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Cataluña, Junio de 2012, opción A, serie 3, pregunta A

1a) Elysia chlorotica es inicialmente un organismo heterótrofo que se alimenta de las algas. Una vez incorpora cloroplastos de las algas en sus tejidos debe tomar el sol para que éstos puedan realizar la fotosíntesis. De esta manera consigue materia orgánica sin tener que ingerirla y, por ello, deja de comer. A partir de este momento se comporta como un organismo autótrofo.

1b) ¿Qué vía metabólica que no presentan las otras especies de liebre de mar ha incorporado Elysia chlorotica?. Complete el esquema que la representa poniendo el nombre correspondiente en cada casilla vacía.

Fotosíntesis

Fase luminosa o fotoquímica

Cadena de transporte electrónico

NADP          ATP

(CH2O)n Glúcidos         Calvin          CO2

Fase oscura o biosintética

2) Un organismo transgénico es aquel que ha incorporado a su material hereditario algún gen procedente de otro ser vivo, a menudo de otra especie. Esta transferencia de genes se hace en las primeras fases de desarrollo de el organismo, de manera que todas sus células incorporen los nuevos genes y, por lo tanto, también lo hagan sus células reproductoras. Así, si se cruzan organismos transgénicos se pueden obtener nuevos individuos sin tener que transferir de nuevo los genes. En el caso de Elysia chlorotica, la apropiación de los genes del alga tiene lugar a partir de lo que ingiere al individuo ya desarrollado. Sólo algunos tejidos cutáneos incorporan a sus células genes procedentes del alga y, por ello, los nuevos individuos que se originen no dispondrán nada de estos porque las células reproductoras no los contienen. Los nuevos individuos deberán obtener los genes de las algas que ingieran.

3. Las liebres de mar de la especie Elysia chlorotica adquieren DNA de las células de las algas que ingieren. De esta manera, se produce un cambio en su genotipo y también en su fenotipo ya que pueden sintetizar proteínas propias de las algas, las cuales les permiten realizar la fotosíntesis. En este caso, este cambio repentino no se debe a una mutación o a la recombinación genética, como ocurre habitualmente en los procesos evolutivos, sino sólo es consecuencia de una apropiación de genes de otra especie. Como si de una mutación favorable se tratara, la selección natural favorecerá a las liebres de mar que realizan este proceso ya que pueden fabricar sus propios alimentos como organismos fotosintéticos.

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1a) 

1b) Nombre del proceso metabólico que realizarán las algas para sintetizar materia orgánica: Fotosíntesis. 

Balance: CO₂ + H₂O + luz → Glucosa + O₂

o

6 CO₂ + 12 H₂O + 18 ATP + 12 NADPH + H⁺ + luz → glucosa (C₆H₁₂O₆) +6O₂ + 6 H₂O +18 ADP +18 Pi+12 NADP⁺

2a)  

2b) 

La idea de bombear todo el oxígeno que vayan liberando las algas hacia el habitáculo de los tripulantes y mantener los cultivos de algas exclusivamente en aire marciano no sería buena, ya que no se podrían mantener porque la atmósfera de Marte no contiene oxígeno. Las algas, además de ser organismos fotosintéticos, también respiran y necesitan oxígeno para la oxidación de los combustibles metabólicos y obtener energía.

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a) La mayor parte del peso que ganó el sauce con su crecimiento provino del carbono del CO_2, materia orgánica que el árbol generó mediante la fotosíntesis. Las plantas utilizan las sales minerales del suelo, por lo que el suelo disminuyó de peso, aunque poco.

b) Priestley e Ingen-Housz pusieron de manifiesto que las plantas verdes, en presencia de la luz, captan CO₂ (el aire "malo", viciado por los animales o por la combustión) y liberan O₂, según el esquema siguiente:

c)

Durante las horas de luz (entre las 5 y las 17 horas) hay menos concentración de CO₂: se da la fotosíntesis y la respiración.
Durante las horas de oscuridad (también durante las de luz !!): sólo se da la respiración y no se da la fase luminosa de la fotosíntesis.

