Durante la fotosíntesis, las plantas recogen luz y, a pesar de que es un proceso químico que implica agua y dióxido de carbono, la convierte en combustible para la vida. Una parte vital de este proceso es el uso de la energía de la luz para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno mediante una enzima llamada Fotosistema II.
La energía luminosa es cosechada por "antenas" y transferida al centro de reacción de Fotosistema II, que saca los electrones del agua. Esta conversión de energía de excitación en energía química, conocida como 'separación de carga', es el primer paso en la división del agua.
Anteriormente, se pensaba que el proceso de separación de carga en el centro de reacción era un "cuello de botella" en la fotosíntesis --el paso más lento del proceso --en lugar de la transferencia de energía a lo largo de las antenas. Como la estructura de Fotosistema II se determinó por primera vez en 2001, se sugirió que en realidad podría ser el paso de transferencia de energía más lento, pero aún no era posible demostrarlo experimentalmente.
LA RECOGIDA DE LUZ Y TRANSFERENCIA DE ENERGÍA, EL PASO MÁS LENTO
Científicos del Imperial College de Londres, en Reino Unido, y de la 'Johannes Kepler University' (JKU), en Austria, han demostrado que el paso más lento es el proceso mediante el cual las plantas cosechan la luz y transfieren su energía a través de las antenas al centro de reacción. Los nuevos conocimientos sobre la mecánica precisa de la fotosíntesis deberían ayudar a los investigadores a copiar la eficiencia de la fotosíntesis natural para producir combustibles verdes.
El autor del estudio, el doctor Jasper van Thor, del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial, subraya: "Ahora, podemos ver cómo la naturaleza ha optimizado la física de la conversión de la energía de la luz en combustible". "Por ejemplo, ¿es importante que el cuello de botella se produzca en esta etapa, con el fin de preservar la eficiencia general? ¿Podemos imitarlo o sintonizarlo para que la fotosíntesis artificial sea más eficiente? Estas preguntas, y muchas otras, puede ahora explorarse", apunta.
A ello, el doctor Thomas Renger, del Departamento de Biofísica Teórica de JKU, añade: "Cuando predijimos el modelo actual de transferencia de energía hace ocho años, esta predicción se basó en un cálculo centrado en la estructura. Puesto que tales cálculos están lejos de ser triviales para un sistema tan complejo como este, permanecieron algunas dudas. La técnica inventada por el grupo de Jasper en Imperial nos ha permitido eliminar estas dudas y ha confirmado plenamente nuestras predicciones".
Aunque los investigadores pueden determinar cuál paso es más rápido, ambos pasos ocurren increíblemente rápido: todo el proceso lleva nanosegundos (mil millonésimas de segundo), con los pasos individuales de la transferencia de energía y la separación de la carga durando sólo picosegundos (trillonésimas de un segundo).
El equipo utilizó un sofisticado sistema de láseres para provocar reacciones en los cristales de Fotosistema II y luego medir en el espacio y el tiempo el movimiento de las excitaciones de los electrones y, por tanto, la transferencia de energía a través de las antenas y el centro de reacción.
La película resultante del movimiento de electrones excitados a través de secciones minuciosas del sistema reveló dónde se mantiene la energía y cuándo se pasa a lo largo. Esto demostró que la etapa inicial de separación de cargas para la reacción de separación de agua tiene lugar con relativa rapidez, pero el proceso de recolección y transferencia de luz es más lento.