I. LA ENERGÍA DE LA VIDA
EN LOS viejos textos de botánica se solía describir el experimento
siguiente: "Poned un ratón bajo una campana de cristal y veréis que al cabo
de unas horas ha muerto por falta de oxígeno (puede creerse bajo mi palabra
que así es, no es necesario asesinar ratoncitos). Colocad ahora otro ratón junto
con una planta en una maceta bajo la campana; veréis que el ratón no muere porque
la planta purifica el "aire" . Así ocurre en efecto, provisto que el ratón no
se coma la planta. Es un experimento fácil (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 fenómeno llamado fotosíntesis.
Cuando se empezó a estudiar el mundo con métodos científicos se pensó que las plantas respiraban al revés de los animales durante el día e igual a ellos durante la noche. Ingen-Housz describió a fines del siglo XVIII lo que llamó "la reparación diurna y nocturna de los vegetales", que en realidad es la diferencia entre la exhalación de oxígeno por la planta a la luz por la fotosíntesis, y de bióxido de carbono a la oscuridad por la respiración que ocurre haya luz o no la haya. La confusión entre respiración y fotosíntesis se fue aclarando posteriormente con los trabajos de Senebier y De Saussure sobre fotosíntesis y de Lavoisier sobre respiración.
Hoy sabemos con bastante profundidad lo que sucede. Todo ser vivo necesita respirar para vivir. Al respirar se oxida o quema azúcar consumiendo oxígeno y desprendiendo bióxido de carbono y energía, con la cual se llevan a cabo los procesos vitales; así como en un automóvil se oxida la gasolina, se desprenden gases que salen por el escape y queda libre energía, con lo cual se mueve el vehículo. Ningún animal, incluido el hombre, puede hacer azúcar, por lo que debemos comerla en alguna forma, como miel, almidón o sacarosa (azúcar común); la planta verde sabe fabricarla juntando bióxido de carbono y agua por medio de la energía de la luz y desprendiendo oxígeno al aire como subproducto del proceso. La fotosíntesis es, por tanto, la inversa de la respiración pero solamente en los términos inicial y final y no en las reacciones químicas intermedias.
El doble proceso fotosíntesis-respiración es de suprema importancia; gracias a él 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 más. Debe tenerse en cuenta que son procesos largos y complicados pero aquí los expondremos siguiendo el consejo de Maese Pedro cuando presentó sus títeres a Don Quijote, "sin meternos en contrapuntos que se suelen quebrar de sutiles".
Que la luz es energía y tiene la capacidad de efectuar trabajos lo sabe todo el mundo en estos tiempos en que las celdas fotoeléctricas abren y cierran las puertas de los ascensores y los rayos láser cortan placas de acero. El problema es cómo utilizar la energía lumínica, sea directamente o convirtiéndola en otra forma de más fácil utilización.
En un día claro, la luz solar que baña los campos representa una tremenda cantidad de enérgía (se habla aquí de la luz, no del calor, que es otra forma de energía) y las plantas saben utilizarla por medio de la clorofila, sustancia que les da el color verde y que es un convertidor de enrgía lumínica a energía química.
Las moléculas de clorofila tienen una estructura tal que pueden absorber la energía de la luz (como las moléculas que dan color a los ojos, que por eso son la única porción del organismo capaz de ver). Al absorberla aumenta su contenido de energía y quedan capacitadas para efectuar un trabajo: romper las moléculas de agua de su entorno y desprender por un lado hidrógeno y electrones y por otro agua y oxígeno. Un ejemplo lo hará más claro: imagínese 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 energía del movimiento (cinética) del mazo en energía de vibración resonando fuertemente; la vibración se transmite al aire y al vaso que, al vibrar sus moléculas fuertemente, se hace pedazos.
La energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma; el rompimiento de las moléculas de agua en el interior de las células de la hoja determina una serie de reacciones que terminan con la síntesis de dos moléculas, el trifosfato de adenosina y el dinucleótido fosfatado de adenina; por tener tan largos nombres generalmente se les designa por sus siglas: ATP y NADPH, respectivamente. En estas moléculas se encierra la energía que la planta recibió de la luz.
Parecería que el problema se ha solucionado pues ahora el vegetal dispone de energía química utilizable para sus trabajos de nutrición, crecimiento etc. Pero al ATP y el NADPH son en extremo reactivos, inestables; sería como transportar nitroglicerina en una molécula mas "tranquila ". Para ello el ATP y el NADPH dan su energía a una molécula muy perezosa que es el bióxido de carbono el cual se activa y reacciona con otra molécula en las células de las hojas; después de varias transformaciones se forman glucosa, sacarosa —que es azúcar común— almidón y otros compuestos. La energía contenida en estos productos es la que utilizará la planta en sus procesos vitales y cuando nos comemos los frutos, semillas y hojas incorporamos esos alimentos energéticos a nuestro organismo.
