RESUMEN

Uno de los factores que afectan de manera directa el funcionamiento de los

ecosistemas es la luz, manifiesta en las diferentes longitudes de onda del espectro

visible. En los ecosistemas acuáticos la luz se refleja conforme esta penetra las

diferentes capas de la columna de agua, por lo que los organismos fotosintéticos

se distribuyen de acuerdo a su capacidad para captar las longitudes de onda de la

luz. A través de un experimento con botellas pintadas de colores se pretendió

conocer el impacto de la longitud de onda en el crecimiento poblacional de algas

dulceacuícolas en sistemas controlados de laboratorio. El planteamiento hipotético

fue que el color rojo presentaría un mejor desarrollo de las algas dado que la

clorofila presente en las mismas absorben eficazmente esta longitud de onda. Se

colocaron sistemas de cultivo experimentales pintados con los colores rojo, azul,

verde, negro e incoloro y se inocularon algas dulceacuícolas a partir de un cultivo

madre. Realizando dicho cultivo en dos etapas noviembre – diciembre y febrero -

marzo. Los resultados obtenidos señalan que se presentó un mayor crecimiento

en los sistemas incoloros, debido a que reciben el total del espectro de luz,

seguidos de los sistemas de color rojo, como fue planteado en la hipótesis.

Mediante el uso de sensores de luz se pudo observar que a media que se

incrementan las poblaciones de algas, la intensidad luminosa disminuye debido a

que estas absorben parte de la luz que penetra al sistema. Se concluyo que las

algas dulceacuícolas del tipo de las clorófitas utilizan eficientemente la longitud de

onda de 660 nm correspondiente al color rojo, por lo que el mantenimiento de los

sistemas acuáticos que nos rodean son de suma importancía para promover la

productividad del fitoplancton, como bases de las cadenas trófícas que mantienen

un ecosistema como este y del cual obtenemos los recursos naturales.


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Influencia de la longitud de onda sobre el crecimiento poblacional de las algas microscópicas en cultivos controlados de agua dulce.

INTRODUCCION.

Hablar de ecosistemas es un aspecto importante en la educación, para todos los que habitamos este planeta, debido a que el deterioro ambiental es mas frecuente en los sistemas naturales. El conocimiento de nuestro entorno permitirá hacer ciudadanos responsables en el manejo de los recursos naturales y de sus desechos. Uno de los aspectos preponderantes es aumentar nuestro nivel de comprensión, respecto a las relaciones entre los aspectos físicos y químicos (factores abióticos) y los diversos sistemas vivos (factores bióticos) que habitan el planeta.

Los ecólogos para su comprensión y estudio han clasificado a los componentes del ecosistema en bióticos y abióticos, ambos están en íntima relación y a pesar de los cambios ambientales naturales y provocados por el ser humano, los ecosistemas llegan a lograr el clímax o equilibrio dinámico (cambiante). El tiempo en el que se restablece el clímax de un ecosistema después de una perturbación, varía en cada ecosistema y según el grado de perturbación del mismo. En ocasiones el ecosistema cambia notablemente, transformándose en otro tipo, dado que la perturbación fue radical.

El agua es el componente abiótico más relevante en los diferentes ecosistemas, su presencia o ausencia determina la distribución y existencia de las diversas formas de vida en cada uno de ellos. Cuando nos referimos a ecosistemas acuáticos podemos dividirlos en dos: los de agua salada de los océanos y las aguas continentales. El desarrollo de los diversos organismo vivos en los sistemas dulceacuícolas depende de la productividad primaria generada por el desarrollo de organismos fotosintéticos, principalmente algas; este término engloba tanto a las microscópicas de estructura relativamente simple, así como, a otras de gran talla y con estructura más compleja.

Las algas son los organismos fotosintéticos más importantes sobre la Tierra, ya que capturan más energía solar y producen más oxígeno que todas las plantas combinadas (Skewes, en línea, consultado en marzo de 2011)1; constituyen el fitoplancton, que es una fuente importante de alimento en el ambiente donde se presentan. Han sido descritas más de 23,000 especies, las cuales varían en tamaño desde microscópicas hasta 75 m de longitud, en algunas algas pardas.


