III. RADIACI�N SOLAR, APLICACIONES DE LA RADIACI�N, CAPA PROTECTORA DE OZONO, FOTOS�NTESIS, ATM�SFERA OXIDANTE, CONDICIONES APROPIADAS PARA LA VIDA ANIMAL
EN EL Sol se est�n generando constantemente grandes cantidades de energ�a mediante reacciones termonucleares. La energ�a radiante se propaga por el espacio viajando a raz�n de 300 000 km por segundo (velocidad de la luz, c). A esta velocidad, las radiaciones llegan a la Tierra ocho minutos despu�s de ser generadas.
Las distintas radiaciones solares, de las cuales la luz visible es s�lo una peque�a parte, viajan por el espacio en todas las direcciones, como los radios de un c�rculo, de donde proviene su nombre.
Debido a que las radiaciones viajan como ondas a la velocidad de la luz (c),
tendr�n como caracter�stica la longitud de onda (l),
que es la distancia entre dos m�ximos.
El n�mero de ondas que a una velocidad constante pasan por un determinado punto
cada segundo se le llama frecuencia (v). Mientras menor sea la
longitud de onda, m�s ondas pasar�n cada segundo, siendo por lo tanto mayor
la frecuencia, y cuando l es mayor, menos ondas pasar�n
y por tanto la frecuencia ser� menor, por lo que, a la velocidad de la luz (c),
la frecuencia ser� inversamente proporcional a l.
Las radiaciones de mayor frecuencia tendr�n tambi�n mayor energ�a, ya que la energ�a (E) es igual a la frecuencia y multiplicada por la constante de Plank (h), siendo h = 6.626x10-34 J.s. La energ�a ser�, por lo tanto, E = hv.
La peque�a porci�n del espectro electromagn�tico que percibe el ojo humano es llamada "luz visible" y est� compuesta por radiaciones de poca energ�a, con longitudes de onda (l) que van de 400 a 800 nm (nm = nan�metro = 10-7 cm). La luz de menor longitud de onda (l = 400 nm) es de color violeta; le sigue la de color azul; despu�s tenemos la luz verde, seguida de la luz amarilla y la anaranjada y, por �ltimo, a 800 nm, la luz roja con la que termina el espectro visible.
Antes del violeta, es decir a longitudes de onda menores de 400 nm, existen radiaciones de alta energ�a que el ojo humano no puede percibir, llamadas ultravioleta. Otras radiaciones de alta energ�a, y por lo tanto peligrosas para la vida, son los llamados rayos X y las radiaciones gamma. Por su parte, a longitudes de onda mayores que la de la luz roja (800 nm) existen radiaciones de baja energ�a, llamadas infrarrojo, microondas y ondas de radio.
El cuadro 2 muestra el espectro electromagn�tico, as� como algunas de sus aplicaciones.
 |
El vapor de agua existente en la atm�sfera primitiva de la Tierra estuvo expuesto a la radiaci�n ultravioleta que durante millones de a�os lleg� hasta la superficie terrestre sin dificultad. Las mol�culas de agua eran descompuestas en hidr�geno (H2) y ox�geno (O2) por la alta energ�a del ultravioleta, el cual tiene una corta longitud de onda.
2H2O
2H2+O2
A pesar de que la producci�n de ox�geno era constante, la naturaleza reductora de la atm�sfera se conservaba, ya que gran parte del ox�geno generado era consumido en la formaci�n de �xidos con los elementos de la corteza terrestre y produciendo agua y nitr�geno al reaccionar con el amoniaco que abundaba en la atm�sfera terrestre.
Por medio de este procedimiento la atm�sfera se iba enriqueciendo en nitr�geno y ox�geno.
Parte del ox�geno que ingresaba en la atm�sfera era activado por la radiaci�n ultravioleta y transformado en su al�tropo, una forma de ox�geno de alta energ�a llamado ozono (03). De esta manera se fue formando una capa protectora contra la radiaci�n ultravioleta que se situ� a una altura de alrededor de 30 km sobre la superficie terrestre. Esta capa de ozono protege a la Tierra de las radiaciones ultravioleta que, debido a su alta energ�a, son da�inas para la vida, ya que excitan a �tomos y mol�culas a tal grado, que puede hacer que un electr�n abandone al �tomo. La luz ultravioleta, al activar los �tomos moleculares, puede dar origen a radicales libres. Si estos radicales forman parte de un ser vivo, pueden causarle trastornos graves como c�ncer y aun conducirlo a la muerte.
