Las plantas están a nuestro alrededor. Es fácil acostumbrarse a su presencia. Pero imaginemos un mundo sin hierbas y árboles verdes, un planeta cubierto por el desierto. ¿Podríamos sobrevivir? Las plantas son una parte integral de nuestro entorno, y proporcionan el alimento, el oxígeno y las fibras de las que dependemos para sobrevivir. Y su capacidad de fotosíntesis es uno de los fenómenos más sorprendentes y esenciales de la naturaleza.
Esto es algo que Alessia Para Gallio, profesora asistente de investigación en Northwestern y en el Jardín Botánico de Chicago, conoce bien. Completó su máster en Ciencias Biológicas en la Universidad de Pavía, Italia, y obtuvo su doctorado en Botánica Fisiológica en la Universidad de Uppsala, Suecia, con una tesis sobre el desarrollo de las plantas. Sus intereses de investigación actuales incluyen el reloj circadiano y la nutrición mineral en las plantas.
Ciencia en Sociedad habló con Para Gallio sobre la importancia de la fotosíntesis, y el papel que desempeña en su investigación.
A nivel básico, ¿qué es la fotosíntesis?
La fotosíntesis es el proceso por el cual la energía luminosa del sol es absorbida y convertida en compuestos orgánicos. Los compuestos orgánicos son básicamente diferentes formas de azúcar. Se metabolizan y luego se extrae energía de ellos. Y estas formas de energía pueden luego ser utilizadas por sistemas biológicos como nosotros, por ejemplo, y los animales en general.
¿Qué ocurre cuando los pigmentos absorben la luz solar?
Los pigmentos son moléculas especiales que participan en la recolección de la luz del sol. Cuando se hace brillar la luz sobre un pigmento, la absorción de fotones puede energizar los electrones y hacerlos pasar de un estado de baja energía a uno de mayor energía. Para volver al estado de baja energía, la energía se desprende rápidamente en forma de calor, luz, fosforescencia o, en el caso de los pigmentos fotosintéticos, puede transferirse a otra molécula de pigmento como la clorofila.
¿Qué papel desempeña la clorofila?
La clorofila es probablemente el pigmento que más luz absorbe, no sólo en las plantas, sino también en las algas y las bacterias. Cuando la clorofila se excita, libera un electrón a un aceptor de electrones, iniciando una cadena de transporte de electrones. Esto significa que los electrones se transfieren del donante (reductor) al aceptor (oxidante), que tiene un nivel de energía ligeramente inferior.
Durante la transferencia de electrones, los protones (es decir, los iones de hidrógeno) son bombeados a través de la membrana de los cloroplastos, los orgánulos especializados donde tiene lugar la fotosíntesis. Por tanto, los cloroplastos funcionan como pequeñas baterías, con un potencial diferente en cada lado, y esta diferencia se utiliza para crear energía.
¿Por qué es importante la fotosíntesis? Qué pasaría si no la tuviéramos?
Las plantas, las algas y las bacterias son los únicos organismos que pueden recoger la luz solar y utilizar la energía para convertir el CO2 (dióxido de carbono) en materia orgánica. El dióxido de carbono es uno de los principales contaminantes del aire, por lo que los organismos fotosintéticos mantienen el aire limpio. En el proceso, producen oxígeno, que constituye una parte importante del aire que respiramos, por lo que menos plantas significa menos reciclaje de dióxido de carbono y menos producción de oxígeno. Las plantas también nos dan comida y fibras para hacer ropa y sin la fotosíntesis, no podríamos mantener la vida que estamos viviendo.
¿Qué papel juega la fotosíntesis en su investigación?
Me interesan dos temas principales. Uno es la nutrición mineral de las plantas en general y el nitrógeno en particular. El metabolismo del nitrógeno está estrechamente ligado a la fotosíntesis porque uno de los productos de la asimilación del nitrógeno, el glutamato, es la fuente de la clorofila. Y los azúcares que se producen en la fotosíntesis se utilizan para fabricar glutamato y otros aminoácidos.
Uno de los primeros signos de deficiencia de nitrógeno es la clorosis, una condición en la que las hojas se vuelven amarillas porque no hay suficiente nitrógeno para fabricar glutamato. Por lo tanto, no hay suficiente clorofila.
El otro tema que me interesa mucho son los relojes circadianos de las plantas, y la forma en que el reloj circadiano regula muchos aspectos diferentes del desarrollo y el metabolismo de las plantas.
Y uno de los procesos que está bajo una regulación circadiana muy estricta es la fotosíntesis. Lo que hace el reloj circadiano es preparar al organismo para lo que viene después. Así, antes del amanecer, todos los genes necesarios para la fotosíntesis se activan para que, en cuanto haya luz (amanecer), el proceso esté listo para empezar. Así pues, no hay tiempo de espera entre la salida del sol y el momento en que las plantas están preparadas para utilizar la luz de éste.
De forma similar, antes de despertarnos, necesitamos que nuestra adrenalina suba, y que los niveles de algunas hormonas cambien, y que los azúcares entren en circulación. Así, cuando suena el despertador estamos listos para salir. Y algunos estudios sugieren que sin el reloj circadiano tendríamos un ataque al corazón cada vez que nos despertamos porque no estaríamos preparados para ello.
Así que esa es la ventaja de tener un reloj circadiano. Estás preparado para lo que viene, si lo que viene ocurre cada día.
¿Entonces, las plantas y los humanos tienen un reloj circadiano similar?
Sí, la arquitectura molecular es diferente pero la función es la misma, que es adaptarse a una vida en un planeta que tiene un periodo de rotación de 24 horas, y ciclos de luz y oscuridad que se alternan.
¿Cómo afecta el clima a la fotosíntesis?
La fotosíntesis es muy sensible a la intensidad de la luz. Así que, en general, el sistema se apaga al mediodía, o en el pico de las horas más calurosas del día, porque demasiada energía del sol puede dañar la estructura biológica. Así, provocará que muchos electrones vayan de un lado a otro y se vuelvan muy venenosos para las estructuras biológicas. Así que quieren asegurarse de que utilizan una intensidad de luz adecuada. Y cuando es demasiado, el sistema se apaga.
En invierno, cuando no hay hojas en los árboles, ¿qué pasa con nuestro suministro de oxígeno?
No creo que respiremos sólo el oxígeno que se produce donde vivimos. Por ejemplo, el Amazonas produce mucho oxígeno y al final también nos llega a nosotros. Por lo tanto, no dependemos sólo de las plantas que nos rodean. Dependemos de la cantidad de plantas que hay en el planeta, en la Tierra.
¿Han llegado los científicos a una forma de replicar el proceso de fotosíntesis?
Ha sido un reto durante muchos años, y muchos laboratorios han asumido este desafío. Pero, recientemente, hubo un grupo del Real Instituto de Tecnología de Estocolmo que logró producir un catalizador que es capaz de utilizar la luz solar para dividir el agua en oxígeno como lo hace la fotosíntesis.
La importancia de este descubrimiento no sólo está relacionada con el oxígeno. Al desdoblar el agua también se produce hidrógeno, y esto es realmente importante por la urgencia que tenemos de encontrar fuentes alternativas de energía renovable.
Así que, si consiguen que esto funcione correctamente, podrían utilizarlo para producir energía renovable…