Recientemente me enteré, por un post en un blog al que soy asiduo, La Ciencia por Gusto, de las patrañas promovidas por un supuesto investigador (los escépticos usamos el término "imbestigador" para referirnos a los que se las dan de investigadores científicos sin utilizar el rigor requerido en la investigación científica). Una de las primeras cosas que se me vinieron a la mente fue que sólo quien sea un ignorante sobre el mecanismo tan complejo que representa la fotosíntesis pudiera hacer afirmaciones de que animales como los humanos podemos llevarla a cabo. Debo admitir que no leí el documento patrañoso en su totalidad, por temor de que se formara un agujero negro en el interior de mi cabeza y provocara una implosión, pero lo poco que pude leer antes de que tal torrente de estupideces se volviera doloroso, como que probablemente la melanina fuera la materia oscura del Universo, me llevaron a concluir que, una de dos, el imbestigador es un cínico engañabobos (existen rumores de que ha recibido apoyo económico de Conacyt) o sufre de algún transtorno mental (una cosa no excluye a la otra). En fin, para no repetir lo que ya escribió Martín Bonfil y lo que se dijo en los comentarios del post citado, decidí mejor postear sobre lo que involucra la fotosíntesis y tratar de dar un panorama, no muy detallado (para alivio de mis cero lectores) del complejísimo sistema que la constituye.
Lo primero que debemos de considerar es que todos los organismos pluricelulares que realizan fotosíntesis, las plantas, lo hacen gracias a que dentro de las células de sus hojas se encuentran unas pequeñas estructuras (el término técnico es "organelo") llamadas cloroplastos, derivadas de bacterias fotosintéticas que fueron "comidas" por los antepasados unicelulares de las plantas (al grupo, muy variado, de organismos unicelulares que poseen núcleo, a diferencia de las bacterias, que no lo tienen, se les llama protistas y de él nos derivamos tanto las plantas como los animales pluricelulares).
En ningún animal se ha detectado la presencia de cloroplastos dentro de sus células, primera evidencia de la jalada de pelos que representa la fotosíntesis humana. Los pocos animales que de alguna forma disfrutan directamente de los frutos de la fotosíntesis son los corales y anémonas, que cuentan dentro de sus
tejidos con unos protistas fotosintéticos llamados zooxantelas, parientes muy cercanos de los protistas de vida libre que entre otras cosas provocan las mareas rojas y el envenenamiento por mariscos. Los corales dan albergue a las zooxantelas a cambio de comida, en una relación mutuamente beneficiosa llamada simbiosis. Estos protistas por supuesto contienen cloroplastos en el interior de sus células. La capacidad de vivir de los productos de la fotosíntesis les ha dado a los corales y anémonas la posibilidad de vivir sin moverse (el movimiento se desarrolló en los seres vivos para que los organismos pudieran perseguir a otros para comérselos, y a las presas permitirles escapar), como lo hacen las plantas, y de hecho toman una forma parecida a la de las plantas, con extensiones que permiten captar mejor la luz solar. Si la supuesta fotosíntesis mediante melanina que se propone existe entre los vertebrados fuera una realidad, no observaríamos la enorme movilidad que demostramos y ni siquiera hubiéramos evolucionado un sistema nervioso sofisticado (que se requiere para coordinar los movimientos). Ésa es la segunda evidencia en contra.
Lo primero que podemos observar respecto a los cloroplastos es que tienen una estructura muy compleja, con una membrana interna con muchos pliegues, llamada tilacoide, y vesículas bien definidas, que en las micrografías electrónicas tienen la apariencia de pilas de monedas llamadas grana (significa "granos" en latín; el singular es granum). Los grana y las membranas tilacoides están rodeadas por un líquido llamado estroma, y a su vez contienen otro líquido, llamado líquido tilacoide, y es entre esos dos líquidos, por la acción de estructuras insertadas en la membrana tilacoide y por la misma membrana, que se lleva a cabo la fotosíntesis.Para entender en qué consiste la fotosíntesis de las plantas, primero sería conveniente entender el fenómeno inverso, la respiración, que utilizamos para obtener energía todos los seres vivos que respiramos oxígeno. Se puede resumir así:
Esta ecuación, que espero no resulte demasiado apabullante, básicamente se traduce como "la glucosa reacciona con el oxígeno para convertirse en dióxido de carbono y agua". Es una reacción muy semejante a la de quemar madera, que está constituida por una molécula de naturaleza muy semejante a la glucosa, y los productos finales son los mismos: dióxido de carbono, agua, y energía. Las plantas, que son las principales productoras de glucosa en el mundo (y de madera, cuyo principal componente, la celulosa, se deriva de la glucosa) invierten la reacción en la fotosíntesis, utilizando la luz del sol para convertir dióxido de carbono y agua en glucosa y oxígeno. A diferencia de la combustión de la madera, que es muy rápida y desperdicia mucha de la energía en forma de calor emitido al espacio circundante (acérquense alguna vez a una estufa de leña), los seres vivos realizan la reacción en muchos pasos y de manera más lenta, para aprovechar más eficientemente la energía (por eso una lámpara de LEDs, que virtualmente no libera calor, es mucho más eficiente que un foco común para convertir la energía eléctrica en luz y gasta mucho menos). Este esquema simboliza muy bien las dos posibilidades:
La producción de energía, en este caso representada por quemar hidrógeno (hay bacterias que lo pueden hacer para obtener energía, pero eso queda para otro post) se muestra de dos maneras, a la izquierda como una explosión que libera la energía de manera rápida y poco aprovechable, y a la derecha como una caída gradual de agua que pasa por una serie de aspas de molino mediantes las cuales se aprovecha para extraer la energía liberada por la caída del agua. La respiración es como el ejemplo de la derecha. La fotosíntesis consistiría en una bomba que usa la luz solar para levantar el agua hasta una altura en la que se pueda utilizar de nuevo. Hemos visto que la respiración proviene de la reacción de la glucosa con el oxígeno, en una oxidación. Por lo tanto, la fotosíntesis consiste en una reacción inversa, que en química se denomina reducción, y para simplificar la podemos considerar como equivalente a agregar átomos de hidrógeno a una molécula. La fotosíntesis consiste entonces en la reducción del dióxido de carbono mediante la adición de hidrógeno obtenido del agua, lo cual deja oxígeno libre como producto secundario. Lo interesante de la fotosíntesis es que utiliza una serie de etapas para producir una molécula que capte los átomos de hidrógeno, que se conoce por las siglas NADPH (si quieren saber más sobre ella, chéquenla en la Wikipedia) para luego pasárselos al dióxido de carbono y producir glucosa. Además, almacena la energía de la luz dentro de una molécula que se conoce con las siglas ATP (aquí en Wikipedia) que se utiliza también para producir glucosa y para otras necesidades de energía de la planta. Todos los seres vivos pueden usar el ATP para energía, por lo que podría considerarse algo así como el dólar de la energía viviente (o quizás el euro).
Todos sabemos que una molécula esencial para la fotosíntesis es la clorofila. Ésta es la estructura general de las clorofilas, de las que hay varios tipos:
Como muchas otras substancias que absorben fuertemente la luz (incluida la melanina), la clorofila almacena momentáneamente la energía absorbida para luego volver a emitirla como calor (esto se conoce como fluorescencia, donde una substancia absorbe luz de alta energía para emitir luz de menos energía, rayos infrarrojos en este caso; los colorantes fluorescentes de los billetes, se activan con luz de alta energía, azul o violeta, para emitir luz de menos energía, verde, amarilla o roja). La diferencia es que la clorofila puede transferir la energía sin pérdida a otras moléculas cercanas a ella, como se ilustra en este esquema:
Lo que nos interesa aquí son las posibildades 2 y 3. En la 2, la energía puede pasarse de una molécula de clorofila a otra, como una línea eléctrica, hasta hacerla llegar a una molécula de clorofila que está en contacto con moléculas que la pueden aprovechar para hacer algún trabajo útil, que es el caso 3, donde las moléculas citadas se ilustran de color gris y azul claro, y lo que hacen es mover electrones, que le quitan al oxígeno del agua. Estos electrones junto con el hidrógeno resultante son los que son capaces de ser utilizados en la reducción.
