Permite a los organismos vivos tomar la luz del sol, una fuente colosal de energía que baña nuestra tierra cada día, y transformarla en energía química, la cual se usa para construir las moléculas que componen los tejidos de los que todos los seres estamos hechos. Todo a través de una maquinaria bioquímica tremendamente compleja, cuyos secretos aún no terminamos por descubrir.
Hoja de tineo (Weinmannia trichosperma), una estructura especializada en la realización de la fotosíntesis. © Montaraz.
De energía libre hacia organismo
Los organismos necesitan energía. Con ella pueden mantener un metabolismo activo y realizar sus actividades vitales. Esto es lo que les permite una activa intencionalidad en contraposición con una perpetua reactividad, al menos desde el punto de vista energético, donde pueden romper la tendencia del equilibrio estático de la “muerte”. Así, los organismos se ven obligados a buscar energía en su medio, la cual se encuentra en diversas fuentes.
Por ejemplo, a kilómetros bajo la superficie marina, existen chimeneas termales de las cuales emergen gases sulfurosos desde el centro de la tierra. Aprovechándose de ésto hay variadas comunidades biológicas que han desarrollado la maquinaria metabólica para transformar esta energía química en azúcares, en un proceso llamado quimiosíntesis, la que les permite aprovechar dicha fuente energética particular. Se trata de un proceso asociado a aquel profundo ecosistema, pero en la corteza terrestre y cerca de la superficie de cuerpos de agua, existe una fuente poderosísima de energía, la cual se encuentra constantemente bañando de energía nuestro entorno. Nos referimos al sol y su energía calórica y lumínica. Por lo mismo, no es de extrañar que la reacción que más conocemos sea la que transforma esta energía: la fotosíntesis.
Ya sea por su importancia histórica, sus potenciales futuros y su relevancia en el presente, la fotosíntesis es uno de los procesos bioquímicos claves para nuestro planeta, dándole forma a la vida como la conocemos.
Esta reacción toma componentes del entorno, específicamente dióxido de carbono (CO2) y agua (H20) y utiliza la energía solar para transformarlos en azúcares, estructuras químicas que almacenan energía en los enlaces que las componen. Esa energía puede luego moverse en esta nueva forma y utilizarse en variados procesos dentro del organismo. Además, es la fuente de energía para la mayoría de los organismos heterótrofos (que no pueden realizar estos procesos de síntesis bioquímica): animales, incluidos los humanos, y hongos.
Además, en el proceso se libera oxígeno (02) como material de “desecho”, siendo este otro componente fundamental para otro proceso vital, la respiración celular.
Una mirada simplificada de las reacciones químicas de la fotosíntesis.
Para la realización de esta reacción los organismos fotosintéticos cuentan con una fascinante maquinaria metabólica, la cual le permite a estructuras parecidas a antenas receptoras, llamadas fotorreceptores, captar y canalizar la luz hacia centros reactivos donde se puede procesar, mover y finalmente almacenar como azúcares. Estos fotorreceptores tienen una molécula fotosensible clave llamada clorofila, la cual es el centro de estimulación de estas antenas y por ende, un compuesto fundamental para el proceso en general.
Una mirada al detalle de las estructuras involucradas en la fotosíntesis y los procesos bioquímicos que realizan.
La maquinaria y el proceso que permiten es extremadamente complejo (ver imagen) y ha tomado años de estudio para desentrañar. En este artículo no entraremos en detalles técnicos bioquímicos, pero si quieres saber más puedes revisar aquí.
3 mil millones de años después, la fotosíntesis sigue siendo la base de la captación de energía en el planeta, soporte de casi todas las tramas tróficas que conocemos.
Los orígenes de la reacción
Lo interesante de este tipo de reacciones (fotosíntesis y quimiosíntesis) es que a pesar de su complejidad, son fundamentales para la existencia de la vida. Por ello científicos proponen que los primeros organismos en habitar el planeta – incluyendo el ancestro común de toda la vida (LUCA, por sus siglas en inglés) – debió ser un organismo que pudo ser capaz de realizar fotosíntesis y quimiosíntesis. Lo anterior ha generado debate en torno al origen de la reacción, donde algunos científicos proponen que se habría originado por reacciones químicas azarosas en un ambiente altamente reactivo, propio de la tierra primigenia (Hartman, 1998; Brown et al, 2004). Otros, en cambio, sostienen que el nivel de complejidad de los organismos es tan elevado que probablemente la vida debió haber llegado desde el espacio extraterrestre, la exogénesis (Martis et al, 2008).
Como sea, desde entonces la vida se ha diversificado, generando las ramas de la biodiversidad que hoy conocemos (y probablemente otras aún desconocidas). Hoy, más de 3.000 millones de años después, esta reacción sigue siendo la base de la captación de energía en el planeta, soporte de casi todas las tramas tróficas que conocemos. Aún así, tal vez no es idéntica a cómo fue en esos inicios prehistóricos.
La luz solar incluye todo el espectro visible humano y más, pero los organismos fotosintéticos sólo absorben parte del espectro, específicamente la luz roja y azul a través de la clorofila, reflejando la luz verde, que es la que asociamos a plantas y otros fotosintetizadores. Esto es extraño, pues la energía en los espectros verdes son las más fuertes de todas las emitidas por el sol, entonces ¿por qué los organismos vivos no evolucionaron para aprovechar esta luz?
Hipótesis púrpura
Existe una hipótesis llamada la tierra púrpura (DasSarma et al, 2018), que dice que tal vez los primeros organismos usaban pigmentos que absorben la luz verde, reflejando la morada.
Una interpretación artística de lo que podría haber sido la tierra púrpura. © Creative Commons.
