Mirar un árbol

A veces me vienen a la mente recuerdos de viejos programas de televisión que marcaron de alguna manera mi adolescencia, cuando uno adolece de casi todo. En un Detective anterior ya hablé del programa La segunda oportunidad y ahora pensaba en aquel de Mirar un cuadro. La oferta era entonces escasa, pero al menos lo que se hacía era de alta calidad; justo al contrario que ahora. En aquel programa, emitido en 1982-1984 y 1988, Alfredo Castellón nos enseñó a interpretar 109 obras del Museo del Prado y de otras pinacotecas españolas. Hoy quisiera emularle, pero no mirando una obra de arte humana, sino una obra de arte de la naturaleza: un árbol. Hablaré de cómo mirar un árbol para sacarle el máximo partido intelectual.

Si pensamos en árboles, en tipos de árboles, nos suele venir a la cabeza la típica clasificación que los divide en dos grandes bloques: los de hoja perenne y los de hoja caduca. Sin embargo, hay otra división ecológicamente relevante que no solemos tener tan en cuenta: la que separa a los árboles del dosel de aquellos que integran el sotobosque. Por ejemplo, un roble sería un árbol del dosel, mientras que majuelos y avellanos pertenecerían al sotobosque. Es más, la ecología de los árboles del sotobosque se ve influida por la de aquellos que se enseñorean por encima de sus copas.

Pensar en estos términos nos permite explicar cuestiones curiosas; como, por ejemplo, por qué florecen los almendros en pleno invierno, antes de que llegue la primavera. La manera más adecuada de explicar esta aparente aberración, ya que muchas veces se salda con la pérdida de un gran número de flores y la consiguiente mengua posterior en la cosecha de frutos, probablemente sea trasladar al almendro a su ambiente originario. El almendro (Prunus dulcis) procede de las regiones montañosas de Asia central, desde donde fue dispersado por los fenicios por todo el Mediterráneo. 

Así pues, en Iberia está fuera de sitio, aunque es obvio que se da bien. En sus montañas de origen, el almendro debía comportarse como un pequeño árbol del sotobosque que prospera a la sombra de árboles caducifolios de mayor talla. En tales circunstancias resulta ventajoso florecer lo antes posible, antes de que lo hagan los grandes árboles del dosel y acaparen los insectos disponibles. La opción es arriesgada, porque florecer en pleno invierno (o sea, en cuanto la temperatura pasa de los 6ºC en el mes de febrero) puede salir caro en términos de descendencia. Pero, a la larga, es mejor tener éxito de vez en cuando que no tenerlo nunca. Sobre todo si intentamos competir con esos gigantones que hay sobre nuestras cabezas.

Bosque de robles carballos (Quercus robur), castaños (Castanea sativa) y avellanos (Corylus avellana). Hay árboles de dosel y árboles de sotobosque. La floración invernal de algunos árboles, como el almendro (Prunus dulcis), sólo puede entenderse si nos trasladamos a los ecosistemas originarios y analizamos su papel como integrante del sotobosque (Foto del autor).

Una estrategia bien planificada

Otro asunto curioso, en el que a menudo no reparamos, es el orden en el que se dan los sucesos. Los árboles, por regla general, lo primero que hacen es florecer en cuanto apunta la primavera. Es decir, el número de flores no depende de las condiciones del árbol en el año presente, sino de las que se dieron en el año anterior, de las reservas que haya conseguido acumular. Así pues, el éxito reproductor del año en curso tiene mucho que ver con lo que pasó hace un año. El árbol se da prisa en emitir sus flores, las cuales son bastante baratas y no representan un excesivo consumo de energía. Así que pueden producirse rápidamente y en masa.  ¡Hay que asegurarse de que los insectos acudan a polinizarlas! Unos insectos ansiosos de recursos tras los fríos invernales y unas flores especialmente vistosas siempre que no queden ocultas por las hojas.

