I. LA ENERG�A DE LA VIDA
EN LOS viejos textos de bot�nica se sol�a describir el experimento
siguiente: "Poned un rat�n bajo una campana de cristal y ver�is que al cabo
de unas horas ha muerto por falta de ox�geno (puede creerse bajo mi palabra
que as� es, no es necesario asesinar ratoncitos). Colocad ahora otro rat�n junto
con una planta en una maceta bajo la campana; ver�is que el rat�n no muere porque
la planta purifica el "aire" . As� ocurre en efecto, provisto que el rat�n no
se coma la planta. Es un experimento f�cil (no para el animalito) que demuestra
la importancia de las plantas para la vida animal; pero no toda la importancia,
pues solamente se observa uno de los efectos del fen�meno llamado fotos�ntesis.
Cuando se empez� a estudiar el mundo con m�todos cient�ficos se pens� que las plantas respiraban al rev�s de los animales durante el d�a e igual a ellos durante la noche. Ingen-Housz describi� a fines del siglo XVIII lo que llam� "la reparaci�n diurna y nocturna de los vegetales", que en realidad es la diferencia entre la exhalaci�n de ox�geno por la planta a la luz por la fotos�ntesis, y de bi�xido de carbono a la oscuridad por la respiraci�n que ocurre haya luz o no la haya. La confusi�n entre respiraci�n y fotos�ntesis se fue aclarando posteriormente con los trabajos de Senebier y De Saussure sobre fotos�ntesis y de Lavoisier sobre respiraci�n.
Hoy sabemos con bastante profundidad lo que sucede. Todo ser vivo necesita respirar para vivir. Al respirar se oxida o quema az�car consumiendo ox�geno y desprendiendo bi�xido de carbono y energ�a, con la cual se llevan a cabo los procesos vitales; as� como en un autom�vil se oxida la gasolina, se desprenden gases que salen por el escape y queda libre energ�a, con lo cual se mueve el veh�culo. Ning�n animal, incluido el hombre, puede hacer az�car, por lo que debemos comerla en alguna forma, como miel, almid�n o sacarosa (az�car com�n); la planta verde sabe fabricarla juntando bi�xido de carbono y agua por medio de la energ�a de la luz y desprendiendo ox�geno al aire como subproducto del proceso. La fotos�ntesis es, por tanto, la inversa de la respiraci�n pero solamente en los t�rminos inicial y final y no en las reacciones qu�micas intermedias.
El doble proceso fotos�ntesis-respiraci�n es de suprema importancia; gracias a �l se mantiene la vida sobre la Tierra y si no lo entendemos no podemos entender las condiciones que necesitamos para vivir. Por ello vale la pena explorarlo un poco m�s. Debe tenerse en cuenta que son procesos largos y complicados pero aqu� los expondremos siguiendo el consejo de Maese Pedro cuando present� sus t�teres a Don Quijote, "sin meternos en contrapuntos que se suelen quebrar de sutiles".
Que la luz es energ�a y tiene la capacidad de efectuar trabajos lo sabe todo el mundo en estos tiempos en que las celdas fotoel�ctricas abren y cierran las puertas de los ascensores y los rayos l�ser cortan placas de acero. El problema es c�mo utilizar la energ�a lum�nica, sea directamente o convirti�ndola en otra forma de m�s f�cil utilizaci�n.
En un d�a claro, la luz solar que ba�a los campos representa una tremenda cantidad de en�rg�a (se habla aqu� de la luz, no del calor, que es otra forma de energ�a) y las plantas saben utilizarla por medio de la clorofila, sustancia que les da el color verde y que es un convertidor de enrg�a lum�nica a energ�a qu�mica.
