LONGITUD DE ONDA DE LA LUZ SOLAR

NATURA JC

Luz y pigmentos fotosintéticos

Propiedades de la luz. Cómo absorben la luz las clorofilas y otros pigmentos.

Introducción

Si alguna vez has pasado demasiado tiempo en el sol y te has quemado, probablemente estás consciente de la inmensa energía del sol. Desafortunadamente, el cuerpo humano no puede hacer demasiado con la energía solar, además de producir un poco de vitamina D (una vitamina que se sintetiza en la piel en presencia de luz solar).

Por otro lado, las plantas son expertas en capturar la energía de la luz y utilizarla para crear azúcares mediante un proceso llamado fotosíntesis. Este proceso comienza con la absorción de luz mediante moléculas orgánicas especializadas llamadas pigmentos, que se encuentran en los cloroplastos de las células de las plantas. Aquí, consideramos la luz como una forma de energía y también veremos cómo los pigmentos, tales como la clorofila que da el color verde a las plantas, absorben esa energía.

¿Qué es la energía de la luz?

La luz es una forma de radiación electromagnética, un tipo de energía que viaja en ondas. Otros tipos de radiación electromagnética que encontramos en nuestra vida diaria incluyen las ondas de radio, microondas y rayos X. En conjunto, todos los tipos de radiación electromagnética conforman el espectro electromagnético.

Cada onda electromagnética tiene una longitud de onda particular o distancia de una cresta a la otra, mientras que diferentes tipos de radiación tienen distintas gamas características de longitudes de onda (como se muestra en el siguiente diagrama). Los tipos de radiación con longitudes de onda larga, como las ondas de radio, llevan menos energía que aquellos con longitudes de onda corta, como los rayos X.

[Más información acerca de la longitud de onda]

Image of a wave, showing the crests, trough, and wavelength (crest-to-crest distance).

El espectro electromagnético es el rango completo de longitudes de onda de radiación electromagnética. Una longitud de onda más larga está asociada a una menor energía, mientras que una longitud de onda más corta, a una mayor energía. Los tipos de radiación en el espectro, de la longitud de onda más larga a la más corta, son: radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos X y rayos gamma. La luz visible se compone de diferentes colores, cada uno con una longitud de onda y nivel de energía diferente. Los colores, de la longitud de onda más larga a la más corta, son: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

Imagen modificada de "Espectro electromagnético", de Inductiveload (CC BY-SA 3.0) y "Espectro EM", de Philip Ronan (CC BY-SA 3.0). La imagen modificada tiene una licencia de CC BY-SA 3.0

El espectro visible es la única parte del espectro electromagnético que puede ver el ojo humano. Incluye la radiación electromagnética cuya longitud de onda está aproximadamente entre 400 nm y 700 nm. La luz visible del sol parece blanca, pero en realidad se compone de varias longitudes de onda (colores) de luz. Puedes ver estos diferentes colores cuando la luz blanca atraviesa un prisma: dado que las distintas longitudes de onda de la luz están inclinadas en diferentes ángulos a medida que atraviesan el prisma, se dispersan y forman lo que vemos como un arcoíris. La luz roja tiene la longitud de onda más larga y la menor cantidad de energía, mientras que la luz violeta tiene la longitud de onda más corta y la mayor cantidad de energía.

[Animación de un prisma]

Aunque la luz y otras formas de radiación electromagnética actúan como ondas en muchas condiciones, también pueden actuar como partículas en otras. Cada partícula de radiación electromagnética, llamada fotón, tiene una cantidad fija de energía. Los tipos de radiación con longitud de onda corta tienen fotones de alta energía, mientras que aquellos con longitud de onda larga tienen fotones de baja energía.

Los pigmentos absorben la luz utilizada en la fotosíntesis

En la fotosíntesis, la energía solar se convierte en energía química mediante organismos fotosintéticos. Sin embargo, en la fotosíntesis no se usan de igual manera todas las distintas longitudes de onda en la luz del sol ya que los organismos fotosintéticos contienen moléculas llamadas pigmentos que absorben solo longitudes de onda específicas de la luz visible, mientras que reflejan otras.

El conjunto de longitudes de onda que absorbe un pigmento se conoce como su espectro de absorción. En el siguiente diagrama, puedes ver los espectros de absorción de tres pigmentos importantes en la fotosíntesis: clorofila a, clorofila b y β-caroteno. El conjunto de longitudes de onda que un pigmento no absorbe, se refleja, y la luz reflejada es lo que vemos como color. Por ejemplo, percibimos las plantas de color verde por su gran contenido de moléculas de clorofila a y b, que reflejan luz verde.

Cada pigmento fotosintético tiene un conjunto de longitudes de onda que absorbe, llamado espectro de absorción. Dicho espectro de absorción puede representarse con la longitud de onda (nm) en el eje x y el grado de absorción de la luz en el eje y. El espectro de absorción de la clorofila incluye longitudes de onda de luz azul y rojo anaranjado, como se indica con sus picos de aproximadamente 450-475 nm y 650-675 nm. Cabe mencionar que la clorofila aabsorbe longitudes de onda levemente distintas que la clorofila b. La clorofila no absorbe longitudes de onda de luz verde y amarilla, lo cual se demuestra con el grado muy bajo de absorción de la luz de unos 500-600 nm. El espectro de absorción del β-caroteno (un pigmento carotenoide) incluye luz violeta y verde azulada, como se demuestra con sus picos de unos 450 y 475 nm.