Tal es la fotosíntesis, que debiera llamarse fototransformación pues lo importante es pasar de energía lumínica a energía química. Pero ésta es la mitad de la historia. La planta con azúcar es como el automóvil con gasolina: para que se ponga en marcha hay que oxidar el combustible en un sistema tal que al quedar la energía libre ejecute el trabajo de moverlo.
Toda célula, sea animal o vegetal, contiene "carburadores" llamados mitocondrias, donde el azúcar se oxida o quema. Al hacerlo la energía no se libera como calor sino que ejecuta trabajos químicos y tras diversas reacciones queda presa de nuevo en las moléculas de ATP Y NAD (dinonucleótido de nicotinadenina) que son las que directamente ceden la energía para que la célula cumpla sus trabajos vitales. Si el azúcar, o almidón, es consumido por un animal le dará energía precisa para sus actividades. La oxidación de los azúcares es la respiración que se lleva a cabo en todo ser vivo, vegetal o animal; en el hombre, animales y plantas superiores exigen la presencia de oxígeno, es la respiración aerobia; en varias bacterias, levaduras y mohos no requiere oxígeno, constituyendo diversos tipos de fermentaciones: La fotosíntesis y la respiración forman un ciclo que explica el mantenimiento de la vida sobre la Tierra.
Podemos comer maíz, o trigo, o animales que a su vez comieron estas gramíneas o peces que comieron peces que se nutrieron de algas marinas; al final estamos comiéndonos al Sol, porque la energía 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 energía con que se mueven todos los artefactos que uso, sea que utilicen leña, carbón, carbón de piedra o derivados del petróleo, también provino del Sol y fue fijada por vegetales que vivieron hace un año o hace miles de siglos, porque la energía es indestructible.
Y desde luego, el oxígeno del aire también proviene de la fotosíntesis (dediquemos un piadoso recuerdo al ratoncito muerto en la demostración, uno de cientos de miles de ratones mártires de la ciencia). El oxígeno es un subproducto del proceso central de conversión de la energía pero nos es tan necesario para vivir como el azúcar pues si falta no podemos respirar, o sea oxidar el azúcar. Somos pues parásitos de las plantas. Hemos aprendido a parasitarlas, bastante bien por medio de la agricultura pero aún hemos de aprender mejor cómo utilizar y producir esa asombrosa molécula que encierra la energía del ser vivo: el ATP.
Mi experiencia como profesor me ha enseñado que cuando se explican los ires y venires de las moléculas en la fotosíntesis y la respiración, los estudiantes tienden a considerar estos fenómenos de modo abstracto, como si su única realidad fueran trazos de gis sobre el pizarrón, o como si ocurrieran en algún lugar no precisado del espacio. A menos que se les haga reflexionar no consideran que dichos procesos están ocurriendo en este momento dentro del árbol que ve por la ventana, y dentro de su propio cuerpo, al menos la respiración. Es una trampa que acecha a todo científico y en la que es muy peligroso caer. El estadístico que lloraría al ver un niño muerto juega con los números y afirma que dados los recursos se deben suprimir quinientos consultorios gratuitos en el país; el químico incapaz de matar un gato juega con símbolos y produce gas asfixiante; el físico que no soportaría ver electrocutar a un asesino juega con ecuaciones y llega a una versión más terrible de la bomba atómica.
La fotosíntesis no ocurre en el pizarrón ni en el espacio indeterminado sino en cada célula verde; la respiración ocurre real y verdaderamente en el interior de cada célula de cada ser vivo. Las moléculas 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 estadísticas, 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 líricas de poemas y novelas, pero en realidad vemos a las hojas verdes por un efecto de óptica, pues si se coloca una porción de hoja al microscopio se verá que las células que la constituyen son incoloras excepto por unos granulillos, los cloropastos, de un hermoso verde intenso, que no llegan a representar una décima parte de la célula total, pero que, para nuestros ojos, tiñen de verde todo el follaje. A su vez, el cloroplasto que en el microscopio común aparece como un brillante disco verde, al mirarse con el microscopio electrónico 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 proteína 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 moléculas que efectúan la fotosíntesis 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 síntesis de productos. Conocer en detalle la estructura del cloroplasto es el primer paso para poder construir un sistema artificial análogo y hacer realidad el sueño de muchos biólogos: la producción del alimento energético básico (azúcar y almidón) 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 moléculas que permiten la rápida oxidación del azúcar; son las enzimas respiratorias. Entre las moléculas, como entre mis alumnos, unas pocas son activas por tener un nivel muy alto de energía pero otras son muy perezosas, con bajo nivel de energía. El papel de las enzimas es activar todas las moléculas, por perezosas que sean, levantando su nivel de energía de modo que las reacciones químicas del organismo se efectúen 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 energía que contiene poco a poco para que la célula pueda utilizarla (así 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 células; los pulmones son un fuelle que permite la entrada de aire con oxígeno y la salida de aire con bióxido de carbono del interior del cuerpo al exterior.
