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La Energía de las Plantas

Jonathan Sarfati, Doctor en Química

Las características de diseño mejor conocidas proceden del mundo animal. Pero los animales no existirían sin las plantas. Las plantas captan la energía del Sol para producir alimento, lo cual constituye la base de la cadena alimentaria.

Recientes descubrimientos relacionados con el proceso de fotosíntesis, han sacado a la luz su sofisticado diseño y su complejidad irreducible. El proceso consiste en dividir la molécula de agua, y esta división se efectúa en cuatro etapas, si faltara cualquiera de ellas, el proceso no funcionaría.

Los diseñadores humanos estudian las plantas para tratar de desarrollar formas de capturar la energía solar tan eficientemente como ellas.

Otra importante característica de diseño es la forma plana de las hojas. No solemos pensar en la forma aplanada de las hojas, pero ésta es la forma que consigue maximizar la recepción de la energía. La construcción de una superficie plana a partir de un punto es algo sorprendentemente difícil, porque la tendencia natural es hacia el desarrollo de formas curvadas. Las plantas crean formas planas mediante la contraposición de curvaturas de sentido contrario.

Importancia de las plantas: Fotosíntesis1

Incluso hoy en día, las plantas son la base de la cadena alimentaria, porque, dado que obtienen su alimento de la luz solar, no necesitan alimentación externa. Durante este proceso, también producen el oxígeno (O2) que nosotros respiramos, por lo que lo seres vivos no podríamos sobrevivir mucho tiempo sin ellas. Se llama fotosíntesis al proceso de elaboración de alimentos a partir de la luz solar liberando oxígeno al mismo tiempo, y es una de las reacciones químicas más importantes de la naturaleza.

Si los hombres fuéramos capaces de reproducir este proceso, posiblemente resolveríamos todos los problemas energéticos de la humanidad. Pero incluso los químicos más inteligentes no han conseguido todavía imitar la sofisticada maquinaria de una humilde planta.

El Problema de la Descomposición del Agua

Visión global del ciclo de Calvin.

La clave de la fotosíntesis es conseguir descomponer las moléculas de agua en hidrógeno y oxígeno, para posteriormente combinar el hidrógeno con el O2 del aire para fabricar los azúcares, que las plantas (y los animales que se alimentan de ellas) pueden utilizar como alimento.

Todo esto tiene lugar en unas moléculas llamadas clorofilas, que son las que causan el verdor de las plantas. Pero, ¿cómo se puede descomponer la molécula del agua? Es algo que requiere una enorme cantidad de energía. Recordemos el desastre del Hindenburg en 1937, en el que un dirigible Zeppelin se incendió, y se quemó todo el gas de hidrógeno produciendo agua. Para descomponer el agua necesitaríamos "reponer" esa ingente cantidad de energía.

Un problema es la naturaleza misma de la luz. La luz es una forma de energía, pero se presenta en forma de "paquetes" llamados fotones. Si la energía del fotón no es lo suficientemente grande como para romper la molécula de agua, entonces no importa la cantidad de ellos que haya (es decir, no importa cuan brillante sea la luz). Sin embargo, un fotón que tenga la energía suficiente2 para romper una molécula de agua también destruiría la mayoría de las moléculas durante el proceso. Sin embargo, ¡no vemos que las hojas exploten!

Hace algunos años, dos químicos de la Universidad de Yale, Gary Brudvig y Robert Crabtree, diseñaron un sistema artificial con el que lograron producir oxígeno.3 Sin embargo, no sabiendo utilizar la energía de la luz, usaron la energía química de potentes blanqueadores.4 Y aun así, únicamnente consiguieronn producir 100 moléculas de O2 antes de que se destruyeran. Sin embargo, crear ese proceso sin que se destruyera inmediatamente se considera un gran logro, desde el punto de vista humano.5

Una Solución Ingeniosa

Las hojas poseen un mecanismo de ensamblaje denominado Fotosistema II (llamado así porque fue descubierto en segundo lugar). Un fotón golpea este mecanismo, y es conducido a un tipo de clorofila llamado P680. Allí golpea al electrón de un átomo, y este electrón finalmente ayuda a la formación de azúcares a partir de CO2. Pero ahora, es necesario que el P680 reponga los electrones perdidos. Este es un gran reto para la fotosíntesis artificial, los químicos han sido hasta ahora incapaces de producir un sistema que reestablezca los electrones que han sido expulsados por los fotones. Sin esta reposición la fotosíntesis se detendría ¿cómo se sustituyen los electrones?

A partir de un núcleo catalizador especial, que obtiene los electrones que necesita de agua, nuevamente con la ayuda de la luz. La luz descompone dos moléculas de agua en una molécula de oxígeno, cuatro electrones y dos iones de hidrógeno. El núcleo tiene un patrón de átomos peculiar, que consiste en un singular cubo compuesto por tres átomos de manganeso (Mn), uno de calcio (Ca) y cuatro de oxígeno (O), unido a un único Mn. Este núcleo acumula la energía suficiente, en forma de potencial redox, absorbiendo cuatro fotones a lo largo de varias fases.

