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Prácticamente la mayor parte de la vida en la Tierra se sustenta en la llamada fotosíntesis, el proceso por el cual las plantas convierten la energía solar en la energía química que fluye por las cadenas tróficas y ecosistemas de todo el planeta. Los científicos llevan estudiando este proceso durante décadas, sin embargo muchos de los mecanismos que hacen a las plantas tan eficientes en tan fundamental labor siguen siendo desconocidos.
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Ahora, investigadores de la Universidad California Riverside ofrecen en un artículo titulado Noise-Cancelling” Photosynthetic Antennae: The Key to Efficient Biological Light-Harvesting que se publica esta semana en la revista Science, una mirada más detallada a como las verdaderas productoras de energía de nuestro planeta llevan a cabo este proceso.
El estudio liderado por Nathaniel M. Gabor comenzó con una simple pregunta: ¿por qué las plantas son verdes? Puede parecer la simple pregunta curiosa que un niño le hace a su padre, sin embargo lo que Gabor se estaba cuestionando era por qué las plantas rechazaban la luz verde, cuando se trata esta de la luz solar más intensa.
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Cuando la luz del sol que incide en una hoja cambia rápidamente, las plantas deben protegerse de las repentinas oleadas de energía solar. Para hacer frente a estos cambios, los organismos fotosintéticos, desde las plantas hasta las bacterias, han desarrollado numerosas tácticas; y es en este aspecto en lo que el trabajo del científico se ha centrado. Construyendo un modelo que reproduce la adaptación de diversos organismos fotosintéticos a la recolección de la luz, el equipo de Gabor ha descubriendo que las plantas, lejos de tratar de aprovechar toda la energía solar que llega a sus hojas, seleccionan el tipo de radiación a aprovechar. El hallazgo resulta realmente importante porque sugiere que la fuerza impulsora evolutiva detrás del desarrollo de las antenas fotosintéticas no es la maximización de la absorción de energía, sino la cancelación del ruido, es decir, la discriminación de la energía que resulta de menos provecho.
Sintonizando antenas
Durante la fotosíntesis, los fotones del Sol son absorbidos por una red de antenas de captación de energía luminosa y transferidos como excitaciones electrónicas a los centros de reacción, donde se convierten en energía química que las plantas y otros organismos fotosintéticos utilizan para impulsar su metabolismo. Los complejos de antenas de captación de luz, un conjunto de varias proteínas y moléculas de pigmento que absorben la luz como la clorofila, son notablemente eficaces: «pueden lograr una eficiencia casi perfecta, convirtiendo cada fotón absorbido en un electrón químicamente utilizable a pesar de las condiciones de iluminación cambiantes» explica Gabor.
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Así, el modelo de los investigadores se inspira en la ciencia de redes complejas, un campo de estudio que explora la operación eficiente entre redes tan diversas como las de teléfonos móviles, las conexiones cerebrales o la red eléctrica. Dicho modelo describe una red simple que es capaz de ingresar luz de dos colores diferentes pero sin embargo, generar una tasa constante de energía. Esta elección inusual de solo dos entradas tiene consecuencias notables. «Nuestro modelo muestra que al absorber solo colores de luz muy específicos, los organismos fotosintéticos pueden protegerse automáticamente contra los cambios repentinos, o el ‘ruido’ en la energía solar, lo que resulta en una conversión de energía notablemente eficiente», explica el investigador.
A través de este modelo de redes, el equipo de la Universidad de California Riverside trató de revelar los mecanismos básicos para la óptima recolección de luz en tres nichos fotosintéticos distintos: a pleno sol, bajo un dosel de hojas y bajo el agua; y descubrieron que al usar dos pigmentos que absorben longitudes de onda de luz ligeramente diferentes en un rango estrecho del espectro, los organismos fotosintéticos en diferentes ambientes mitigan los cambios repentinos en la energía solar.
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Los resultados muestran cómo las antenas de captación de luz de las plantas se pueden ajustar para obtener la máxima conversión de potencia. También proporcionan una base para explicar la variación en la dependencia de la longitud de onda observada entre algunos organismos fotosintéticos a la vez que los resultados podrían ser aplicados al desarrollo y mejora de la tecnología para la obtención de energía solar renovable.
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