s2-bio05 importancia del esparcimiento múltiple en la fotosíntesis

IMPORTANCIA DEL ESPARCIMIENTO MÚLTIPLE EN LA FOTOSÍNTESIS
S. Enríquez
Laboratorio de Fotobiología, Unidad Académica Puerto Morelos, Instituto de Ciencias del Mar y
Limnología, UNAM. Apdo. 1152, C. P. 77500, Cancún, México [email protected]
RESUMEN
Las membranas fotosintéticas absorben la energía lumínica y la transforman en energía química mediante la
fotosíntesis. Para facilitar un flujo continuo de electrones, las antenas fotosintéticas funcionan como avenidas
de transmisión de excitones hacia el centro de reacción fotoquímica. Promover eficientemente la transmisión
de la excitación se ha logrado evolutivamente en detrimento de la eficiencia de absorción de luz de los
pigmentos fotosintéticos. El esparcimiento múltiple permite contrarrestar el efecto de autosombra de los
pigmentos mejorando significativamente su capacidad de absorción de luz. En este trabajo se presentan tres
soluciones evolutivas, comparando la eficiencia de absorción de luz de un pigmento común.
1. INTRODUCCIÓN:
Las membranas fotosintéticas son responsables de colectar la energía lumínica y transformarla en
energía química mediante un proceso esencial para la vida de nuestro planeta denominado fotosíntesis. Este
proceso, además de liberar oxígeno, genera un flujo de electrones en las membranas que posibilita la posterior
síntesis de moléculas orgánicas. Las moléculas orgánicas serán a su vez transformadas en energía y materia
prima para impulsar el crecimiento y mantener multitud de procesos biológicos. La importancia de los tres
productos de la fotosíntesis oxigénica, energía, materia y oxígeno, radica en que son el sustento de la vida, de
la respiración y de la organización trófica de la mayor parte de la actual biosfera. Las antenas fotosintéticas
han evolucionado como avenidas de transmisión de excitones hacia el centro de reacción fotoquímica para
facilitar el proceso fotoquímico y permitir un flujo continuo de electrones. El gran esfuerzo evolutivo
invertido en maximizar la eficiencia cuántica de la reacción fotoquímica se ha conseguido gracias a una
eficiente transmisión de la excitación de las antenas hacia los centros de reacción. Sin embargo, este logro ha
ido unido a una significativa reducción de la eficiencia con la que los pigmentos fotosintéticos absorben luz.
La razón de esta ineficiencia está en el fuerte efecto de autosombra que experimentan los pigmentos en las
estructuras fotosintéticas. La organización estructural de los complejos pigmento-proteínas de las antenas (la
probabilidad de la transmisión de la excitación de una molélcula a otra es inversamente proporcional a la
sexta potencia de la distancia para espectros de emisión y absorción compatibles), unido al fuerte apilamiento
que los pigmentos sufren en las membranas, cloroplastos, células y tejidos fotosintéticos, explica este hecho.
Este fenómeno se conoce con el nombre de efecto paquete y fué descrito por primera vez para suspensiones
de algas1,y, posteriormente para poblaciones naturales del fitoplancton2,3. El efecto paquete explica, por tanto,
la pérdida de eficiencia de los pigmentos fotosintéticos en su capacidad de absorber luz cuando están
“empaquetados” en estructuras funcionales vivas. Para cuantificarlo se han utilizado diferentes metodologías.