El conocimiento del cloroplasto y del proceso fotosintético aún no permite tener fábricas de azúcar pero sí ha hecho posible cultivar hortalizas en ambientes controlados, con luz y temperaturas óptimas, obteniendo rendimientos asombrosos, como se describe en la siguiente sección. Puesto que las algas contienen clorofila, pueden ser fuente de alimento. Algunos países o regiones isleñas 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 técnica agrobiológica y en la producción en ambiente controlado han hecho innecesaria la producción masiva de algas. Hace unos treinta años, cuando el libro Los límites del crecimiento puso pavor en los espíritus que viven temiendo a la ciencia, el cultivo de las algas se postuló como uno de los caminos más viables para alimentar a una población desajustada con los recursos del suelo.
Otra aplicación del conocimiento de los procesos de fotosíntesis y respiración es la fabricación de productos capaces de interferir con ellos, bloqueándolos y produciendo así la muerte de la planta que carece de energía para su actividad vital. Los matahierbas o herbicidas han dado lugar al desyerbe químico en los cultivos, pues como la forma de las enzimas varía un poco de una especie de planta a otra se pueden tener herbicidas que matan a las especies de malas hierbas y no dañan el cultivo. En el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey hemos estudiado la acción de dos productos de nombre difícil: fluazifop butilo y haloxifop metilo, demostrando cómo afectan el contenido de clorofila en las gramíneas sin que tengan acción en las no gramíneas. Es un ejemplo entre muchísimos productos.
¿Qué tan eficiente es una planta en la transformación de la energía de la luz en energía química? ¿Qué tanto de la energía de la luz queda atrapada en compuestos químicos 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 energía lumínica —no calórica— que recibe una planta podría aprovechar teóricamente y como mero ejercicio de cálculo termodinámico un 70%, lo que representa una producción de 2 ton/ha/día de materia seca. En realidad lo más que se ha podido tener experimentalmente es una eficiencia de 35% (1 ton/ha/día de materia seca) y esto en condiciones del todo artificiales, midiendo el gasto de bióxido de carbono por cloroplastos aislados en medio de cultivo. Como quiera que sea, ésta es una medición de hecho y representa probablemente la expectación final o límite de la potencialidad de rendimiento del vegetal.
¿Y qué hay de la producción en el campo? Hace ya sesenta años Transeau determinó para el maíz una eficiencia de entre 1 y 2% con un rendimiento de 12 ton/ha en 100 días, trabajando con los métodos usuales del agricultor. Esto parece muy desalentador, pero debe pensarse que la técnica agrícola de 1926 era pobre y posiblemente Transeau era buen científico pero mal agricultor. Ciertamente un agricultor de nuestros días produce casi esas 12 ton/ha pero solamente de grano; en materia seca total produciría tres o cuatro veces más. 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 producción no es el potencial de rendimiento de la planta, que es enorme, sino las condiciones ambientales que siempre son inadecuadas: demasiado calor o frío, exceso o falta de luz o de agua, poco nitrógeno, plagas y enfermedades, etc.
Esto ha hecho pensar que si se cultivaran plantas en un lugar donde las variables más importantes del clima estuvieron bajo control, se podría tener una producción segura y además muy alta. Así 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 comparación con 67 ton/ha que es una alta producción 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 así en otros cultivos.
Pero ¡cuidado! Estas altas producciones se pagan con un alto costo energético. En un campo natural de mijo el Sol pone toda la energía con que las plantas crecen y se forman los granos; el hombre simplemente cosecha. El indígena que hace hoyos con su coa en los que siembra el maíz y lo cuida arrancando las malezas ya pone algo de su energía metabólica en el cultivo. El agricultor de técnica primitiva prepara y cultiva sus campos con el arado egipcio poniendo en su maíz su energía y la de sus animales de labor, energía que viene de los alimentos que consumieron. El insumo de energía del agricultor tecnificado es mucho mayor: su tractor quema combustible; esparce fertilizantes que contienen energía química insumida al fabricarlos; aplica riego por medio de bombas de gasolina o eléctricas, etc. Si llegamos a la producción en ambiente controlado se verá que el altísimo rendimiento en kilogramos de fruto se acompaña de no menores insumos de energía para el mantenimiento de luz y temperatura a niveles óptimos.