El potencial redox del agua es de +2,5 V, mientras que cada fotón aumenta en 1 V el potencial redox del núcleo catalítico.6 Así que después de la tercera fase, hay suficiente energía para que el Mn arranque un electrón de una molécula de agua, dejando un radical OH y un ión hidronio H+.

Entonces, el núcleo catalítico llega a la cuarta etapa, y proporciona al átomo de Mn suficiente poder para atacar al radical OH y deja un átomo de O altamente reactivo y otro de ión hidronio H+. En este momento, el átomo de Ca en el cubo desempeña su papel esencial. Sujeta a otra molécula de agua en el lugar exacto, para que pueda ser atacada por este átomo de O, produciendo una molécula de O2, dos iones hidronios H+ más y dos electrones.

Esta estructura Mn3CaO4-Mn es única y está presente en todas las plantas, algas y cianobacterias, lo que nos indica que es una estructura esencial. Esto no es sorprendente, porque tiene que ser capaz de almacenar la energía procedente de cuatro fotones, y mantener las moléculas de agua exactamente en la posición correcta.

Esta estructura tenía que estar completa desde el inicio de lo contrario no lograría en absolutodividir el agua y reponer los electrones. Por lo tanto, no se puede haberse construído poco a poco mediante pequeños cambios a través de mutaciones y selección natural. Esto se debe al hecho de que un sistema intermedio estaría incompleto y no serviría para nada,por lo que no sería seleccionado.

Y incluso este núcleo sería inútil sin la presencia de muchas otras características coordinadas. Por ejemplo, como ya se mencionó, la energía involucrada es perjudicial para las estructuras biológicas. Sin embargo, hay proteínas clave necesarias, que deben ser reparadas constantemente, así que es necesatio estos mecanismos también se encuentren activos. De hecho, esta inestabilidad dificultó la elaboración la estructura del núcleo.7

Células Solares Basadas en la Fotosíntesis8

Los científicos han intentado durante mucho tiempo (hasta ahora en vano) replicar el proceso de fotosíntesis. Recientemente un equipo de ingenieros eléctricos y biomédicos, expertos en nanotecnología y biólogos ha logrado integrar un complejo de proteínas derivadas de cloroplastos de espinaca (procedente de células de las hojas) en un dispositivo electrónico de estado sólido que esperan que el el futuro pueda proporcionar la energía necesaria para los ordenadores portátiles y los teléfonos móviles.

Pero ¿por qué contentarse con un dispositivo de "bocadillo de espinacas" en lugar de una célula solar convencional? Un comunicado de prensa explicó: la evolución ha optimizado la capacidad de generación de energía de las plantas,así pues la espinaca es una planta muy eficiente, produce una gran cantidad de energía en relación con su tamaño y peso.9 Ciertamente, el complejo proteínico fotosintético es muy pequeño, en la cabeza de un alfiler caben alrededor de 100.000 de estos complejos;según uno de los investigadores: 'los circuitos electrónicos más pequeños que conozco" Pero el artículo no explica cómo se supone que la evolución creó o incluso optimizó este proceso.

¿Cómo se generan las hojas planas de las plantas?10

La mayoría de hojas son planas, ya que esta forma consigue maximizar la superficie destinada a la captura de la luz para una cantidad determinada de material, de esta forma la hoja consigue capturar la mayor cantidad posible de luz solar. Pero, por muy sorprendente que pueda parecer, describir una superficie plana es un verdadero rompecabezas. Exige una coordinación muy cuidadosa del proceso de crecimiento de la hoja, como los fisiólogos de los vegetales indican:

"Es más difícil hacer una hoja plana que hacerla curva porque el crecimiento de las regiones centrales de la hoja debe coordinarse con el crecimiento en los bordes de las hojas.11

Así pues la forma plana es el resultado de equilibrar dos ritmos de crecimiento diferentes, los cuales, según descubrimientos recientes, están regulados por genes.12 Podemos ver lo que sucede si una mutación altera esta coordinación: en lugar de la curvatura "cero" de la superficie plana, aparecen formas curvas. Si las células cerca del borde de las hojas crecieran más lentamente que las del centro, el resultafo final sería una hoja "curvada positivamente", es decir en forma de copa.

Y a la inversa, si las células cercanas al borde de las hojas crecieran más rápidamente que las de la región central, se produciría una "curvatura negativa", es decir, la hoja se curvaría formando un borde ondulado, con una forma similar a la de una silla de montar. Este equilibrio es remarcable, porque hay muchas otras formas en las que el crecimiento podría ser desequilibrado:

"Aunque frecuentemente se da por sentada la existencia de formas planas, la probabilidad de que esto ocurra por casualidad es extremadamente baja porque existen muchas más formas para que una estructura adopte una forma curva que para que adopte una forma plana12

La precisión es aún más notable, dado que se requiere controlar la división celular individual. El crecimiento se produce por división celular; cada célula se divide en dos células hijas, y estas células hijas se dividen a su vez, y así sucesivamente. En las hojas normales (planas) las células en la punta de la hoja dejan de dividirse y se convierten en maduras (diferenciación) antes que las células de la base de la hoja.