Sólo una vez que las flores están ya fecundadas despliega el árbol los paneles fotovoltaicos que representan sus hojas, para empezar a dotar de recursos a los frutillos en desarrollo. Ahora sí que requiere mucha energía para fabricar frutos grandes y complejos, atractivos para los dispersores de semillas, que es de lo que se trata al fin y al cabo en el juego de la persistencia sobre la biosfera. Por ejemplo, los frutos del madroño (Arbutus unedo), que son complejos y voluminosos, han de empezar a prepararse ya desde el año anterior y por eso hay arbolillos en flor cuando todavía persisten en sus ramas los frutos del otoño pasado.

Procesos en acción

En un árbol suceden innumerables procesos a lo largo del día. A pesar de su condición sésil, no falta dinamismo en sus vidas. Un proceso especialmente curioso es el de la redistribución del agua. El agua está entre los intersticios de las capas del suelo y, desde allí, tiene que llegar hasta lo alto de las copas de los árboles. ¿Cómo se las apañan? El mecanismo es curioso. A falta de una bomba tipo corazón, los árboles evaporan agua a través del envés de sus hojas y con ello generan una fuerza de succión de abajo arriba. Así de sencillo y de eficaz.

En realidad no lo hacen a propósito. Sencillamente las moléculas de agua son mucho más pequeñas que las de dióxido de carbono (por cada molécula de dióxido de carbono que entra salen entre 100 y 500 de agua) de manera que cuando el árbol abre sus estomas (esas ventanas ubicadas en el envés de las hojas) para captar CO₂ pierde agua sin querer. Un agua que se ha de reponer. El agua que se pierde por arriba tiende a ser reemplazada desde abajo: el proceso se llama evapotranspiración. Los árboles suelen hacer eso durante el día, aprovechando el calorcito del sol, excepto los que viven en climas muy calurosos que trabajan sólo de noche para evitar deshidratarse. La evaporación es mucho más débil durante la noche en climas templados y, por tanto, la succión del agua no da para llevarla hasta las copas, sino hasta la superficie del suelo. Lo cual tiene una ventaja para el árbol y es que el agua queda a la altura de sus raicillas secundarias, que son las que absorben mejor las sales minerales que la planta necesita para el desempeño de sus funciones vitales. Pero tiene además un efecto asociado que beneficia a muchas otras especies de plantas que crecen a su alrededor, que pueden aprovechar ese efecto de gran proveedor o facilitador de agua que desempeña el árbol, especialmente en climas mediterráneos donde ésta escasea en verano. No dejéis de releer el estupendo trabajo de Prieto y colaboradores al respecto, publicado en Quercus en 2013 (1).

Mientras esto sucede, el árbol está haciendo muchas otras cosas a la vez. Como un automovilista multitareas, que mientras conduce busca una emisora de radio o bebe un trago de agua. El proceso más obvio es el de la fotosíntesis, claro, del que ya hablé con detalle en el Detective del pasado mes de mayo (2). Las plantas van fabricando su cuerpo prácticamente a partir de la “nada”, en el sentido de que lo construyen sin apenas elementos sólidos. Los azúcares complejos de las plantas se sintetizan a partir del dióxido de carbono atmosférico y rompiendo moléculas de agua con ayuda de los fotones solares para extraer su electricidad interna en forma de electrones y átomos de hidrógeno cargados positivamente. La fotosíntesis es la magia del mundo vegetal. Obtener algo sólido a partir de gas y un líquido. Un antiquísimo descubrimiento del mundo bacteriano, de las cianobacterias en concreto  que, gracias a ellas, acabó pasando al mundo de las plantas terrestres. Un invento que ya quisiéramos los humanos saber imitar con igual eficiencia. Se acabarían todos nuestros problemas energéticos actuales y futuros de un soplido.