Las mol�culas de clorofila tienen una estructura tal que pueden absorber la energ�a de la luz (como las mol�culas que dan color a los ojos, que por eso son la �nica porci�n del organismo capaz de ver). Al absorberla aumenta su contenido de energ�a y quedan capacitadas para efectuar un trabajo: romper las mol�culas de agua de su entorno y desprender por un lado hidr�geno y electrones y por otro agua y ox�geno. Un ejemplo lo har� m�s claro: imag�nese una gran campana en cuyo interior hay un vaso de cristal; al descargar en ella un golpe de mazo la campana no se mueve por ser muy pesada sino que transforma la energ�a del movimiento (cin�tica) del mazo en energ�a de vibraci�n resonando fuertemente; la vibraci�n se transmite al aire y al vaso que, al vibrar sus mol�culas fuertemente, se hace pedazos.
La energ�a no se crea ni se destruye, solamente se transforma; el rompimiento de las mol�culas de agua en el interior de las c�lulas de la hoja determina una serie de reacciones que terminan con la s�ntesis de dos mol�culas, el trifosfato de adenosina y el dinucle�tido fosfatado de adenina; por tener tan largos nombres generalmente se les designa por sus siglas: ATP y NADPH, respectivamente. En estas mol�culas se encierra la energ�a que la planta recibi� de la luz.
Parecer�a que el problema se ha solucionado pues ahora el vegetal dispone de energ�a qu�mica utilizable para sus trabajos de nutrici�n, crecimiento etc. Pero al ATP y el NADPH son en extremo reactivos, inestables; ser�a como transportar nitroglicerina en una mol�cula mas "tranquila ". Para ello el ATP y el NADPH dan su energ�a a una mol�cula muy perezosa que es el bi�xido de carbono el cual se activa y reacciona con otra mol�cula en las c�lulas de las hojas; despu�s de varias transformaciones se forman glucosa, sacarosa —que es az�car com�n— almid�n y otros compuestos. La energ�a contenida en estos productos es la que utilizar� la planta en sus procesos vitales y cuando nos comemos los frutos, semillas y hojas incorporamos esos alimentos energ�ticos a nuestro organismo.
Tal es la fotos�ntesis, que debiera llamarse fototransformaci�n pues lo importante es pasar de energ�a lum�nica a energ�a qu�mica. Pero ésta es la mitad de la historia. La planta con az�car es como el autom�vil con gasolina: para que se ponga en marcha hay que oxidar el combustible en un sistema tal que al quedar la energ�a libre ejecute el trabajo de moverlo.
Toda c�lula, sea animal o vegetal, contiene "carburadores" llamados mitocondrias, donde el az�car se oxida o quema. Al hacerlo la energ�a no se libera como calor sino que ejecuta trabajos qu�micos y tras diversas reacciones queda presa de nuevo en las mol�culas de ATP Y NAD (dinonucle�tido de nicotinadenina) que son las que directamente ceden la energ�a para que la c�lula cumpla sus trabajos vitales. Si el az�car, o almidón, es consumido por un animal le dar� energ�a precisa para sus actividades. La oxidaci�n de los az�cares es la respiraci�n que se lleva a cabo en todo ser vivo, vegetal o animal; en el hombre, animales y plantas superiores exigen la presencia de ox�geno, es la respiraci�n aerobia; en varias bacterias, levaduras y mohos no requiere ox�geno, constituyendo diversos tipos de fermentaciones: La fotos�ntesis y la respiraci�n forman un ciclo que explica el mantenimiento de la vida sobre la Tierra.
Podemos comer ma�z, o trigo, o animales que a su vez comieron estas gram�neas o peces que comieron peces que se nutrieron de algas marinas; al final estamos comi�ndonos al Sol, porque la energ�a del ser vivo no procede de la Tierra sino del Sol, en condiciones naturales, o de otra fuente luminosa en condiciones de cultivo artificial. La energ�a con que se mueven todos los artefactos que uso, sea que utilicen le�a, carb�n, carb�n de piedra o derivados del petr�leo, tambi�n provino del Sol y fue fijada por vegetales que vivieron hace un a�o o hace miles de siglos, porque la energ�a es indestructible.
