Introducción a la ciencia II. Ciencias Biológicas (21 page)

El hecho afortunado es que la mayor parte de los animales son herbívoros. Se alimentan de la hierba de los campos, de las hojas de los árboles, de semillas, nueces y frutas, o de las algas y células vegetales verdes microscópicas que en cantidades ingentes se hallan en las capas superficiales de los océanos. Tan sólo una minoría de animales pueden permitirse el lujo de ser carnívoros.

Por lo que respecta a las propias plantas, éstas no se hallarían en mejores condiciones, si no les fuera cedida la energía necesaria desde una fuente externa. Elaboran hidratos de carbono, grasas y proteínas a partir de moléculas sencillas, tales como anhídrido carbónico y agua. Esta síntesis presupone una aportación de energía, y las plantas la obtienen a partir de la fuente de energía más abundante posible: la luz solar. Las plantas verdes convierten la energía de la luz solar en la energía química de los compuestos complejos, y ésta hace posible todas las formas de vida (excepto la de ciertas bacterias). Esto fue claramente indicado en 1845 por el físico alemán Julius Robert von Mayer, uno de los primeros en abogar por la ley de la conservación de la energía, y que, por lo tanto, conocía particularmente bien el problema del equilibrio energético. El proceso por el cual las plantas verdes hacen uso de la luz solar se denomina «fotosíntesis», derivado de las palabras griegas que significan «sintetizar por la luz».

El primer intento de una investigación científica del crecimiento de las plantas fue realizado ya a principios del siglo XVII por el químico flamenco Jan Baptista van Helmont. Hizo crecer un pequeño sauce en un recipiente que contenía una cierta cantidad, escrupulosamente pesada, de tierra, y halló, ante la sorpresa general, que aunque el árbol crecía, el peso de la tierra se mantenía invariable. Se había considerado hasta entonces como un hecho indudable que las plantas obtenían las sustancias constitutivas a partir del suelo. (Realmente las plantas toman del suelo algunos minerales e iones, pero no en una cantidad fácilmente ponderable.) Si no la obtienen de él. ¿de dónde la consiguen? Van Helmont decidió que las plantas debían elaborar sus sustancias constituyentes a partir del agua, con la que él había regado abundantemente la tierra. Sólo en parte estaba en lo cierto.

Un siglo más tarde, el fisiólogo inglés Stephen Hales mostró que las plantas formaban sus propias sustancias constituyentes en gran medida a partir de un material más etéreo que el agua, a saber, el aire. Medio siglo después, el médico holandés Jan Ingen-Housz identificó el ingrediente nutritivo en el aire como el anhídrido carbónico. También demostró que una planta no absorbe el anhídrido carbónico en la oscuridad; precisa de la luz (la «foto» de la palabra fotosíntesis). Entretanto Priestley, el descubridor del oxígeno, demostraba que las plantas verdes liberaban oxígeno, y, en 1804, el químico suizo Nicholas Théodore de Saussure demostró que el agua era incorporada a los tejidos vegetales, tal como había sugerido Van Helmont.

La siguiente contribución de importancia tuvo lugar en los años 1850-1860, cuando el ingeniero de minas francés Jean-Baptiste Boussingault hizo crecer plantas en un suelo totalmente libre de materia orgánica. De esta manera demostró que las plantas podían obtener su carbono a partir únicamente del anhídrido carbónico atmosférico. Por otra parte, las plantas no conseguían crecer en un terreno exento de compuestos nitrogenados, y esto demostraba que obtenían su nitrógeno a partir del suelo y que no utilizaban el atmosférico (salvo en el caso de ciertas bacterias). Desde la época de Boussingault se hizo patente que la participación del suelo como alimento directo para las plantas se limitaba a ciertas sales inorgánicas, tales como ciertos nitratos y fosfatos. Eran estos ingredientes lo que los fertilizantes orgánicos (tales como el estiércol) añadían al terreno. Los químicos comenzaron a defender el empleo de fertilizantes químicos, que servían excelentemente para este fin y que eliminaban los desagradables olores así como reducían los peligros de infección y enfermedad, en gran parte derivados de los estercoleros.

De este modo pudo establecerse el esqueleto del proceso de la fotosíntesis. En presencia de la luz solar, una planta toma el anhídrido carbónico y lo combina con agua, para formar sus tejidos, liberando oxígeno en el proceso. Por lo tanto, es evidente que las plantas verdes no sólo proporcionan alimentos, sino que además renuevan las existencias de oxígeno en la Tierra. Si no fuera por ello, en cosa de unos siglos, el contenido de oxígeno en la atmósfera descendería hasta un nivel mínimo, y el aire contendría tanto anhídrido carbónico que asfixiaría la vida animal.