Recientes investigaciones muestran que el proceso de división celular se detiene cuando pasa una 'onda' o 'frente de detención'. El mecanismo de detención usa fragmentos de ARN que detienen a los genes de la producción de ciertas proteínas,13 que hace que las células maduren, deteniendo la división celular. Pero la onda debe ocurrir en el momento oportuno y debe darse en forma precisa.

ARRIBA - Hoja con forma de elipse con curvatura nula.

ABAJO - Una hoja más grande con curvatura negativa.

En las hojas normales, el frente es ligeramente convexo y desciende desde la punta hasta la base. Así que a una determinada distancia de la punta de la hoja, las células en los bordes reciben la señal de detención antes que las células en el centro de la hoja. También hay un gen, CIN, que codifica una proteína, TCP, que parece hacer que las células sean más sensibles a una señal de detención, especialmente en las regiones marginales.12 Esto da como resultado una hoja con forma de elipse con curvatura nula (véase el diagrama, hoja A).

Sin embargo, en plantas del género Antirrhinum que han sufrido una cierta mutación genética, el frente de detención es cóncavo y se desplaza más lentamente que en las hojas normales. Así que las células del centro recibir la señal de detención antes que las células del borde. Así, las células situadas en el centro de la hoja dejan de dividirse, antes que las células situadas en la periferia, dando un mayor crecimiento en las regiones periféricas, dando lugar a una hoja más grande con curvatura negativa (Diagrama hoja B).

El mismo problema se aplica a las alas membranosas de los insectos. Evidentemente, existe también en este caso un gran control del ritmo de crecimiento
Esto queda demostrado por las mutaciones que acarrean como consecuencia la aparición de alas arrugadas, del mismo modo que otras mutaciones pueden dar lugar a hojas arrugadas. Pero con los insectos, la forma plana es todavía más importante,porque es fundamental para la aerodinámica del vuelo.

Origen de la forma plana

Dado que la forma aplanada es el resultado de controlar con precisión los ritmos de crecimiento, no es sorprendente que los investigadores admitan que "la probabilidad de que esto ocurra por casualidad es baja".12

¿De dónde provienen las hojas planas? La teoría neodarwinista invoca la actividad de pequeñas mutaciones seguidas de selección natural. Sin embargo, las formas planas requieren cambios altamente coordinados en los ritmos de crecimiento, así que es imposible explicarlas, en términos darwinistas, aludiendo simplemente a la selección cumulativa de una variable continua. Podría ser posible adaptar un sistema de control existente , pero no crearlo.

Referencias : 
  1. Según Sarfati, J., Green power: God’s solar power plants amaze chemists, J. Creation 19(1):14–15, 2005; .
  2. La energía E está relacionada con la frecuencia ν (nu) por E = hν, donde h = constante de Planck = 6,6262 x 10-34 Js. Un fotón de energía suficiente para romper el agua estaría en la región ultravioleta del espectro electromagnético, que es más enérgico que fotones de luz visible.
  3. Burke, M., Green miracle, New Scientist 163(2199):27–30, 1999.
  4. Curiosamente, dimiutos organismos unicelulares en los nódulos de las raíces de las leguminosas utilizan un mecanismo de energía química mucho mejor para romper la molécula de nitrógeno, que es incluso más dura que el agua. Ver Demick, D., The molecular sledgehammer, Creation 24(2):52–53, 2002.
  5. Plant energy miracle, Creation 22(1):9, 1999.
  6. El potencial Redox (reducción / oxidación) mide la fuerza con la que una molécula o ión atrae a los electrones. Es más positiva cuanto más atracción por los electrones, y más negativa cuanto menos. El potencial Redox se mide en voltios. El potencial Redox del agua es alto, por lo que necesita un mecanismo fuerte, como un átomo de oxígeno, para eliminar uno de sus electrones.
  7. By X-ray crystallography; see Zouni, A. y seis más, Crystal structure of photosystem II from Synechococcus elongatus at 3.8 Å resolution, Nature 409(6821):739–743, 2001.
  8. Tomado de: Spinach power, Creation 27(4):7, 2005.
  9. Green, leafy spinach may soon power more than Popeye’s biceps, . 2004.
  10. Según Catchpoole, D., Flat leaves; a curly problem, J. Creation 19(1):8, 2005; .
  11. McConnell, J.R. y Barton, M.K., Leaf development takes shape, Science 299(5611):1328–1329, 2003.
  12. Nath, U., et al., Genetic control of surface curvature, Science 299(5611):1404–1407, 2003.
  13. Benfrey, P.N., Molecular biology: MicroRNA is here to stay, Nature 425(6955):244–245, 2003 | doi:10.1038/425244a.

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