Lo anterior se fundamenta con la existencia de arqueas modernas (seres similares en tamaño a las bacterias que crecen en ambientes extremos) que usan retinol en vez de clorofila como pigmento fotosintético. El retinol es una molécula más sencilla y que absorbe la luz verde. La hipótesis dice que ésta habría sido, tal vez, la molécula más plausible para los fotosintetizadores originales, pues es más sencilla que la compleja clorofila. El linaje que luego empezaría a usar la clorofila habría evolucionado para aprovechar la luz sobrante de las dominantes arqueas moradas, lo que explicaría en parte por que la luz verde no es utilizada hoy en día, debido a su origen en un ambiente competitivo con organismos que sí lo hacían. Eventualmente, la clorofila prevalecería también debido a la mayor eficiencia de la reacción y al hecho de que la poderosa luz verde genera posibles daños a los fotorreceptores. De todas formas es interesante imaginar cómo habría sido una tierra donde dominaran organismos de color morado en vez de verdes.
La fotosíntesis hoy
La fotosíntesis fue, sin lugar a dudas, una revolución química. Usando clorofila se libera O2, el que empezó a acumularse en la atmósfera una vez apareció esta versión de la reacción. Esto habría promovido la diversificación general de la vida, pues la acumulación de oxígeno atmosférico, altamente reactivo químicamente, genera un entorno inestable, donde existen muchas más posibilidades de adaptación e innovaciones.
Desde entonces existen muchos linajes que siguen cultivando la fotosíntesis, con diversas variantes (plantas CAM, C3 Y C4 por ejemplo). Mirando un mapa de la tierra podemos ver cómo el verde domina tanto la tierra como el mar, predominando en toda región donde existan los recursos nutricionales para aprovechar la luz del sol. Cabe destacar que gran parte del proceso ocurre en los océanos, donde se produce por lo menos el 50% de la productividad primaria (cantidad de captación energética vía fotosíntesis) del planeta (ver artículo “Plancton: los pulmones del océano”, de la Edición 5 de Revista Endémico para más detalles).
Nivel de clorofila por área en el océano y cobertura vegetacional en tierra © Wikipedia.
Toda esta producción es la base de las tramas tróficas y el sustento de casi toda la biodiversidad conocida. Sin fotosíntesis no habría pumas, ballenas o humanos. Todos seres que de alguna u otra forma obtienen su energía desde organismos que la canalizaron del sol.
Fotosíntesis artificial y su potencial energético
Mucha de la energía actual que usamos en nuestra vida diaria viene de la fotosíntesis. La que usamos para mantener y accionar nuestros cuerpos viene directamente desde nuestro alimento, pero mucha energía para otras acciones vitales de nuestra sociedad también también tiene su origen en este proceso. El leño que se quema para generar calor obtiene su energía de la fotosíntesis que realizó el árbol. El combustible fósil, como el gas o la bencina, se originan de la mineralización de materia vegetal que también viene de fotosíntesis (mucha de la cual fue realizada en bosques tropicales de helechos, allá por el carbonífero, hace 400 millones de años). Incluso otras fuentes de energía, como el viento, también derivan en gran parte del efecto del sol, pero de forma mucho menos directa.
La hoja de un helecho palito negro (Adiantum chilensis), que demuestra la importancia de la fotosíntesis en todos los grupos de plantas modernos © Montaraz.
Es por eso que desde hace mucho tiempo los científicos se han planteado el desafío de replicar la fotosíntesis de forma controlada, para así poder aprovechar lo más directamente posible la luz del sol, generando un proceso limpio y eficiente. Esto abriría muchas nuevas oportunidades energéticas, las cuales podrían ser el futuro de una sociedad ecológicamente más balanceada.
Lamentablemente la ya mencionada maquinaria metabólica y su extrema complejidad la vuelve un desafío que la ciencia aún no ha podido resolver. Incluso tratar de replicar el proceso fuera de una planta ha sido un desafío, mucho menos llevarlo a una escala útil como fuente de energía viable. Lo más cercano que se ha logrado es a través de paneles solares, que usan la misma fuente de energía, pero de forma mucho menos eficiente. Sin embargo, no significa que en un futuro no tan lejano sea una posibilidad real ante las necesidades energéticas, como un proceso limpio y eficiente. Por ahora, solo podemos soñar y trabajar en esta idea.
Ya sea por su importancia histórica, sus potenciales futuros y su relevancia en el presente, la fotosíntesis es uno de los procesos bioquímicos claves para nuestro planeta, dándole forma a la vida como la conocemos.
Bibliografía
Hartman, Hyman (1998) “Photosynthesis and the Origin of Life”. Origins of Life and Evolution of Biospheres, volumen 28, números 4–6 / octubre de 1998
Martins, Zita; Botta, Oliver; Fogel, Marilyn L.; Sephton, Mark A.; Glavin, Daniel P.; Watson, Jonathan S.; Dworkin, Jason P.; Schwartz, Alan W.; Ehrenfreund, Pascale (2008). “Extraterrestrial nucleobases in the Murchison meteorite”. Earth and Planetary Science Letters. 270 (1–2): 130–36
Brown, Michael R. W.; Kornberg, Arthur, 2004. “Inorganic polyphosphate in the origin and survival of species”. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101 (46): 16085–16087
DasSarma, Shiladitya; Schwieterman, Edward W, 2018. “Early evolution of purple retinal pigments on Earth and implications for exoplanet biosignatures”. International Journal of Astrobiology: 1–10.
Imagen de portada: Claroscuro de un bosque templado lluvioso en la cordillera de Nahuelbuta. © Montaraz.
