Profesora: Pamela Irarrázabal

FLUJO DE ENERGÍA Y MATERIA EN CADENAS Y TRAMAS TRÓFICAS

1 medio

Un Ecosistema es una unidad formada por componentes bióticos (seres vivos) y abióticos (luz, calor, suelo, humedad) interrelacionados, a través de los cuales fluye la energía y circula la materia.

Un Ecosistema es una unidad formada por componentes bióticos (seres vivos) y abióticos (luz, calor, suelo, humedad) interrelacionados, a través de los cuales fluye la energía y circula la materia. El flujo de energía en un sistema ecológico que fluye en una dirección, desde los productores hacia los consumidores, y entra por medio del proceso de la fotosíntesis, en la cual la energía proveniente del sol es transformada en energía química.

La clorofila, un pigmento presente en las plantas y algunas algas, atrapa la energía solar para producir glucosa como alimento (compuesto orgánico) y oxígeno que es liberado a la atmósfera. La forma de circular la materia es a través del reciclado de materiales, que se movilizan desde el medio abiótico, pasan a través de los organismos vivos y regresan al medio abiótico. Los descomponedores degradan la materia orgánica y la transforman en compuestos inorgánicos, devolviéndolos al suelo.

Los componentes bióticos del Ecosistema se relacionan a través de la alimentación entre organismos de diferentes especies y su representación es por medio de las Cadenas Alimentarias o Tróficas.

Eslabones o Niveles TróficosEn una cadena trófica un organismo es comido por otro, éste por un tercero y así sucesivamente en una serie de niveles alimentarios o niveles tróficos. En la mayoría de los ecosistemas, las cadenas alimentarias están entrelazadas en tramas complejas con muchas interconexiones por tener eslabones comunes. Una trama puede involucrar a más de cien especies distintas, en donde los depredadores pueden alimentarse de varios tipos de presas y cada presa es el alimento de varios depredadores diferentes.

Primer Nivel Trófico: ocupado por los llamados Productores o Autótrofos, organismos con la capacidad de sintetizar su propio alimento a partir de compuestos inorgánicos, los cuales son transformados en compuestos orgánicos a través de los procesos de fotosíntesis o quimiosíntesis. En un ecosistema terrestre, los productores pueden ser plantas; en un ecosistema acuático, suelen ser algas. Otros tipos de organismos son cianobacterias, bacterias quimioautotróficas y fitoplancton marino.

Segundo Nivel Trófico: ocupado por los Consumidores, organismos heterótrofos que se alimentan de otros  o plantas. Existen tres tipos de éstos:• Consumidor Primario o Herbívoros: Son animales que se alimentan de plantas o algas y es por donde ingresa la energía química producida en la fotosíntesis. La mayor parte de de esta energía del alimento digerido por los herbívoros participa en el mantenimiento de los procesos metabólicos del animal e impulsa sus actividades cotidianas, siendo esta energía consumida en un porcentaje importante y otra liberada en forma de calor.

1

• Consumidor Secundario o Carnívoros: Constituidos por animales que consumen a otros animales herbívoros, sólo un porcentaje pequeño de energía y materia es traspasada e incorporada en este eslabón, por parte de los consumidores primarios.

• Consumidor Terciario: Son animales carnívoros que se alimentan de consumidores secundarios.

Algunas cadenas tróficas presentan terceros y cuartos niveles de consumidores, pero el límite en los ecosistemas son cinco eslabones.

Existe un tipo particular de consumidor denominados carroñeros y detritívoros. El primero, consume desechos o cadáveres de una comunidad, como hojas, ramas y troncos de árboles muertos, raíces, heces fecales, esqueletos y exoesqueletos de insectos. Los detritívoros se alimentan de presas muertas en vez de vivas.

Descomponedores: Los componen bacterias y hongos que actúan sobre los desechos, transformando la materia orgánica en inorgánica para cerrar el ciclo de materia dentro de un ecosistema.

Las Cadenas Tróficas se representan a través de imágenes o con palabras claves y en donde se observan la dirección del flujo de energía de unos organismos a otros a través de flechas, por tanto ellas indican que la dirección va siempre hacia el que consume.