Otras radiaciones con mayor energ�a que la luz visible, como los rayos X, son tambi�n peligrosas para la vida. En cambio, cuando la luz visible incide sobre un �tomo excitar� sus electrones haciendo que avancen a un estado mayor de energ�a, del cual regresar�n inmediatamente liberando la energ�a que hab�an absorbido en forma de luz con la misma frecuencia que ten�a la que los excit�.
Cuando una mol�cula ha sido excitada, el fot�n absorbido la har� pasar a un
estado de mayor energ�a o estado excitado E*. Cuando esta
mol�cula excitada se relaja a un subestado vibracional o rotacional de inferior
energ�a, antes de que llegue a su estado basal emitir� luz a menor energ�a que
la absorbida. Este proceso se llama fluorescencia.
REACCIONES FOTOQU�MICAS
Un tercer camino para relajarla es cuando la mol�cula excitada da como resultado
una reacci�n qu�mica o fotoqu�mica como, por ejemplo, en la reacci�n fotoqu�mica
que se lleva a cabo en el proceso de la visi�n.
Cuando la luz llega a la retina, el retinal que forma parte de la rodopsina
sufre una reacci�n fotoqu�mica por medio de la cual cambia su geometr�a a trans
geometr�a que al no ser apropiada para unirse a la opsina provocar� su separaci�n
y el color cambiar� del rojo p�rpura al amarillo.
El trans retinal enseguida se reduce enzim�ticamente a vitamina A decolor�ndose totalmente. Despu�s la vitamina A es transportada al h�gado en donde se transforma en 11-cis-vitamina A. �sta es ahora transportada al ojo en donde al ser oxidada se transforma en 11cis-retinal que se combina con la opsina para dar rodopsina e iniciar de nuevo el ciclo visual.
Otro ejemplo importante de reacci�n qu�mica provocada por la luz es la formaci�n de vitamina D2 o antirraqu�tica.
El proceso que se puede realizar en el laboratorio es el mismo que sucede espont�neamente cuando las personas se exponen a los rayos solares.
Los ni�os que sufren de raquitismo (crecimiento deficiente de los huesos) se curan por exposici�n prolongada a la luz solar. Los alimentos al ser asoleados adquieren propiedades antirraqu�ticas.
La sustancia m�s activa para combatir el raquitismo es la vitamina D2 que se obtuvo al irradiar al ergosterol, una sustancia inactiva aislada de levadura.
La transformaci�n fotoqu�mica del ergosterol en vitamina D2 es la que se muestra enseguida.
Reacciones fotoqu�micas, como lo que se acaba de ilustrar, se pueden aplicar
a la transformaci�n de diversas sustancias, lo que resulta de gran utilidad
en s�ntesis org�nicas.
La energ�a luminosa es tambi�n la base de las celdas fotovoltaicas que producen electricidad por excitaci�n en el estado s�lido.
CELDAS FOTOVOLTAICAS
Las celdas fotovoltaicas se han usado en el espacio desde 1958 para suministrar
energ�a el�ctrica a los sat�lites artificiales. Y esto debido a que son muy
eficientes en la conversi�n de energ�a solar a energ�a el�ctrica (� 20%), aunque,
debe aclararse, tienen el inconveniente de ser muy caras.
La soluci�n, desde luego, radica en abaratar el procedimiento para poder utilizarlo en la Tierra en forma competitiva.
El procedimiento est� basado en la propiedad que tiene la energ�a luminosa de excitar los electrones de los �tomos. Si sobre un cristal de silicio, cuyos �tomos tienen cuatro electrones de valencia, se hace incidir la luz, �stos ser�n excitados y podr�n abandonar el �tomo, dejando un hueco que equivale a una carga positiva, el cual atraer� a un electr�n de un �tomo vecino, generando en �l un nuevo hueco. De esta manera las cargas negativas (electr�n) y las positivas (hueco) viajar�n libremente por el cristal y al final quedar�n balanceadas.
