Las antenas de la vida aprovechan la agitación térmica.

¿Qué prefiere la naturaleza redes Resistentes y redundantes, adaptativas o con un rendimiento optimizado y competitivo? La respuesta está en la clorofila y el sistema de captación de luz solar de plantas, algas y bacterias.

Clorofila es la molécula elegida por la naturaleza para captar la radiación solar y convertirla en casi todo lo que conocemos. El número y la forma en que se disponen dichas clorofilas en las proteínas fotosistema hacen que funcionen como un sistema de captación de energía quántico a temperatura ambiente, muy robusto a la degradación natural y con un rendimiento increíble, superior al 95%. ¿Cómo ha logrado esto la naturaleza y la evolución? Es más ¿Qué prima la naturaleza ‘antifragilidad’ o rendimiento? ¿Qué funcione en cualquier situación adversa o qué lo haga en condiciones de calma con el máximo rendimiento?

La naturaleza es una fisica-química muy buena y si es posible conseguirá las dos cosas pero ‘prefiere’ una de ellas. Vamos a viajar al corazón de la vida, al sistema perfecto de captación solar, para comprenderlo.

Fotosistema I estructura del resistente y óptimo sistema de captación de luz solar desarrollado y mejorado por la naturaleza

Molécula de clorofila en la proteína Fotosistema I. En anillo de porfirina formado por cuatro anillos pentagonales de pirrol con su átomo de Magnesio (Mg2+) en el centro. En el fotosistema hay unas 60 moléculas de clorofila que junto con otros pigmentos sirven de antenas para capturar los fotones de determinadas longitudes de onda.

La molécula de clorofila es capaz de captar la energía de los fotones debido a que en sí es una red de dobles enlaces alternados con enlaces simples dispuestos para absorber en la banda del espectro visible donde la luz solar que alcaza la tierra es máxima.

Cuando un fotón con la longitud de onda adecuada es captado por una molécula de clorofila, la energía de ese fotón excita un electrón de la molécula a un estado de mayor energía. El electrón puede entonces pasar a otra molécula un aceptor. Esto da como resultado una carga positiva en la clorofila (que se oxida, pierde un electrón) y una carga negativa en el aceptor (que queda reducido), estamos pues frente a una separación de carga fotoinducida. Luego es la red de clorofilas y otros pigmentos la que transmite esta separación al centro reactivo.

La red de clorofilas no solo no se ve afectada por la vibración térmica, sino que aprovecha el desorden que crea para ampliar la banda del espectro lumínico que es capaz de captar con eficiencia, por un fenómeno de resonancia y solapamiento. Es más, a menores temperaturas el rendimiento baja, parece ser por qué hay una menor resonancia entre clorofilas adyacentes. El desorden térmico parece fundamental para la transmisión eficiente de la excitación en un sistema de captación de energía que requiera también de un amplio espectro de longitudes de onda.

Photosystem I functions as a sunlight energy converter, catalyzing one of the initial steps in driving oxygenic photosynthesis in cyanobacteria, algae, and higher plants.

El fotosistema I funciona como un convertidor de energía solar, catalizando uno de los primeros pasos en la fotosíntesis aerobia en cianobacterias, algas verdes y plantas superiores. El fotosistema I captura mediante una red de antenas de clorofila la luz solar y transfiere la energía de excitación a través de un intrincado, robusto y finamente organizado sistema antenas, constituida por de una red pigmentos (verde), hasta el centro de reacción (azul) de la molécula, donde está energía se transforma en energía química.

Además, la red es altamente resistente a la perdida de moléculas de clorofila, a la degradación del uso. Mantiene un elevado rendimiento, incluso cuando se pierden elementos en la red, a la hora de conducir la energía al final de la cadena.

Es en el centro de reacción del fotosistema donde finalmente se traspasa esa separación de carga a otra molécula. En el caso de la fotosíntesis se escinde una molécula de agua para dar una molécula de oxígeno y un protón, que luego se transformará en ATP. Este electrón puede por tanto, a su vez, reducir otras especies para acumular la energía en forma de sustancias químicas mas elaboradas. La energía lumínica se transforma en última instancia en enlaces químicos, en moléculas azúcares que guardan la energía.

A la evolución no solo le ha dado tiempo a hacer un sistema Resistente o antifallos sino que con el vasto tiempo además a elevado el rendimiento energético al 97%.

REFERENCIAS

Physical principles of efficient excitation transfer in light harvesting. Melih K. Şener and Klaus Schulten

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