Dos de ellas lo estiman a partir de un descriptor  del paso óptico calculado o bien comparando diferencias
entre los espectros de absorción de células intactas y rotas4, o comparando la absorción in vivo, con la
absorción de una concentración similar de pigmentos extraída en un solvente orgánico 5. La más común utiliza
como descriptor del efecto paquete el coeficiente específico de absorción (a*, m2 mg-1 pigm)3,6,7 que se define
como la absorción efectiva por unidad de pigmento. El coeficiente específico de absorción se calcula según la
siguiente ecuación: a* = (D/) ln10, en donde D es la absorbancia determinada espectrofotométricamente,  es
el contenido en pigmentos por unidad de área proyectada y ln10 resulta de la transformacion de un exponente
en base 10 (D) a uno exponencial (coeficiente de absorción, a = D ln10, sensu Kirk 1994)8,9. El análisis del
patrón de reducción de a* en función del aumento del contenido en pigmentos por área proyectada se utiliza
para describir la magnitud del empaquetamiento de los pigmentos en una determinada estructura 8,10. Las
estructuras fotosintéticas además de variar en forma, tamaño y concentración de pigmentos, también difieren
en el tipo de pigmentos que contienen dependiendo del grupo taxonómico. Esta diversidad no favorece, a
priori, la posibilidad de comparar entre sí su habilidad para colectar luz. Sin embargo, existe un único
pigmento fotosintético universal, la clorofila a, común a todos los organismos fotosintéticos y cuyo pico de
absorción en el rojo (675-680 nm) tiene mínima interferencia con los otros pigmentos accesorios. Por ello, el
coeficiente específico de absorción de la clorofila a (a*chla, m2 mg-1 chl a) en su pico de absorción de luz en el
rojo se utiliza como descriptor universal de la magnitud del efecto paquete para comparar diferentes grupos
taxonómicos y respuestas aclimatativas en el fitoplancton3,6 .
Los organismos fotosintéticos han podido contrarrestar el efecto paquete y mejorar
significativamente la eficiencia de absorción de luz de sus pigmentos gracias al esparcimiento múltiple.
Evidencias de la existencia de esparcimiento múltiple en el interior de hojas de plantas terrestres ya han sido
proporcionadas al medirse en el interior de la hoja intensificaciones de hasta dos y tres veces la intensidad
lumínica externa11. El efecto del esparcimiento múltiple sobre la amplificación del paso óptico de la luz se ha
examinado desde diferentes perspectivas5,8,9,11,12,13,14, aunque casi todo el esfuerzo realizado hasta la fecha se
ha limitado a la descripción empírica o teórica del campo lumínico, y al análisis de su efecto sobre la
distribución de pigmentos y la variación de las tasas fotosintéticas y la productividad foliar dentro del tejido.
A pesar de que ya había sido advertido hace varias décadas de que las muestras altamente dispersivas tenían
la capacidad de intensificar hasta 10 veces la absorción de luz15 , sólo recientemente, los estudios de Enríquez
& Sand-Jensen (2003), Enríquez (2005) y Enríquez et al. (2005) han prestado atención al efecto del
esparcimiento múliple sobre la variación de la eficiencia de absorción de luz de los pigmentos y sus
implicaciones biológicas. Este trabajo resume las conclusiones obtenidas en los análisis realizados por
Enríquez y colaboradores sobre la variabilidad de a *chla, en diferentes estructuras fotosintéticas pluricelulares,
indicando las implicaciones biológicas, ecológicas y evolutivas más importantes de los resultados de estos
análisis, y el posible papel del esparcimiento múltiple en el control de esa variación.
2. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN:
Mentha aquatica es una planta anfibia, común en ambientes húmedos próximos a lagos y ríos en el
norte de Europa, cuyas hojas tienen la típica anatomía bifacial de una planta terrestre: mesófilo formado por
células columnares en la cara anterior denominado parénquima de empalizada, y por células planas que dejan
amplios espacios intercelulares en la cara posterior denominado mesófilo esponjoso. Las hojas de M. aquatica
están formadas por una única capa de células de parénquima de empalizada y tres del mesófilo esponjoso
además de por una fina capa de células epidérmicas no pigmentadas. Su grosor y su contenido en pigmentos
varía en función de las condiciones ambientales, desde 90 a 215 µm para el primero y de 44 a 450 mg chl a
cm-2 para el segundo8. Thalassia testudinum es el pasto marino dominante del Golfo de México y el Caribe, y
forma extensas y muy productivas praderas en las áreas costeras de ésta región geográfica. Los pastos marinos
son plantas superiores con flores (angiospermas) descendientes de plantas terrestres que recolonizaron el
ambiente marino hace 90-120 millones de años. En su adaptación al ambiente marino las hojas de este grupo
de organismos fotosintéticos perdieron la anatomía bifacial de una planta terrestre y desarrollaron un tejido con
amplios espacios intercelulares para el transporte de gases y solutos: aerénquima, formado por células no
pigmentadas que contienen grandes vacuolas y delimitan amplios espacios intercelulares o lacunae. La mayor
parte de los pigmentos fotosintéticos se encuentran en el interior de las dos capas, superior e inferior, de la
epidermis que representan únicamente el 20 % del volúmen foliar total 14. El grosor de la epidermis de T.
testudinum varía entre 11 y 15 µm dentro de un hoja que varía a su vez entre 110 y 540 µm de grosor. Como
consecuencia de esta distribución de pigmentos tan heterogénea la concentración de clorofila a por unidad de
volúmen de T. testudinum es similar a la del fitoplancton (670-1090 µg cm-3) pero 5-6 órdenes de magnitud
2
0.1
Figura 1: Variación del coeficiente específico de
absorción (m2 mg-1 chl a) para Mentha aquatica
(cuadros negros), Thalassia testudinum (cuadros
blancos) y fitoplancton (rombos negros, Morel &
Bricaud [1981]), en función de la variación de la
densidad de clorofila a (mg m-2).
2
-1
(m mg chl a)
Coeficiente específico de absorción -a*chla
mayor que la de M. aquatica (0.7-2 mg cm-3) a pesar de que ésta contiene, en promedio, 3 veces más clorofila
a por unidad de área. Estas enormes diferencias estructurales sólo se reflejan en un 38% de reducción
promedio de la eficiencia con la que la clorofila a absorbe luz dentro de las hojas de T. testudinum en
comparación con la eficiencia de M. aquatica (Fig. 1).
0.01
1
10
100
1000
-2
Densidad de clorofila a (mg m )
El esparcimiento múltiple es el fenómeno capaz de explicar este hecho, al permitirle a T. testudinum
contrarrestar el fuerte “empaquetamiento” que sufrirían los pigmentos en sus hojas, y mejorar sensiblemente
la eficiencia de absorción de luz. Comparando los valores de a *chla estimados para las hojas de las dos
especies con los valores reportados por Morel & Bricaud (1981) para el fitoplancton, se observa que los
organismos unicelulares presentan valores claramente inferiores de a *chla a los de las hojas de T. testudinum y
de M. aquatica. El tejido pluricelular parece más hábil para colectar luz que el fitoplancton, quizás, por una
mayor capacidad para neutralizar el efecto paquete a través del esparcimiento múltiple. La superposición de
capas de células y la presencia de aire en los espacios intercelulares tanto en plantas terrestres como en
acuáticas, contribuyen a aumentar el esparcimiento de la luz en el interior del tejido y a alargar el paso óptico,
aumentando la probabilidad de que un fotón sea interceptado por un pigmento. La frecuente presencia de
cristales de oxalato cálcico en el interior de tejidos fotosintéticos vegetales, y el estricto control genético que
parece tener su forma16, podrían también explicarse como respuestas adaptativas para favorecer el
esparcimiento múltiple y contrarrestar el empaquetamiento de los pigmentos en el tejido fotosintético.
