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5 de Agosto de 2020
Biofísica

¿Por qué son verdes las plantas? Para reducir el ruido de la fotosíntesis

Las plantas ignoran la parte más rica en energía de la luz solar porque la estabilidad importa más que la eficiencia, según un nuevo modelo de la fotosíntesis.

Las plantas terrestres son verdes porque sus pigmentos fotosintéticos reflejan la luz verde aunque esas longitudes de onda son las que comprenden más energía. Al fin se ha sabido la razón de esto [Olena Shmahalo/Quanta Magazine].

De los grandes árboles de la jungla amazónica a las plantas de casa o las algas clorófitas, el verde es el color que domina en el reino de las plantas. ¿Por qué el verde, y no el azul, el morado o el gris? La simple respuesta es que las plantas, pese a que absorben casi todos los fotones de las regiones azul y roja del espectro de la luz, absorben solo alrededor del 90 por ciento de los fotones verdes. Si absorbiesen más, las veríamos negras. Las plantas son verdes porque la pequeña cantidad de luz que reflejan es verde.

Pero esto parece un derroche insatisfactorio, ya que la mayor parte de la energía que radia el Sol corresponde a la parte verde del espectro. Los biólogos, cuando se les aprieta para que den más explicaciones, a veces dicen que puede que la luz verde sea demasiado potente para que las plantas la usen sin que les dañe, pero la razón dista de estar clara. Tras muchos años de investigaciones moleculares sobre la maquinaria que cosecha la luz para las plantas, no se había podido establecer una explicación detallada del color de las plantas.

Sin embargo, hace poco unos científicos han ofrecido en las páginas de Science una respuesta más completa. Crearon un modelo para explicar por qué la maquinaria fotosintética de las plantas desperdicia la luz verde. Lo que no se esperaban es que su modelo fuese a explicar además los colores de otras formas fotosintéticas de vida. Sus hallazgos apuntan a un principio evolutivo que rige sobre los organismos cosechadores de luz y que podría ser aplicable por todo el universo. Ofrecen además esta lección: a la evolución, al menos a veces, le preocupa menos hacer que los sistemas sean eficientes que el mantenerlos estables.

Nathaniel Gabor, físico de la Universidad de California, Riverside, se topó con el misterio del color de las plantas hace años, mientras terminaba su doctorado. Sus trabajos sobre la absorción de la luz por los nanotubos de carbono le llevaron a pensar sobre cómo podría ser el colector solar ideal, uno que absorbiese el pico de energía del espectro solar. «Ese dispositivo de estrecha absorción debería obtener la mayor parte de su potencia de la luz verde», dice. «Y entonces se me ocurrió inmediatamente que las plantas hacen justo lo contrario. Escupen luz verde».

En 2016, Gabor y sus colaboradores modelizaron las mejores condiciones para una célula fotoeléctrica que regule el flujo de energía. Pero para aprender por qué las plantas reflejan la luz verde, Gabor y un equipo del que era miembro Richard Cogdell, botánico de la Universidad de Glasgow, prestaron una mayor atención a lo que sucede durante la fotosíntesis como un problema de la teoría de redes.

El primer paso de la fotosíntesis se da en un complejo cosechador de luz, una madeja de proteínas en la que están inmersos pigmentos y que forma una antena. Los pigmentos (en las plantas verdes, la clorofila) absorben la luz y transfieren la energía a un centro de reacción, donde empieza la producción de energía química para su uso por las células. La eficiencia de esta primera etapa mecanicocuántica es casi perfecta: casi toda la luz absorbida se convierte en electrones que puede utilizar el sistema.

Pero este complejo a modo de antena de dentro de las células no para de moverse. «Es como una gelatina», dice Gabor. «Estos movimientos afectan a cómo fluye la energía a través de los pigmentos» e introducen ruido e ineficiencia en el sistema. Las rápidas fluctuaciones de la intensidad de la luz que incide sobre las plantas (debidas, por ejemplo, a cambios en la sombra) hacen que también lo que les entra tenga ruido. Para la célula, lo mejor es un ingreso constante de energía eléctrica acoplado a una salida constante de energía química. Si no llegan suficientes electrones al centro de reacción puede fallar la energía, mientras que «un exceso de energía hará que haya radicales libres y todo tipo de efectos de sobrecarga» que dañarán los tejidos, dice Gabor.