Para realizar una captación eficiente de la energía, las moléculas de clorofila se organizan en una extendida estructura, llamada complejo antena, inserta en la membrana tilacoide, que se ilustra a continuación:
Los cuadritos verdes representan cientos de moléculas de clorofila (a las cuales se agregan unos pigmentos llamados carotenoides, que ayudan a captar mejor la luz y que son de color amarillo o naranja y se pueden observar cuando las hojas se marchitan) entre las cuales salta la energía de la luz (representado por las flechas curvas rojas) hasta llegar al lugar donde pueden utilizarse, representado por el rectángulo central verde limón fuerte, de esquinas redondeadas, llamado centro de reacción fotoquímica. El rectángulo rosa superior representa la molécula de agua, de la cual se extraen los electrones mediante la energía captada y estos se transfieren en una serie de brincos hasta una molécula inmersa en la membrana, llamada quinona, (representada por los dos circulitos en tonos de naranja), que los transporta a otras estructuras adyacentes. Lo que resulta de la pérdida de electrones en el agua, representado por las letras negras, consiste en oxígeno libre y iones hidrógeno (es decir, hidrógenos a los que les hace falta un electrón y tienen carga positiva). El centro de reacción fotoquímica tiene ciertas moléculas de clorofila en una organización tridimensional muy definida que les permite realizar lo recién descrito. Aquí se ilustra:
Ciertamente, en la melanina no se conoce estructura semejante ni la formación de complejos antena. La quinona transporta los electrones hasta otros complejos que realizan las etapas siguientes de la fotosíntesis:
Lo que hemos descrito hasta ahora, sucede en el llamado Fotocomplejo II, ilustrado en el extremo izquierdo del esquema, y podemos ver que los electrones son transportados hacia el Complejo Citocromo b6-f, donde la energía que portan es utilizada para mover iones hidrógeno a través de la membrana tilacoide, desde el estroma hacia el líquido tilacoide, donde se acumulan (a los que se agregan los obtenidos por la pérdida de electrones del agua). Otra resultado muy importante de este transporte de electrones es el movimiento final de los mismos, a través de la enzima Ferredoxina NADP reductasa (FNR en el esquema), hasta su destino final, la molécula conocida como NADP, para producir NADP reducido, o NADPH. Esta molécula constituye un almacén temporal de los átomos de hidrógeno que posteriormente se utilizarán para la síntesis de carbohidratos como la glucosa. Por su parte, la acumulación de iones hidrógeno en uno de los lados de la membrana tilacoide es equivalente a subir agua para después obtener energía de ella, como se explicó al principio. El "agua" (la concentración de iones hidrógeno) que está "arriba" se hace pasar en su "caída" (al otro lado de la membrana, donde la concentración es mucho menor) a través de un "generador", conocido como ATP sintasa, que se encarga de producir ATP, a partir de ADP, aprovechando la energía acumulada. Lo más curioso del símil con un generador eléctrico es que la molécula realmente tiene una parte que gira sobre su eje, como el rotor de una turbina, y es este movimiento el que conduce a la formación de ATP:
Los animales, que no realizamos fotosíntesis, tenemos una ATP sintasa muy semejante, que se encarga de utilizar la acumulación de iones hidrógeno de un lado de una membrana (en este caso, en nuestras mitocondrias), producido por la oxidación de los nutrientes en la respiración, para producir el ATP que utilizan nuestras células.
Lo descrito hasta el momento, se conoce como la Fase Luminosa de la fotosíntesis, porque requiere de luz para llevarse a cabo. La etapa siguiente, o Fase Oscura, o biosintética, de la fotosíntesis, no requiere directamente de luz, sino que utiliza los productos acumulados en la Fase Luminosa, ATP y NADPH, en una serie de reacciones bioquímicas, demasiado compleja para describirse en este post de divulgación, que se conoce como Ciclo de Calvin, en honor del bioquímico que la descubrió, Melvin Calvin. Se resume en este esquema:
Esto se puede resumir en que una enzima, esencial en la fotosíntesis, inexistente fuera de los organismos fotosintéticos conocidos, conocida como RuBisCO (ver aquí), toma el carbono inorgánico del dióxido de carbono de la atmósfera, y lo pega a una molécula con 5 átomos de carbono, que inmediatamente se parte en 2 moléculas de 3 átomos de carbono (6 carbonos en total), que ahora constituyen carbono orgánico. La fotosíntesis se resume en eso, utilizar la energía de la luz para convertir agua y dióxido de carbono, inorgánicos, en moléculas orgánicas que formen parte de los seres vivos, las plantas en primer lugar. Cada 3 "vueltas" del ciclo producen una ganancia neta de una molécula orgánica de 3 carbonos (cada uno de esos carbonos proveniente originalmente del dióxido de carbono), conocida como Gliceraldehído-3-fosfato. Dos de estas moléculas se pueden unir para formar una molécula de glucosa, de 6 carbonos, o se pueden utilizar para producir muchos otros componentes celulares, como lo señala el diagrama. Por cada molécula de dióxido de carbono que se incorpora en una "vuelta" del ciclo, se gastan 3 moléculas de ATP (conviertiéndose en ADP) y 2 de NADPH (convirtiéndose en NADP), por lo que una molécula nueva de gliceraldehído-3-fosfato implica un gasto total de 9 moléculas de ATP y 6 de NADPH, provenientes de la utilización de la energía de la luz. Este esquema resume el sistema completo:
Lo primero que salta a la vista de esta explicación, que ha intentado no ser muy detallada (ya me dirán en los comentarios qué tanto éxito tuvo), es que no se requiere nada más de una molécula que absorba la energía de la luz solar y la almacene momentáneamente antes de pasarla a otra, como son el caso de las clorofilas y la melanina, sino que se requiere de un todo un sistema, muy complejo y sofisticado, que permita la utilización eficiente de la energía capturada, especialmente para la producción de moléculas orgánicas que pasen a formar parte de los constituyentes del organismo fotosintético (o no tenemos foto-síntesis). En los animales jamás se ha encontrado un sistema semejante y corresponde a quienes lo proponen mostrar evidencias de su existencia, si es que éstas existen.