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Desde el punto de vista antropocéntrico las algas tienen gran importancia, dado que se han usado por centurias, con múltiples aplicaciones: como comida directa, complementos alimenticios, alimento para animales, fertilizantes de suelos, fuente de energía para la producción de metano, medicinas, para industria cosmética e insumos de laboratorio, entre otras.

Las algas microscópicas inmersos en los ecosistemas acuáticos se ven influenciadas directamente por factores abióticos como la temperatura, la profundidad, el pH, la transparencia o penetración de la luz, entre otros. La longitud de onda de luz que penetra las diversas capas en un ecosistema acuático es un factor que condiciona la vida del mismo, haciendo fluctuar la abundancia y diversidad del fitoplancton y de los sistemas vivos inmersos que dependen de él.

PROBLEMA.

Por todo lo anterior el grupo de trabajo experimentó con la longitud de onda de la luz que recibe un sistema acuático controlado, para conocer el impacto que tiene este factor abiótico, en el desarrollo poblacional de algas dulceacuícolas, las cuales forman la bases de las cadenas tróficas en estos ecosistemas naturales.

OBJETIVOS. o Reconocer la importancia que tienen las algas microscópicas en los

ecosistema. o Observar el efecto que tiene la longitud de onda sobre el crecimiento

poblacional de las algas en los sistemas de cultivo. o Conocer algunos de los principales factores físicos y químicos que

intervienen en el desarrollo del fitoplancton. o Reconocer e identificar las distintas especies que se pueden presentar en

cultivos de agua dulce. o Practicar algunos de los conceptos propios de la asignatura de Biolgía

mediante el desarrollo de un proyecto de investigación experiemntal (Aprendizae Basado en Proyectos –ABPy-).


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HIPÓTESIS:

El espectro de luz visible abarca los colores violeta, azul, verde, amarillo y rojo, correspondiente a un rango entre 380 y 750 nm. La clorofila, molécula fotosintética, presenta un espectro de mayor absorción o utilización de la energía luminosa hacia el color violeta (450 nm) y al rojo (675 nm) (Victoria, Fisicanet en línea, consultada en marzo de 2011)2. Por lo que consideramos que al realizar cultivos de algas clorófitas dulceacuícolas, en botellas pintadas de los colores: rojo, azul, verde, y negro; tendrán un crecimiento poblacional diferente con relación a las botella trasparentes, que recibe el total del espectro de luz. Consideramos que las botellas de color rojo experimentarán el mayor crecimiento poblacional de las algas cultivadas, después del cultivo de las botellas transparentes.

DESARROLLO.

El diseño y la puesta en operación del presente trabajo experimental se realizó a partir del mes de septiembre de 2010. El diseño consintió en realizar un sistema de cultivo de algas microscópicas en el laboratorio de Biología, mediante un sistema diseñado por uno de los profesores asosore. Este consiste en un grupo de botellas colocadas de forma invertida sobre una base tipo tri-píe, para permitir un mayor movimiento del agua del sistema y mantenerlas a flote, mediante el ingreso de aire atmosférico, impulsado al interior de las botellas a través de una bomba de aire, como se muestra en la figura siguiente.

Figura 1 sistema de cultivo de algas dulceacuícolas en el laboratorio de Biología.


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El primer paso consistió en conseguir y pintar de colores, botellas de plástico de 10 L de capacidad, según lo planeado por el grupo; con la ayuda de pinceles y pinturas vinílicas se pintaron un par de botellas de cada color: negro, verde, azul y rojo; en un segundo momento experimental se incluyo el grupo control sin pintar (transparente o incoloro).

Una vez seca la pintura en las botellas, se les agregó 9 litros de agua del grifo del laboratorio y se procedió a colocarles el mecanimo de aireación. Ya instaladas en el lugar de cultivo se les agregó la misma cantidad de abono inorgánico (1 gramo) de la marca FERTIDAN con N:P:K = 18:15:17, para estimular el crecimiento de las algas.

