CLAVE QUIMICA DE LA NATURALEZA

No todos los fenómenos descubiertos son conocidos. Una cosa es identificar los elementos implicados y otra, bien distinta, describir el proceso como discurre en sus distintas etapas. Hay muchas cosas básicas que todavía están pendientes de explicación. Quizás la más gruesa es el mecanismo de la fotosíntesis. El lenguaje vulgar difunde que los captadores solares emulan el mecanismo fotosintético de las plantas. Incluso nos muestran árboles artificiales, tecnológicos, a los que se atribuye la realización de la función fotosintética en la parte de captación de la energía solar. Nada más lejano de la realidad, cuando el mecanismo fotosintético incluye a un complejo proteínico fotosintético, el denominado fotosistema II, que colecta la energía solar y la emplea en el desdoblamiento del agua en hidrógeno y oxígeno. Este proceso es tan fundamental para la vida en la Tierra, como que es la fuente de producción del oxígeno que respiramos.

El láser es una herramienta de propósito general que, gracias a una de las propiedades genuinas, cual es la monocromaticidad, permite tanto la excitación selectiva, como el sondeo preciso de los procesos moleculares. El láser de rayos X del laboratorio SLAC de Stanford permite obtener imágenes a temperatura ambiente de muy elevada resolución del complejo proteínico, permitiendo contemplar como el agua se desdobla durante la fotosíntesis a temperatura ambiente. Las imágenes se obtienen por difracción de los super-rápidos pulsos de rayos X y los láseres de electrones libres.

El fotosistema II se había estudiado anteriormente usando muestras congeladas. Ahora se ha analizado el proceso a temperatura ambiente, con las ventajas que ello supone, también tecnológicas. El avance es notable, si se tiene en cuenta que la comprensión del proceso supone la posibilidad de poder abordar la creación artificial de dispositivos fotosintéticos que serían potenciales fuentes de energía limpia. La Humanidad siempre ha pensado en emular a la Naturaleza. La capacidad de captación de la energía solar que efectúan las plantas en el proceso de la fotosíntesis, a través de la actividad de la molécula de clorofila, ha tenido su admiración y generación de atracción subyugante por lograr disponer de energía económica y prácticamente inagotable. Los actuales dispositivos utilizan el silicio como base para la construcción de la circuitería de semiconductores capaz de captar, en parte, esa energía solar. Pero sigue en pie la emulación de la fotosíntesis tal cual la propicia la Naturaleza desde hace en torno a 3.000 millones de años. Ha sido un reto. El láser pulsado de rayos X de femtosegundo permite observar como ocurre la reacción del desdoblamiento del agua en tiempo real, que es como ocurre en la Naturaleza. Con pulsos de 40 femtosegundos de duración, muy intensos, se obtienen los datos antes de que la muestra se destruya. La muestra se deposita en forma de gotitas en una disolución con formas cristalizadas de fotosistema II y se depositan sobre una cinta transportadora que se irradia con pulsos de un láser de luz verde que inicia la reacción de desdoblamiento del agua. Tras un par de pulsos laser, se capturan las imágenes de los cristales usando rayos X con una resolución de unos 2.5 angstroms, que supera significativamente los experimentos anteriores a temperatura ambiente.

La reacción de desdoblamiento del agua tiene lugar catalizada por un metal en el fotosistema proteínico fotosistema II, conocido como complejo envolvente de oxígeno, que contiene hasta cuatro átomos de manganeso y uno de calcio. El complejo usa la energía de la luz para generar oxigeno puro a partir de dos moléculas de agua. Los cuatro átomos de manganeso son críticos para insuflar los electrones en el ciclo, pero se ignora dónde está incrustado en el complejo del agua y donde ocurre la formación del oxígeno. Todavía quedan cosas por averiguar. Pero estamos más cerca. Conociendo con más detalle otras etapas del proceso llegaremos a conocer más detalles de la reacción de desdoblamiento del agua. Solamente desvelando como ocurre este proceso, podremos abordar la captación de energía solar con dispositivos eficaces que emulen la captación de energía por las plantas. La clave de la Naturaleza es química, no tecnológica. Mientras no la conocemos en detalle, la podemos sustituir por tecnología, pero el objetivo de eficacia solamente lo alcanzamos cuando descubrimos los mecanismos íntimos de la propia Naturaleza y ahí está la Química y la Física para asistirnos.