¿Por qué las plantas son verdes?

Un equipo internacional de científicos ha descubierto la razón por la que las plantas son verdes y se debe al modo en que transforman la energía de la luz en energía química, según explican en revista Science.

Cuando la luz del sol que brilla en una hoja cambia rápidamente, las plantas deben protegerse de las repentinas oleadas de energía solar. Para hacer frente a estos cambios, los organismos fotosintéticos, desde las plantas hasta las bacterias, han desarrollado numerosas tácticas. Sin embargo, los científicos no han podido identificar el principio de diseño.

Un equipo de científicos, dirigido por el físico Nathaniel M. Gabor, de la Universidad de California, ha construido un modelo que reproduce una característica general de la recolección de luz fotosintética, observada en muchos organismos fotosintéticos.

Las plantas recogen la energía solar mediante moléculas de clorofila unidas a proteínas. En la fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas verdes y algunos otros organismos usan la luz solar para sintetizar los alimentos a partir del dióxido de carbono y el agua, la recolección de energía luminosa comienza con la absorción de la luz solar.

El modelo de los investigadores toma ideas de la ciencia de las redes complejas, un campo de estudio que explora la operación eficiente en redes de teléfonos celulares, cerebros y la red eléctrica. El modelo describe una red simple que es capaz de ingresar luz de dos colores diferentes y, sin embargo, generar una tasa constante de energía solar. Esta elección inusual de solo dos entradas tiene consecuencias notables.

"Nuestro modelo muestra que al absorber solo colores de luz muy específicos, los organismos fotosintéticos pueden protegerse automáticamente contra cambios repentinos o 'ruido' en la energía solar, resultando en una conversión de energía notablemente eficiente", explica Gabor, profesor asociado de Física y Astronomía y director del estudio.

"Las plantas verdes aparecen verdes y las bacterias púrpuras aparecen púrpuras porque solo las regiones específicas del espectro del que absorben son adecuadas para la protección contra la energía solar que cambia rápidamente", añade.

Gabor comenzó a pensar en la investigación de la fotosíntesis hace más de una década, cuando era estudiante de doctorado en la Universidad de Cornell. Se preguntó por qué las plantas rechazaban la luz verde, la luz solar más intensa. Con los años, trabajó con físicos y biólogos de todo el mundo para aprender más sobre los métodos estadísticos y la biología cuántica de la fotosíntesis.

Richard Cogdell, un reconocido botánico de la Universidad de Glasgow en el Reino Unido y coautor del trabajo de investigación, alentó a Gabor a ampliar el modelo para incluir una gama más amplia de organismos fotosintéticos que crecen en entornos donde el espectro solar incidente es muy diferente.

“Con gran emoción pudimos demostrar que el modelo funcionaba en otros organismos fotosintéticos además de las plantas verdes, y que el modelo identificaba una propiedad general y fundamental de la recolección de luz fotosintética -destaca-. Nuestro estudio muestra cómo, al elegir dónde absorbe la energía solar en relación con el espectro solar incidente, puede minimizar el ruido en la salida, información que puede utilizarse para mejorar el rendimiento de las células solares”.

El coautor Rienk van Grondelle, un influyente físico experimental de la Vrije Universiteit Amsterdam, en los Países Bajos, que trabaja en los procesos físicos primarios de la fotosíntesis, resalta que el equipo encontró que los espectros de absorción de ciertos sistemas fotosintéticos seleccionan ciertas regiones de excitación espectral que cancelan el ruido y maximizan la energía almacenada.

"Este principio de diseño muy simple también podría aplicarse en el diseño de células solares artificiales", añade van Grondelle, quien tiene una vasta experiencia en la recolección de luz fotosintética.

Gabor explica que las plantas y otros organismos fotosintéticos tienen una amplia variedad de tácticas para evitar daños debido a la sobreexposición al sol, que van desde mecanismos moleculares de liberación de energía hasta el movimiento físico de la hoja para seguir al sol. Las plantas incluso han desarrollado una protección efectiva contra la luz UV, al igual que en el protector solar.

“En el complejo proceso de la fotosíntesis, está claro que proteger al organismo de la sobreexposición es el factor que impulsa la producción exitosa de energía, y esta es la inspiración que usamos para desarrollar nuestro modelo”, agrega.

"Nuestro modelo incorpora una física relativamente simple, sin embargo, es consistente con un amplio conjunto de observaciones en biología --continúa--. Esto es notablemente raro. Si nuestro modelo soporta los continuos experimentos, podemos encontrar aún más acuerdo entre la teoría y las observaciones, lo que da una visión más rica de el funcionamiento interno de la naturaleza".

Para construir el modelo, Gabor y sus colegas aplicaron la física directa de las redes a los detalles complejos de la biología, y pudieron hacer declaraciones claras, cuantitativas y genéricas sobre organismos fotosintéticos muy diversos.

"Nuestro modelo es la primera explicación impulsada por la hipótesis de por qué las plantas son verdes, y damos una hoja de ruta para probar el modelo a través de experimentos más detallados", asegura Gabor.

En este sentido, agrega que la fotosíntesis puede considerarse como un fregadero de la cocina, donde un grifo ingresa agua y un desagüe permite que el agua salga. Si el flujo hacia el fregadero es mucho mayor que el flujo hacia afuera, el fregadero se desborda y el agua se derrama por todo el suelo.

"En la fotosíntesis, si el flujo de energía solar hacia la red de captación de luz es significativamente mayor que el flujo de salida, la red fotosintética debe adaptarse para reducir el repentino desbordamiento de energía --prosigue--. Cuando la red no logra manejar estas fluctuaciones, el organismo intenta expulsar la energía extra. Al hacerlo, el organismo sufre estrés oxidativo, que daña las células".

Los investigadores se sorprendieron por lo general y simple que es su modelo. "La naturaleza siempre te sorprenderá --reconoce Gabor--. Algo que parece tan complicado y complejo podría operar en base a unas pocas reglas básicas. Aplicamos el modelo a organismos en diferentes nichos fotosintéticos y continuamos reproduciendo espectros de absorción precisos. En biología, hay excepciones a cada regla, tanto que el hallazgo una regla suele ser muy difícil. Sorprendentemente, parece que hemos encontrado una de las reglas de la vida fotosintética".

Gabor señala que en las últimas décadas, la investigación de la fotosíntesis se ha centrado principalmente en la estructura y función de los componentes microscópicos del proceso fotosintético.

“Los biólogos saben bien que los sistemas biológicos generalmente no están bien ajustados dado el hecho de que los organismos tienen poco control sobre sus condiciones externas -añade-. Esta contradicción no se ha abordado hasta ahora porque no existe un modelo que conecte los procesos microscópicos con las propiedades macroscópicas. Nuestro trabajo representa el primer modelo físico cuantitativo que aborda esta contradicción”.

Ahora, con el apoyo de varias subvenciones recientes, los investigadores diseñarán una nueva técnica de microscopía para probar sus ideas y avanzar en la tecnología de los experimentos de fotobiología utilizando herramientas de óptica cuántica. “Hay mucho que entender sobre la naturaleza, y solo se ve más hermoso a medida que desentrañamos sus misterios”, concluye Gabor.