Posteriormente se midieron los parámetro físico-químicos: temperatura (ºC con un sensor de temperatura), pH (con un potenciómetro de campo) e intensidad luminosa (Lux – con un sensor de luz). Una vez conocido el valor de pH el cual fue de 8.43 se procedió a bajar este parámetro a un valor muy próximo a 7.0 agregando por goteo (por titulación) ácido fosfórico, con el potenciómetro inserto en el medio, hasta alcanzar el pH antes mencionado. Este procedimiento se realizó por tres días (una cada día) dada la capacidad de amortiguamiento que presenta el agua de manera natural.

Una vez preparado el sistema se inoculó 100 ml de un concentrado de algas que los profesores tutores tienen en el laboratorio de algunos años atrás, extraídos de ecosistemas “naturales” como el Lago de Guadalupe y la Laguna de Zumpango. Una vez agregadas las algas en cada uno de los sistemas con 2 botellas por lote experimental, se dio por inició el experimento y comenzó el conteo de las algas en cada uno de ellas, lo anterior a partir del día 11 de noviembre de 2010.

El conteo se realizó con la ayuda de un microscopio óptico, de campo claro marca Carl Zeiss – Axiostar y una cámara de Neubauer; este se realizó por espacio aproximado de 22 días para el primer momento experimental, entre los meses de noviembre a diciembre. Los parámetros físicos y químicos fueron medidos de igual forma y registrados en la bitácora correspondiente.

El modelo experimental se ajusto en algunos detalles y se volvió a poner en practica para los meses de febrero y marzo de 2011. Los ajustes consistieron en el ingreso de un par de botellas sin pintar y el pitado con pintura de aceite en latas de spray, para fijar mejor el color de cada una las botellas y se emplearon los mismos colores utilizados en la primera etapa experimental.


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RESULTADOS

Parámetros físico químicos noviembre - diciembre

Temperatura

La temperatura al interior del sistema se mantuvo en un rango entre 23 y 27 ºC durante los 22 días, observando un comportamiento similar y coherente en todos los sistemas, dado que se mantuvieron en iguales condiciones ambientales en el Invernadero del Colegio.

La gráfica siguiente muestra los promedios de temperatura registrados a largo del periodo de crecimiento poblacional de las algas. Los colores corresponden al tipo de longitud de onda recibido en el sistema por el color de la pintura empleada.

Temperatura de los sistemas experimentales, durante el cultivo de algas dulceacuícolas.

Figura 2. Comportamiento de la temperatura en los sistemas de cultivo, nótese que el máximo de temperatura fue de 28 y el mínimo de 23 ºC.

pH

En cuanto al parámetro químico de pH, este registró una oscilación entre 6.5 a 8.0, observándose un comportamiento similar entre los sistemas de cultivo de color rojo, azul y verde. El sistema en color negro presentó un máximo de pH al día 12 de cultivo como se muestra en la siguiente figura.


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Comportamiento del pH de los sistemas experimentales durante la primera etapa del cultivo de algas dulceacuícolas.

Figura 3. Comportamiento del pH en los sistemas de cultivo, nótese que el máximo de pH fue de 8 y se presento en el sistema en color negro.

Luz (lux = lumen/m2)

Se midió la intensidad luminosa al interior de los depósitos de colores. Observándose un máximo promedio 45 lux en los depósitos de color azul, al inicio de la toma de registros. Se puede notar que posteriormente se presenta un comportamiento descendente en la intensidad luminosa al interior de los depósitos, registrándose 6.9, 17.1 y 20 lux para los colores verde, rojo y azul respectivamente.


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Comportamiento de la intensidad luminosa (lux) en los sistemas experimentales durante la primera etapa del cultivo

de algas dulceacuícolas.

Figura 4. Comportamiento de la intensidad luminosa (lux) en los sistemas de cultivo. Nótese que los depósitos de color negro promediaron la menor intensidad durante los 22 día del experimento.

En el gráfico anterior puede notarse que los deposito de color negro, en comparación con los depósitos de color registraron una intensidad luminosa menor, a lo largo de todo el experimento, registrando al inicio y al final del mismo, 10.5 y 5.9 lux respectivamente .

Crecimiento poblacional de las algas.

En cuanto al crecimiento poblacional de las algas cultivadas pudo notarse un comportamiento ascendente en el número en cada uno de los sistemas, con excepción del pintado de color negro, el cual manifestó un decremento, como se puede notar en la siguiente gráfica.