Si la mitad del cristal contiene como impureza un elemento que, como el ars�nico, contiene cinco electrones de valencia, a cada �tomo le sobrar� un electr�n que se mover� por el cristal, aunque los electrones extra se encuentren neutralizados por los protones del n�cleo del ars�nico.
Si la impureza en la otra mitad del cristal en vez de ser ars�nico es un elemento como el boro, es decir con s�lo tres electrones de valencia, dar� la posibilidad de crear huecos con facilidad.
Si-Si-Si-Si-Si-Si Si-Si-As-Si-Si-Si Si-As-Si-Si-Si-Si Si-Si-Si-Si-Si-Si Si-Si-Si-Si-Si-Si Si-Si-B-Si-Si-Si Si-B-Si-Si-Si-Si Si-Si-Si-Si-Si-Si |
As�, los electrones se difundir�n en ambas partes del cristal hasta llegar a
un equilibrio.
Con los elementos anteriores se puede hacer una celda fotovoltaica (Figura 10).
La parte con exceso de electrones, a la que se llamar� N (negativa), se une a la que contiene cargas positivas m�viles P (huecos).
Cuando la luz solar incide sobre el cristal, los electrones de la parte N se liberan y dirigen hacia un electrodo conectado con la parte positiva P, rica en huecos. Como existe una barrera entre la parte positiva y la negativa, se evita la recombinaci�n de electrones y huecos haciendo que los electrones pasen a trav�s del alambre y generen una corriente el�ctrica. Por tanto, la corriente fluir� constantemente mientras la luz incida sobre la celda.
FOTOS�NTESIS
En la fotos�ntesis ocurre un proceso similar al descrito para las celdas fotovoltaicas.
Aunque en aqu�lla no se produce una corriente el�ctrica, es sin embargo m�s
eficiente que el realizado en una celda fotovoltaica artificial.
La clave para tan alta eficiencia reside en la arquitectura molecular y en su asociaci�n a membranas. Las membranas biol�gicas consisten en un fluido bicapa de l�pidos anfip�ticos especialmente fosfol�pidos. La naturaleza anfip�tica de estos l�pidos se debe a que presentan hacia el exterior la parte polar (cargada) de los fosfol�pidos, la que es atra�da hacia el medio acuoso. La parte interior de la membrana est� constituida por las colas (no polares) de los fosfol�pidos que forman una barrera entre los medios acuosos.
Figura 11.
Esta bicapa fosfol�pida constituye una membrana y act�a como barrera semipermeable
separando dos compartimientos acuosos (Figura 11). Por ejemplo, un gl�bulo rojo
est� formado por una membrana que separa al citoplasma acuoso intracelular del
plasma sangu�neo, que tambi�n es acuoso.
En los organismos fotosint�ticos existen prote�nas, colorantes y mol�culas sensibilizadoras embebidas en la membrana de las c�lulas especializadas en la fotos�ntesis.
En algas y plantas verdes, el aparato fotosint�tico se encuentra localizado en organelos intracelulares unidos a prote�nas que se llaman cloroplastos.
La mol�cula sensibilizadora en la fotos�ntesis es la clorofila, mol�cula parecida a la del heme de la hemoglobina, que consiste en un anillo tetrapirr�lico que contiene un �tomo de Mg en el centro del anillo en vez del �tomo de Fe que contiene el heme.
La clorofila absorbe luz para iniciar la reacci�n de fotos�ntesis. La intensidad de absorci�n en las distintas l del espectro visible var�an de acuerdo con la figura 12. Como en ella se ve, la clorofila absorbe en el azul y en el rojo y no en el verde, el cual es reflejado, raz�n por la que las hojas se ven verdes.
El aparato fotosint�tico consta de clorofila y una serie de pigmentos como carotenos y xantofilas, todos ellos unidos a una prote�na embebida en una membrana, lo que permite una buena transmisi�n de energ�a.
Los pigmentos diferentes a la clorofila ayudan a absorber en las ls
entre 450 y 650 nm, punto en que la clorofila es deficiente. Las cantidades
y proporciones de pigmentos secundarios var�a de planta a planta, siendo precisamente
�stos los que le dan el color caracter�stico a las hojas. De aqu� que se puedan
encontrar de tono azulado, como en algunos eucaliptos; de tono amarillo, como
en la lechuga, o de tono rojizo, como en algunos amarantos.