Es decir, durante las horas de oscuridad, como sólo se produce CO₂ (por la respiración) pero no se consume (no se da fotosíntesis), su concentración en el aire de el invernadero va subiendo.

Durante las horas de luz, sigue produciéndose la respiración del vegetal, pero también se produce la fotosíntesis. La cantidad de CO₂ que consume la fotosíntesis es mayor que la cantidad de CO₂ que produce la respiración, por lo que bajan los niveles de CO₂ en el aire del invernadero.

La respiración se realiza durante todo el día.

d) El oxígeno liberado estará marcado radiactivamente porque el oxígeno de la fotosíntesis procede de la fotolisis del agua, no del CO₂, lo contrario que propuso Warburg. 

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a. Describa brevemente en qué consiste el proceso de fotosíntesis e indique su reacción global.

La fotosíntesis es un proceso metabólico anabólico que realizan las plantas, algas y algunas bacterias, mediante el cual transforman la energía luminosa procedente del Sol en energía química almacenada en forma de glucosa. En este proceso se utiliza dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O) como materias primas, liberándose oxígeno (O₂) como subproducto.

La reacción global de la fotosíntesis puede resumirse así:

$$6\ CO_2 + 6\ H_2O + \text{energía lumínica} \rightarrow C_6H_{12}O_6 + 6\ O_2$$

b. ¿Qué función tiene la clorofila en el proceso de fotosíntesis? ¿De dónde procede el oxígeno que se libera durante la fotosíntesis?

• La clorofila es un pigmento fotosintético localizado en los tilacoides de los cloroplastos, cuya función principal es absorber la energía luminosa necesaria para iniciar las reacciones fotoquímicas de la fotosíntesis.

• El oxígeno liberado durante la fotosíntesis procede de la fotólisis del agua en la fase luminosa, es decir, de la ruptura de las moléculas de agua, proceso que libera electrones, protones y oxígeno molecular.

c. Indique qué es la rubisco y explique brevemente qué función tiene. Nombre los componentes de un cloroplasto (puede ayudarse de un dibujo).

• La rubisco (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa) es la enzima clave del ciclo de Calvin, considerada una de las enzimas más abundantes de la biosfera. Su función es catalizar la fijación del CO₂ sobre la ribulosa-1,5-bisfosfato para iniciar la síntesis de glúcidos en la fase oscura de la fotosíntesis.

En cuanto a los componentes de un cloroplasto, podemos señalar:

• Membrana externa.
• Membrana interna.
• Estroma (matriz acuosa que contiene enzimas, ADN y ribosomas propios).
• Tilacoides (sacos membranosos aplanados).
• Grana (conjunto de tilacoides apilados).
• Lúmen tilacoidal (espacio interno de los tilacoides).
• Lamelas intergranares (conectan los grana).

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11. a) ¿Por qué la aportación de la formación de bosques o silvicultura (naranja) está en la parte izquierda y la de la agricultura (verde) en la parte derecha de la gráfica? (0,5 P)

En la gráfica se representan las emisiones netas de gases de efecto invernadero (GEI) en equivalentes de CO₂.

• El sector de uso de la tierra, cambio de uso y silvicultura (UTCUTS) aparece con un valor negativo (-7,0%) porque actúa como un sumidero neto de carbono. Esto se debe a que procesos como la fijación de carbono durante la fotosíntesis en los bosques, la regeneración forestal y la acumulación de biomasa vegetal provocan una absorción neta de CO₂ atmosférico.

• En cambio, la agricultura se representa con valor positivo (10,8%) porque genera emisiones netas de GEI, especialmente:

  • Metano (CH₄) por fermentación entérica en rumiantes y arrozales.

  • Óxidos de nitrógeno (N₂O) por la desnitrificación del nitrógeno presente en fertilizantes nitrogenados.