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Crecimiento poblacional de las algas dulceacuícolas durante la primera etapa, en los sistemas experimentales.

Figura 5. Crecimiento poblacional de las algas en los sistemas de cultivo después de 22 días de crecimiento. Las líneas punteadas corresponden a los valores experimentales y

las continuas al ajuste de la tendencia observada.

La gráfica anterior presenta un comportamiento similar en el crecimiento poblacional de las algas, en las botellas pintadas con los colores azul, rojo y verde; para el caso del los colores azul y rojo la diferencia no es tan notable.

Cabe señalar que para fines prácticos se registró el número promedio de algas observadas en la cuadricula de la cámara de Neubauer, pero debe tomarse en cuenta que el resultado registrado debe ser multiplicado por 10,000, de tal forma que el pico máximo registrado en la gráfica anterior corresponde a 600,000 algas unicelulares (o coloniales según sea el caso) por mililitro (mL)

Para la segunda etapa del experimento después de realizar los ajustes antes mencionados, se obtuvieron los siguientes resultados:

Los registros realizados hasta el momento fueron obtenidos durante el periodo que abarca del 24 de febrero al 13 de marzo de 2011. En este lapso al igual que el anterior, de se midieron los parámetros físico químicos: luz, pH, y temperatura; también se llevó acabo el conteo de las algas con la ayuda de la cámara de


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Neubauer. Cabe señalar que aunque se encontraron tres a cuatro géneros de algas; el género dominante fue Chlorella, por lo que por recomendación del los profesores asesores, se decidió presentar el total del conteo dada la diferencia abismal entre este genero y los otros encontrados: Scenedesmus sp, Pediastrum sp y Cosmarium sp.:

Scenedesmus sp.

Pediastrum sp.

Chlorella sp.

Cosmarium sp.

Luz (lux = lumen/m2)

En la siguiente gráfica se presenta el comportamiento de la intensidad lumínica (medida en lux = lumen /m2) en cada uno de los sistemas experimentales utilizados.


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Comportamiento de la intensidad luminosa (lux) en los sistemas experimentales durante la segunda etapa del cultivo de algas

dulceacuícolas.

Figura 6. Comportamientos de la intensidad luminosa en los sistemas de cultivo. Se presenta también las líneas de tendencia.

En la gráfica anterior se puede apreciar la disminución de la transparencia de forma notable en los sistemas de cultivo tincoloros, es decir aquellos que reciben el espectro luz completo. Para el caso del resto de los sistemas de cultivo, la variación no es tan palpable; sólo la línea roja, muestra un apreciable decremento de la intensidad lumínica, al pasar de 150 a 50 lux.

pH

El comportamiento del pH presentó ligeras variaciones en los lotes experimentales rojo, verde y negro, oscilando en un rango de pH entre 7 y 8, como lo muestra la siguiente gráfica. En esta también se observa un variación de dos puntos de pH en los lotes experimentales incoloros o transparentes y el azul, oscilando en valores de 5.8 a 7.8 con un comportamiento similar entre ambos lotes.


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Comportamiento del pH de los sistemas experimentales durante la segunda etapa del cultivo de algas dulceacuícolas.

Figura 7. Variación del pH en los sistemas de cultivo de la segunda etapa. Nótese una variación de similar entre los cultivos azul y trasparente.

Temperatura

Temperatura en los sistemas experimentales, durante la segunda etapa del cultivo de algas dulceacuícolas.

Figura 8. En esta gráfica se presenta la variación de temperatura de los distintos sistemas experimentales.


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En la gráfica anterior se muestran los registros de temperatura para la segunda etapa del experimento; esta presenta una variación entre los 22 y 27 grados centígrados de forma general, sin embargo, es posible observar una variación a la baja de 28 a 22 ºC en las botellas con los colores azul y trasparente.

Finalmente al realizar los conteos de las algas en cada uno de los sistemas en la segunda etapa, se observaron los siguientes resultados:

Crecimiento poblacional de las algas.

Crecimiento poblacional de las algas dulceacuícolas durante la segunda etapa, en los sistemas experimentales.