Gabor y su equipo crearon un modelo de los sistemas cosechadores de luz de las plantas y lo aplicaron al espectro solar medido bajo un dosel de hojas. Su trabajo dejó claro por qué lo que funciona con las células solares de nanotubos no funciona con las plantas: sería muy eficiente especializarse en recolectar justo el pico de energía, en la luz verde, pero perjudicaría a las plantas porque, cuando la luz solar oscilase, el ruido de la señal de entrada fluctuaría demasiado violentamente para que el complejo pudiese regular el flujo de energía. 

Un nuevo modelo predice que los fotosistemas de las plantas verdes, para ser estables, tienen que absorber sobre todo las longitudes de onda de la luz roja y azul. Los pigmentos clorofílicos de las plantas verdes se comportan de una manera muy similar al modelo. La gráfica muestra los picos predichos y la línea verde, la absorción de luz por las plantas verdes. El espectro solar aparece en gris; el eje vertical mide la intensidad de la luz [Samuel Velasco/<em>Quanta Magazine</em>. Fuente: Trevor B. Arp et al.].

Para que la producción de energía por el sistema fuese segura y constante, los pigmentos del fotosistema tenían que estar afinados en cierta forma con mucha delicadeza. Los pigmentos debían absorber la luz de longitudes de onda parecidas para reducir el ruido interno. Pero tenían además que absorber luz a ritmos diferentes para amortiguar el ruido externo causado por las idas y venidas de la intensidad de la luz. La mejor luz que los pigmentos podían absorber, pues, era la perteneciente a las partes más empinadas de la curva de intensidad del espectro solar: las partes roja y azul del espectro.

Las predicciones del modelo concordaban con los picos de absorción de la clorofila a y b, que las plantas verdes usan para cosechar la luz roja y azul. Parece que la maquinaria de la fotosíntesis evolucionó no para obtener la máxima eficiencia, sino para que la producción fuese suave y fiable de un modo óptimo. 

Cogdell no estaba convencido del todo al principio de que este enfoque valiese para otros organismos fotosintéticos, como las bacterias púrpura y las bacterias verdes del azufre, que viven bajo el agua y les deben el nombre a los colores que reflejan sus pigmentos. Al aplicar el modelo a la luz solar disponible donde viven esas bacterias, los investigadores predijeron dónde tenían que estar los picos óptimos de absorción. Una vez más, sus predicciones coincidieron con la actividad de los pigmentos de las células.

«Cuando comprendí lo fundamental que era esto, me vi mirándome en el espejo y pensando: ¿cómo pude ser tan tonto que no pensase en ello antes?», dice Cogdell.

(Hay plantas que no parecen verdes, por ejemplo las hayas de hoja roja, porque contienen pigmentos como los carotenoides. Pero esos pigmentos no son fotosintéticos: su papel típico es el de proteger las plantas, ser una especie de bloqueador solar que les amortigua los cambios lentos de su exposición al sol.)

«Es extraordinariamente impresionante, creo, que se explique una pauta biológica con un modelo físico increíblemente simple», dice Christopher Duffy, biofísico de la Universidad Queen Mary de Londres, que escribió un comentario que acompañaba la publicación del modelo en Science. «Es hermoso ver un trabajo orientado teóricamente que entiende y promueve la idea de que la robustez del sistema parece ser la fuerza evolutiva motriz».

Los investigadores esperan que el modelo valga para diseñar paneles solares mejores y otros dispositivos solares. Aunque la eficiencia de la tecnología fotovoltaica ha avanzado bastante, «yo diría que no es un problema resuelto en lo que se refiere a la robustez y aplicación a diferentes escalas, algo que las plantas sí han resuelto», según Gabriela Schlau-Cohen, química física del Instituto de Tecnología de Massachusetts.

Gabor piensa también en aplicar el modelo a la vida de fuera de la Tierra. «Si tuviese otro planeta y supiese cómo era su estrella, ¿podría adivinar cómo sería allí la vida fotosintética?», se pregunta. En el programa informático de su modelo, que está disponible públicamente, hay una opción para hacer precisamente eso con cualquier espectro que se escoja. Por ahora, el ejercicio es puramente hipotético. «En los veinte años que vienen, es probable que tengamos datos suficientes sobre un exoplaneta para poder [responder] esa pregunta», dice Gabor.

Rodrigo Pérez Ortega/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencia: «Quieting a noisy antenna reproduces photosynthetic light-harvesting spectra», de Trevor V. Arp et al., en Science, volumen 368, número 6498, págs. 1490-1495; puede leerse la prepublicación, arXiv:1912.12281 [physics.bio-ph].

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