11. b) ¿Producen CO₂ los árboles? Razona la respuesta. (0,5 P)

Sí, los árboles producen CO₂ como consecuencia de la respiración celular aerobia que ocurre en todas sus células, tanto en tejidos fotosintéticos como no fotosintéticos (raíces, tallos, corteza).
No obstante, durante el día, en condiciones de iluminación, realizan fotosíntesis a través de los cloroplastos, lo que implica una captación neta de CO₂ atmosférico.
Por tanto, aunque emiten CO₂ por respiración, la fijación fotosintética supera con creces la emisión respiratoria, haciendo que el balance neto de CO₂ en árboles y bosques sea negativo (es decir, eliminan CO₂ de la atmósfera), razón por la cual se consideran sumideros de carbono.

12. a) ¿Cómo afectaría un incremento en los niveles atmosféricos de CO₂ al desarrollo de las plantas? (0,25 P)

Un aumento de la concentración de CO₂ atmosférico puede estimular el rendimiento fotosintético de las plantas, sobre todo de las plantas C₃, al reducir la fotorrespiración y aumentar la eficiencia de la enzima Rubisco. Esto puede mejorar la tasa de crecimiento, siempre que otros factores limitantes (agua, nutrientes, temperatura, luz) no lo impidan.

12. b) ¿Qué consecuencias tendría para los seres humanos? Razona la respuesta en base a los procesos metabólicos. (0,5 P)

Un incremento en los niveles de CO₂ atmosférico tiene consecuencias metabólicas indirectas y graves implicaciones ecológicas y sanitarias para los seres humanos.

Desde el punto de vista metabólico:

• El CO₂ es un producto final de la respiración celular aerobia, que ocurre en las mitocondrias de todas las células eucariotas.

• En el organismo humano, el CO₂ generado en los tejidos es transportado por la sangre hasta los pulmones, donde se elimina mediante la ventilación pulmonar.

• Si la concentración ambiental de CO₂ se eleva considerablemente, se reduce el gradiente de difusión entre los capilares pulmonares y el aire alveolar, dificultando su eliminación.

• Esto puede provocar acumulación de CO₂ en sangre (hipercapnia), lo cual lleva a una disminución del pH sanguíneo (acidosis respiratoria), alterando el equilibrio ácido-base y afectando negativamente la actividad de enzimas y procesos celulares esenciales.

Además, a escala global:

• El exceso de CO₂ potencia el efecto invernadero y el cambio climático, lo que impacta directamente en la salud humana: aumento de enfermedades respiratorias, estrés térmico, inseguridad alimentaria, propagación de vectores patógenos y desplazamientos poblacionales.

12. c) Describe los conceptos de autótrofo y heterótrofo. (0,25 P)

• Autótrofo: organismo que sintetiza su propia materia orgánica a partir de compuestos inorgánicos. Los autótrofos fotosintéticos, como plantas, algas y cianobacterias, utilizan CO₂ y H₂O para fabricar compuestos orgánicos mediante fotosíntesis, utilizando la energía luminosa.

• Heterótrofo: organismo que depende de la materia orgánica producida por otros organismos para obtener carbono y energía. Ejemplos: animales, hongos y la mayoría de bacterias.

13. a) ¿Qué modificación genética le sugerirías para mejorar la captación de CO₂? (0,25 P)

Una opción viable sería insertar genes del metabolismo C₄ en plantas C₃, especialmente genes que codifican para enzimas como PEP-carboxilasa, que tiene una afinidad más alta por el CO₂ que la Rubisco. Esto permitiría mejorar la eficiencia fotosintética y la captación de CO₂, especialmente bajo condiciones de elevadas temperaturas y concentración de O₂.

13. b) ¿En qué consiste la técnica CRISPR-Cas? (0,5 P)

La técnica CRISPR-Cas9 es una herramienta de edición genética basada en un sistema inmunológico adaptativo de bacterias.

• Utiliza una endonucleasa (Cas9) dirigida por un ARN guía (gRNA) complementario a una secuencia específica del ADN diana.

• Esta guía permite a Cas9 realizar un corte preciso de doble cadena en el ADN.

• Posteriormente, se puede insertar, eliminar o sustituir material genético mediante mecanismos de reparación endógenos como la unión de extremos no homólogos (NHEJ) o la recombinación homóloga (HDR).

