: la deforestación, algunas actividades agrícolas (principalmente por el uso de fertilizantes), emanación de gases por las industrias y los automóviles, vertidos de aguas contaminadas (sin tratamiento) a los ecosistemas acuáticos, entre otras.

Una de las mayores consecuencias del aumento de la temperatura es el derretimiento acelerado de los glaciares y icebergs, lo que genera un aumento del nivel del mar.
Los productos químicos (fertilizantes) utilizados en la agricultura aceleran y alteran el flujo del carbono y el nitrógeno a la atmósfera.

Estas actividades no sólo causan variaciones en los ciclos, sino también en los organismos (plantas, animales, bacterias) que necesitan de estos para realizar sus funciones vitales.

Los animales dependen de los ciclos biogeoquímicos para realizar sus funciones vitales.

Cianobacterias: bacterias fotosintéticas

Las cianobacterias, aunque sean organismos capaces de realizar la fotosíntesis, no pertenecen al reino Plantae, pertenecen al reino Monera o reino de las bacterias, ya que poseen características que las acercan más a este grupo.

¿Qué son las cianobacterias?

Las cianobacterias, también conocidas como algas verde azules, son uno de los grupos de bacterias más grandes e importantes de nuestro planeta. Son capaces de realizar la fotosíntesis, se encuentran en lagos de agua dulce, arroyos, océanos, suelo húmedo y rocas humedecidas y tienen diversas características:

  • Son de tamaño microscópico.
  • Son unicelulares, aunque a menudo crecen en colonias lo suficientemente grandes como para verlas a simple vista.
  • Las cianobacterias son parientes de las bacterias, por lo tanto no son eucariotas ni son algas verdaderas, aunque su nombre común sea algas verdeazules.
  • Son autótrofas, es decir, tienen la capacidad de fabricar su propio alimento mediante la fotosíntesis.
  • Viven principalmente en medios acuáticos.
Cianobacterias unicelulares.
¿Sabías qué...?
Las cianobacterias tienen la distinción de ser los fósiles más antiguos conocidos, de hecho tienen más de 3.5 mil millones de años de edad.

Las cianobacterias han sido tremendamente importantes en la configuración del curso de la evolución y el cambio ecológico en la historia de la Tierra. La atmósfera de oxígeno de la que dependemos fue generada por numerosas cianobacterias durante las eras arcaicas y proterozoicas. Antes de ese momento, la atmósfera tenía una química muy diferente, inadecuada para la vida como la conocemos hoy en día.

Muchos depósitos de petróleo se atribuyen a la actividad de las cianobacterias, también son proveedores importantes de fertilizantes de nitrógeno en el cultivo de arroz y frijoles.

Las cianobacterias y el origen de las plantas

Otra de las grandes contribuciones de las cianobacterias en el planeta, es que dieron paso al origen de las plantas. El cloroplasto con el que las plantas producen alimentos para sí mismas es en realidad una cianobacteria que vive dentro de las células de la planta.

En algún momento a finales del Proterozoico, o del Cámbrico temprano, las cianobacterias comenzaron a establecerse dentro de ciertas células eucariotas, ellas le daban alimento al huésped eucarionte a cambio de un hogar, este evento se conoce como endosimbiosis

¿Cómo es la morfología de las cianobacterias?

De acuerdo a la especie, las cianobacterias pueden tener diversas morfologías celulares. Pueden variar en tamaño, de 0,1 micrómetros a 40 micrómetros, con respecto a su forma, son ampliamente diversas, algunas especies viven como células individuales, mientras que otras forman colonias de muchas células.

En su mayoría son filamentosas, es decir, están formadas por cadenas largas y rectas de células o muchas cadenas de ramificación. Algunas especies filamentosas tienen además células especiales llamadas heterocistos, las cuales capturan el nitrógeno de la atmósfera y lo transforman en formas químicas que pueden ser utilizadas por las cianobacterias.

Las cianobacterias tiene la capacidad de fijar nitrógeno atmosférico.

¿Dónde habitan las cianobacterias?

Se pueden encontrar en casi todos los ambientes, por lo general pueden sobrevivir en cualquier lugar donde haya suficiente luz para realizar la fotosíntesis. También se pueden encontrar en lugares húmedos donde haya líquenes, helechos y hepáticas, ya que algunas viven en simbiosis con ellos.

Con moderación, las cianobacterias proporcionan equilibrio para un ecosistema de agua saludable.

Las cianobacterias pueden sobrevivir en el suelo o en la superficie de las rocas y tienen la capacidad de permanecer latentes en sequía y despertarse en periodos de lluvia para poder dividirse y crecer. Otras especies pueden vivir en ambientes marinos cálidos y poco profundos o flotar libremente en cuerpos de agua dulce ricos en nutrientes.