En el siguiente ejemplo o diagrama de una cadena trófica presente en la quebrada de Paposo (Región de Antofagasta), se observa que:

• La dirección de las flechas indica que la energía y materia contenidas en el productor (planta) fluye hacia los animales de distintos niveles tróficos (Insecto, como consumidor primario; Anfibio, como consumidor secundario; Águila, como consumidor terciario)• El Águila constituye el último consumidor en la cadena y se denomina, por tanto, consumidor tope.• La cantidad de energía transferida a lo largo de la cadena es cada vez menor, ya que sólo se transfiere el 10% de la energía química.

En la quebrada de Paposo (Antofagasta) existe una compleja red o tramas de interacciones de diferentes organismos, ilustradas en el siguiente esquema:

2

CÓMO SE PUEDE DETERMINAR LA PRODUCTIVIDAD DE UN ECOSISTEMA

La productividad corresponde a la descripción de los procesos de entrada de energía y almacenamiento en los ecosistemas.

Los ecosistemas se mantienen en funcionamiento gracias al flujo de energía que va pasando de un nivel al siguiente, a través de la cadena alimentaria solo en una dirección.

Los productores primarios son los organismos que hacen entrar la energía en los ecosistemas, a través del proceso de fotosíntesis. Los principales productores primarios son las plantas verdes terrestres y acuáticas, incluidas las algas, y algunas bacterias.

Por otro lado, es posible hablar de la producción de un ecosistema cuando se hace alusión a la cantidad de energía que ese ecosistema es capaz de aprovechar. Por ejemplo, una pradera húmeda y templada, es capaz de convertir más energía luminosa en biomasa que un desierto y, por lo tanto, su producción es mayor.

Es posible distinguir entre la producción primaria bruta y la producción primaria neta.

a) La producción primaria bruta de un ecosistema corresponde a la energía total fijada por la fotosíntesis realizada por las plantas.

b) La producción primaria neta de un ecosistema es la energía fijada por fotosíntesis menos la energía empleada en la respiración, es decir, la producción primaria bruta menos la respiración.

Cuando la producción primaria neta es positiva, la biomasa de las plantas del ecosistema va aumentando.

Por ejemplo, cuando el bosque envejece, las plantas que lo forman siguen realizando la fotosíntesis, pero toda la energía que recoge la emplea en la respiración, por lo que la producción primaria neta se hace cero y la masa de la vegetación del bosque ya no aumenta.

FOTOSINTESIS3

La Fotosíntesis es un proceso mediante el cual las plantas producen sustancias orgánicas  a partir de dióxido de carbono y agua en presencia de clorofila (captadora de la energía solar). El proceso de fotosíntesis como tal, lo descubrieron los científicos hace más de 200 años. Joseph Priestly (químico, físico y teólogo británico) publicó en 1772 un trabajo donde hace referencia al papel depurador de la vegetación en la naturaleza: “Por estos descubrimientos estamos seguros de que los vegetales no crecen en vano sino que limpian y purifican nuestra atmósfera”.

La fotosíntesis se realiza en las hojas y tallos verdes de la planta, en unas estructuras especiales de las células vegetales: los cloroplastos. Estos organelos contienen la clorofila, un pigmento verde que es sensible a la energía luminosa y la usa de manera eficiente para poner en marcha la fotosíntesis. Para que se realice la fotosíntesis es necesario la disponibilidad de luz y presencia de clorofila. El proceso ocurre mientras la planta recibe luz, bien sea natural o proveniente de una fuente artificial, existen dos tipos de fases en dicho proceso: la fase luminosa y fase oscura.

La fase luminosa recibe este nombre porque todas las reacciones que ocurre durante ella dependen dela presencia de la luz. Ésta es captada por la clorofila permitiendo que se realice la fotólisis, reacción en la cual el agua desdobla en hidrógeno y oxígeno. Como resultado de esta reacción, el oxigeno es liberado al ambiente y el hidrogeno es utilizado en otras reacciones que ocurren dentro del mismo proceso. La fase oscura recibe este nombre porque las reacciones que ocurren en ella no dependen directamente de la luz, pero esto no significa que ocurre durante la noche. Esta fase requiere de compuestos formados durante la fase luminosa, además del dióxido de carbono que es tomado del ambiente. Éste último se combina con el hidrogeno liberado en la fotólisis y otros compuestos para formar glucosa, un carbohidrato sencillo.

