Estudio del crecimiento de las plantas bajo luz de distintas

longitudes de onda como preparación para su

crecimiento en el espacio

Alumnos 3º ESO: Manuel Arnedo, Estela Castillo

Alumnos 2º ESO: Mar Moreno, Lucía Sánchez

Profesores: Juan A. Prieto Sánchez, María Pilar Orozco Sáenz

Colegio Huerta de la Cruz, Algeciras

1 Introducción

Actualmente hay dos proyectos espaciales que centran el interés tanto de la Agencia Espacial Europea como de la NASA: las misiones tripuladas a Marte y la construcción de una base lunar permanente habitable. El desarrollo de estas misiones se enfrenta a una multitud de obstáculos, entre ellos están la falta de oxígeno, la falta de agua potable y la necesidad de tomar alimentos frescos por parte de la tripulación. Para poder subsanar estos problemas debemos ser capaces de cultivar plantas en el espacio.

La gravedad es esencial para que las plantas dirijan su crecimiento y por lo tanto para efectuar eficazmente el transporte de sustancias en su interior. Ante la ausencia de ésta, las plantas tienen que ser sometidas a otro estímulo que contrarreste la ingravidez. Ese estímulo es la luz, para realizar la fotosíntesis las plantas necesitan luz y orientan su crecimiento hacia ésta por lo que la luz podría estimular el crecimiento orientado de las plantas en condiciones de ingravidez.

En nuestro estudio hemos cultivado plantas en unas condiciones específicas para poder determinar qué longitud de onda del espectro visible es las más adecuada para su crecimiento en el espacio.

Hace dos años llevamos a cabo una investigación para determinar la influencia de ciertos factores tales como las radiaciones cósmicas y las variaciones de la fuerza de gravedad sobre la germinación de las semillas. Este proyecto es una continuación y se incluye dentro de la línea de investigación en astrobiología que estamos desarrollando en nuestro colegio con alumnos de secundaria. 2 Objetivos

Los objetivos que nos hemos planteado en la realización de este proyecto son:

- Estudiar la fotosíntesis en plantas superiores.

- Determinar la longitud de onda asociada al crecimiento más eficaz.

- Desarrollar métodos para medir el crecimiento óptimo de las plantas.

- Dar a conocer a los alumnos algunas de las investigaciones punteras en el campo de la investigación espacial.

3 Marco teórico

La astrobiología es el estudio de la vida en el universo, su estudio favorece el enfoque interdisciplinario y multidisciplinario, mezcla diversas disciplinas: la astronomía, la física, las ciencias ambientales, geología, química y biología. Esta ciencia multidisciplinar plantea tres cuestiones esenciales: ¿Cómo comienza la vida y cómo ha evolucionado? ¿Hay vida más allá de la Tierra? y si es así, ¿cómo podemos detectarla? Y finalmente, ¿Cuál es el futuro de la vida en la Tierra y en el universo? (Des Marais et al., 2008). El campo de la astrobiología comenzó en 1996, cuando la NASA la introdujo como parte del programa de “exoplanetas”, programa centrado en la búsqueda de planetas como la Tierra en zonas habitables. Los científicos comenzaron a ver la importancia de un enfoque interdisciplinario para la comprensión de la vida en otros planetas, sobre todo a partir del estudio de los meteoritos de Marte y de las imágenes proporcionadas por las naves espaciales, que mostraban indicios de hielo en el satélite de Júpiter, Europa. El Instituto Nacional de Astrobiología (NAI) fue creado por la NASA en 1998 para proporcionar una supervisión y un espacio de encuentro virtual para los científicos de todo el mundo (Hubbard, 2008). El éxito que ha tenido Estados Unidos en la astrobiología, puede servir como hoja

de ruta para el resto del mundo. Hay razones para creer que la educación utilizando astrobiología no ha avanzado significativamente. Más recientemente, en una nota informativa del NAI para la reunión del Subcomité de Ciencias Planetarias en septiembre de 2014, el comité comentó que queda mucho por hacer en relación con la astrobiología en educación en el nivel K-12 (designación utilizada en algunos sistemas educativos para la escolarización primaria y secundaria), la formación del profesorado y la enseñanza superior. La astrobiología proporciona a los alumnos la posibilidad de realizar preguntas intrigantes sobre el universo y les da la oportunidad de explorar los temas relacionados con la búsqueda de vida más allá de su propio planeta, usando algunas de las mismas estrategias que utilizan los propios científicos.