Es enorme la escala a la que las plantas verdes de la tierra crean materia orgánica y liberan oxígeno. El bioquímico ruso-estadounidense Eugene I. Rabinovich, uno de los más importantes investigadores de la fotosíntesis, estima que cada año las plantas verdes de la tierra combinan un total de 150 mil millones de toneladas de carbono (a partir del anhídrido carbónico) con 25 mil millones de toneladas de hidrógeno (a partir del agua), y liberan 400 mil millones de toneladas de oxígeno. En esta gigantesca producción, las plantas de los bosques y campos de la tierra firme sólo contribuyen en un 10 %; el restante 90 % debemos agradecerlo a las plantas unicelulares y algas marinas de los océanos.

Ahora bien, aún seguimos conociendo únicamente el esqueleto del proceso. ¿Cuáles son sus detalles? En 1817, Pierre-Joseph Pelletier y Joseph-Bienaimé Caventou, de Francia, que más tarde serían los descubridores de la quinina, cafeína, estricnina y algunos otros productos vegetales especializados, aislaron el más importante producto vegetal de todos: el único que da el color verde a las plantas verdes. Denominaron al compuesto «clorofila», de las palabras griegas que significan «hoja verde». Luego, en 1865, el botánico alemán Julius von Sachs mostró que la clorofila no se hallaba distribuida de forma general en las células vegetales (aún cuando las hojas aparecen uniformemente verdes), sino que se hallaba localizada en pequeños cuerpos subcelulares, llamados más tarde «cloroplastos».

Se hizo evidente que la fotosíntesis tenía lugar dentro del cloroplasto y que la clorofila era esencial para ese proceso. Sin embargo, la clorofila no bastó. Aunque se la extrajera meticulosamente, ella no podía catalizar por sí sola la reacción fotosintética en un tubo de ensayo.

Por lo general, el cloroplasto es bastante mayor que el mitocondrio. Algunas plantas unicelulares poseen solamente un gran cloroplasto como célula. Ahora bien, casi todas las células vegetales contienen muchos cloroplastos pequeños, y cada uno es dos o tres veces más largo y grueso que el típico mitocondrio.

La estructura del cloroplasto parece ser todavía más compleja que la del mitocondrio. Su interior está compuesto por muchas membranas sutiles que se extienden de una pared a otra. Éstas son las
Lamellae
. En casi todos los tipos de cloroplasto, esas
Lamellae
engruesan y se oscurecen por sectores para producir «grana» y es precisamente dentro de la grana donde se encuentran las moléculas clorofílicas.

Si observamos las
Lamellae
dentro de la grana con el microscopio electrónico, veremos que ellas parecen a su vez estar formadas por diminutas unidades apenas visibles que semejan los mosaicos de un cuarto de baño. Cada uno de esos objetos puede ser una unidad fotosintetizadora conteniendo entre 250 y 300 moléculas clorofílicas.

Es más difícil aislar y mantener intacto al cloroplasto que al mitocondrio. Por fin, en 1954, el bioquímico norteamericano de origen polaco Daniel I. Arnon, trabajando con células disociadas de espinaca, logró extraer totalmente intactos los cloroplastos y llevar a cabo la reacción fotosintética completa. El cloroplasto no contiene solamente clorofila, sino también un complemento de enzimas y sustancias asociadas, todas ellas dispuestas en un esquema preciso e intrincado. Contiene incluso citocromos donde la energía de la luz solar captada por la clorofila puede convertirse en ATP mediante la fosforización oxidásica. Pero, ¿qué decir entretanto sobre la estructura de la clorofila, la sustancia más característica de los cloroplastos?

Durante décadas, los químicos atacaron esta sustancia de crucial importancia con todas las herramientas de que disponían, pero sólo lentamente se hizo la luz. Por último, en 1906,. Richard Willstätter, de Alemania (que redescubrió la cromatografía e insistió incorrectamente en que las enzimas no eran proteínas) identificó un componente central de la molécula de clorofila. Era el metal magnesio, (Willstätter recibió el premio Nobel de Química en 1915 por su descubrimiento y otros trabajos sobre los pigmentos vegetales.) Willstätter y Hans Fischer iniciaron sus trabajos sobre la estructura de la molécula —labor que sólo se completó en una generación—. Hacia los años treinta habían determinado que la clorofila tenía una estructura anular porfirínica básicamente similar a aquella del heme (una molécula que Fischer había descifrado). Donde el heme tenía un átomo de hierro en el centro del anillo porfirínico, la clorofila tenía un átomo de magnesio.

Si había alguna duda al respecto, ésta fue desterrada por R. B. Woodward. Aquel maestro de la síntesis, que había sintetizado la quinina en 1945, la estricnina en 1947 y el colesterol en 1951, coronó por fin sus anteriores logros sintetizando una molécula, en 1960, que era idéntica a la fórmula elaborada por Willstätter y Fischer, y que, además, tenía todas las propiedades de la clorofila aislada de las hojas verdes.