Y desde luego, el ox�geno del aire tambi�n proviene de la fotos�ntesis (dediquemos un piadoso recuerdo al ratoncito muerto en la demostraci�n, uno de cientos de miles de ratones m�rtires de la ciencia). El ox�geno es un subproducto del proceso central de conversi�n de la energ�a pero nos es tan necesario para vivir como el az�car pues si falta no podemos respirar, o sea oxidar el az�car. Somos pues par�sitos de las plantas. Hemos aprendido a parasitarlas, bastante bien por medio de la agricultura pero a�n hemos de aprender mejor c�mo utilizar y producir esa asombrosa mol�cula que encierra la energ�a del ser vivo: el ATP.
Mi experiencia como profesor me ha ense�ado que cuando se explican los ires y venires de las mol�culas en la fotos�ntesis y la respiraci�n, los estudiantes tienden a considerar estos fen�menos de modo abstracto, como si su �nica realidad fueran trazos de gis sobre el pizarr�n, o como si ocurrieran en alg�n lugar no precisado del espacio. A menos que se les haga reflexionar no consideran que dichos procesos est�n ocurriendo en este momento dentro del �rbol que ve por la ventana, y dentro de su propio cuerpo, al menos la respiraci�n. Es una trampa que acecha a todo cient�fico y en la que es muy peligroso caer. El estad�stico que llorar�a al ver un ni�o muerto juega con los n�meros y afirma que dados los recursos se deben suprimir quinientos consultorios gratuitos en el pa�s; el qu�mico incapaz de matar un gato juega con s�mbolos y produce gas asfixiante; el f�sico que no soportar�a ver electrocutar a un asesino juega con ecuaciones y llega a una versi�n m�s terrible de la bomba at�mica.
La fotos�ntesis no ocurre en el pizarr�n ni en el espacio indeterminado sino en cada c�lula verde; la respiraci�n ocurre real y verdaderamente en el interior de cada c�lula de cada ser vivo. Las mol�culas son "granitos" de materia que botan y rebotan en el interior de cavidades membranosas en los organillos celulares... Los hombres somos hombres, no ciudadanos, ni unidades estad�sticas, ni proyectos evolutivos. Todos sabemos esto, pero es bueno recordarlo de vez en cuando.
�El verdor de los campos!... Mucho se ha abusado de esta imagen en frases l�ricas de poemas y novelas, pero en realidad vemos a las hojas verdes por un efecto de �ptica, pues si se coloca una porci�n de hoja al microscopio se ver� que las c�lulas que la constituyen son incoloras excepto por unos granulillos, los cloropastos, de un hermoso verde intenso, que no llegan a representar una d�cima parte de la c�lula total, pero que, para nuestros ojos, ti�en de verde todo el follaje. A su vez, el cloroplasto que en el microscopio com�n aparece como un brillante disco verde, al mirarse con el microscopio electr�nico muestra que el color solamente se encuentra en unos sitios del organillo que es, en su mayor parte, incoloro.
El cloroplasto se forma por una matriz de prote�na gelatinosa en la que se disponen membranas donde se encuentra la clorofila en sitios determinados llamados grana. Su estructura es complicada pero baste decir que las mol�culas que efect�an la fotos�ntesis no vagan errabundas en el interior del cloroplasto sino que se estructuran en las membranas internas de modo ordenado, colocadas en lugares precisos, y este arreglo definido permite el flujo de electrones y la s�ntesis de productos. Conocer en detalle la estructura del cloroplasto es el primer paso para poder construir un sistema artificial an�logo y hacer realidad el sue�o de muchos bi�logos: la producci�n del alimento energ�tico b�sico (az�car y almid�n) en plantas industriales en lugar de plantas verdes cultivadas penosamente en el campo.
Las mitocondrias son cuerpecillos con una membrana externa y otra interna que forma pliegues (crestas) y en la cual van absorbidas mol�culas que permiten la r�pida oxidaci�n del az�car; son las enzimas respiratorias. Entre las mol�culas, como entre mis alumnos, unas pocas son activas por tener un nivel muy alto de energ�a pero otras son muy perezosas, con bajo nivel de energ�a. El papel de las enzimas es activar todas las mol�culas, por perezosas que sean, levantando su nivel de energ�a de modo que las reacciones qu�micas del organismo se efect�en con rapidez.