4 Fisiología vegetal

Como preparación a la parte experimental del proyecto, realizamos previamente un estudio teórico del proceso de la fotosíntesis centrándonos fundamentalmente en el proceso de absorción de la luz y los pigmentos implicados en este proceso.

4.1 Fotosíntesis

Las plantas son organismos autótrofos, es decir, son capaces de sintetizar todas las sustancias que necesitan para su metabolismo a partir de sustancias inorgánicas. El conjunto de reacciones químicas por las que las plantas fabrican su alimento se llama fotosíntesis.

La fotosíntesis se realiza en dos etapas, en la primera se produce una reacción lumínica en la que la luz es absorbida por los pigmentos fotosintéticos y en la segunda, se produce una reacción en la oscuridad, en el interior de los cloroplastos, y supone la reducción del dióxido de carbono a carbono orgánico. En la fotosíntesis, la energía solar se convierte en energía química.

En este punto es conveniente definir que entendemos por pigmento fotosintético. El término 'pigmento' es utilizado para describir una molécula que absorbe luz y presenta un color. Las plantas contienen una gran variedad de pigmentos que dan lugar a los colores que en ellas observamos. Los pigmentos fotosintéticos son los únicos que tienen la capacidad de absorber la energía de la luz solar y hacerla disponible para el aparato fotosintético. En las plantas terrestres hay dos clases de pigmentos fotosintéticos: las clorofilas y los carotenoides.

En la fotosíntesis no se usan de igual manera todas las distintas longitudes de onda del espectro electromagnético ya que los pigmentos fotosintéticos absorben solo longitudes de onda específicas de la luz visible, mientras que reflejan las otras. El conjunto de longitudes de onda que absorbe un pigmento se conoce como su espectro de absorción. Dicho espectro de absorción puede representarse con la longitud de onda (nm) en el eje x y el grado de absorción de la luz en el eje y. En el siguiente diagrama, se muestran los espectros de absorción de tres pigmentos más importantes de la fotosíntesis: clorofila a, clorofila b y β-caroteno. El espectro de absorción de la clorofila incluye longitudes de onda de luz azul y rojo anaranjado, como se indica con sus picos de aproximadamente 450-475 nm y 650-675 nm. La clorofila a absorbe longitudes de onda levemente distintas que la clorofila b. La clorofila no absorbe longitudes de onda de luz verde y amarilla, lo cual se demuestra con el grado muy bajo de absorción de la luz de unos 500-600 nm. El espectro de absorción del β-caroteno incluye luz violeta y verde azulada, como se demuestra con sus picos de unos 450 y 475 nm.

Figura 1. Espectro de absorción de la luz vivible1

El conjunto de longitudes de onda que un pigmento no absorbe, se refleja, y la luz reflejada es lo que vemos como color. Por ejemplo, percibimos las plantas de color verde por su gran contenido de moléculas de clorofila a y b, que reflejan luz verde.

4.2 Absorción de UV e IR

Además de para realizar la fotosíntesis, las plantas capturan la energía de la luz para controlar muchos de los procesos que ocurren en las células, como por ejemplo la floración o los ritmos circardianos. Las longitudes de onda absorbida son muy similares a las utilizadas para la fotosíntesis:

● UV (ultravioleta) entre 340 – 400 nm ● Azul entre 400 – 500 nm ● Rojo 600 – 700 nm ● Infrarrojo cercano (el comienzo de los infrarrojos) 700 – 800 nm

Los pigmentos que intervienen en la absorción de luz para estos procesos son:

● Los fitocromos: luz roja e infrarrojo cercano.

Los fitocromos son responsables de la represión y expresión génica, transcripción genética, floración, elongación de tallos, germinación y síntesis clorofílica.