Guerra química

Además de fotosintetizar y bombear y redistribuir agua, los árboles despliegan varios tipos de estrategias vitales que tienen a la química como protagonista. Pueden, por ejemplo, generar compuestos que impiden el crecimiento de otras plantas en sus cercanías, para evitar competidores molestos. El fenómeno se denomina “alelopatía”, que no es una extraña “enfermedad de los alelos”, como parece sugerir tan desafortunado nombre. La alelopatía es muy habitual en ambientes donde escasean el agua o las sales del suelo y hace falta mantener a raya a los que buscan lo mismo.

Otro tipo de guerra química muy curioso es el que tiene lugar entre los árboles, sus potenciales consumidores de hojas y los depredadores de ellos (3). Ninguna planta quiere perder sus paneles fotovoltaicos, pues le va la vida en ello. A tal efecto, cuando comienza el ataque de un insecto herbívoro, la planta es capaz aumentar sus concentraciones de taninos tóxicos o de emitir compuestos volátiles que no sólo advierten a sus vecinos de lo que está sucediendo para que preparen sus propias defensas químicas, sino que esta información puede ser percibida por insectos depredadores o por las avecillas insectívoras del bosque, que acudirán al árbol que emite tan desesperadas señales de ayuda librándolo de su plaga.

¿Cómo ha podido evolucionar semejante cosa? Probablemente empezase como una comunicación entre distintos pies arbóreos (clones, individuos conectados en red por medio de hifas de hongos, parientes cercanos) que con el tiempo fue cortocircuitada por aves e insectos, con beneficios para ambas partes. 

Cooperación

Pero no todo son guerras ahí fuera. También hay mucha cooperación en el funcionamiento de un bosque. Las raíces de los árboles (en torno a dos tercios de la biomasa total del bosque, del cual los árboles son sólo la punta de un iceberg) están comunicadas con las hifas de los hongos que abarrotan el suelo. El árbol proporciona carbono a los hongos y los hongos le proporcionan al árbol nutrientes, a los que llegan con sus minúsculas hifas mucho mejor que las raíces. Las hifas a su vez conectan árboles entre sí, en red. Y no sólo adultos con adultos sino a los adultos con sus jóvenes pimpollos, a los que ayudan a crecer suministrándoles el carbono que los jovenzuelos aún no son capaces de fijar. En cierta medida podríamos decir que los árboles, a su manera, alimentan a sus crías, como muchos animales. Al final animales y plantas no son tan diferentes. Acaban haciendo cosas muy parecidas, aunque mediante mecanismos diferentes. Y muchas de las cosas que son capaces de hacer son más complicadas,  lo que justifica sus voluminosos genomas. 

Por último, me viene a la cabeza una reflexión final. Cuando miremos un árbol que sea de verdad viejo, como un olivo múltiples veces centenario, conviene reparar en que casi todo lo que vemos es materia muerta. La vida ya sólo corre fugazmente por su floema, las venas del mundo vegetal.

Agradecimientos

A Carlos M. Herrera, por nuestras hermosas y enriquecedoras conversaciones sobre los hábitos de almendros, almeces y otros árboles mediterráneos, de las que proceden buena parte de las ideas aquí vertidas.

Bibliografía

(1) Prieto, I.; Armas, C. y Pugnaire, F.I. (2013). Las plantas redistribuyen el agua acumulada en el suelo. Quercus, 330: 36-44.

(2). Martínez-Abraín, A. (2014). Cómo crear materia viva a partir de la “nada”. Quercus, 339: 6-8.

(3) Amo, L. y otros autores (2013). Birds exploit herbivore-induced plant volatiles to locate herbivorous prey. Ecology Letters 16: 1348-1355. 

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De cómo crear materia viva a partir de la “nada”

Todos deberíamos estar más familiarizados con la maquinaria que fabrica en última instancia nuestro alimento. Esa  compleja maquinaria se encuentra en los cloroplastos, que son antiguas bacterias de vida libre incorporadas a la célula eucariota vegetal desde tiempos muy remotos. Como materia prima utiliza un gas, agua y paquetes de energía procedentes del sol. Poco más.

