La Fotosintesis
Generalidades |
FOTOSÍNTESIS |
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Explicación breve - La fotosíntesis es un proceso en virtud del cual los organismos con clorofila, como las plantas verdes, las algas y algunas bacterias, capturan energía en forma de luz y la transforman en energía química. Prácticamente toda la energía que consume la vida de la biosfera terrestre la zona del planeta en la cual hay vida procede de la fotosíntesis. - La fotosíntesis se realiza en dos etapas: una serie de reacciones que dependen de la luz y son independientes de la temperatura, y otra serie que dependen de la temperatura y son independientes de la luz. La velocidad de la primera etapa, llamada reacción lumínica, aumenta con la intensidad luminosa (dentro de ciertos límites), pero no con la temperatura. En la segunda etapa, llamada reacción en la oscuridad, la velocidad aumenta con la temperatura (dentro de 2 ciertos límites), pero no con la intensidad luminosa.
Generalidades |
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En algas eucarióticas y en plantas, la fotosíntesis se lleva a cabo en un orgánulo especializado denominado cloroplasto. Este orgánulo que está delimitado por dos membranas (envueltas de los cloroplastos) que lo separan del citoplasma circundante. En su interior se encuentra una fase acuosa con un elevado contenido en proteínas e hidratos de carbono (estroma del cloroplasto) y una serie de membranas denominadas tilacoides. Los tilacoides contienen los pigmentos (sustancias coloreadas) fotosintéticos y proteínas necesarios para captar la energía de la luz. El principal de esos pigmentos es la clorofila, de color verde, de la que existen varios tipos (bacterioclorofilas y clorofilas a, b, c y d). 3
La fotosíntesis se divide en dos fases. La primera ocurre en los tilacoides, en donde se capta la energía de la luz y ésta es almacenada en dos moléculas orgánicas sencillas (ATP y NADPH). La segunda tiene lugar en el estroma y las dos moléculas producidas en la fase anterior son utilizadas en la asimilación del CO2 atmosférico para producir hidratos de carbono e indirectamente el resto de las moléculas orgánicas que componen los seres vivos (aminoácidos, lípidos, nucleótidos, etc.). Tradicionalmente, a la primera fase se le denominaba fase luminosa y a la segunda fase oscura de la fotosíntesis. Sin embargo, la denominación como "fase oscura" de la segunda etapa es incorrecta, porque actualmente se conoce que los procesos que la llevan a cabo solo ocurren en condiciones de iluminación. Es más preciso referirse a ella como fase de fijación del dióxido de carbono 4 Calvin) y a la primera como "fase fotoquímica" o reacción (ciclo de de Hill.
Generalidades |
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En la fase luminosa o fotoquímica, la energía de la luz captada por los pigmentos fotosintéticos unidos a proteínas y organizados en los denominados "fotosistemas" (ver más adelante), produce la descomposición del agua, liberando electrones que circulan a través de moléculas transportadoras para llegar hasta un aceptor final (NADP+) capaz de mediar en la transformación del CO2 atmosférico (o disuelto en el agua en sistemas acuáticos) en materia orgánica. Este proceso luminoso está también acoplado a la formación de moléculas que funcionan como intercambiadores de energía 5 en las células (ATP). La formación de ATP es necesaria también para la fijación del CO2.
Descubrimiento |
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Como muchos otros descubrimientos, el de la fotosíntesis se realizó antes de que su concepto fuera esbozado. En 1771, el inglés Priestley, preocupado por las teorías de la época sobre el flogisto y la naturaleza del aire, comienza una serie de experimentos que no tienen mucho que ver con la fotosíntesis. Se ocupa de lo que denomina la «bondad» del aire, es decir, su utilidad para la respiración. Con este fin, pone un ratón bajo una campana de vidrio y observa que su respiración disminuye en una quinta parte el volumen total de aire; luego pone una planta, y descubre que este volumen se recupera. Sus medidas sólo son, por tanto, cuantitativas, puesto que no descubrirá el oxígeno hasta tres años después. 6
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La Fotosintesis
INGEN HOUSZ |
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En 1779, el holandés Ingen Housz, retoma las obser-vaciones de Priestley y descubre que las plantas producen mucho oxígeno de día, pero que, por la noche, producen anhídrido carbónico, introduciendo los conceptos de respiración diurna y respiración nocturna. Basándose en su descubrimiento, llega a la hipótesis de que el oxígeno que se desprende durante el día proviene de la descomposición del agua. Ingen Housz se da cuenta asimismo de que las partes no verdes de las plantas siempre producen anhídrido carbónico. 7 Se halla, por tanto, sobre la pista del papel de la clorofila, pero detiene en este punto su excelente observación. 10
¿QUÉ ORGANISMOS REALIZAN ESTE PROCESO?
