La respiración celular y su relación con la fotosíntesis es uno de los conceptos fundamentales de la biología. Ocupa un lugar destacado en la jerarquía de conceptos, subsumido por el concepto más abarcador de Flujo de Energía y Materia. Así pues, su omnipresencia en el plan de estudios de secundaria es bien merecida, pero ¿provocan estas ecuaciones problemas adicionales para una comprensión más holística de la vida? Yo creo que sí.
La mayor simplificación que utilizo con mis alumnos es que las moléculas orgánicas desempeñan dos funciones igualmente importantes en los organismos vivos:
proporcionan el material para construir estructuras
proporcionan un almacén de energía
Mi experiencia me dice que la segunda es la más fácil de entender, pero la primera es más complicada. Por supuesto, aprender de memoria este concepto es fácil, pero conectar este conocimiento y darle sentido es complicado.
Aquí es donde las ecuaciones de la respiración celular y la fotosíntesis plantean un problema. Sencillamente, son una simplificación difícil de manejar, sobre todo cuando se conectan de forma que los productos de la fotosíntesis se introducen directamente en la respiración celular.
La simplificación es útil cuando nos alejamos tanto como para preocuparnos por el destino final de la energía en los sistemas vivos. La conexión es clave para entender el flujo de energía a través de los sistemas ecológicos, pero por sí sola, y aprendida de memoria, esconde una verdad más profunda.
Las moléculas orgánicas constituyen la base de la estructura de los organismos. Los organismos son materia organizada de moléculas orgánicas, pero también obtienen su energía de esas mismas moléculas, igual que un coche construido con gasolina.
Una molécula orgánica producida por un organismo longevo puede persistir durante siglos, incluso milenios, como parte de su estructura. Por otro lado, una molécula orgánica puede persistir pasando por muchos organismos, por una cadena alimentaria productora y, después, por una cadena alimentaria descomponedora. Hay mucho que saber sobre las moléculas orgánicas entre su producción y su destino final.
Pero, ¿cuál es el problema de hacer que los alumnos recuerden las ecuaciones de la respiración celular y la fotosíntesis? Las simplificaciones pueden dar lugar a comprensiones parciales. Pro ejemplo:
Las moléculas orgánicas sólo funcionan para proporcionar un almacén de energía y que los organismos están hechos de alguna otra sustancia que no está directamente relacionada con la ingesta de moléculas. Esto puede adoptar un punto de vista esencialista, según el cual hay algo fundamentalmente diferente en la esencia de, por ejemplo, una planta y un animal, y no sólo una organización diferente de las mismas moléculas orgánicas.
La función de la fotosíntesis es proporcionar alimento a los animales (unido a la idea errónea de que los animales tienen mitocondrias y las plantas cloroplastos), en lugar de proporcionar el material de construcción para el propio productor, y un almacén de energía.
Si vamos a su núcleo, encuentro que los alumnos con estas concepciones alternativas han disociado materia y energía. Pueden blandir el término de energía a la ligera, pueden ganar puntos en las evaluaciones que exigen recordarlo textualmente, pero dan poco sentido a la sustancia de sus propios cuerpos o de los de los demás.
Pregunta a un estudiante cómo puede un adulto mantener su masa corporal durante 20 años y probablemente obtendrá la respuesta de "haciendo ejercicio".
¿Por qué ejercicio? Están recurriendo al conocimiento popular, en lugar de a sus propios modelos mentales del flujo de materia a través de los organismos. Encuentro esta respuesta en estudiantes de todas las edades. Si se les indaga más, pronto aparecerán los conocimientos populares, en lugar de modelos biológicos sólidos. A pesar de los años de formación en biología y del conocimiento de la fotosíntesis y la respiración, es posible que los alumnos sigan sin entender cómo se relacionan la materia y la vida más allá del mero suministro de energía.
Pregunta a un alumno qué ocurre con la masa corporal que se pierde durante un régimen dietético de balance energético negativo y probablemente no obtendrá una respuesta coherente.
En lugar de hacer que los alumnos memoricen y recuerden ecuaciones químicas, necesitarán oportunidades para el conflicto cognitivo, el desafío de sus modelos mentales y la necesidad de construir otros nuevos.
Algunas ideas
Diagramas y explicaciones más complejos:
Yo recomendaría ofrecer y preguntar siempre por las dos funciones de las moléculas orgánicas: estructura y energía. Obviamente, cuando el foco esté en la energía, cíñete a lo típico, pero no dejes que sea lo único que aprendan. Esto puede requerir nuevos diagramas como estas posibles ideas (ver este post para mi mejor diagrama):
En mi opinión, también merece la pena desplegar un diagrama de existencias y flujos para animar a los alumnos a considerar tanto las entradas como las salidas de moléculas orgánicas de los organismos, y a considerar los factores que afectan a las tasas de estos flujos. Por ejemplo, la tasa metabólica, la edad, la biomasa total o el ejercicio.
Esto ayuda a los alumnos a visualizar el flujo de materia y cómo se acumula en el organismo, mostrando una relación directa entre la entrada de moléculas y la estructura. Pero también a prestar más atención a los flujos de salida, que los alumnos suelen ignorar. Esto ayudará a los alumnos a desarrollar una idea de cómo la excreción y la asimilación pueden equilibrarse y mantener el peso, o desequilibrarse para que se produzca un crecimiento total, o una pérdida de biomasa.
Reconsiderar la organización del diseño curricular y la forma de ver:
Principalmente, me centraría más en las profundas similitudes de la vida, como la naturaleza celular de toda la vida y la necesidad de los organismos/células de obtener moléculas orgánicas para construir/mantener su estructura y como fuente de energía.
Este es un patrón que se observa en toda la vida en la Tierra, todos estamos construidos a partir de las mismas moléculas orgánicas fundamentales y las utilizamos de forma similar (véase este post). Sólo más tarde me centraré en las diferencias ecológicas, que se reducen principalmente a la forma en que los organismos obtienen sus moléculas orgánicas, contrastando los autótrofos con los heterótrofos.
En lugar de centrarse en el flujo de energía (únicamente) en las redes tróficas, habría que hacer hincapié también en el flujo de materia. Los alumnos se toman un tiempo para asimilar que su estructura se construye a partir de los alimentos que consumen. Que ser un animal implica la obtención de moléculas orgánicas de otros organismos; estás construido a partir de tu comida.
Por último, para descubrir realmente cómo ven sus alumnos, proponles una tarea de escritura libre en lugar de un cuestionario en el que se les pida que recuerden cosas.
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Christian Moore-Anderson