Algas, musgos, helechos y plantas con flores –es decir, los seres autótrofos– se las apañan para construir sus cuerpos a partir de dióxido de carbono (gas), agua (líquido), luz y unas cantidades minúsculas de sales minerales (sólido), a través de un sofisticado proceso que conocemos como fotosíntesis. Más tarde, sus sólidos cuerpos vegetales, hechos de azúcares complejos, servirán de sustento a los seres heterótrofos, aquellos que comen plantas (herbívoros) o a los que se comen las plantas (carnívoros), además de indirectamente a los descomponedores de todos ellos.

El objetivo final de la fotosíntesis es sintetizar hidratos de carbono, carbo-hidratos o azúcares. Tres nombres para lo mismo.  Para ello las plantas absorben del aire dióxido de carbono, un gas cuya concentración en la atmósfera terrestre actual es muy baja (de unos pocos centenares de partes por millón), pero que era más abundante cuando las plantas inventaron la fotosíntesis. Lo hacen a través de sus estomas, esas pequeñas ventanas ubicadas en el envés de las hojas que son su puerta de comunicación con la esfera gaseosa del planeta, que está compuesta mayoritariamente de nitrógeno gaseoso. En la mayoría de las plantas los estomas están abiertos durante el día, aunque las que habitan en ambientes secos o desérticos procuran abrirlos de noche, para evitar la pérdida involuntaria de agua. El dióxido de carbono absorbido es la fuente de carbono (C) imprescindible para la síntesis de la glucosa. Los árboles de lento crecimiento (como las encinas) deben esa característica precisamente a conseguir el carbono atmosférico más lentamente que un pino, un chopo o un eucalipto. 

Para ello las plantas primero han de disponer de agua, ya que ésta es la fuente de la “electricidad” que mueve todo el proceso de fijación del CO₂ en forma de azúcares, gracias a que la radiación solar rompe la molécula del agua y libera electrones (produciendo también átomos de hidrógeno cargados positivamente) que se invierten luego en fabricar moléculas ricas en energía química, como el ATP. En ese proceso se libera el oxígeno del agua como sub-producto de desecho de la reacción. Por lo tanto, al contrario de lo que piensa mucha gente, el oxígeno de la atmósfera, el que respiramos, no procede del dióxido de carbono, que nunca se separa de su oxígeno, sino del agua (1).

Tan eficiente es este proceso de romper moléculas de agua mediante luz (a pesar de la gran estabilidad de la molécula de agua) que la atmósfera terrestre ha pasado a estar compuesta, debido a las plantas, nada menos que en un 21% de oxígeno, un gas que oxida todo a su paso, incluidos los seres vivos (esa es la razón última de nuestros procesos de envejecimiento). El agua por tanto no sólo aporta a las plantas turgencia para soportar la vida terrestre y un medio para transportar nutrientes del suelo sino que es una fuente de electricidad para realizar el trabajo de síntesis de sus tejidos. Nosotros para realizar trabajo nos conectamos a la red eléctrica. Ellas hacen lo mismo pero conectándose al tándem agua y sol.

Detalle del envés de una hoja de higuera (Ficus carica). Gracias a la radiación solar las plantas consiguen “electricidad” a partir del agua. Con ayuda de los fotones rompen la molécula de agua y emplean sus electrones e iones de hidrógeno de carga positiva para sintetizar posteriormente azúcares complejos, fijando el escaso dióxido de carbono de nuestra atmósfera actual. Foto del autor.