Cristales de oxalato cálcico ya ha sido observados en las células epidérmicas de T. testudinum, aunque su
efecto sobre la amplificación de la capacidad de absorción de luz todavía no ha sido cuantificado. Su mera
presencia, sin embargo,explicaría las mejoras significativas de la eficiencia de absorción de luz de la clorofila
a en las hojas del pasto marino, a pesar de la nueva anatomía foliar desarrollada por éstos en su adaptación al
ambiente marino. Probablemente esta anatomía resuelve otra problemática de este grupo de productores
primarios como es el acceso de la fotosíntesis a la fuente mayoritaria de carbono inorgánico en el océano, el
bicarbonato, pero imponiendo fuertes limitaciones a la eficiencia de los pigmentos para colectar luz. El
esparcimiento múltiple a través de la presencia de cristales y de espacios aéreos en los lacunae puede haber
jugado un importante papel en el éxito ecológico y evolutivo de las angiospermas marinas.
En los ambientes marinos costeros tropicales, altamente iluminados y oligotróficos, los corales
escleractíneos han alcanzado un gran éxito ecológico y evolutivo desde hace 200 millones de años. Estos
organismos son el resultado de una relación endosimbiótica estable entre un cnidario y un alga unicelular. El
éxito de los corales simbióticos está determinado por la eficiencia con la que colectan la energía solar, pues
productos del metabolismo fotosintético de las algas son traslocados al hospedero y llegan a cubrir el 100% de
sus necesidades metabólicas17,18 además de potenciar la tasa de calcificación del esqueleto coralino18,19. Un
fuerte obstáculo para el estudio de las propiedades de absorción de luz de los corales lo representa
precisamente su esqueleto de carbonato cálcico, formado por multitud de cristales de aragonita dispuestos en
una gran variedad de formas, cuya “caprichosa” distribución tiene un fuerte carácter taxonómico. La mayor
parte de las estimaciones de la capacidad de absorción de luz de los corales se han realizado analizando la
capacidad de absorción de luz de las algas en un tejido de coral extraído del esqueleto20,21. Estos estudios han
concluído que no hay diferencias significativas en la eficiencia de absorción de luz entre especies de coral, y
que sus valores de a*chla son similares a los del fitoplancton. Sin embargo, usando la misma técnica
espectrofotométrica de transmisión desarrollada para muestras dispersivas 22, Enríquez et al. (2005) presentaron
3
0.1
2
-1
Figura 1: Variación del coeficiente específico de
absorción (m2 mg-1 chl a) para Mentha aquatica (cuadros
negros), Thalassia testudinum (cuadros blancos),
fitoplancton (rombos negros), coral intacto de Porites
branneri (círculos grandes negros), algas en suspensión
extraídas de P. branneri (círculos grandes blancos) y
Montipora monasteriata (triángulos blancos), en función
de la densidad de clorofila a (mg m-2).
1
(m mg chl a)
Coeficiente específico de absorción -a*chla
por primera vez medidas directas del espectro de absorción y del coeficiente específico de absorción para
corales intactos, de una especie caribeña, Porites branneri, caracterizada por presentar pólipos de pequeño
tamaño y superficies homogéneas fácilmente de pulir y de estudiar en modo de transmisión. Este estudio puso
en envidencia que las algas endosimbiontes absorben la mayor parte de la luz incidente en la superficie de P.
branneri a partir de una concentración de clorofila a mayor a 20 mg m-2. Sólo por debajo de esta cantidad de
pigmento, la fracción de luz absorbida empieza a decaer hasta un valor cercano al 18% en los organismos más
pálidos cuya concentración de clorofila a fue menor a 5 mg m-2. P. branneri tiene un pólipo muy pequeño y los
organismos examinados viven en una laguna arrecifal somera y fuertemente iluminada, por lo que su
pigmentación máxima no excedió los 105 mg chl a m-2. Montipora monasteriata es una especie indo-pacífica
que presenta pólipos mayores, y por tanto mayores grosores del tejido y mayor contenido en pigmentos por
unidad de área. Comparando la variación de a*chla de estas dos especies con los valores estimados para las algas
de P. branneri en suspensión (extraídas del esqueleto), y con la variación mostrada anteriormente por las hojas
de Mentha aquatica y Thalassia testudinum y del fitoplancton (Fig. 2), se observa que las algas unicelulares
endosimbióticas del coral son entre 2 y 4 veces más eficientes para absorber luz en el tejido intacto que en
suspensión, y también más eficientes que las hojas y que el fitoplancton de vida libre.