Cabe señalar que la actividad fotosintética o velocidad del proceso fotosintético es influenciada por diversos factores, tales como concentración de dióxido de carbono en la atmósfera, la temperatura, y la disponibilidad de agua y luz.

Los fotosistemas son los complejos protéicos situados en membranas de organismos autótrofos donde se agrupan los pigmentos fotosintéticos, como la clorofila. Estas moléculas son capaces de captar la energía lumínica procedente del Sol y transformarla en energía útil. Un ejemplo es la fotosíntesis, que utiliza la luz visible blanca, la cual es una mezcla de varias longitudes de onda. Estos complejos de proteínas están presentes en ciertos microorganismos fotosintéticos y en los cloroplastos de células vegetales.1

Fotosistemas I y II ubicados en la membrana interna de un cloroplasto

Existen dos tipos de fotosistemas:

El Fotosistema I (F I), rico en clorofila a. El Fotosistema II (F II), rico en clorofila b

Fotosistemas y reacciones luminosas de la fotosíntesis

4

En el interior de las membranas tilacoides, la clorofila a, la clorofila b y otros pigmentos, como los carotenoides, forman grupos de pigmentos. Cada uno de estos grupos consta de entre 200 y 300 moléculas de pigmentos, junto con otras moléculas proteínicas asociadas. Los experimentos señalan que las reacciones luminosas que se producen en cada grupo se activan por una molécula de clorofila a, que absorbe la energía de un fotón y expulsa un electrón, que luego absorbe una molécula conocida como receptor primario de electrones. Juntos, la molécula de clorofila a y el receptor primario de electrones se conocen como centro de reacción. El centro de reacción y los pigmentos accesorios presentes en cada grupo trabajan en conjunto como una unidad captadora de luz, que se denomina fotosistema. Cada fotosistema absorbe la energía luminosa en la parte exterior (estroma) de la membrana tilacoide.

Estructura de la membrana tilacoide del cloroplasto, donde se muestra la distribución de los fotosistemas I y II, las antenas cosechadoras de luz, el citocromo b6f y la ATP sintasa, está última encargada de la

síntesis de ATP.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSINTESIS

Mediante la comprobación experimental, los científicos han llegado a la conclusión de que la temperatura, la concentración de determinados gases en el aire (tales como dióxido de carbono y oxígeno), la intensidad luminosa y la escasez de agua son aquellos factores que intervienen aumentando o disminuyendo el rendimiento fotosintético de un vegetal.

* La temperatura: cada especie se encuentra adaptada a vivir en un intervalo de temperaturas. Dentro de él, la eficacia del proceso oscila de tal manera que aumenta con la temperatura, como consecuencia de un

5

aumento en la movilidad de las moléculas, en la fase oscura, hasta llegar a una temperatura en la que se sobreviene la desnaturalización enzimática, y con ello la disminución del rendimiento fotosintético.

Imagen al microscopio electrónico de un estoma.

* La concentración de dióxido de carbono: si la intensidad luminosa es alta y constante, el rendimiento fotosintético aumenta en relación directa con la concentración de dióxido de carbono en el aire, hasta alcanzar un determinado valor a partir del cual el rendimiento se estabiliza.* La concentración de oxígeno: cuanto mayor es la concentración de oxígeno en el aire, menor es el rendimiento fotosintético, debido a los procesos de fotorrespiración.* La intensidad luminosa: cada especie se encuentra adaptada a desarrollar su vida dentro de un intervalo de intensidad de luz, por lo que existirán especies de penumbra y especies fotófilas. Dentro de cada intervalo, a mayor intensidad luminosa, mayor rendimiento, hasta sobrepasar ciertos límites, en los que se sobreviene la fotooxidación irreversible de los pigmentos fotosintéticos. Para una igual intensidad luminosa, las plantas C4 (adaptadas a climas secos y cálidos) manifiestan un mayor rendimiento que las plantas C3, y nunca alcanzan la saturación lumínica.

* El tiempo de iluminación: existen especies que desenvuelven una mayor producción fotosintética cuanto mayor sea el número de horas de luz, mientras que también hay otras que necesitan alternar horas de iluminación con horas de oscuridad.