Figura 9. En la gráfica se observa la variación de crecimiento poblacional de las algas entre los distintos cultivos, puede notarse un incremento continuo conforme pasaron los

días.

En la gráfica anterior es posible observar la diferencia en el crecimiento de las algas en cada uno de los lotes experimentales; presentándose un mayor crecimiento en los sistemas trasparentes, seguidos por los rojos, verdes, azules y negros respectivamente. Cabe mencionar que los registros presentados deben multiplicarse por 10,000, para obtener el número real de algas por mL.


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ANÁLISIS E INTERPRETACIÓN DE RESULTADOS.

El cultivo de algas dulceacuícolas en sistemas controlados es un modelo que permite comprender el comportamiento de las poblaciones de algas en los sistemas naturales. Las algas microscópicas presentan un rápido crecimiento poblacional, cuando las condiciones ambientales son favorables. Uno de los aspectos de relevancia para promover la reproducción de las algas, es la disponibilidad de luz, que le permita realizar la fotosíntesis al captar la energía y trasformarla en ATP y posteriormente en moléculas orgánicas que utilizará en la construcción de complejos moleculares, que servirán de bloques para generar nuevas células (Botanical – online, 20113; Raven, 19914).

El espectro de luz visible provee de la energía suficiente para que las moléculas de clorofila capten la luz y esta sea trasformada en compuestos orgánicos, permitiendo con ello el desarrollo de las poblaciones del fitoplancton (Raven op. cit.). Tal es el caso de los resultados observados en la segunda etapa del experimento realizado en el presente proyecto, donde es posible observar un crecimiento acelerado en los sistemas trasparentes de 20,000 individuos hasta 1 x 105 (1,600,000) por mL.

Es hasta la segunda etapa del cultivo donde se puede apreciar claramente las diferencias en la influencia de la longitud de onda de la luz sobre el crecimiento de las algas. Lo anterior debido a que en la primera etapa los resultados manifiestan una similitud en el crecimiento poblacional de las algas en los sistemas de color azul, rojo y verde. Lo que dejaba ver que la hipótesis planteada debía ser rechazada. Sin embargo tras un análisis entre los miembros del grupo de trabajo (alumnos y profesores) se hizo notar que el deterioro de la pintura vinílica en los sistemas de cultivo de la primera etapa, estaban afectando los resultados obtenidos hasta el momento.

Por lo anterior se decidió realizar una segunda etapa de experimentación ajustando las variables no controladas del todo y previendo las extrañas que pudiesen afectar los resultados experimentales. En esta segunda etapa se muestra que el color rojo del espectro visible es un impulsor del mecanismo fotosintético con una longitud de onda de 660 nm; para aquellos organismos que utilizan pigmentos fotosintéticos del tipo de la clorofila. Ya que según Solomon, (2001)5 y ABC eurocervicios, (consultada en 2011)6; la molécula de clorofila muestra dos picos máximos de absorción a los 430 (color violeta) y 662 nm (color rojo).

En la figura 9 es posible observar el efecto de dicha longitud de onda sobre el crecimiento de Chlorella sp. en los sistema de cultivo, logrando un crecimiento


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rápido en sólo 13 días, con 11 x 105 células o individuos por mL. A nivel físico, es notable el color verde que se observa en el sistema pintado de rojo, si bien es menor al transparente, se nota la presencia de algas microscópicas.

Los autores antes citados manifiestan también que los colores verde azul y amarillo son más reflejados por las plantas que son verdes, en este caso algas, ya que son estas longitudes de onda, las menos absorbidas por los pigmentos fotosintéticos predominantes en estos organismos.

El efecto del crecimiento poblacional de las algas microscópicas también se puede observar en los gráficos de intensidad lumínica, que puede ingresar a los sistemas experimentales. En la figura 6 se nota el decremento en la intensidad lumínica, medida en lux; sobre todo en los sistemas incoloro y los rojos. Lo que es congruente, ya que al presentar un mayor crecimiento en las poblaciones de algas estas absorben buena parte de la luz que logra penetrar al sistema, por lo que el sensor empleado registra una menor intensidad de este parámetro físico.