0.01
1
10
100
1000
-2
Densidad de clorofila a (mg m )
Estos análisis indican que los corales simbióticos son uno de los colectores de luz más eficientes de la
naturaleza, capaces de absorber la misma cantidad de luz que las hojas con 6 veces menos cantidad de
pigmento. Las algas endosimbiontes que viven hospedadas en las células del pólipo sobre un esqueleto
formado por cristales de aragonita, son capaces de absorber mucho más eficientemente la energía solar que las
células del fitoplancton de vida libre. Estas nuevas propiedades ópticas son adquiridas gracias al
esparcimiento múltiple generado por el esqueleto de coral. Un modelo teórico desarrollado por Enríquez et al.
(2005) encuentra que una superficie de aragonita plana, a la que se ha medido un esparcimiento lambertiano,
puede aumentar la capacidad de absorción de una partícula hasta 3 veces. Este factor puede llegar a ser mucho
mayor si el esparcimiento múltiple entre la superficie que esparce y la partícula es significativo, o si la
superficie es cóncava como la de un coralito. Los esqueletos exhiben una gran diversidad de patrones
morfológicos según el tamaño del pólipo, tamaño y forma de los septos, distancia entre septos, etc.con
importantes consecuencias potenciales para las propiedades ópticas y el campo lumínico en el interior del
tejido de cada morfotipo o especie. Ésto sugiere que la luz debe haber sido una de las fuerzas motrices más
importantes en el desarrollo filogenético de los corales escleractíneos, y, quizás, del establecimiento mismo de
la simbiosis de coral.
En conclusión, el esparcimiento múltiple puede haber jugado un papel muy relevante en la ecología
y evolución de los organismos fotosintéticos por la clara ventaja aclimatativa y adaptativa que supone el
aumento de la tasa de fotosíntesis por unidad de recurso invertido en fabricar el aparato fotosintético. Una
importante conquista en términos de ahorro energético gracias al “trabajo en equipo” puede haberse
producido en el salto evolutivo de la estructura unicelular a la pluricelular, y en el establecimiento de la
simbiosis de coral. Más aún, los mayores condicionantes de tamaño que sufre el metabolismo fotosintético
frente al respiratorio23,24, y que se explican como la suma del efecto de autosombra de los pigmentos a las
4
limitaciones de la tasa de difusión y de trasferencia de calor, podrían haber tenido un importante aliado
evolutivo en el esparcimiento múltiple.
BIBLIOGRAFÍA
1. L. N. M. Duysens, “The flattening of the absorption spectrum of suspensions, as compared to that of
solutions”, Biochem. Biophys. Acta,, Vol. 19, 1956, pp. 1-12.
2. J. T. O. Kirk, “A theoretical analysis of the contribution of algal cells to the attenuation of light
within natural waters. I. General treatment of suspensions of pigmented cells”, New Phytol., Vol. 75,
1975, pp. 11-20.
3. A. Morel, & A. Bricaud, “Theoretical results concerning light absorption in a discrete medium, and
application to specific absorption of phytoplankton”. Deep-Sea Res., Vol. 28, 1981, pp. 1375-1393.
4. B. A. Osborne, & R. J. Geider, “Problems in the assessment of the package effect in five small
phytoplankters”, Mar. Biol., Vol. 100, 1989, pp. 151-159.
5. W. Rühle, & A. Wild, “The intensification of absorbance changes in leaves by light-dispersion:
differences between high-light and low-light leaves”, Planta, Vol. 146, 1979, pp. 551-557.