La estructura molecular de la mitocondria, como la del cloroplasto, es definida y gracias a ella la glucosa se va oxidando en pasos sucesivos, dejando libre la energ�a que contiene poco a poco para que la c�lula pueda utilizarla (as� como la gasolina se quema gota a gota en un carburador). Cuando yo respiro no respiran mis pulmones sino todas y cada una de mis c�lulas; los pulmones son un fuelle que permite la entrada de aire con ox�geno y la salida de aire con bi�xido de carbono del interior del cuerpo al exterior.
El conocimiento del cloroplasto y del proceso fotosint�tico a�n no permite tener f�bricas de az�car pero s� ha hecho posible cultivar hortalizas en ambientes controlados, con luz y temperaturas �ptimas, obteniendo rendimientos asombrosos, como se describe en la siguiente secci�n. Puesto que las algas contienen clorofila, pueden ser fuente de alimento. Algunos pa�ses o regiones isle�as siempre han aprovechado las algas como alimento humano u animal, pero ahora existen proyectos para el cultivo de algas, de agua dulce y marinas a nivel comercial. Hay varios sistemas que ya operan de hecho, y si no han adquirido mayor importancia es porque los avances en la t�cnica agrobiol�gica y en la producci�n en ambiente controlado han hecho innecesaria la producci�n masiva de algas. Hace unos treinta a�os, cuando el libro Los l�mites del crecimiento puso pavor en los esp�ritus que viven temiendo a la ciencia, el cultivo de las algas se postul� como uno de los caminos m�s viables para alimentar a una poblaci�n desajustada con los recursos del suelo.
Otra aplicaci�n del conocimiento de los procesos de fotos�ntesis y respiraci�n es la fabricaci�n de productos capaces de interferir con ellos, bloque�ndolos y produciendo as� la muerte de la planta que carece de energ�a para su actividad vital. Los matahierbas o herbicidas han dado lugar al desyerbe qu�mico en los cultivos, pues como la forma de las enzimas var�a un poco de una especie de planta a otra se pueden tener herbicidas que matan a las especies de malas hierbas y no da�an el cultivo. En el Instituto Tecnol�gico de Estudios Superiores de Monterrey hemos estudiado la acci�n de dos productos de nombre dif�cil: fluazifop butilo y haloxifop metilo, demostrando c�mo afectan el contenido de clorofila en las gram�neas sin que tengan acci�n en las no gram�neas. Es un ejemplo entre much�simos productos.
�Qu� tan eficiente es una planta en la transformaci�n de la energ�a de la luz en energ�a qu�mica? �Qu� tanto de la energ�a de la luz queda atrapada en compuestos qu�micos utilizables por el hombre como alimento o combustible? Son preguntas muy importantes sin duda.
Se han efectuado cuidadosas mediciones en circunstancias muy diversas; en control casi total del ambiente, en control parcial y en el campo; como siempre sucede, hay divergencias pero en resumen se tiene lo siguiente. De la energ�a lum�nica —no cal�rica— que recibe una planta podr�a aprovechar te�ricamente y como mero ejercicio de c�lculo termodin�mico un 70%, lo que representa una producci�n de 2 ton/ha/d�a de materia seca. En realidad lo m�s que se ha podido tener experimentalmente es una eficiencia de 35% (1 ton/ha/d�a de materia seca) y esto en condiciones del todo artificiales, midiendo el gasto de bi�xido de carbono por cloroplastos aislados en medio de cultivo. Como quiera que sea, �sta es una medici�n de hecho y representa probablemente la expectaci�n final o l�mite de la potencialidad de rendimiento del vegetal.