LAS ETAPAS FINALES |
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Las etapas más importantes son los descubrimientos de las fases de la fotosíntesis, que inician el ruso Timiriasev (1877) y el alemán Engelmann (1881) y que continúan los america-nos Blackmann (1905), Emerson (1921) y Arnold (1924).
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Estos botánicos establecen que la clorofila capta primero la energía solar, pasando a un estado de activación molecular; uno de los electrones se escapa de la molécula y toma parte en la hidrólisis del agua, lo que provoca una cadena de reacciones químicas que preparan la segunda fase, en la que un azúcar se hidroliza en presencia de anhídrido carbónico para formar otros azúcares.
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¿QUÉ ORGANULO CELULAR LA LLEVA ACABO Y QUÉ ESTRUCTURA TIENE?
¿QUÉ ES LA FOTOSÍNTESIS? |
Las plantas, las algas y ciertas bacterias son los organismos que pueden realizar este proceso. A este tipo de organismo se les llama autótrofos, organismos que pueden producir sus propios alimentos a partir de materias primas inorgánicas, y por lo tanto no dependen de otros organismos para su nutrición.
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Los cloroplastos tienen la capacidad de convertir la energía luminosa en energía química mediante el proceso de la fotosíntesis, el cual se efectúa mediante dos tipos de reacciones, las luminosas y las oscuras. 9
Los cloroplastos los cuales se encuentran en células vegetales y en organismos muy sencillos. Como algas y protozoos. Los cloroplastos contienen la clorofila, en el interior de los cloroplastos se pueden observar los tilacoides . Varios tilacoides semejan pilas de monedas, cada pila de monedas es una grana. Las granas están rodeadas de una sustancia gelatinosa llamada estroma.
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FASE LUMINOSA
FASE FOTOQUÍMICA
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La energía luminosa que absorbe la clorofila se transmite a los electrones externos de la molécula.
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Esta energía puede ser empleada en la síntesis de ATP (Adenosin Tri fosfato) mediante la
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fotofosforilación, y en la síntesis de NADPH .(Nicotinamida adenina dinucleótido fosfato)
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Ambos compuestos son necesarios para la siguiente fase o ciclo de calvin, donde se sintetizarán los primeros azúcares que servirán para la producción de sacarosa y almidón.
El fotosistema I usa la clorofila a en una forma denominada P700. El Fotosistema II usa una forma de clorofila conocida como P680. Ambas formas "activas" de la clorofila a funcionan en la fotosíntesis debido a su relación con las proteínas de la membrana tilacoide. La energía de la luz causa la eliminación de un electrón de una molécula de P680 que es parte del Fotosistema II, el electrón es transferido a una molécula aceptora (aceptor primario), y pasa luego cuesta abajo al Fotosistema I a través de una cadena transportadora de electrones. La P680 requiere un electrón que es tomado del agua rompiéndola en iones H+ y iones O-2. Estos iones O-2 se combinan para formar O2 que se libera a la atmósfera. La luz actúa sobre la molécula de P700 del Fotosistema I, produciendo que un electrón sea elevado a un potencial mas alto. Este electrón es aceptado por un aceptor primario (diferente del asociado al Fotosistema II).
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FASE LUMINOSA
Existen dos variantes de fosforilación: acíclica y cíclica, según el tránsito que sigan los electrones a través de los fotosistemas. Las consecuencias de seguir un tipo u otro estriban principalmente en la producción o no de NADPH y en la liberación o no de O2.
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El electrón pasa nuevamente por una serie de reacciones redox, y finalmente se combina con NADP+ e H+ para formar NADPH, un portador de H necesario en la fase independiente de la luz. Electrón del fotosistema II reemplaza al electrón excitado de la molécula P700. Existe por lo tanto un continuo flujo de electrones (no cíclico) desde el agua al NADPH, el cual es usado para la fijación del carbono.
