El motor de los ciclos: fotosíntesis y respiración celular

“En 1648 Jan Baptist van Helmont plantó un sauce de 2,3 kilos en una maceta con 91 kilos de tierra seca y lo regó cinco años con pura agua de lluvia. El árbol terminó pesando 77 kilos mientras la tierra había perdido apenas 57 gramos, así que van Helmont concluyó que toda esa madera venía del agua. Hoy vamos a corregirlo, porque la mayor parte de esa masa entró por las hojas y en forma de gas.

El ciclo del carbono quedó dibujado con cuatro reservorios (CO₂ atmosférico, biomasa, carbono del océano y combustibles fósiles) y cuatro procesos que movían el carbono entre ellos. Dos de esos procesos son biológicos y ocurren dentro de las células, a toda hora, en todo el planeta:

• La fotosíntesis era la flecha que entraba: sacaba CO₂ del aire y lo metía en la materia orgánica de los seres vivos.
• La respiración celular era la flecha que salía: rompía esa materia orgánica y devolvía el CO₂ al aire.

Sin esas dos flechas el ciclo del carbono se detiene. Por eso hoy los miramos de cerca: qué entra, qué sale, dónde ocurren y qué pasa con la energía en el camino.

La fotosíntesis es el proceso por el cual las plantas, las algas y las cianobacterias usan la energía de la luz para transformar materia inorgánica simple (CO₂ y agua) en materia orgánica (glucosa). Se realiza en los cloroplastos, gracias al pigmento verde clorofila, que es el que captura la luz.

Su ecuación global es:

6 CO₂ + 6 H₂O + luz → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Leída como una lista de entradas y salidas:

• Entra: dióxido de carbono (CO₂) del aire, agua (H₂O) del suelo y energía luminosa del Sol.
• Sale: glucosa (C₆H₁₂O₆), que es materia orgánica rica en energía, y oxígeno (O₂) que se libera a la atmósfera.

Dos ideas para no perder de vista. Primero: aquí es donde el carbono del aire entra a la vida. El árbol enorme de la pregunta inicial se construyó, sobre todo, con carbono que venía del aire, no con tierra del hoyo. Segundo: la fotosíntesis no fabrica energía. Lo que hace es transformar energía luminosa en energía química guardada en los enlaces de la glucosa. La energía no se crea: cambia de forma.

La respiración celular es el proceso por el cual todas las células degradan materia orgánica (sobre todo glucosa) usando oxígeno, para obtener energía útil en forma de ATP, la “moneda energética” que la célula gasta en moverse, crecer, transportar sustancias y fabricar moléculas. Ocurre principalmente en las mitocondrias.

Su ecuación global es:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energía (ATP)

• Entra: glucosa y oxígeno (O₂).
• Sale: dióxido de carbono (CO₂), agua (H₂O) y energía química utilizable (ATP), además de calor que se pierde al ambiente.

Comparando las dos ecuaciones salta a la vista que los productos de una son los reactivos de la otra. Por eso decimos que son procesos complementarios: uno guarda carbono y energía en la materia orgánica, el otro los libera.

Si observas la Fig. 1 verás dos cosas al mismo tiempo:

• La materia circula: los mismos átomos de C, H y O pasan de un proceso al otro y vuelven. Es un circuito cerrado, exactamente lo que veíamos en el ciclo del carbono.
• La energía fluye: entra una sola vez como luz solar, queda guardada un rato en la glucosa y termina disipándose como calor. No hay flecha de vuelta. Por eso un ecosistema necesita un aporte continuo de Sol, aunque pueda reciclar sus átomos indefinidamente.

Este es el error más extendido de toda la unidad, y conviene desarmarlo pieza por pieza.

Lo que mucha gente cree: “las plantas hacen fotosíntesis y los animales respiran; se complementan como dos mitades”. Suena ordenado, pero es falso.

Lo que realmente ocurre: toda célula viva necesita ATP a toda hora para funcionar, y la única manera de conseguirlo es degradando materia orgánica, es decir, haciendo respiración celular. Las células de la raíz, del tallo, de la flor y también de la hoja tienen mitocondrias y respiran de día y de noche, sin pausa. La fotosíntesis no reemplaza a la respiración: la planta fabrica glucosa para poder respirarla después.