13. c) Haz una propuesta razonada sobre el tipo de organismo que debería utilizar para abordar este objetivo. (0,25 P)

Se recomienda utilizar microalgas fotosintéticas unicelulares, como Chlamydomonas reinhardtii o cianobacterias (por ejemplo, Synechocystis).
Estas presentan:

• Alta tasa de crecimiento, facilidad de cultivo en laboratorio y biorreactores.

• Genomas conocidos y sistemas genéticos bien desarrollados para edición.

• Capacidad natural para fijar CO₂ eficientemente mediante fotosíntesis.
  Además, su uso evita problemas éticos asociados a la modificación de plantas superiores o animales.

14. a) Explica mediante qué proceso entra el agua desde el suelo al interior de las células. (0,5 P)

El agua entra desde el suelo a las raíces mediante ósmosis, que es el movimiento pasivo de agua a través de membranas semipermeables desde un medio con menor concentración de solutos (el suelo) hacia un medio con mayor concentración de solutos (el citoplasma de las células radiculares).
A nivel macroscópico, el movimiento del agua también se ve facilitado por el gradiente de potencial hídrico generado por la transpiración estomática.

14. b) Ante altas temperaturas e irradiación, se produciría una pérdida pronunciada de agua en las hojas. ¿Qué consecuencias tendría a nivel celular? ¿Qué síntomas visibles presentarían las plantas? (0,5 P)

A nivel celular:

• Disminuye el potencial hídrico celular.

• Las células pierden turgencia, lo que compromete procesos como la expansión celular y el transporte de solutos.

• Se reduce la actividad fotosintética por cierre estomático y desnaturalización enzimática.

Síntomas visibles:

• Marchitez foliar.

• Enroscamiento de hojas.

• Coloración amarillenta (clorosis) o aparición de zonas necróticas.

• En casos extremos, detención del crecimiento y muerte de tejidos.

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a) Describa, lo más detallado posible, en qué localizaciones subcelulares tienen lugar las fases luminosa y biosintética durante la fotosíntesis en las plantas.

La fase luminosa (o fase dependiente de la luz) de la fotosíntesis ocurre en las membranas de los tilacoides dentro de los cloroplastos. En estas membranas se encuentran los fotosistemas I y II, la cadena de transporte de electrones y la ATP sintasa, responsables de la conversión de la energía lumínica en energía química (ATP y NADPH).
La fase biosintética (también llamada fase oscura o independiente de la luz) se lleva a cabo en el estroma del cloroplasto, que es el espacio acuoso que rodea los tilacoides. En el estroma se localizan las enzimas del ciclo de Calvin, donde se fija el CO₂ y se sintetizan moléculas orgánicas como la glucosa.

b) ¿Cuál es el objetivo fundamental del transporte acíclico de electrones en la fase luminosa?

El objetivo principal del transporte acíclico de electrones durante la fase luminosa es generar ATP y NADPH. Estas moléculas almacenan la energía y el poder reductor necesarios para impulsar las reacciones de la fase biosintética (ciclo de Calvin).

c) ¿De dónde procede el O₂ que se libera en la fotosíntesis? Indique la reacción y el fotosistema donde ocurre.

El O₂ liberado en la fotosíntesis procede de la fotólisis del agua (H₂O), una reacción que ocurre en el fotosistema II durante la fase luminosa. La reacción es:

$$2H_{2}O\to 4H^{+}+4e^{-}+O_2$$Esta ruptura del agua proporciona electrones al fotosistema II y libera oxígeno molecular como subproducto.

d) ¿En qué fase se incorpora el CO₂?

El CO₂ se incorpora durante la fase biosintética de la fotosíntesis, específicamente en el ciclo de Calvin, que tiene lugar en el estroma del cloroplasto.

e) ¿Cuál es el primer compuesto aceptor de CO₂ y qué enzima interviene?

El primer compuesto aceptor de CO₂ es la ribulosa-1,5-bisfosfato (RuBP), y la enzima que cataliza esta reacción es la RUBISCO (ribulosa-1,5-bisfosfato carboxilasa/oxigenasa).