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FASE LUMINOSA |
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FASE LUMINOSA
En la etapa clara la luz que "golpea" a la clorofila excita a un electrón a un nivel energético superior. En una serie de reacciones la energía se convierte (a lo largo de un proceso de transporte de electrones ) en ATP y NADPH. El agua se descompone en el proceso liberando oxígeno como producto secundario de la reacción. El ATP y el NADPH se utilizan para fabricar los enlaces C-C en la etapa oscura. Los fotosistemas son los conjuntos de moléculas de clorofila y otros pigmentos empaquetados en los tilacoides. En el "corazón" del fotosistema se encuentra la clorofila que absorbe la luz para convertirse en una forma "activada". La energía contenida en esta clorofila activada se utiliza para hacer funcionar la maquinaria química de la cual depende gran parte de la vida.
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| Los
fotones inciden sobre el fotosistema, excitando y liberando dos electrones, que pasan al primer aceptor de electrones, la feofitina. | Los electrones los repone el primer dador de electrones, el dador Z , con los electrones procedentes de la fotólisis del agua en el interior del tilacoide(la molécula de agua se divide en 2H+ + 2e- + 1/2O2 | Los protones de la fotólisis se acumulan en el interior del tilacoide, y el oxígeno es liberado. 15
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ECUACIONES RESUMIDAS DE LA FOTOSÍNTESIS
FASE OSCURA |
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En esta fase, se va a utilizar la energía química obtenida en la fase luminosa, en reducir CO2, Nitratos y sulfatos y asimilar los bioelementos C, H, y S, con el fin de sintetizar glúcidos, aminoácidos y otras sustancias.
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LUZ
12H2O+12NADP++18ADP+18Pi |
6 O2+12 NADPH+18 ATP
CICLODE CALVIN:
12NADPH+18ATP+6CO2 |
El proceso de reducción del carbono es cíclico y se conoce como Ciclo de Calvin., en honor de su descubridor M. Calvin.
REACCIONES FOTODEPENDIENTES
C6H12O6+12 NADP++18 ADP + 18 Pi+6H2O
ECUACIÓN GLOBAL 6CO2+12H2O
C6H12O6+6 O2 + 6H2O
LUZ 20 23
IMAGEN RECUPERADA DE.HTTP://KAMBRY.ES/APUNTES%20WEB/PAGINAS%20WEB%20DE%20MATEMATICAS/ANALISIS_ALGEBRA/IMAGENES/BIOLOGIA/FOTOSIN TESIS/CICLO_CALVIN.JPG
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PROCEDENCIA DEL CARBONO UTILIZADO EN LA FOTOSÍNTESIS
TIPOS DE FOTOSÍNTESIS vegetal Las plantas toman dióxido de carbono del aire y agua del suelo y, con la energía del sol, sintetizan glucosa, un hidrato de carbono rico en energía (E), y liberan oxígeno. Este proceso tiene lugar en las hojas gracias a la clorofila, un pigmento contenido en los cloroplastos, unos orgánulos propios de las células vegetales.
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CO2
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| Fotosíntesis
- Producto de desecho de la respiración. - Utilizado para la formación de glucosa.
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Su utilización no requiere la presencia de luz, por lo que la glucosa se produce durante la reacción oscura de la fotosíntesis.
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Estomas: Aberturas localizadas en mayor proporción en el envés de las hojas. -Son el sitio por donde se realiza el intercambio de gases de las plantas (entra el CO2 para la fotosíntesis y sale el O2 producido).
PRODUCTOS INICIALES Y FINALES DE LA FOTOSÍNTESIS
Fotosíntesis bacteriana
* Se
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necesitan
Clorofila, fotones (luz solar) y agua.
En la fotosíntesis anoxigénica o bacteriana los organismos que la realizan no utilizan el agua como elemento dador de electrones, por lo que no existe producción de oxígeno.
* Productos iniciales Materia inorgánica: Agua, CO2 y sales minerales.
Existen tres tipos de organismos que realizan esta fotosíntesis: las sulfobacterias purpúreas y las sulfobacterias verdes, las cuales emplean sulfuro de hidrógeno, y las bacterias verdes que utilizan materia orgánica como sustancia donadora de electrones (por ejemplo, el ácido láctico).