Cianobacterias en superficie húmeda.

Florecimiento de las cianobacterias y sus consecuencias

Aunque las cianobacterias son necesarias en muchos cuerpos de agua debido a que proporcionan oxígeno y son una fuente de alimento para otras especies marinas. A causa de razones tales como el cambio climático y lo contaminación, pueden proliferar en exceso.

Cuerpo de agua cubierto de una capa de cianobacterias.

Cuando hay suficiente sol, el agua está caliente, estancada o se mueve lentamente y hay suficientes nutrientes como fósforo y nitrógeno, se crea un ambiente idóneo para su florecimiento o rápida división celular, lo que puede ser perjudicial para otros organismos ya que, como forman una capa en la superficie del agua, conducen a un agotamiento de oxígeno, poca entrada de luz y presencia de toxinas dañinas, así como problemas de mal olor y sabor del agua.

Toxicidad de las cianobacterias

Existen muchos géneros que liberan toxinas dañinas para los organismos, los géneros más comunes son Microcystis, Anabaena y Aphanizomenon. Dichas toxinas pueden atacar las células, el hígado o el sistema nervioso de los seres vivos.

Géneros comunes de cianobacterias

  • Spirulina: es un tipo de cianobacteria, perteneciente al orden Chroococcales, era conocida como el género en base al cual se hacia el suplemento alimenticio spirulina, sin embargo, en la actualidad, la cianobacteria con la que se hace este tratamiento es Arthrospira.
  • Athospira: es una cianobacteria perteneciente al orden Oscillatoriales, su importancia económica es que es un alimento muy saludable y se utiliza como suplemeto.
Suplemento alimenticio a base de Athospira.
  • Anabaena: es una cianobacteria filamentosa perteneciente al orden Nostocales, algunos de ellos presentan heterocistos, con los que tienen la capacidad de fijar nitrógeno.
  • Nostoc: es un género de cianobacterias pertenecientes al género Nostocales, pueden ser micro o macroscópicas y son de forman esférica, también presentan heterocistos.

Niveles tróficos y cadenas alimenticias

Decir nivel trófico equivale a decir nivel alimentario, ya que trofo, en griego, significa alimento, y lo mismo ocurre cuando se habla de cadenas y pirámides tróficas o alimentarias. Si en un ecosistema se hace un seguimiento del camino por donde fluye la energía química almacenada durante la fotosíntesis por los organismos productores hasta que se disipa por completo, se observa que esta energía viaja por una serie de compartimentos. Por ejemplo, una hierba puede ser consumida por un saltamontes, éste puede ser devorado por un pájaro y el pájaro a su vez puede ser víctima de la voracidad de un ave rapaz.

Según la eficiencia de la digestión, una parte más o menos importante de la energía del alimento retorna al ambiente como energía no digerida que queda a disposición de otros organismos descomponedores y desintegradores, los cuales también aprovecharán la energía que todavía contienen los cuerpos muertos hasta reducirlos a pura materia orgánica.

Cada uno de los compartimentos o eslabones por los que fluyen la energía y los materiales nutritivos recibe el nombre de nivel trófico, y a la vía lineal por la que viajan pasando de un nivel trófico al siguiente se denomina cadena trófica o alimentaria. Todo organismo utiliza parte de la energía del alimento en procesos respiratorios, liberando de nuevo gas carbónico y agua al ambiente. La energía restante puede ser almacenada para utilizarla como fuente de energía para el propio organismo, para sus descendientes o para los predadores que se alimentan de él.

Se le llama nivel trófico a cada uno de los compartimiento o escalones por los que fluye la energía y los materiales nutritivos.

Las cadenas alimentarias en ocasiones suelen ser más cortas o con menos niveles tróficos que las acuáticas, esto se debe a que en la superficie terrestre existe una mayor cantidad y variedad de plantas que en el océano.  Pero el alimento básico del océano es el plancton, compuesto principalmente de algas microscópicas, protozoos y larvas y crustáceos microscópicos que flotan libremente en el agua.

El plancton, que varía en cantidad y composición de especies según las estaciones, es el alimento de innumerables y pequeños invertebrados (sobre todo crustáceos) y de las larvas de los moluscos, gusanos y erizos. La fracción fotosintética del plancton, las algas microscópicas y ciertas bacterias, constituyen el primer nivel trófico de todas las demás cadenas alimentarias oceánicas; los otros componentes del plancton formarían el segundo nivel y así hasta los peces (o el hombre), pasando por numerosos invertebrados acuáticos. Tanto los carroñeros (cangrejos, erizos de mar) como las bacterias desintegradoras hay que buscarlos en el fondo, adonde van a parar todos los detritos y cadáveres.