Exactamente, ¿qué reacción cataliza en la planta la clorofila? Todo lo que se sabía hacia los años treinta era que el anhídrido carbónico y el agua penetraban en la planta y el oxígeno entonces salía de ella. La investigación se hizo más difícil debido al hecho de que la clorofila aislada no podía lograr la realización de la fotosíntesis. Sólo las células vegetales intactas, o, en el mejor de los casos, los cloroplastos intactos, podían hacerlo, lo que significaba que el sistema en estudio era muy complejo.

Como una primera hipótesis, los bioquímicos supusieron que las células vegetales sintetizaban glucosa (C
₄
H
₁₂
O
₆
) a partir del anhídrido carbónico y el agua, y luego elaboraban, a partir de ésta, las diversas sustancias vegetales, añadiendo nitrógeno, azufre, fósforo, y otros elementos inorgánicos procedentes del suelo.

Sobre el papel parecía como si la glucosa pudiera ser formada en una serie de fases, combinándose en la primera el átomo de carbono del anhídrido carbónico con el agua (liberando los átomos de oxígeno del CO
₂
), y luego polimerizándose la combinación, CH
₂
O (formaldehído) en glucosa. Seis moléculas de formaldehído darían lugar a una molécula de glucosa.

Esta síntesis de la glucosa a partir del formaldehído pudo ser realizada en el laboratorio de una forma muy tediosa. Seguramente la planta posee enzimas que aceleran las reacciones. En realidad, el formadehído es un compuesto muy venenoso, pero los químicos supusieron que era transformado en glucosa tan rápidamente que en ningún momento la planta contenía más de una cantidad muy pequeña de él. Esta teoría del formaldehído, propuesta por vez primera en 1870 por Baeyer (que sintetizó el índigo), se mantuvo durante dos generaciones, simplemente debido a que no había otra mejor que pudiera sustituirla.

En 1938 surgió un nuevo enfoque del problema, cuando Ruben y Kamen iniciaron la tarea de dilucidar la química de las plantas verdes con trazadores. Mediante el uso del oxígeno 18, el poco común isótopo estable del oxígeno, hicieron un hallazgo importante. Se apreció que, cuando el agua dada a una planta estaba marcada con oxígeno 18, el oxígeno liberado por la planta contenía este trazador, pero éste no era el caso cuando era marcado sólo el anhídrido carbónico proporcionado a la planta. En resumen, el experimento mostró que el oxígeno liberado por las plantas procedía de la molécula de agua y no de la molécula de anhídrido carbónico, como erróneamente se había supuesto en la teoría del formaldehído.

Ruben y sus colaboradores intentaron seguir el destino de los átomos de carbono en la planta, marcando el anhídrido carbónico con el isótopo radiactivo carbono 11 (el único carbono radiactivo conocido en aquel tiempo). Pero este intento falló. Por este motivo: el carbono 11 tiene una vida media de sólo 20,5 minutos. Por otra parte, no disponían de un método, en aquel entonces, que les permitiera separar compuestos individuales en la célula vegetal con rapidez y de forma total.

Pero, hacia 1940, se obtuvieron las herramientas necesarias: Ruben y Kamen descubrieron el carbono 14, el isótopo radiactivo de vida larga, que hizo posible seguir el destino del carbono a través de una serie de reacciones perezosas, y el desarrollo de la cromatografía sobre papel proporcionó un medio de separar mezclas complejas con facilidad y limpiamente. (En realidad, los isótopos radiactivos permitieron un claro refinamiento de la cromatografía sobre papel: Las manchas radiactivas sobre papel, que representaban la presencia del trazador, producían señales oscuras sobre una película fotográfica colocada debajo de aquél, de tal modo que el cromatograma daba lugar a su propia fotografía; esta técnica fue denominada «autorradiografía».)

Después de la Segunda Guerra Mundial, otro grupo, dirigido por el bioquímico norteamericano Melvin Calvin, recogió el desafío. Durante breves períodos de tiempo expusieron plantas unicelulares microscópicas
(Chlorella)
al anhídrido carbónico que contenía carbono 14, permitiendo así que la fotosíntesis se desarrollara sólo a lo largo de sus primeros estadios. Luego trituraron las células vegetales, separaron sus sustancias por cromatografía e hicieron una autorradiografía. Descubrieron que, aún cuando las células habían sido expuestas al anhídrido carbónico marcado durante sólo un minuto y medio, los átomos de carbono radiactivo aparecían en 15 sustancias distintas de la célula. Por reducción del tiempo de exposición, disminuyeron el número de sustancias en las que se había incorporado el carbono radiactivo y llegaron a la conclusión que el primero o casi el primer compuesto en el cual la célula incorporaba el carbono del anhídrido carbónico era el «gliceril-fosfato». (En ningún caso detectaron la presencia de formaldehído, de tal modo que la venerable teoría del formaldehído pasó, sin más estridencias, a la Historia.)