* Productos finales Materia orgánica: Azúcares (glucosa), ácidos grasos, aminoácidos y O2.
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IMPORTANCIA DE LA MOLÉCULA DE AGUA |
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Es absorbida por las raíces y es el solvente que transporta las sales minerales en el interior de la planta. Los electrones del agua son utilizados para reponer los electrones que se desprenden de la clorofila durante la fase luminosa. Los Protones sirven para formar un gradiente quimiosmótico para la formación del ATP. Cada átomo de oxígeno se une a otro (Proveniente de otra molécula de agua) para formar el oxígeno molecular que se libera a la atmósfera y constituye el oxígeno que respiramos.
LA LUZ EN LA FOTOSÍNTESIS |La
fotosíntesis es una reacción endergónicaÆrequiere energía.
EnergíaÆproviene de la luz del Sol Æes captada por la clorofilaÆla transforma en energía química. |REACCIONES
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DE LUZ
En los procesos que dependen de la luz, cuando un fotón es capturado por un pigmento fotosintético, se produce la excitación de un electrón, el cual es elevado desde su estado basal respecto al núcleo a niveles de energía superior, pasando a un estado excitado. Después de una serie de reacciones de oxidoreducción, la energía del electrón se convierte en ATP y NADPH. 30
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La Fotosintesis
¿CÓMO SE UTILIZA LA LUZ? |
Pigmento:
- Cualquier
-
sustancia que absorbe luz.
El color de un pigmento es el resultado de la longitud de onda reflejada (no absorbida).
|En
los grana de los cloroplastos Æclorofilas a y b (pigmento verde de todas las células fotosintéticas) y algunos pigmentos accesorios.
FASES LUMINOSAS Y SINTÉTICA DE LA FOTOSÍNTESIS. SUSTRATO Y PRODUCTOS DE AMBAS ETAPAS E INTERRELACIÓN ENTRE LAS MISMAS.
- Funcionan como antenas receptoras de luz y de concentración de energía.
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FOTOSÍNTESIS
¿CÓMO SE UTILIZA LA LUZ? |
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Primeras reaccionesÆLuz = Fase Luminosa (en la membrana de los grana). Parte de los productosÆestroma del cloroplastoÆNo luz = Fase oscura. Fase Luminosa
Reacciones cíclicas
Reacciones no cíclicas
Fotosíntesis Fotosíntesis
1.
Intensidad luminosa: La actividad fotosintética aumenta con la intensidad luminosa hasta alcanzar un límite máximo característico de cada especie. Para una misma intensidad luminosa, el rendimiento fotosintético es superior en las plantas adaptadas a climas secos y calurosos.
Fotosistema I Fotosistema I y II
•Fotosistemas - Se localizan en la membrana de los grana de los cloroplastos. - Cada fotosistema está formado por tres partes: el centro de reacción, la trampa energética y el sistema de transporte de 32 electrones
| ¿COMO
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Concentración de CO2: La actividad fotosintética aumenta conforme va creciendo la concentración de CO2, hasta alcanzar un límite en el que se estabiliza.
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3. Temperatura: Como toda actividad enzimática, la fotosíntesis aumenta con la temperatura hasta alcanzar un límite máximo (variable según las especies de climas cálidos, templados o fríos), por encima del cual se produce la desnaturalización de los enzimas.
SE PRODUCE EL OXIGENO?
Parte del oxígeno se origina como subproducto de la fotosíntesis. La ecuación general muestra el proceso de las plantas verdes: 6 CO2 + 6H2O -à C6H12O6 + 6O2
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El oxígeno que produce la fotosíntesis proviene del agua que es oxidada por deshidrogenación. Este proceso es endotérmico. 33
4. Fotoperíodo: El rendimiento está en relación directa a las horas 36 de exposición a la luz que tenga la planta.
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La Fotosintesis
5. Humedad ambiental: Cuando hay escasez de agua, los estomas (aberturas de la epidermis de las zonas verdes de las plantas superiores) se cierran para evitar pérdidas de agua por transpiración, lo cual dificulta el paso de CO2 y la actividad fotosintética disminuye.
IMPORTANCIA DE LA FOTOSÍNTESIS PARA EL MANTENIMIENTO DE LA VIDA EN EL PLANETA 1.- La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia de los diferentes seres vivos.