Redes tróficas

El nivel trófico de un organismo es su posición respecto a la entrada inicial de energía a través de los productores. Naturalmente, la mayoría de las plantas se encuentran en el primer nivel trófico; pero, fuera de este nivel, no es posible situar con rigidez a un gran número de especies. Por ejemplo, el oso pardo come vegetales, animales herbívoros e incluso carnívoros, y entre estos carnívoros se incluyen insectívoros y piscívoros, además de los carnívoros propiamente dichos.

En la práctica son muy pocos los ecosistemas naturales que se organizan en simples cadenas alimentarias, ya que la mayor parte de los animales se alimentan en diferentes niveles tróficos y de especies diferentes dentro de cada nivel trófico. Al mismo tiempo, hay especies que se desplazan de un nivel a otro estacionalmente, o en distintas fases de su ciclo vital, o de modo oportunista cuando el alimento está disponible. Así pues, las cadenas tróficas existentes en un ecosistema suelen encontrarse entrelazadas formando lo que se ha llamado red trófica o alimentaria.

Todas las cadenas alimentarias existentes en un ecosistema forman una red trófica.

Relaciones energéticas

En sus relaciones energéticas, todas las cadenas y redes tróficas están sujetas a uno de los principios básicos que rigen los flujos de energía, según el cual en cada paso de transferencia de energía parte de ésta se degrada de una forma química muy organizada a una forma altamente dispersa como es el calor, que ya no puede reciclarse ni transformarse en otro tipo de energía, sino que se irradia hacia el espacio y lo pierde el ecosistema. Por lo tanto, en cada nivel trófico tiene lugar una conversión en calor, lo que significa que menos energía se convierte en biomasa (masa biológica) en el nivel trófico siguiente. En la obtención de alimento de un animal herbívoro, una porción de su energía se gasta en encontrar más energía, siendo el gasto más significativo si el herbívoro es de sangre caliente y tiene que consumir energía para mantener una temperatura corporal constante. Un carnívoro puede verse obligado a consumir una gran cantidad de energía para capturar su presa, por lo que muchos carnívoros, como los leones o las serpientes, están adaptados a comer a intervalos relativamente espaciados.

Como resultado de todo esto, la disponibilidad neta de energía en un ecosistema se hace cada vez menor a medida que nos alejamos del nivel trófico de los productores, ya que la mayor parte de la energía asimilada por los organismos no se almacena en biomasa y, por consiguiente, está sólo parcialmente disponible para el nivel trófico siguiente. Debido a esta drástica reducción de la energía disponible en cada nivel trófico de los consumidores, un predador de otro predador se verá obligado a aumentar enormemente el área de caza para obtener la energía necesaria y mantener una población estable. De aquí que, en casi todos los ecosistemas naturales, la densidad de los grandes predadores sea muy baja.

Por último, para los ecólogos son muy interesantes las interrelaciones entre los diferentes tipos de consumidores y descomponedores, por su dependencia común de la única fuente de energía, los productores. Cada organismo consumidor influye en la energía disponible en niveles tróficos superiores y en los descomponedores, tanto por sus propias necesidades energéticas, como por su eficiencia en la utilización de energía. De modo que resulta muy arriesgado predecir el efecto que tendría sobre todo el ecosistema un cambio en la densidad de población en algunas especies. Y en este sentido el hombre ha obrado de forma irresponsable en muchas ocasiones, por ejemplo eliminando el predador de una especie cinegética o introduciendo un parásito de alguna plaga agrícola que forma parte de ecosistemas próximos.

Los descomponedores son aquellos organismos que obtienen su energía de seres vivos muertos. Son fundamentales en una cadenas o red alimenticia.

Pérdida de energía

Además de la pérdida de energía en forma de calor a través de los procesos respiratorios que tienen lugar de modo general en los seres vivos, en todo ecosistema existen una serie de vías por las cuales la energía va desperdiciándose desde un nivel trófico a otro. Ya la energía ingerida representa un porcentaje pequeño de la disponible, por ejemplo, no todas las partes de ciertos vegetales o animales son ingeridas por el consumidor (cuernas, pieles, aguijones, esqueletos); así como una parte de la energía ingerida no es asimilada (como la celulosa de los vegetales, que no es digerible para numerosos herbívoros y omnívoros) y vuelve al ambiente.

La energía asimilada se emplea para tratar o procesar la nueva energía ingerida, para mantener la respiración del organismo, para reparar tejidos, para formar nuevos tejidos y para producir descendencia. Por último, si se trata de analizar un determinado ecosistema, no se puede olvidar la posibilidad de que parte de la energía producida sea exportada a los límites exteriores, como ocurre en muchas lagunas litorales sometidas a la acción de las mareas.