En los sistemas naturales el acumulo de organismos fotosintéticos puede provocar la eutroficación de los lagos, presas y otros cuerpos de agua lóticos (aguas estancadas), provocando alteraciones en parámetros físicos y químicos que afectan a otro sistemas vivos de dichos ecosistemas; variaciones de pH, oxígeno disuelto dióxido de carbono y turbidez, son algunos de los parámetro afectados por una perturbación de esta naturaleza.

El incremento de sustancias de desecho como la materia orgánica y los nutrientes, provoca dicho desequilibrio en los sistemas naturales por lo que debe de tenerse mucho cuidado con el destino de los residuos generados por la población humana que vierte sus desechos a ríos y lagos que están próximos a sus ciudades y pueblos1.

Cabe señalar que los factores de pH y temperatura controlados en el presente experimento favorecieron el desarrollo poblacional de la lagas cultivadas, ya que estos parámetros se reportan como óptimos para algas del tipo de las clorófitas. Por lo que el efecto experimental de la longitud de onda fue el factor que determinó las diferencias observadas en el crecimiento de las algas dulceacuícolas en el cultivo realizado.


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CONCLUSIONES

Las algas microscópicas juegan un papel vital en el desarrollo de los ecosistemas acuáticos, su crecimiento es afectado por diversos factores como la disponibilidad de nutrientes y la cantidad (tiempo) e intensidad lumínica, de la luz que llega al sistema. Es el color rojo correspondiente a 660 nm, un impulsor de el mecanismo autotrofo de las algas con pigmentos fotosintéticos del tipo de las clorofilas. Dicha longitud de onda permite la formación de materia orgánica dentro de la planta o alga, para satisfacer su requerimientos metabólicos de mantenimiento y reproducción, provocando con ello el crecimiento rápido de las poblaciones de algas. Este último indispensable para el mantenimiento de las cadenas tróficas en estos ecosistemas.

Las perturbaciones en los ecosistemas naturales alteran cualquiera de los parámetros físicos y químicos que afectan el desarrollo del fitoplancton alterando a su vez su crecimiento poblacional, convirtiéndolo en un grave problema de salud para el sistema mismo y para las personas que habitan y o dependen directa o indirectamente de este recurso natural.

La realización de este tipo de trabajos experimentales, nos permite valorar la importancia de la comprensión de las relaciones entre los factores físicos, químicos y biológicos que rigen el equilibrio dinámico de los ecosistemas, de los cuales obteneos los recursos necesarios para mantener nuestra forma de vida. Es indispensable valorar las acciones que realizamos, para alterar en lo mínimo posible los patrones vitales de los ecosistemas que nos rodean.


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BIBLIOGRAFÍA

1. Skewes, R. O. Apuntes Ecología MV y AG U. De Concepción. CAPITULO 3: LA ENERGÍA EN LOS SISTEMAS ECOLÓGICOS

2. Victoria, N. D. “Fisicanet” en línea. Apuntes de clase - Facultad de Agronomía - U.B. basados en A. Lehninger, D, Nelson y M. Cox. "Principios de bioquímica". Editorial Omega, 2000. Helena Curtis - N. Sue Barnes. "Biología". Sexta edición en español. tp://www.fisicanet.com.ar/biologia/metabolismo/ap18_la_luz.php

3. Hernández, G. R. PHD Libro Botánica OnLine. Departamento de Botánica, Facultad de Ciencias Forestales y Ambientales. Universidad de Los Andes - Mérida – Venezuela. Ultima actualización Julio de 2011. Consultada en Marzo de 2011. http://www.forest.ula.ve/~rubenhg/fotosintesis/ 4 Raven P. H, Evert. R. Eichhorn. S. (1991). Biología de las plantas. Reverté. España. p.p 95 -112 5. Solomon, E. P., et al. Biología. (2001) 5ª Ed. McGrawHill – Interamericana. México. 6. ABC Eurocervicios en línea http://www.abc-lite.com/WebRoot/StoreES2/Shops/eb5373/MediaGallery/Informacion-_Descargas/Fotosintesis_y_Espectro_de_LUZ.pdf. Consultada en marzo de 2011

7. El mundo de las plantas. Botanical-online SL Copyright 1999-2011. Consultado en marzo de 2011. http://www.botanical-online.com/fotosintesis.htm