�Y qu� hay de la producci�n en el campo? Hace ya sesenta a�os Transeau determin� para el ma�z una eficiencia de entre 1 y 2% con un rendimiento de 12 ton/ha en 100 d�as, trabajando con los m�todos usuales del agricultor. Esto parece muy desalentador, pero debe pensarse que la t�cnica agr�cola de 1926 era pobre y posiblemente Transeau era buen cient�fico pero mal agricultor. Ciertamente un agricultor de nuestros d�as produce casi esas 12 ton/ha pero solamente de grano; en materia seca total producir�a tres o cuatro veces m�s. En condiciones de clima y suelo muy favorables se han obtenido eficiencias de 4.6 a 9.8%. Es claro que lo que limita la producci�n no es el potencial de rendimiento de la planta, que es enorme, sino las condiciones ambientales que siempre son inadecuadas: demasiado calor o fr�o, exceso o falta de luz o de agua, poco nitr�geno, plagas y enfermedades, etc.
Esto ha hecho pensar que si se cultivaran plantas en un lugar donde las variables m�s importantes del clima estuvieron bajo control, se podr�a tener una producci�n segura y adem�s muy alta. As� es, en efecto; en invernaderos donde se controla la temperatura, la luz (intensidad y horas) y la humedad ambiental, se han obtenido cosechas comerciales de tomate de 160 ton/ha en comparaci�n con 67 ton/ha que es una alta producci�n de campo en los Estados Unidos; de 220 ton/ha de pepino en lugar de 27 ton/ha que es lo usual para los buenos horticultores norteamericanos, y as� en otros cultivos.
Pero �cuidado! Estas altas producciones se pagan con un alto costo energ�tico. En un campo natural de mijo el Sol pone toda la energ�a con que las plantas crecen y se forman los granos; el hombre simplemente cosecha. El ind�gena que hace hoyos con su coa en los que siembra el ma�z y lo cuida arrancando las malezas ya pone algo de su energ�a metab�lica en el cultivo. El agricultor de t�cnica primitiva prepara y cultiva sus campos con el arado egipcio poniendo en su ma�z su energ�a y la de sus animales de labor, energ�a que viene de los alimentos que consumieron. El insumo de energ�a del agricultor tecnificado es mucho mayor: su tractor quema combustible; esparce fertilizantes que contienen energ�a qu�mica insumida al fabricarlos; aplica riego por medio de bombas de gasolina o el�ctricas, etc. Si llegamos a la producci�n en ambiente controlado se ver� que el alt�simo rendimiento en kilogramos de fruto se acompa�a de no menores insumos de energ�a para el mantenimiento de luz y temperatura a niveles �ptimos.
Otra causa de insumo energ�tico radica en la transformaci�n de los alimentos: muy pocos son los que consumimos crudos; al menos hay que aplicar energ�a cal�rica para cocerlos o asarlos. En muchos casos la transformaci�n es muy compleja; si se adicionan los insumos de energ�a para producir ma�z en el campo con las t�cnicas modernas y los insumos necesarios para llevarlo hasta hojuelas o "corn-flakes" resulta que cuando me desayuno estoy consumiendo m�s energ�a puesta por el hombre que la que puso el Sol en la planta en el campo.
Es preciso encontrar un justo medio entre el aumento de producci�n en el campo y la elaboraci�n de alimentos sabrosos por un lado y los insumos de energ�a por el otro. Hay dos principios b�sicos: primero, cuanto menor sea la transformaci�n natural del alimento menor ser� la energ�a desperdiciada: cuando bebo leche, tomo la energ�a del pasto que el animal utiliz� y de la cual s�lo una fracci�n est� en la leche, si como directamente ma�z o trigo evito un proceso dispendioso. Segundo, cuanto menor sea la transformaci�n industrial del alimento menor ser� el desperdicio de energ�a: el insumo energ�tico para llevar el trigo a pan o el ma�z a tortilla es mucho menor que para llevarlos a cereal en hojuelas. No podemos esperar que la gente se nutra de ma�z tostado y arroz hervido o de hortalizas cocidas y ensaladas —la sola idea es desconsoladora— pero s� debemos buscar un equilibrio entre producci�n, buen sabor y gasto de energ�a.
