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Una fotosíntesis poco convencional
Spanish translation by Carlos P�rez Garc�a-Pando
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Alien Life
Posted:   03/15/12
Author:    Aaron L. Gronstal

Summary: La fotosíntesis mantiene la habitabilidad de la Tierra para la vida tal como la conocemos, y nuestro conocimiento de este proceso biológico condiciona la forma en que buscamos mundos habitables alrededor de estrellas distantes. Ahora los científicos han descubierto un microbio que puede utilizar luz de baja energía para realizar la fotosíntesis. Este descubrimiento podría alterar las teorías sobre los tipos de estrellas que podrían sostener mundos como la Tierra.

Diferentes tipos de estrellas tienen distintas temperaturas y tiempos de vida. Las estrellas rojas más frías de clase M viven mucho tiempo, mientras que las estrellas más calientes azules de clase A tienen una vida relativamente breve. Estas cuatro imágenes son en realidad cuatro diferentes vistas de nuestra propia estrella, el Sol. Cada vista en falso color resalta la emisión atómica en diferentes regímenes de temperatura de la atmósfera solar superior. El amarillo representa 2 millones de grados Kelvin, el verde 1,5 millones de K, el azul 1 millón de K, y el rojo de 60,000 a 80,000 K. Crédito de la imagen: Stereo Project/NASA
Todo el mundo sabe que como seres humanos, literalmente, debemos el aire que respiramos a la vegetación que nos rodea. Cuando éramos niños, en la escuela aprendimos que las plantas (así como las algas y las cianobacterias) realizan un truco de magia biológicamente esencial conocido como fotosíntesis que ayuda a generar el oxígeno del aire que tomamos en cada respiración.

Plantas, algas y cianobacterias alteran nuestro planeta de una forma que solo la vida es capaz: utilizan la fotosíntesis para cambiar por completo la composición de la atmósfera de la Tierra. Desde los días en que se sospechaba que los torbellinos de polvo en Marte eran variaciones estacionales de la vegetación, la fotosíntesis se ha considerado esencial para identificar la presencia de vida en otros planetas. Tanto el oxígeno del aire (en presencia de agua líquida) como el espectro de reflectancia de las hojas de las plantas producen señales de vida – conocidas con el sobrenombre de "biofirmas" - que se pueden ver desde el espacio. Por lo tanto, las biofirmas fotosintéticas son una prioridad en la búsqueda de vida en los planetas de sistemas solares lejanos. La gran pregunta es: ¿la fotosíntesis extrasolar utiliza el mismo pigmento que en la Tierra?

El proceso de fotosíntesis es obviamente más que simple magia. En términos básicos los organismos fotosintéticos toman CO2, agua (H2O) y energía de la luz para producir azúcares (es decir, la comida que hace de las plantas un elemento básico de nuestra dieta). Durante este proceso, los organismos fotosintéticos utilizan un fotopigmento llamado clorofila a (Chl a) para dividir las moléculas de agua y producir oxígeno.

Hasta hace poco los científicos pensaban que la Chl a era el único fotopigmento utilizado en la fotosíntesis oxigénica. La Chl a utiliza fotones de la luz visible con longitudes de onda entre 400 y 700 nm.

Según el investigador postdoctoral de la NASA, Steve Mielke, autor principal de un nuevo estudio, "se suponía que debido a los estrictos requerimientos de energía para dividir moléculas de agua, las longitudes de onda de la luz (que tienen menor energía) no podían ser utilizadas para la fotosíntesis oxigénica."

Este supuesto cambió en 1996 cuando Hideaki Miyashita y sus colegas descubrieron una cianobacteria llamada Acaryochloris marina que utiliza clorofila d (Chl d) en lugar de Chl a para realizar la fotosíntesis oxigénica con fotones de luz visible a través de longitudes de onda de hasta 740 nm en el infrarrojo cercano (NIR).

En el proceso de la fotosíntesis en la Tierra las plantas convierten la energía del Sol en energía química en forma de glucosa o azúcar. La clorofila en las plantas absorbe más la luz azul y roja de la luz solar, y menos la luz verde. La clorofila es verde porque refleja la luz verde más que la luz azul y la roja. Crédito: NASA Ames
Este descubrimiento ha planteado muchas preguntas acerca de las longitudes de onda de la luz necesarias para la fotosíntesis. Los científicos se preguntaban cuan difícil es para A. marina realizar reacciones bioquímicas con fotones de baja energía. Sobrevive en ambientes donde hay poca luz visible ya que toma fotones no utilizados por organismos que utilizan Chl a. Sin embargo, ¿podría A. marina no tener éxito regularmente en el uso de los fotones de longitud de onda más larga, y podría su capacidad para utilizar NIR ser ineficiente, en el borde de lo que los mecanismos moleculares de la fotosíntesis oxigénica son capaces de manejar? ¿O estos organismos únicos realmente prosperan con fotones de baja energía?