Un motor de dos tiempos

Todo este proceso de fabricar el cuerpo de las plantas a partir de la “nada” tiene lugar en dos fases. La primera fase (llamada luminosa) está arbitrada por dos complejos bioquímicos denominados Fotosistema 1 y Fotosistema 2, ambos ubicados en las membranas de unos saquitos  de los cloroplastos conocidos como tilacoides. En origen, ambos fotosistemas eran independientes, pero acabaron acoplados en este “motor de dos tiempos” de tan impactantes resultados. Primero actúa el Fotosistema 2 (el más antiguo en la historia de la vida) y luego le sigue el Fotosistema 1. Ambos están acoplados secuencialmente y siguen un proceso que podemos imaginar en forma de una ene mayúscula, con ambos fotosistemas situados en los puntos bajos de la N. Con ayuda de un fotón de luz, el Fotosistema 2 eleva un electrón procedente del agua hasta un nivel alto de energía. Al caer a favor de gradiente a lo largo del plano inclinado de la N, desde un nivel alto de energía a otro más bajo, el electrón permite sintetizar una molécula denominada ATP, lo que viene a ser como cargar las baterías químicas de la célula. El caso es que el electrón, ahora bajo de energía, es lanzado de nuevo a la parte alta del segundo segmento vertical de la N gracias al mazazo que supone el choque con un nuevo fotón de luz en el Fotosistema 1. Esta vez el electrón ayuda a sintetizar otra molécula distinta de transporte de energía (el llamado NADPH),  con participación de los iones hidrógeno de carga positiva procedentes de la escisión lumínica del agua.

En la segunda fase (o fase obscura, porque no requiere presencia de luz), la energía almacenada en el ATP y el NADPH (corriente de fosfatos y de electrones respectivamente) es empleada para fijar el dióxido de carbono, fuente del carbono necesario para sintetizar glucosa a partir de ciertos precursores orgánicos más sencillos. Esta segunda fase tiene lugar en la parte interior de los cloroplastos  (llamada estroma), fuera por tanto de las tilacoides (fuera de la membrana). La fase obscura también es conocida como "Ciclo de Calvin". En este ciclo es vital la participación de una enzima llamada RuBisCO, la proteína más abundante en nuestra verde biosfera.

La solución a la actual crisis energética

Esta cadena de eventos no ha podido ser replicada exactamente por el ser humano, a pesar de los muchos laboratorios que tratan de emular a las plantas en todo el mundo, con ordenadores tremendamente potentes. En concreto, escindir la molécula de agua para conseguir hidrógeno consiguiendo más energía que la aportada es un logro inalcanzado por el ser humano. De lograrlo dispondríamos de una fuente inagotable y limpia de energía (quemando hidrógeno con oxígeno) pues en el proceso vuelve a generarse agua como residuo. ¡Todos los males energéticos del presente se solucionarían de un plumazo! Es bonito pensar que las cianobacterias, que descubrieron cómo hacer esto hace un par de miles de millones de años, tienen el secreto de nuestra crisis energética actual. Eso nos devuelve al recurrente pensamiento de que vivimos, ante todo, en un mundo de gérmenes y que toda la vida pluricelular, la de los metazoos (la nuestra incluida) y la de las plantas, se construye sobre ellos. A grandes rasgos, podemos decir que las células primigenias que incorporaron a su seno a las bacterias que ahora llamamos cloroplastos iniciaron la aventura de las plantas.

Las plantas, como esta cebolla marina (Urginea maritima), nos hacen un doble favor. Por un lado sintetizan el alimento que los animales heterótrofos ingerimos (ya que no podemos alimentarnos directamente a partir del sol y del aire) y por otro nos regalan el oxígeno necesario para quemar ese alimento en nuestras células y recuperar la energía que almacena.

De las moléculas a los átomos 

Las plantas además de cloroplastos albergan en sus células (como nosotros los animales) otras antiguas bacterias de vida libre ahora esclavizadas como orgánulos. Son las mitocondrias. En ellas tiene lugar (principalmente de noche pero también de día) el proceso de respiración celular, que deshace lo hecho por la fotosíntesis, consumiendo oxígeno y produciendo CO₂ y vapor de agua como desecho, para obtener energía para sus funciones vitales. Estos procesos contrarios de síntesis con ayuda de la luz solar y de destrucción con ayuda del oxígeno me traen a la mente (además de a Penélope, la fiel y paciente esposa de Ulises, que destejía por las noches lo tejido durante el día) algo que sucede en el interior de los átomos. Einstein, al formular su famosa ecuación E = mc², vino a decirnos que una pequeñísima porción de masa (m) puede convertirse en una cantidad enorme de energía (E). Tan enorme como la que resulta de multiplicar la pequeña masa por la velocidad de la luz, 300.000 kilómetros por segundo, elevada al cuadrado (c²). En realidad, la velocidad de la luz es lo de menos. Lo que importa es introducir una constante en la fórmula que sea lo suficientemente grande. Podría haber valido igual el número Pi multiplicado por 100.000 elevado  al cuadrado. El resultado sería similar. Pero la expresión con la velocidad de la luz es más elegante.

