La fotosíntesi dels humans

Diu el primer principi de la termodinàmica que l’energia d’un sistema és constant o, com es coneix popularment, que l’energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma. Els mamífers l’obtenim consumint directament energia química, és a dir, energia emmagatzemada en els enllaços químics dels compostos que constitueixen els aliments. Això ens permet cremar-la (oxidar-la) ràpidament i desplaçar-nos amb agilitat i soltura, però el preu que hem de pagar és haber d’ingerir grans quantitats d’aliments al dia. Les plantes, en canvi, estan a l’altre extrem de l’estratègia alimentària; no poden obtenir grans quantitats d’energia en poc temps, però tenen la virtuosa capacitat de poder viure literalment de l’aire, del qual n’obtenen el carboni necessari, i de la llum, que els hi aporta l’energia necessària per utilitzar aquest carboni i fer moure l’engranatge.

Representació de la fotosíntesi, on els diferents elements estan situats segons la seva energia lliure. La molècula NADPH és la que permetrà la fixació del CO2 atmosfèric.

La fotosíntesi és una filigrana bioquímica que utilitza la llum solar per descompondre l’aigua en oxigen (O2) i hidrogen (H+). La clorofil·la, el pigment verd de les plantes, té la capacitat d’absorvir fotons provinents de la llum. Com a resultat d’aquesta absorció d’energia, un dels electrons de la molècula s’excita i “salta” cap a un altre compost veí. El buit que ha deixat aquest electró és tan fort que aconsegueix “xuclar” un nou electró d’una molècula d’aigua, que es descompodrà en O2 i H+. Aquell electró que s’havia excitat amb la llum del sol va saltant d’una molècula a l’altra com si fos una patata calenta que ningú es vol quedar, fins que finalment en troba una que l’acollirà per tal que pugui consumar el seu destí final: fer possible la fixació del CO2 de l’atmosfera i construir així noves molècules que formaran, al seu torn, noves estructures de la planta. És un sistema perfecte en que tot s’aprofita i que és possible gràcies a la particularitat de l’entramat de molècules que hi intervenen, cadascuna amb un potencial redox (capacitat oxidativa) adequat per fer avançar l’electró. Podria l’ésser humà desenvolupar un sistema artificial capaç d’imitar la fotosíntesi natural?

Reacció d’oxidació de l’aigua per a la formació d’oxigen molecular (O2) i hidrogen (H+).

De fet, la utilització d’hidrògen per a usos energètics ja és una realitat. El problema és que encara no disposem d’una font ambientalment prou barata d’aquest gas. Seria fantàstic poder-ne obtenir, com les plantes, a partir d’aigua i llum solar d’una forma eficient. Un grup de la Universitat Rovira i Virgili ha publicat recentment un treball en que demostren com combinant àtoms de Ruteni (Ru) amb certes molècules orgàniques es poden assolir uns nivells d’oxidació de l’aigua comparables al de la fotosíntesi de les plantes. El secret està, pel que es veu, en la distància a la que queden les molècules d’aigua entre sí en el moment del trencament. Segons la reacció d’oxidació de l’aigua, calen dues molècules d’aquesta per a la formació d’una molècula d’O2, així doncs la distància a la que queden les molècules d’H2O per tal que els dos àtoms d’oxigen es puguin enllaçar, ha estat clau per a l’èxit d’aquest sistema.

Tot plegat es troba encara en una fase de recerca i implementació, però la viabilitat del sistema està sent àmpliament acceptada per la comunitat científica i n’ha merescut una publicació a la prestigiosa revista Nature Chemistry.

L’evolució vs. l’enginy humà. Quan es mira la natura des d’un punt de vista molecular, resulta sorprenent com l’evolució se les ha enginyat per posar solucions als problemes o reptes que planteja la realitat. En aquest sentit, resulta curiós comparar les solucions proposades per l’evolució amb les solucions proposades per l’enginy humà. En aquest cas, el de la fotosíntesi, podem veure com la versió natural és enormement intrincada i complexa, com si s’haguessin realitzat milions de combinacions moleculars a l’atzar fins trobar aquella en que cada molècula adopta la posició i rol ideal per al seu potencial redox (capacitat oxidativa). En aquest sentit, el procés general és com una suma de petits processos que tenen lloc de forma simultànea en un caos aparent, però orquestrat de manera que cada petita etapa necessita no només de l’anterior, sinó també de la següent, doncs el procés es dóna de forma cíclica, sense que resulti possible intuir quin és exactament el primer dels passos a seguir per engegar la maquinària. La versió de l’enginy humà, en canvi, destaca justament per la seva simplicitat. Segurament, com menys components té un sistema artificial, més robust resulta i més difícil és que es produeixin pèrdues d’eficiència per la interacció entre components. El resultat és un procés global menys refinat, un pèl menys eficient i en el que sempre hi sobra una mica d’alguna cosa (el potencial d’aquell electró, que no s’aprofita al 100%, o aquell petit residu que es va acumulant a cada cicle), però també és alhora un procés més simplificat i més fàcil de representar sobre un paper. Si bé és cert que la tecnologia humana augmenta a cada generació, a dia d’avui ja ens hem de valdre dels ordinadors per processar les més intrincades xarxes bioquímiques que la ment humana no és capaç d’integrar en la seva totalitat. L’ordinador no pot crear (de moment), però la ment humana (creadora en essència) no és capaç de fer-se una idea integral de la imatge. Davant d’aquest panorama, és possible que l’intel·lecte humà pugui igualar (o superar) dissenys que l’evolució ha forjat a còpia de milions d’anys? O existeix una limitació, un sostre assimptòtic, d’allò que la ment humana és capaç d’assimilar i, per tant, crear?

Referències
ICIQ – Línies de recerca del grup d’A. Llobet
Nature Chemistry 2012 (4):418-23