jueves, abril 24, 2008

El color de las plantas en otros mundos (2da. parte)

Continuación del artículo de Nancy Y. Kiang publicado en la revista Scientific American del 7 de abril de 2008, cuya primera parte traduje aquí.


Recolectando la luz

[...]

La forma en que las plantas recolectan la luz solar es una maravilla de la naturaleza. Los pigmentos fotosintéticos como la clorofila no son moléculas aisladas, ya que operan en una red como un sistema de antenas, cada una preparada para seleccionar los fotones de una longitud de onda determinada. La clorofila absorbe preferentemente la luz roja y azul, y los pigmentos carotenoides (que producen los rojos brillantes y amarillos del follaje caído) seleccionan un tono levemente diferente de azul. Toda esta energía se canaliza a una molécula de clorofila especial en el centro de reacciones químicas, que disocia al agua y libera oxígeno.

El proceso de canalización es la clave de los colores que los pigmentos seleccionan. El complejo de moléculas en el centro de la reacción puede realizar reacciones químicas sólo si recibe un fotón rojo o la cantidad de energía equivalente en alguna otra forma. Para aprovechar los fotones azules, los pigmentos de la antena trabajan al unísono para convertir la alta energía (de los fotones azules) en una energía más baja (más roja), como una serie de transformadores que reducen los 100.000 voltios de las líneas de energía eléctricas a los 120 o 240 voltios de un toma corriente de pared. El proceso comienza cuando un fotón azul golpea un pigmento que absorbe el azul y energiza a uno de los electrones de la molécula. Cuando el electrón regresa a su estado original, emite esa energía —pero por la pérdida de energía debidas al calor y a las vibraciones, emite menos energía de la absorbida—.

La molécula del pigmento emite energía no en la forma de otro fotón sino como una interacción eléctrica con otra molécula del pigmento que tenga la capacidad de absorber energía en ese nivel más bajo. A su vez, este pigmento emite una cantidad de energía aún menor, y así continúa el proceso hasta que la energía del fotón azul original se ha degradado al rojo. El sistema de los pigmentos también puede convertir el cian, verde o amarillo al rojo. El centro de la reacción, como el extremo receptor de la cascada, se adapta para absorber los fotones disponibles de energía más baja. Los fotones rojos son los más abundantes en la superficie de nuestro planeta y también los de energía más baja dentro del espectro visible.

En cambio, los fotones rojos no son necesariamente los más abundantes para los fotosintetizadores subacuáticos. Los nichos de luz cambian con la profundidad debido a que el agua filtra la luz al disolver substancias y a la superposición de los propios organismos. El resultado es una clara estratificación de las formas de vida de acuerdo con su combinación de pigmentos. Los organismos en capas de agua más bajas tienen pigmentos adaptados para absorber los colores de la luz dejados por las capas superiores. Por ejemplo, las algas y las cianobacterias tienen pigmentos conocidos como ficobilinas que recolectan fotones verdes y amarillos. Las bacterias que no producen oxígeno (anoxígenas) tienen bacterioclorofila que absorbe la luz del rojo lejano y del infrarrojo cercano, que es todo lo que llega hasta las oscuras profundidades.

Los organismos adaptados a condiciones de luz baja tienden a crecer más lentamente, porque tienen que esforzarse más para recolectar la luz a su disposición. En la superficie del planeta, donde la luz es abundante, sería desventajoso para las plantas procesar pigmentos extras, por lo tanto son selectivas en su uso del color. Los mismos principios evolutivos operarían en otros mundos.

Así como las criaturas acuáticas se han adaptado a la luz filtrada por el agua, los habitantes terrestres se han adaptado a la luz filtrada por los gases atmosféricos. En la capa superior de la atmósfera de la Tierra, los fotones amarillos (con longitudes de onda entre los 560 y los 590 nanómetros) son la clase más abundante. El número de fotones cae gradualmente en las longitudes de onda más largas y abruptamente en las más cortas. Cuando la luz atraviesa la atmósfera superior, el vapor de agua absorbe la luz infrarroja en varias bandas de longitudes de onda más allá de los 700 nm. El oxígeno produce líneas de absorción —rangos estrechos de longitudes de onda que el gas bloquea— a 687 y 761 nm. Sabemos que el ozono (O3) en la estratósfera absorbe fuertemente el ultravioleta (UV). Es menos conocido que también absorbe más débilmente a lo largo del rango visible.