El caso es que Einstein entendió que cuando escindimos un átomo (no una molécula unida por fuerzas eléctricas, como en la fotosíntesis, sino un átomo) liberamos gran parte de la energía que fue necesaria para fabricarlo. Es decir, gran parte de la energía que fue necesaria para vencer las fuerzas nucleares débiles y fuertes que actúan en el mundo de las partículas subatómicas que componen los átomos. Dichas fuerzas sólo pueden ser vencidas aplicando enormes presiones y temperaturas, como las que tienen lugar en las explosiones de estrellas en fase moribunda o supernovas. En las supernovas, a partir del elemento más sencillo y abundante del universo, el hidrógeno, se generan todos los elementos de la tabla periódica de Mendeleyev. Así que, cuando fisionamos (rompemos) un átomo, lo que hacemos es, nada más y nada menos, que ¡liberar gran parte de aquella energía que un día aportó una estrella para fabricarlo contra natura! En eso consiste precisamente la energía nuclear, un juego peligroso que equivale a la domesticación de estrellas.

Podríamos decir que una supernova es a la fotosíntesis, lo que la fisión de un átomo es a la respiración celular. En el caso de la supernova y la fotosíntesis se genera algo más complejo contra natura y en el caso de la fisión y de la respiración se recupera buena parte de la energía invertida originalmente. Lo que tienen en común es que tanto en la fisión como en la respiración acabamos liberando el trabajo hecho por una estrella. En el caso de la respiración la estrella es nuestro sol claro. En la membrana de las mitocondrias, durante la respiración, se genera un voltaje equivalente al de un rayo (1) ¡No son unas pilitas celulares de nada las que nos mantienen activos!

Así pues, obtener energía para la vida animal consiste en juntar primero cosas que quieren estar separadas, con ayuda de los fotones solares, para que se separen después según la tendencia espontánea de la naturaleza. En el primer proceso se produce oxígeno como gas de desecho y en el segundo se consume al quemar los azúcares previamente sintetizados contra-corriente.

Algunas lecciones a recordar
La próxima vez que miremos correr el agua de una fuente conviene tener presente que ese líquido maravilloso nos hace, como mínimo, un doble regalo. Por un lado, proporciona las partículas cargadas que las plantas emplean como fuente de “electricidad” para sintetizar la comida de los herbívoros. Y, por otro, produce como desecho el oxígeno que respiramos.

Tampoco conviene olvidar que liberar oxígeno, cuando la atmósfera carecía de él, fue un gran “atentado ecológico” (seguramente el mayor que ha tenido lugar en la historia de la vida), y acabó de un plumazo con toda la vida basada en la ausencia de oxígeno (la denominada vida anaerobia) la que existía hasta entonces. 

Por último también es preciso recordar que el oxígeno presente en el aire que respiramos actualmente procede en su mayor parte de la actividad de los microorganismos marinos con capacidad fotosintetizadora; pero no sólo de los actuales, sino de su actividad acumulada a lo largo de un periodo de tiempo tan largo que desafía a la imaginación humana. De ahí que no se mantenga la idea de que es preciso conservar las selvas tropicales porque son los pulmones del planeta. ¡Sobran motivos para hacerlo sin acudir a argumentos incorrectos!

Bibliografía

(1) Lane, N. (2009). Los diez grandes inventos de la evolución. Ariel. Barcelona.

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