6. D. Kiefer, & B. G. Mitchell, “A simple steady state description of phytoplankton growth based on
absorption cross-section and quantum efficiency”, Limnol Oceanogr., Vol. 28, 1983, pp. 770-777.
7. J. T. O. Kirk, Light and photosynthesis in aquatic ecosystems, 2nd ed., 1994, Cambridge Univ. Press.
8. S. Enríquez, & K. Sand-Jensen, “Variation in light absorption properties of Mentha aquatica L. as a
function of leaf form: implications for plant growth”, Int. J. Plant Sci., Vol. 164, 1, 2003, pp. 125-136.
9. S. Enríquez, E. R. Méndez, & R. Iglesias-Prieto, “Multiple scattering on coral skeletons enhances light
absorption by symbiotic algae”, Limnol. Oceanogr., 2005 (In press).
10. R. J. Geider, & B. Osborne, Algal photosynthesis, 1992, Chapman & Hall.
11. T. C. Vogelmann, & L. O. Bjørn, “Measurements of light gradients and spectral regime in plant tissue
with a fiber optic probe”, Physiol. Plant., Vol. 60, 1986, pp. 363-368.
12. I. Terashima, & T. Saeki, “Light environment within a leaf I”, Plant Cell Physiol., Vol. 24, 1983, pp.
1493-1501.
13. T. Richter, & L. Fukshansky, “Optics of a bifacial leaf: 3. Implications for photosynthetic
performance”, Photochem. Photobiol., Vol. 68, 3, 1998, pp. 337-352.
14. S. Enríquez, “Light absorption efficiency and the package effect in the leaves of the seagrass Thalassia
testudinum”, Mar. Ecol. Prog. Ser., Vol. 289, 2005, pp. 141-150.
15. W. L. Butler, & K. H. Norris, “The spectrophotometry of dense light-scattering material”, Arch.
Biochem. Biophys., Vol. 87, 1960, pp. 31-40.
16. P. A. Nakata, “ Calcium Oxalate crystal morphology”, Trends Plant Sci., Vol.7, 7, 2002, pp.324.
17. L. Muscatine, & J. W. Porter, “Reef corals: mutualistic symbioses adapted to nutrient-poor
environments”, BioScience, Vol. 27, 1977, pp. 454-460.
18. L. Muscatine, & V. Weis, “Productivity of zooxanthellae and biochemical cycles”, in Primary
productivity and biogeochemical cycles in the sea (Plenum Press, 1992), pp. 257-271.
19. T. F. Goreau, & N. I. Goreau, “The physiology of skeleton formation in corals II. Calcium deposition
by hermatypic corals under various conditions in the reef”, Biol Bull., Vol. 117, 1959, pp. 239-250.
20. Z. Dubinsky, P. G. Falkowski, J. Porter, & L. Muscatine, “Absorption and utilization of radiant energy
by light- and shade-adapted colonies of the hermatypic coral Stylophora pistillata”, Proc. R. Soc. Lond.
B. Vol. 222, 1984, pp. 203-214.
21. Z. Dubinsky, N. Stambler, M. Ben-Zion, L. R. McClauskey, L. Muscatine, & P. G. Falkowski, “The
effect of external nutrient resources on the optical properties and photosynthetic efficiency of
Stylophora pistillata. Proc. R. Soc. Lond. B., Vol. 239, 1990, pp. 231-246.
22. K. Shibata, “Spectrophotometry of translucent biological materials. Opal-glass transmission method”.
Meth. Biochem. Anal., Vol. 7, 1959, pp. 77-109.
23. R. H. Peters, The ecological implications of body size, University Press Cambridge.
24. S. Enríquez, C. M. Duarte, K. Sand-Jensen, & S. L. Nielsen, “Broad-scale comparison of
photosynthetic rates across phototrophic organisms”, Oecologia, Vol. 108, 1996, pp. 197-206.
5