* La escasez de agua: ante la falta de agua en el terreno y de vapor de agua en el aire disminuye el rendimiento fotosintético. Esto se debe a que la planta reacciona, ante la escasez de agua, cerrando los estomas para evitar su desecación, dificultando de este modo la penetración de dióxido de carbono. Además, el incremento de la concentración de oxígeno interno desencadena la fotorrespiración. Este fenómeno explica que en condiciones de ausencia de agua, las plantas C4 sean más eficaces que las C3.

* El color de la luz: la clorofila α y la clorofila β absorben la energía lumínica en la región azul y roja del espectro, los carotenos y xantofilas en la azul, las ficocianinas en la naranja y las ficoeritrinas en la verde. Estos pigmentos traspasan la energía a las moléculas diana. La luz monocromática menos aprovechable en los organismos que no tienen ficoeritrinas y ficocianinas es la luz. En las cianofíceas, que si poseen estos pigmentos anteriormente citados, la luz roja estimula la síntesis de ficocianina, mientras que la verde favorece la síntesis de ficoeritrina. En el caso de que la longitud de onda superase los 680 nm, no actúa el fotosistema II con la consecuente reducción del rendimiento fotosintético al existir únicamente la fase luminosa cíclica.Hay algunos factores que influyen en la efectividad de la fotosíntesis, es decir, que afectan positiva o negativamente la producción de glucosa de una planta. Estos factores son:- Intensidad lumínica: Es un factor que afecta la fotosíntesis, dado que la tasa fotosintética aumenta progresivamente a medida que aumenta la intensidad lumínica, hasta llegar a un valor constante. 

6

- Temperatura: La tasa fotosintética también aumenta a medida que aumenta la temperatura. Además se incrementa la respiración celular donde se utiliza la glucosa. El proceso es eficiente entre los 10oC y 35 °C

- Disponibilidad de agua y concentración de CO2: también son factores que afectan la fotosíntesis debido a que el consumo de agua constante beneficia la absorción de dióxido de carbono, a través de la apertura de los estomasEsto conlleva a que la tasa fotosintética aumente a medida que se incrementa la concentración de dióxido de carbono hasta cierto límite o el proceso se inhibe.También hay factores internos que pueden afectar la fotosíntesis, tales como, condiciones anatómicas y fisiológicas del vegetal, como la estructura de la hoja, la cantidad de clorofila de la planta y la actividad de las enzimas fotosintéticas.

GUÍA DE FOTOSÍNTESIS Y FLUJO DE ENERGÍANombre_________________________________________________________________________Curso: ___________________ Fecha : __________________

I. Contesta:– ¿Qué niveles tróficos están presentes en la trama?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

– ¿Qué organismo ocupa más de un nivel trófico?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

– ¿De qué tipo de organismo se alimentan los roedores? y ¿Qué ventajas presenta su tipo de alimentación?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

– ¿Qué sucedería si se extinguen los Insectos?

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

– ¿Quién de los miembros de esta trama recibe menos cantidad de energía química y materia?, ¿Por qué?

7

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

II. A continuación indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F). Justifica las falsas.

1. ___ La fotosíntesis es el proceso mediante el cual ciertos organismos conviertes la energía lumínica en energía química.

2. ___ La fotosíntesis es un proceso anabólico y exergónico.3. ___ La fotosíntesis transforma sustancias pequeñas e inorgánicas en otras más complejas y

orgánicas.4. ___ Los azúcares producidos en la fotosíntesis, sirven como componentes estructurales de otras

biomoléculas y también como fuente energética.5. ___ Los productos de la fotosíntesis se forman a partir de O2 y CO2.6. ___ Las plantas son los únicos organismos capaces de realizar el proceso fotosintético.7. ___ En las plantas, la fotosíntesis se lleva a cabo, principalmente, en las hojas.8. ___ La cutícula de las hojas evita la pérdida de agua por evaporización.9. ___ Los estomas son organelos en donde se produce el intercambio de gases entre la hoja y el

medio.10.

___ El cloroplasto es el lugar de la célula donde se lleva a cabo la fotosíntesis.

11.

___ La clorofila se ubica en el estroma de los cloroplastos.

12.

___ Los cloroplastos se caracterizan por ser organelos delimitados por dos membranas y presentar una molécula de ADN circular.