La diferencia real está en el balance, no en el proceso:

• De día, con buena luz: la hoja hace fotosíntesis a alta velocidad y respira. Como la fotosíntesis captura mucho más CO₂ del que la respiración libera, el balance neto de la planta es: entra CO₂, sale O₂. Por eso “parece” que solo hace fotosíntesis.
• De noche, sin luz: la fotosíntesis se detiene (no hay energía luminosa que capturar), pero la respiración continúa. El balance neto se invierte: entra O₂, sale CO₂, igual que en un animal.

Un detalle que confunde aún más: los hongos no hacen fotosíntesis (no tienen clorofila) pero sí hacen respiración celular; y las cianobacterias, que no son plantas, hacen ambas. La regla no es “planta = fotosíntesis, animal = respiración”. La regla correcta es: todo ser vivo respira; solo los organismos con clorofila hacen, además, fotosíntesis.

Ahora podemos releer ese ciclo con más precisión. Cuando dijimos que “el carbono circula entre el aire y la vida”, estábamos describiendo el efecto conjunto de estos dos procesos:

• La fotosíntesis es la única puerta de entrada importante del carbono inorgánico (CO₂) a la materia orgánica. Sin ella, el carbono se quedaría en el aire y no habría biomasa.
• La respiración celular (junto con la descomposición, que también es respiración hecha por hongos y bacterias) es la puerta de salida: devuelve el CO₂ al aire y deja el carbono disponible para una nueva fotosíntesis.

En un ecosistema en equilibrio, ambas flechas están más o menos balanceadas y la concentración de CO₂ atmosférico se mantiene estable. Ese equilibrio se rompe de dos maneras conocidas: cuando se tala o quema un bosque (se reduce la fotosíntesis y además se libera de golpe el carbono guardado) y cuando se queman combustibles fósiles (se agrega al aire carbono que llevaba millones de años fuera del ciclo, sin ninguna fotosíntesis que lo compense a esa velocidad).

Y aquí conviene retomar la distinción que recorre toda la unidad: la materia circula, la energía fluye. Los átomos de carbono dan vueltas sin fin entre el CO₂ y la glucosa; la energía, en cambio, entra como luz en la fotosíntesis y termina, tarde o temprano, como calor disipado por la respiración. Un ecosistema puede reciclar átomos, pero no puede reciclar energía.

Hoy no aprendimos un tema nuevo: aprendimos cómo funciona el motor de los ciclos que ya estudiamos. La fotosíntesis, en el cloroplasto, toma CO₂ y agua y, con energía luminosa, fabrica glucosa y libera O₂: es la puerta de entrada del carbono a la vida. La respiración celular, en la mitocondria, degrada esa glucosa con O₂ y devuelve CO₂, agua y ATP: es la puerta de salida. Entre las dos mantienen el carbono circulando entre el aire y los seres vivos.

Y desarmamos la confusión más común: fotosíntesis y respiración no se reparten entre plantas y animales. Toda célula viva respira, incluidas las de la planta, de día y de noche; lo que cambia entre el día y la noche es el balance neto de gases, no los procesos que ocurren. Respirar, en biología, no es inflar los pulmones: es degradar materia orgánica para obtener energía.

Queda por seguir la pista de esa energía más allá de la célula: cómo se transfiere de un organismo a otro en las redes y pirámides tróficas, y por qué en cada escalón se pierde una parte.

1. 01Ministerio de Educación de Chile (2019). Programa de Estudio Biología, 1° Medio. Unidad 3: Materia y energía en los ecosistemas.
2. 02Campbell, N. et al. (2021). Biología. Editorial Médica Panamericana.
3. 03Curtis, H. et al. (2015). Invitación a la Biología. Editorial Médica Panamericana.
4. 04Khan Academy (en español). Fotosíntesis / Respiración celular. https://es.khanacademy.org
5. 05NASA Earth Observatory. The Carbon Cycle. https://earthobservatory.nasa.gov/features/CarbonCycle
6. 06Hershey, D. R. (1991). Digging deeper into Helmont's famous willow tree experiment. The American Biology Teacher, 53(8), 458-460.