Otra causa de insumo energético radica en la transformación de los alimentos: muy pocos son los que consumimos crudos; al menos hay que aplicar energía calórica para cocerlos o asarlos. En muchos casos la transformación es muy compleja; si se adicionan los insumos de energía para producir maíz en el campo con las técnicas modernas y los insumos necesarios para llevarlo hasta hojuelas o "corn-flakes" resulta que cuando me desayuno estoy consumiendo más energía 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 producción en el campo y la elaboración de alimentos sabrosos por un lado y los insumos de energía por el otro. Hay dos principios básicos: primero, cuanto menor sea la transformación natural del alimento menor será la energía desperdiciada: cuando bebo leche, tomo la energía del pasto que el animal utilizó y de la cual sólo una fracción está en la leche, si como directamente maíz o trigo evito un proceso dispendioso. Segundo, cuanto menor sea la transformación industrial del alimento menor será el desperdicio de energía: el insumo energético para llevar el trigo a pan o el maíz a tortilla es mucho menor que para llevarlos a cereal en hojuelas. No podemos esperar que la gente se nutra de maíz tostado y arroz hervido o de hortalizas cocidas y ensaladas —la sola idea es desconsoladora— pero sí debemos buscar un equilibrio entre producción, buen sabor y gasto de energía.
Cosa similar sucede cuando se usan los productos energéticos para usarlos como combustible. El uso más directo es la vieja caldera de vapor alimentada con leña o carbón de piedra y posteriormente con petróleo crudo; sin embargo hay motores más eficientes aunque consumen combustibles más elaborados, como el motor de combustión interna movido por gasolina (recuérdese que tanto el carbón de piedra como el petróleo contienen energía producto de la fotosíntesis de plantas, que vivieron hace millones de años). En Brasil se producen comercialmente motores diseñados para funcionar con alcohol que tiene un origen fotosintético indirecto: la caña de azúcar 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 también en la fermentación. El éxito obtenido con estos motores ha contribuido a que el fantasma de la crisis del petróleo se desvanezca.
El conocimiento de los factores que intervienen en la fotosíntesis, como la intensidad y tipo de luz utilizado (solar, lámpara común, de sodio, fluorescente, etc.), de la temperatura y de la concentración de bióxido de carbono ha posibilitado una producción muy eficiente de alimentos en condiciones controladas. El conocimiento del proceso de fotosíntesis en sí y las manipulaciones del cloroplasto por ingeniería genética son una promesa de alimentos suficientes para todos, a menos que se persista en la estúpida idea de reproducirse tanto como sea posible. También ha demostrado una importantísima verdad: que todo ser vivo es un ente fisicoquímico sujeto a las leyes generales de la materia.
Por largos años los vitalistas sostuvieron que el ser vivo difiere fundamentalmente del inerte porque sus acciones dependen de una energía (energía vital) de tipo fundamentalmente diferente a la energía que se ecuentra en los seres inanimados (calórica, química, eléctrica, cinética). Como prueba aducían que el ser vivo aumenta su complejidad al paso del tiempo lo que es ir contra las leyes de la termodinámica, pues sin duda una gallina es una estructura más compleja que el huevo del que proviene.
Aparte de otras consideraciones de orden molecular celular, la fotosíntesis y la respiración, consideradas a nivel termodinámico han puesto en claro que el ser vivo es un sistema abierto que equilibra su aumento de estructuración interna con la energía 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 cómo la levadura cumple la segunda ley de la termodinámica: todo cuerpo tiende a igualar su estructura interna (o entropía, o energía) con el medio que lo rodea. El ser vivo transforma energía, no la crea ni la destruye, cumpliendo también la primera ley de la termodinámica.
Somos pues seres fisicoquímicos, sujetos a las leyes de la materia. Esta convicción no debe sernos humillante sino hacernos sentir parte integrante del Universo y llevarnos a ocupar un lugar en armonía con el resto del Cosmos. En alguna parte leí la siguiente anécdota. Cierto conferenciante habló largo rato sobre asuntos muy serios: el Cosmos, la vida, su aparente injusticia, su armonía y equilibrio verdadero, etc. Al final de la sesuda exposición terminó diciendo con énfasis en la voz "...y por lo tanto, yo acepto el Universo". Y uno del auditorio comentó con voz baja pero audible, "Vaya, más le vale". Sin duda es buena filosofía aceptar el Universo si no queremos morir con el hígado destrozado, pues por desgracia no nos preguntaron nuestra opinión cuando lo hicieron.