III. Rotula las siguientes estructuras del cloroplasto.

1. _______________________2. _______________________3. _______________________4. _______________________5. _______________________6. _______________________7. _______________________

IV. A continuación indica si las siguientes afirmaciones son verdaderas (V) o falsas (F).

1. ___ La luz es una forma de energía que se manifiesta como ondas electromagnéticas de distintas longitudes de onda.

2. ___ Respecto al espectro electromagnético, los rayos X presentan menor energía que las ondas de radio.

3. ___ La luz visible es el rango del espectro electromagnético que es percibido como distintos colores.

4. ___ La radiación UV e infrarroja, además de la luz visible, son empleadas para impulsar el proceso fotosintético.

5. ___ La naturaleza dual de la luz se refiere a que ésta se comporta como onda, pero jamás como partícula.

6. ___ Un pigmento es una sustancia orgánica capaz de absorber luz7. ___ La clorofila es el principal pigmento fotosintético.

8

8. ___ Cuando la luz blanca impacta sobre la clorofila, ésta refleja todos los colores, salvo el verde que es absorbido.

9. ___ Cuando un fotón es absorbido por una molécula, uno de sus electrones salta a un nivel energético superior, quedando en un estado excitado.

10.

___ Cuando un electrón se encuentra en un nivel de alta energía, inmediatamente, cae a su estado basal, lo que provoca que la energía sobrante se libere como calor y luz en forma de un fotón.

11.

___ La fotosíntesis emplea, principalmente, la luz violeta, azul y roja.

V. Completa las siguientes oraciones:

1. Un fotosistema está compuesto por varios ______________________________ y por un ________________________.

2. En la fotosíntesis, la fase dependiente de luz se inicia en el fotosistema __________________________

3. La función del complejo antena es_______________________________________________________

4. El oxígeno (O2) se produce a partir de la molécula de ____________________.

5. El aceptor primario de electrones le quita el electrón a ______________. Sin embargo, este pigmento

repone el electrón perdido a partir de la molécula de __________ a través de un proceso denominado

______________________________.

VI. Indica, de manera secuencial, los procesos de la fase dependiente de luz señalados a continuación:

1. Ocurre la fotólisis del agua.

2. La segunda cadena transportadora de electrones dirige al electrón hacia una enzima que sintetiza NADPH.

3. La clorofila del centro de reacción del fotosistema II es estimulada por un fotón.

4. Se estimula el fotosistema I.

5. La energía lumínica es conducida por el complejo antena hacia el centro de reacción.

6. La primera cadena transportadora de electrones lleva un electrón desde el fotosistema II al fotosistema I, causando esto la síntesis de ATP.

El orden secuencial es: ______________________________________.

VI. Completa el siguiente esquema que resume el proceso global de la fotosíntesis.

9

VIII. Analiza el siguiente gráfico y contesta las siguientes preguntas.

a) ¿Qué ocurre con la tasa fotosintética a medida que aumenta la concentración de CO2? Explica.______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ b) ¿A qué se debe la diferencia en la tasa fotosintética entre los 20ºC y los 30ºC? Fundamenta.________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

IX. Analiza la siguiente situación y responde.

10

Dos plantas de la misma especie se sometieron a las siguientes condiciones experimentales:

Planta 1: alta intensidad luminosa y diferentes temperaturas.

Planta 2: baja intensidad luminosa y diferentes temperaturas.

En el siguiente gráfico se muestran los resultados obtenidos:

a) ¿Por qué a bajas temperaturas la tasa fotosintética es similar aun cuando la intensidad lumínica es diferente en ambas plantas?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

X. Contesta las siguientes preguntas de desarrollo.1. ¿De qué manera los reactivos de la fotosíntesis llegan a los cloroplastos de las hojas?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2. ¿Por qué se dice que las dos fases de la fotosíntesis son interdependientes?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

3. En las reacciones de la fase luminosa ¿cuál es el donante de electrones? ¿Dónde terminan los electrones?_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

4. Si una planta está en un medio donde el agua escasea, ¿qué ocurrirá con los estomas? ¿Qué importancia tiene esto?___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

11

5. ¿Cuál es el rol que cumple el ATP y el NADPH en la fase independiente de luz?_______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

6. ¿Cuál es la importancia del ciclo de Calvin en el proceso global de la fotosíntesis?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

12