Fotosíntesis: Laboratorio de biología

La reacción de la fotosíntesis

Muchos de nosotros apreciamos el calor del sol cuando estamos en la playa o esperando ansiosos la llegada de la primavera. Pero el sol hace más que mantenernos calientes, también proporciona la mayor parte de la energía que nosotros y otros animales usamos como combustible. ¿Cómo? Cuando comemos una ensalada o una manzana crujiente, estamos comiendo azúcares producidos por una planta a través de la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso por el cual algunos organismos capturan la energía luminosa del sol y la transforman en energía química. Pero, ¿cómo podemos saber si la fotosíntesis está ocurriendo en una planta?

Comencemos revisando la reacción bioquímica general. El proceso de fotosíntesis se puede resumir en la ecuación general:

2 H2O + CO2 + energía lumínica -> carbohidrato (CH2O) + O2 + H2O

Los reactivos físicos en esta ecuación son agua y dióxido de carbono; los productos son carbohidratos (azúcar), oxígeno y agua.

Diseño experimental

La velocidad de reacción , o la rapidez con la que se produce una reacción química, se puede medir en un laboratorio observando la rapidez con la que desaparecen los reactivos o la rapidez con la que se forman los productos durante un período de tiempo. Entonces, en este caso, podemos decidir medir qué tan rápido desaparecen el agua o el dióxido de carbono, o qué tan rápido se forman los carbohidratos, el oxígeno o el agua. Por simplicidad, eliminemos el agua, ya que se usa y se forma. Y para mayor facilidad, contemos la desaparición del dióxido de carbono, ya que para hacerlo correctamente, tendríamos que comenzar con un sistema cerrado y medir un gas incoloro e inodoro. Eso nos deja con la formación de carbohidratos u oxígeno. Para ayudarnos a decidir cuál de ellos medir, echemos un vistazo rápido a la anatomía de las hojas.

Las hojas de la mayoría de las plantas tienen una capa llamada mesófilo esponjoso. Los espacios de esta capa están llenos de O2 y CO2; estos gases hacen que las hojas floten si las dejamos caer en el agua. Si comenzamos creando discos de hojas de tamaño uniforme usando una perforadora, luego eliminamos los gases en los discos de hojas usando un vacío, los discos se hundirán en un vaso de precipitados con solución acuosa. Luego, podemos determinar una estimación aproximada de la rapidez con que se forma el oxígeno a través de la fotosíntesis midiendo qué tan rápido flotan los discos de las hojas hacia la superficie del líquido.

De hecho, obtenemos una estimación de la tasa de formación neta de oxígeno, ya que las células vegetales también están experimentando una respiración celular activa, utilizando oxígeno para crear energía. Todo lo que necesitamos hacer es agregar luz, agua y, dado que eliminamos el CO2 existente, una fuente de dióxido de carbono. Podemos agregar estos dos últimos sumergiendo los discos de hojas en una solución de agua y bicarbonato de sodio.

Comencemos mostrando que el agua, el dióxido de carbono y la luz son necesarios para la fotosíntesis creando una configuración experimental básica de tres vasos de precipitados: uno con discos de hojas en luz y agua; uno con discos de hojas en luz, agua y dióxido de carbono; y uno con discos de hojas en agua y dióxido de carbono pero sin luz. Observe los resultados: solo flotarán los discos de hojas que tengan todos los reactivos.

Resultados y análisis

Repitamos el procedimiento que acabamos de describir y, esta vez, recopilemos algunos datos. Para simplificar, solo crearemos dos condiciones. La condición A, discos de hojas en agua destilada y luz, será nuestra condición de control, y la condición B, discos de hojas en solución de bicarbonato y luz, será nuestra condición experimental. Supongamos que ponemos diez discos de hojas en cada vaso y mantenemos constantes todas las demás variables. Sabiendo que la condición experimental difiere de la condición de control porque contiene todos los reactivos necesarios para la fotosíntesis, ¿qué predicción haría sobre lo que sucederá con los discos de las hojas en el vaso de precipitados B? Veamos.

Si configuramos un temporizador, podríamos anotar los siguientes datos para el vaso B:

Sabiendo que la mediana de discos es 5 (50% del total), podemos usar este valor como punto de referencia para demostrar que nuestro experimento está funcionando. Aunque solo usamos diez discos, es bastante seguro asumir que algo está sucediendo si la mitad de ellos están flotando, y los resultados no se deben solo al azar. A este valor lo llamamos ET50 , el tiempo de exposición necesario para que el 50% de la muestra muestre un efecto. Puede ver que la ET50 en este gráfico ocurre a los 9 minutos, el momento en que el 50% de los discos han flotado hasta la parte superior del líquido.

ET50 es un valor útil, pero tiene un problema: disminuye a medida que aumenta la tasa de fotosíntesis. Es decir, si graficaras ET50 frente a, digamos, intensidad de luz, y encontraras que una mayor intensidad de luz significaba una tasa más rápida de fotosíntesis, obtendrías un gráfico como este:

Antes de terminar, consideremos un experimento adicional. ¿Qué pasaría con la cantidad de discos que flotan en la parte superior de nuestra configuración experimental original en el vaso de precipitados B si quitamos la luz?

Si supusiera que los discos se hundirían, sería correcto. Ya no se produce oxígeno durante la fotosíntesis, pero las células todavía están pasando por la respiración celular, y el oxígeno se utiliza durante la respiración para producir energía en forma de ATP.

Resumen de la lección

Recapitulemos lo que cubrimos sobre la experimentación con la fotosíntesis. La fotosíntesis es el proceso por el cual algunos organismos capturan la energía luminosa del sol y la transforman en energía química. La fotosíntesis se puede resumir en la ecuación general:

2 H2O + CO2 + energía lumínica -> carbohidrato (CH2O) + O2 + H2O

La velocidad de reacción , o la rapidez con la que se produce una reacción química, se puede medir en un laboratorio observando la rapidez con la que desaparecen los reactivos o la rapidez con la que se forman los productos durante un período de tiempo. En este laboratorio, notamos la producción neta de oxígeno realizada durante la fotosíntesis; es decir, notamos cuánto oxígeno quedaba después de que las células vegetales usaran algo de oxígeno para la respiración celular.

Logramos esto eliminando todos los gases de los discos cortados de las hojas a través de un vacío y asumiendo que el oxígeno producido hará que los discos de las hojas floten hacia la superficie del vaso lleno de líquido. Al anotar la cantidad de tiempo que tomó, determinamos el ET50 , el tiempo de exposición necesario para que el 50% de la muestra muestre un efecto. En nuestro ejemplo, el ET50 fue el momento en el que la mitad de los discos de hojas alcanzaron la superficie del vaso de precipitados. Sin embargo, debido a que ET50 está inversamente relacionada con la tasa de fotosíntesis, en realidad interpretamos que un aumento en 1 / ET50 significa un aumento en la tasa de fotosíntesis.

Los resultados del aprendizaje

Una vez que haya terminado con esta lección, debería poder:

• Recuerda el proceso de fotosíntesis y su ecuación.
• Describe un experimento para probar la velocidad de reacción de la fotosíntesis.
• Explique cómo identificar el ET50

Rodrigo Ricardo Editor y fundador