Cosa similar sucede cuando se usan los productos energ�ticos para usarlos como combustible. El uso m�s directo es la vieja caldera de vapor alimentada con le�a o carb�n de piedra y posteriormente con petr�leo crudo; sin embargo hay motores m�s eficientes aunque consumen combustibles m�s elaborados, como el motor de combusti�n interna movido por gasolina (recu�rdese que tanto el carb�n de piedra como el petr�leo contienen energ�a producto de la fotos�ntesis de plantas, que vivieron hace millones de a�os). En Brasil se producen comercialmente motores dise�ados para funcionar con alcohol que tiene un origen fotosint�tico indirecto: la ca�a de az�car o la madera de los eucaliptos es fermentada por levaduras, y el proceso produce alcohol. Otros motores pueden trabajar con gases combustibles como metano, producidos tambi�n en la fermentaci�n. El �xito obtenido con estos motores ha contribuido a que el fantasma de la crisis del petr�leo se desvanezca.
El conocimiento de los factores que intervienen en la fotos�ntesis, como la intensidad y tipo de luz utilizado (solar, l�mpara com�n, de sodio, fluorescente, etc.), de la temperatura y de la concentraci�n de bi�xido de carbono ha posibilitado una producci�n muy eficiente de alimentos en condiciones controladas. El conocimiento del proceso de fotos�ntesis en s� y las manipulaciones del cloroplasto por ingenier�a gen�tica son una promesa de alimentos suficientes para todos, a menos que se persista en la est�pida idea de reproducirse tanto como sea posible. Tambi�n ha demostrado una important�sima verdad: que todo ser vivo es un ente fisicoqu�mico sujeto a las leyes generales de la materia.
Por largos a�os los vitalistas sostuvieron que el ser vivo difiere fundamentalmente del inerte porque sus acciones dependen de una energ�a (energ�a vital) de tipo fundamentalmente diferente a la energ�a que se ecuentra en los seres inanimados (cal�rica, qu�mica, el�ctrica, cin�tica). Como prueba aduc�an que el ser vivo aumenta su complejidad al paso del tiempo lo que es ir contra las leyes de la termodin�mica, pues sin duda una gallina es una estructura m�s compleja que el huevo del que proviene.
Aparte de otras consideraciones de orden molecular celular, la fotos�ntesis y la respiraci�n, consideradas a nivel termodin�mico han puesto en claro que el ser vivo es un sistema abierto que equilibra su aumento de estructuraci�n interna con la energ�a perdida por el Sol como luz que el ser vivo integra directa o indirectamente a su cuerpo. Monod presenta en su libro El azar y la necesidad un buen ejemplo de c�mo la levadura cumple la segunda ley de la termodin�mica: todo cuerpo tiende a igualar su estructura interna (o entrop�a, o energ�a) con el medio que lo rodea. El ser vivo transforma energ�a, no la crea ni la destruye, cumpliendo tambi�n la primera ley de la termodin�mica.
Somos pues seres fisicoqu�micos, sujetos a las leyes de la materia. Esta convicci�n no debe sernos humillante sino hacernos sentir parte integrante del Universo y llevarnos a ocupar un lugar en armon�a con el resto del Cosmos. En alguna parte le� la siguiente an�cdota. Cierto conferenciante habl� largo rato sobre asuntos muy serios: el Cosmos, la vida, su aparente injusticia, su armon�a y equilibrio verdadero, etc. Al final de la sesuda exposici�n termin� diciendo con �nfasis en la voz "...y por lo tanto, yo acepto el Universo". Y uno del auditorio coment� con voz baja pero audible, "Vaya, m�s le vale". Sin duda es buena filosof�a aceptar el Universo si no queremos morir con el h�gado destrozado, pues por desgracia no nos preguntaron nuestra opini�n cuando lo hicieron.