Una nueva investigación ha demostrado que A. marina no tiene problemas para vivir con fotones de baja energía. De hecho, la cianobacteria es tan o más eficiente en el almacenamiento de energía como los organismos que se basan en Chl a para la fotosíntesis.

Mielke y sus colaboradores usaron una técnica llamada “pulsos fotoacústicos con resolución temporal” (pulsed time-resolved photoacoustic, PTRPA) para comparar las capacidades fotosintéticas de A. marina con una cianobacteria de Chl a llamada Synechococcus leopoliensis. La técnica PTRPA aplica pulsos de láser a longitudes de onda controladas y permitió al equipo medir la eficiencia de almacenamiento de energía de fotones (energía almacenada frente a la entrada de energía) de células cianobacteriales.

Cuando se probó la Chl d y la Chl a a las longitudes de onda que cada uno de ellas necesitan para dividir moléculas de agua, el equipo demostró que el almacenamiento de energía en A. marina era tan o más eficiente que en las células S. leopoliensis con Chl a. ¡Por primera vez el equipo demostró que la fotosíntesis oxigénica pueden funcionar bien a longitudes de onda más largas!

Este descubrimiento hace que A. marina y Chl d sean muy interesantes para los científicos que tratan de encontrar vida en planetas extrasolares que orbitan estrellas fuera de nuestro sistema solar.

Nancy Kiang del NASA Goddard Institute for Space Studies (GISS) lo explica de esta manera: "Chl d extiende la radiación útil solar para la fotosíntesis oxigénica en un 18%, lo que significa que la vida puede usar más longitudes de onda de la luz (es decir, más tipos de estrellas que producen luz) para sobrevivir. Esto implica un montón de cosas interesantes. "

Kiang hace hincapié en las implicaciones que los resultados podrían tener en la búsqueda de vida en planetas extrasolares y el futuro de la vida aquí en la Tierra. Por ejemplo, Kiang dice que A. marina parece ser una evolución tardía, ocupando un nicho de luz que es producida por los fotones sobrantes de organismos de Chl a. Puesto que puede utilizar más radiación solar que los organismos de Chl a, ¿puede nuestro planeta evolucionar de manera que la Chl d suplante a la Chl a?

Nuestros ojos son sensibles a la luz que se encuentra en una región muy pequeña del espectro electromagnético llamada "luz visible". Esta "luz visible" corresponde a un rango de longitudes de onda de 400 - 700 nanómetros (nm) y una gama de color de violeta a rojo. Crédito: Imagen de longitudes de onda de “Universo” por Freedman y Kaufmann)
Además, "Los planetas que orbitan alrededor de estrellas enanas rojas puede que no obtengan mucha cantidad de luz visible pero obtienen una gran cantidad de luz en el infrarrojo cercano," dice . "Así que ahora sabemos que todavía podría tener sentido buscar fotosíntesis oxigénica en esos planetas, y podríamos buscar firmas de pigmento en el infrarrojo cercano. "

Por último, Kiang dice que el descubrimiento podría tener implicaciones para el desarrollo de fuentes de energía renovables.

"La biomimética de la fotosíntesis continúa siendo investigada en el desarrollo de energías renovables, pero nadie ha desarrollado aún un sistema artificial tan bueno como la naturaleza para dividir el agua", señala. "En el caso de las energías renovables que dependen de la luz del sol, ¿significa la menor energía de fotones utilizados con clorofila d que no necesitamos catalizadores artificiales tan potentes para la producción de combustible de hidrógeno y biocombustibles? "

Los resultados podrían cambiar completamente nuestra comprensión de las reacciones biológicas que son esenciales para la biosfera de la Tierra moderna. También pueden abrir nuevas puertas para el futuro de la humanidad en áreas como las energías renovables. Pero para la NASA el estudio también podría tener implicaciones para el futuro de la vida en la Tierra - y más allá - que son realmente poco convencionales.


Este trabajo se llevó a cabo por el investigador del programa postdoctoral de la NASA, Steven P. Mielke, bajo la tutela de Nancy Y. Kiang del GISS, en el laboratorio David Mauzerall de la Universidad Rockefeller en Nueva York, y en colaboración con Robert Blankenship de la Universidad de Washington en St. Louis, MO, y del Marilyn Gunner en el City College de Nueva York.

Referencia:
Mielke, S.P., N.Y. Kiang, R.E. Blankenship, M.R. Gunner, and D. Mauzerall, 2011: Efficiency of photosynthesis in a Chl d-utilizing cyanobacterium is comparable to or higher than that in Chl a-utilizing oxygenic species. Biochim. Biophys. Acta Bioenerg., 1807, 1231-1236, doi:10.1016/j.bbabio.2011.06.007.

This story was originally published in English


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