Reuniendo toda esta información, nuestra atmósfera delimita las ventanas a través de las cuales la radiación llega a la superficie del planeta. La ventana de la radiación visible se define en su límite azul por el decaimiento en la intensidad de los fotones de longitud de onda corta emitidos por el Sol y por la absorción del ozono del UV. EL límite rojo se define por las líneas de absorción del oxígeno. El pico de la abundancia de fotones está corrido del amarillo al rojo (alrededor de los 685 nm) por la gran absorción del ozono a lo largo del rango visible.

Las plantas están adaptadas a este espectro, el que está determinado en gran parte por el oxígeno —pero de todos modos son las plantas las que ponen el oxígeno en la atmósfera—. La atmósfera carecía de oxígeno cuando aparecieron los primeros organismos fotosintéticos en la Tierra, por consiguiente deben haber utilizado pigmentos diferentes a la clorofila. Sólo con el tiempo, a medida que la fotosíntesis alteró la composición de la atmósfera, la clorofila emergió como óptima.

La prueba fósil firme de la fotosíntesis data cerca de 3,400 millones de años, pero fósiles anteriores muestran señales de lo que pudo haber sido la fotosíntesis. Los primeros fotosintetizadores tuvieron que comenzar bajo el agua, en parte porque el agua es un buen solvente para las reacciones bioquímicas y en parte porque proporciona protección contra la radiación UV del Sol —un escudo que era esencial en la ausencia de la capa de ozono atmosférica. Los primeros fotosintetizadores fueron bacterias subacuáticas que absorbían fotones infrarrojos. Sus reacciones químicas incluían hidrógeno, sulfuro de hidrógeno o hierro, en vez de agua, por consiguiente no producían gas oxígeno. La fotosíntesis generadora de oxígeno (oxigénica) por parte de cianobacterias en los océanos comenzó hace 2.700 millones de años. Los niveles de oxígeno y la capa de ozono aumentaron lentamente, lo que permitió que emergieran las algas rojas y marrones. A medida que las aguas menos profundas estuvieron a salvo de la radiación UV, las algas verdes evolucionaron. Carecían de ficobilinas y estaban mejor adaptadas a la luz brillante de las aguas superficiales. Finalmente, las plantas que descendieron de las algas verdes emergieron a la tierra, dos mil millones de años después de que el oxígeno comenzó a acumularse en la atmósfera.

Y entonces explotó la complejidad de la vida vegetal, desde musgos y biofritas en el suelo a plantas vasculares con copas altas que capturaban más luz y tenían adaptaciones especiales a climas determinados. Las coníferas tienen copas que capturan eficientemente la luz a elevadas latitudes con ángulos bajos del Sol; las plantas adaptadas a la sombra tienen antocianina a modo de pantalla solar para protegerse de mucha luz. La clorofila verde no sólo está bien preparada para la composición actual de la atmósfera sino que también ayuda a mantenerla —un círculo virtuoso que mantiene verde a nuestro planeta—. Podría ocurrir que otro camino de la evolución favoreciera a un organismo que se aproveche de la sombra bajo la copa de los árboles y utilice las ficobilinas que absorben la luz verde y amarilla. Pero aún así los organismos de la copa de los árboles probablemente seguirán siendo verdes.


Pintando al mundo de rojo

Para buscar pigmentos fotosintéticos en un planeta de otro sistema solar, los astrónomos deben estar preparados para ver planetas en cualesquiera de sus posibles estadios de evolución.

Volver a la primera parte o continuar a la tercera parte.

2 Sofismas:

El sáb. abr. 26, 11:47:00 a.m. 2008, Blogger Christian escribió...

Fascinante.

El funcionamiento básico del sistema de pigmentos es elegante, sencillo y eficiente. Me pregunto si los ingenieros algún día podrán igualar esto.

 
El lun. abr. 28, 11:31:00 p.m. 2008, Blogger el sofista escribió...

Difícil saberlo, pero seguramente lo usarán como modelo. En la primera entrada de los apartados (slideshow), hay una imagen —la segunda— que grafica la explicación de los pigmentos y del centro de reacción.

 

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