Los pigmentos que absorben la luz, situados en la membrana, se hallan dispuestos en conjuntos. Estos fotosistemas contienen alrededor de 200 mol�culas de clorofila y algunas 50 de carotenoides. Todas las mol�culas del conjunto pueden absorber luz, pero s�lo una mol�cula de clorofila, combinada con una prote�na espec�fica, transforma la energ�a luminosa en energ�a qu�mica, por lo que recibe el nombre de centro de reacci�n fotoqu�mica. Todas las dem�s mol�culas son colectoras o mol�culas antena.
Las membranas de los cloroplastos poseen dos diferentes fotosistemas cada una, con su propio conjunto de mol�culas colectoras y su centro de reacci�n. El fotosistema l, que absorbe a l mayores (800 nm), tiene una mayor proporci�n de clorofila a y el fotosistema II, que absorbe a l menores (680 nm), tiene mayor proporci�n de clorofila b.
Todas las plantas que desprenden ox�geno poseen ambos fotosistemas, siendo el agua oxidada en el lado derecho, como se muestra en la figura 13, y el NADP+ reducido en el lado izquierdo. Es tambi�n interesante notar que existen trampas de luz (fototrampas), oxidaci�n de agua y reducci�n de NADP+. En la oxidaci�n de H2O la mol�cula de clorofila sensibilizadora tiene un pico de absorci�n de luz a 680 nm y se designa como P680. El complejo total del lado de oxidaci�n de H2O de la Z es llamado fotosistema II. Despu�s de la absorci�n de energ�a luminosa se forma P680* (excitado), que por oxidaci�n pasa a P680+ (oxidado), mientras se reduce un aceptor que es plastoquinona, acomplejada con heme sin fierro. El producto reducido es el radical libre de una hemequinona que ha sido identificado por resonancia spin electr�n. La localizaci�n en la membrana del P680 y su plastoquinona proviene de la recombinaci�n de cargas, pero el P680+ es tambi�n r�pidamente reducido por los electrones tomados del agua. De hecho, despu�s de cuatro eventos fotoqu�micos se observa emisi�n de O2.
donde por cada electr�n que proporciona el agua y recorre el camino hasta NADP+, se absorben dos cuantos de luz.
Para formar una mol�cula de O2 deben absorberse un total de ocho cuantos para cada fotosistema.
FORMACIÓN DE AZÚCARES Y OTROS COMPUESTOS ORGÁNICOS
Los organismos fotosint�ticos producen glucosa y otros az�cares a partir del
CO2 atmosf�rico y el agua del suelo, usando la energ�a solar
acumulada en el ATP y el NADPH
El proceso descubierto por Melvin Calvin es el siguiente:
6 CO2 + 18 ATP + 12 H2O
+ 12 NADPH + 12 H+ 
C6H12O6
+ 18 Pi + 18 ADP + 12 NADP+
El az�car de cinco �tomos de carbono se combina con CO2, catalizado por la enzima carbon�lica 1,5-difosfato de ribulosa, produciendo dos mol�culas de �cido fosfoglic�rico, el que se combina entre s� para dar el az�car de fruta o glucosa.
REFERENCIAS
1. A. 1. Oparin, The Origin of Life on the Earth, 3a edici�n, Academic
Press Inc., editores, Nueva York, 1957.
2. M. Harvath, L. Bilitzki y J. H�ttner, Ozone, Elsevier, Amsterdam Oxford, Nueva York, 1957.
3. K. Zweibel, "Photovoltaic cells", en Chem. and Eng. News,7 de julio, p. 34 (1986).
4. Ch. L. Bering, "Energy interconvertions in photosynthesis", en J. Chem. Ed. 62, 659 (1985).
5. Zelitch 1., "Photosynthesis and plant productivity", en Chem. and Eng. News, 5 de febrero, p. 28 (1979).
6. A. L. Lehninger, Principies of biochemistry, Worth publishers, Inc., Nueva York, 1982.
7. Magdalena Rius de Riepen y C. Mauricio Castro Acu�a, La qu�mica hacia la conquista del Sol, SEP-FCE-CONACYT (La ciencia desde M�xico, 10), M�xico, 1986.