La absorción óptima de luz ocurre en diferentes longitudes de onda para distintos pigmentos. Imagen modificada de "Reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz: Figura 4", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)

La mayoría de organismos fotosintéticos tienen una diversidad de pigmentos, lo cual les permite absorber energía de una amplia gama de longitudes de onda. Aquí, veremos dos grupos de pigmentos importantes en las plantas: clorofilas y carotenoides.

Clorofila

Hay cinco tipos principales de clorofila: a, b, c y d, más una molécula relacionada que se encuentra en procariontes llamada bacterioclorofila. En las plantas, la clorofila a y clorofila b son los principales pigmentos fotosintéticos. Las moléculas de clorofila absorben longitudes de onda azules y rojas, como se demuestra con los picos en los espectros de absorción anteriores.

A nivel estructural, las moléculas de clorofila se componen de una cola hidrófoba ("que le teme al agua") que se inserta en la membrana del tilacoide y una cabeza de anillo de porfirina (un grupo circular de átomos que rodean a un ion magnesio) que absorbe la luz$^1$start superscript, 1, end superscript.

Una molécula de clorofila atiene una cola hidrofóbica que se inserta en la membrana de los tilacoides y una cabeza de porfirina que captura la energía de la luz.

Imagen modificada de "Esqueleto en 2D de la clorofila", de Ben Mills (dominio público)

Aunque tanto la clorofila a como la clorofila b absorben luz, la clorofila a tiene una función única y crucial al convertir la energía de la luz en energía química (como puedes ver en el artículo reacciones dependientes de la luz). Todas las plantas fotosintéticas, algas y cianobacterias contienen clorofila a, mientras que solo las plantas y algas verdes contienen clorofila b, junto con algunos tipos de cianobacterias$^{2,3}$start superscript, 2, comma, 3, end superscript.

Debido a la función central de la clorofila a en la fotosíntesis, todos los pigmentos utilizados además de la clorofila a se conocen como pigmentos accesorios, que incluyen otras clorofilas, así como otras clases de pigmentos, como los carotenoides. El uso de pigmentos accesorios permite la absorción de una gama más amplia de longitudes de onda y, por lo tanto, una captura mayor de energía de la luz solar.

Carotenoides

Los carotenoides son otro grupo clave de pigmentos que absorben la luz violeta y verde azulada (ve la gráfica del espectro anterior). Los brillantes carotenoides encontrados en frutos —como el rojo del tomate (licopeno), el amarillo de las semillas de maíz (zeaxantina) o el naranja de una cáscara de esta fruta (β-caroteno)— se utilizan como avisos para atraer animales, que pueden ayudar a dispersar las semillas de plantas.

En la fotosíntesis, los carotenoides ayudan a capturar la luz, pero también tienen una función importante al deshacerse del exceso de energía luminosa. Cuando una hoja está expuesta a pleno sol, recibe una cantidad enorme de energía; si dicha energía no se maneja adecuadamente, puede dañar la maquinaria fotosintética. Los carotenoides de los cloroplastos ayudan a absorber el exceso de energía y a disiparla como calor.

¿Qué significa para un pigmento absorber la luz?

Cuando una molécula de pigmento absorbe un fotón, pasa a un estado de excitación; es decir, tiene energía extra y ya no se encuentra en su estado normal o fundamental. A un nivel subatómico, la excitación se produce cuando un electrón sube a un orbital de mayor energía que está más alejado del núcleo.

Solo un fotón con la cantidad justa de energía para subir un electrón entre orbitales puede excitar un pigmento. De hecho, es por esta razón que diferentes pigmentos absorben distintas longitudes de onda de la luz: las "brechas de energía" entre los orbitales son diferentes en cada pigmento, es decir, en cada caso se necesitan fotones de diferentes longitudes de onda para proporcionar un impulso de energía que coincida con esas brechas$^4$start superscript, 4, end superscript.

Cuando una molécula del pigmento absorbe la luz, pasa de un estado fundamental a un estado excitado. Esto significa que un electrón brinca hacia un orbital de mayor energía (que está más lejos del núcleo).

Imagen modificada de "Bis2A 06.3 Fotofosforilación; las reacciones dependientes de la luz en la fotosíntesis: Figuras 7 y 8", de Mitch Singer (CC BY 4.0).

Un pigmento excitado es inestable, y tiene varias "opciones" disponibles para llegar a ser más estable. Por ejemplo, puede transferir su energía extra o su electrón excitado a una molécula vecina. Vamos a ver cómo estos procesos funcionan en la siguiente sección: reacciones
dependientes de la luz.


VER:
https://www.youtube.com/watch?v=mKZdgcdd-0Q
https://www.youtube.com/watch?time_continue=11&v=kf4ToRSYP5o


https://www.youtube.com/watch?v=RA6loZ8DHnw

[Créditos y referencias]