6. Concentración de O2: si aumenta baja el rendimiento fotosintético debido a las pérdidas por fotorrespiración. 37
FOTOSÍNTESIS DURANTE EL OTOÑO Cuando el verano acaba y llega el otoño, los días se hacen cada vez más cortos y la luz es cada vez menos intensa. Esta es la manera con la cual los árboles "saben" que se deben preparar para el invierno.
En invierno no hay la suficiente luz o agua como para hacer la fotosíntesis. Los árboles descansarán y vivirán con el alimento que 38 almacenaron durante el verano. Así, en otoño empiezan a cerrar sus fábricas de comida.
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2.- Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos. 3.- En la fotosíntesis se libera oxigeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante.
4.- La fotosíntesis fue causante del cambio producido en 41la atmosfera primitiva, que era anaerobia y reductora
La clorofila de las hojas desaparece y, poco a poco, a medida que su color verde se desvanece, empezamos a ver colores naranjas y amarillos. Estos colores ya existían durante el verano, pero no los podíamos ver porque quedaban cubiertos por el verde de la clorofila.
5.- De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. 6.- El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis.
Los rojos brillantes y los lilas corresponden a sustancias fabricadas exclusivamente en otoño. En algunos árboles, como los arces, la glucosa queda atrapada en las hojas cuando la fotosíntesis se para. La luz del Sol y las noches frías del otoño hacen que la glucosa se vuelva roja. El marrón que aparece en las hojas 39 de algunos árboles, como los robles, proviene de productos de desecho que se acumulan en las hojas.
7.- Se vuelve a utilizar el CO2, producido por los animales y por los procesos de putrefacción o descomposición. De otra manera el CO2, saturaría el planeta. 8.- Se restituye el oxigeno al aire y se hace posible la respiración. 42
En general, la diversidad existente en la Tierra depende principalmente de la fotosíntesis.
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La Fotosintesis
FACTORES AMBIENTALES PUEDEN ALTERAR EL PROCESO FOTOSINTÉTICO |
Luz: Puede afectar la fotosíntesis por tres de sus propiedades: calidad, cantidad y duración. La luz blanca contiene todo el espectro visible y la calidad de luz necesaria para estimular los pigmentos fotosintéticos.
La cantidad de luz se refiere a la intensidad luminosa. Cuando ésta aumenta la fotosíntesis también lo hace, pero si la intensidad de la luz es excesiva esta frena el proceso fotosintético. La duración de la luz, es decir las horas de exposición a la luz durante el día, son también un factor importante para la fotosíntesis. En invierno, por ejemplo, la menor cantidad de luz reduce la tasa fotosintética, 43 por lo que las plantas consumen sus reservas.
La disponibilidad de agua: Este factor afecta cuando las células fotosintéticas sufren deficiencias. Corresponde principalmente al agua absorbida por las raíces.
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| La temperatura: es un factor ambiental muy variable; como los anteriores puede variar durante el día o a lo largo de un año. Los diferentes climas hacen variar la temperatura. Existen plantas de zonas frías que pueden realizar fotosíntesis a 0ºC y otras adaptadas a altas temperaturas (como las plantas del desierto o plantas C4) que producen fotosíntesis entre los 15 y 35º C.
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¿Qué le debemos a la fotosíntesis? |
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La fotosíntesis probablemente sea el proceso bioquímico de la biosfera más importante por varios motivos: 1. La síntesis de materia orgánica a partir de la inorgánica se realiza fundamentalmente mediante la fotosíntesis; luego irá pasando de unos seres vivos a otros mediante las cadenas tróficas, para ser transformada en materia propia por los diferentes seres vivos. 2. Produce la transformación de la energía luminosa en energía química, necesaria y utilizada por los seres vivos 3. En la fotosíntesis se libera oxígeno, que será utilizado en la respiración aerobia como oxidante. 4. La fotosíntesis fue causante del cambio producido en la atmósfera primitiva, que era anaerobia y reductora. 5. De la fotosíntesis depende también la energía almacenada en combustibles fósiles como carbón, petróleo y gas natural. 6. El equilibrio necesario entre seres autótrofos y heterótrofos no sería posible sin la fotosíntesis. 45
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