Desde grandes árboles en la selva amazónica hasta plantas de interior y algas en el océano, el verde es el color que reina sobre el reino vegetal. ¿Por qué verde y no azul, magenta o gris? La respuesta simple es que, aunque las plantas absorben casi todos los fotones en las regiones roja y azul del espectro de luz, absorben solo alrededor del 90% de los fotones verdes. Si absorbieran más, se verían negros a nuestros ojos. Las plantas son verdes porque la pequeña cantidad de luz que reflejan es de ese color.
Pero eso parece un desperdicio insatisfactorio porque la mayor parte de la energía que irradia el sol está en la parte verde del espectro. Cuando se les presiona para que expliquen más, los biólogos a veces han sugerido que la luz verde podría ser demasiado poderosa para que las plantas la usen sin dañar, pero la razón por la cual no ha sido clara. Incluso después de décadas de investigación molecular sobre la maquinaria de recolección de luz en las plantas, los científicos no pudieron establecer una justificación detallada del color de las plantas.
cientemente, sin embargo, en las páginas de Science , los científicos finalmente dieron una respuesta más completa. Construyeron un modelo para explicar por qué la maquinaria fotosintética de las plantas desperdicia luz verde. Lo que no esperaban era que su modelo también explicara los colores de otras formas de vida fotosintéticas. Sus hallazgos apuntan a un principio evolutivo que gobierna los organismos recolectores de luz que podrían aplicarse en todo el universo. También ofrecen una lección de que, al menos a veces, la evolución se preocupa menos por hacer que los sistemas biológicos sean eficientes que por mantenerlos estables.
El misterio del color de las plantas es uno con el que Nathaniel Gabor , un físico de la Universidad de California, Riverside, se topó hace años mientras completaba su doctorado. Extrapolando de su trabajo sobre la absorción de luz por los nanotubos de carbono, comenzó a pensar en cómo sería el colector solar ideal, uno que absorbiera la energía máxima del espectro solar. "Debería tener este dispositivo estrecho que obtenga la mayor cantidad de energía para la luz verde", dijo. "Y luego se me ocurrió de inmediato que las plantas están haciendo lo contrario: están escupiendo luz verde".
En 2016, Gabor y sus colegas modelaron las mejores condiciones para una célula fotoeléctrica que regula el flujo de energía . Pero para saber por qué las plantas reflejan la luz verde, Gabor y un equipo que incluía a Richard Cogdell , botánico de la Universidad de Glasgow, analizaron más de cerca lo que sucede durante la fotosíntesis como un problema en la teoría de redes.
El primer paso de la fotosíntesis ocurre en un complejo de recolección de luz, una malla de proteínas en la que se incrustan los pigmentos, formando una antena. Los pigmentos, clorofilas en las plantas verdes, absorben la luz y transfieren la energía a un centro de reacción, donde se inicia la producción de energía química para el uso de la célula. La eficiencia de esta primera etapa de la fotosíntesis de la mecánica cuántica es casi perfecta: casi toda la luz absorbida se convierte en electrones que el sistema puede usar.
Pero este complejo de antenas dentro de las células se mueve constantemente. "Es como gelatina", dijo Gabor. "Esos movimientos afectan cómo fluye la energía a través de los pigmentos" y traen ruido e ineficiencia al sistema. Las rápidas fluctuaciones en la intensidad de la luz que incide sobre las plantas, por ejemplo, por cambios en la cantidad de sombra, también hacen que la entrada sea ruidosa. Para la célula, lo mejor es una entrada constante de energía eléctrica junto con una salida constante de energía química: muy pocos electrones que lleguen al centro de reacción pueden causar una falla de energía, mientras que "demasiada energía causará radicales libres y todo tipo de efectos de sobrecarga" que dañan los tejidos, dijo Gabor.
Gabor y su equipo desarrollaron un modelo para los sistemas de captación de luz de las plantas y lo aplicaron al espectro solar medido debajo de un dosel de hojas. Su trabajo dejó en claro por qué lo que funciona para las células solares de nanotubos no funciona para las plantas: podría ser muy eficiente especializarse en recolectar solo la energía máxima en luz verde, pero eso sería perjudicial para las plantas porque, cuando la luz del sol parpadea, el ruido de la señal de entrada fluctuaría demasiado salvajemente para que el complejo regule el flujo de energía.
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En cambio, para una producción de energía segura y constante, los pigmentos del fotosistema tenían que ajustarse muy finamente de cierta manera. Los pigmentos necesitaban absorber luz en longitudes de onda similares para reducir el ruido interno. Pero también necesitaban absorber la luz a diferentes velocidades para amortiguar el ruido externo causado por los cambios en la intensidad de la luz. La mejor luz para que los pigmentos absorbieran, entonces, estaba en las partes más empinadas de la curva de intensidad del espectro solar: las partes roja y azul del espectro.
Las predicciones del modelo coinciden los picos de absorción de clorofila a y b , que las plantas verdes utilizan para cosechar la luz roja y azul. Parece que la maquinaria de fotosíntesis evolucionó no para obtener la máxima eficiencia, sino más bien para una producción óptimamente suave y confiable.
Cogdell no estaba completamente convencido al principio de que este enfoque se mantuviera para otros organismos fotosintéticos, como las bacterias púrpuras y las bacterias de azufre verde que viven bajo el agua y reciben su nombre por los colores que reflejan sus pigmentos. Aplicando el modelo a la luz solar disponible donde viven esas bacterias, los investigadores predijeron cuáles deberían ser los picos de absorción óptimos. Una vez más, sus predicciones coincidieron con la actividad de los pigmentos de las células.
"Cuando me di cuenta de lo fundamental que era esto, me encontré mirándome al espejo y pensando: ¿Cómo pude ser tan tonto como para no pensar en esto antes?" Dijo Cogdell.
(Hay plantas que no parecen verdes, como la haya de cobre, porque contienen pigmentos como carotenoides. Pero esos pigmentos no son fotosintéticos: por lo general protegen a las plantas como protector solar, amortiguando los cambios lentos en su exposición a la luz).
“Creo que fue extraordinariamente impresionante explicar un patrón en biología con un modelo físico increíblemente simple”, dijo Christopher Duffy , biofísico de la Universidad Queen Mary de Londres, quien escribió un comentario sobre el modelo para la ciencia . “Fue agradable ver un trabajo dirigido teóricamente que comprende y promueve la idea de que la solidez del sistema parece ser la fuerza impulsora de la evolución”.
Los investigadores esperan que el modelo se pueda utilizar para ayudar en el diseño de mejores paneles solares y otros dispositivos solares. Aunque la eficiencia de la tecnología fotovoltaica ha avanzado considerablemente, “yo diría que no es un problema resuelto en términos de robustez y escalabilidad, que es algo que las plantas han resuelto”, dijo Gabriela Schlau-Cohen , química física del Instituto Tecnológico de Massachusetts. .
Gabor también se ha propuesto algún día aplicar el modelo a la vida más allá de la Tierra. "Si tuviera otro planeta y supiera cómo es su estrella, ¿podría adivinar cómo sería la vida fotosintética?" preguntó. En el código de su modelo, que está disponible públicamente , hay una opción para hacer exactamente eso con cualquier espectro seleccionado. Por ahora, el ejercicio es puramente hipotético. “En los próximos 20 años, probablemente tendremos suficientes datos sobre un exoplaneta para poder [responder] esa pregunta”, dijo Gabor.