● Las fototropinas: luz azul y UV

Las fototropinas son responsables del fototropismo o movimiento de orientación de la planta provocado por la luz, y del movimiento de los cloroplastos en el interior de la célula como sistema de prevención de daños ante la cantidad de luz que reciba la planta. Existe también evidencia de que activan las células guardianas al abrirse los estomas.

1 La absorción óptima de luz ocurre en diferentes longitudes de onda para distintos pigmentos. Imagen modificada de "Reacciones de la fotosíntesis dependientes de la luz: Figura 4", de OpenStax College, Biología (CC BY 3.0)

● Los criptocromos: luz azul y UV.

Los criptocromos perciben la cantidad y dirección de la luz. Las respuestas controladas por ellos incluyen: función estomatal, transcripción y activación genética, inhibición de la elongación del tallo, síntesis de pigmentos y rastreo del sol por las hojas.

5 Procedimiento

5.1 Estudio preliminar

Antes de comenzar con nuestra investigación, consideramos importante la realización de un estudio preliminar para comprobar si se podría dirigir el crecimiento de las plantas en contra de la gravedad.

Para ello situamos una serie de semillas de judía en una caja de cartón y abrimos un agujero en uno de los laterales para obligar a la planta a crecer hacia esa luz. El resultado fue positivo con lo que procedimos a realizar la primera etapa de nuestra investigación.

Imagen 1. Resultado del estudio preliminar

5.2 Construcción del invernadero y puesta en marcha

Para la realización de nuestra investigación construimos un “invernadero”. El invernadero consta de una estructura de madera de dimensiones 60x60x270 cm, capaz de albergar a nuestras plantas. A cada extremo del invernadero se situaron dos bombillas de 40W de distintos colores de tal forma que la luz entraba por los laterales para evitar que al efecto de la luz se sumara el de la gravedad. El invernadero se cubrió con una tela negra para evitar que la luz del exterior pudiera entrar y afectar al crecimiento de las plantas.

Las plantas utilizadas para medir el crecimiento fueron garbanzos (Cicer arietum L.) guisantes (Pisum sativum L.) y judías (Phaseolus vulgaris L.) por ser plantas de fácil cuidado.

Imagen 2. La imagen muestra nuestro invernadero

5.3 Ensayo 1

En este ensayo se utilizaron una bombilla de luz roja y otra de luz blanca. Las bombillas se conectaron a un temporizador que proporcionaba 8h de luz y 16h de oscuridad.

Se plantaron 10 semillas de cada especie en tarros de yogurt y se dispusieron en el centro del invernadero, con una distribución en zig-zag, se dispusieron a la misma distancia de cada fuente de luz de tal forma que a las plantas se les obligaba a elegir dirigirse al punto de luz más eficiente para ellas.

Imagen 3. Disposición de las plantas en el ensayo 1

Con objeto de realizar un control del crecimiento de las plantas, se plantaron igualmente 10 semillas de cada especie en un macetero que se dispuso en la misma habitación. El macetero se situó próximo a una ventana para que recibiera la luz natural.

Los resultados de este experimento se descartaron debido a dos factores fundamentales:

-Las plantas situadas como control disponían de más espacio para el crecimiento de las raíces y por tanto su desarrollo podría ser mayor que el de las plantes del experimento.

-El ciclo de luz/oscuridad al que sometimos a las plantas significaba que durante el periodo de oscuridad las plantas se veían afectadas únicamente por la gravedad y por tanto cambiaban la orientación de su crecimiento respecto al periodo de luz.

5.4 Ensayo 2

En este ensayo se utilizaron una bombilla de luz roja y otra de luz blanca. Las bombillas se dejaron encendidas continuamente.

Imagen 4. Crecimiento en el ensayo 2

5.5 Ensayo 3

En este ensayo se utilizaron una bombilla de luz azul y otra de luz blanca. Las bombillas se dejaron encendidas continuamente.

Imagen 5. Crecimiento en el ensayo 3

5.6 Mantenimiento de las plantas

El desarrollo de las plantas se monitorizó diariamente.

Debido a que las plantas se encontraban en un espacio bastante pequeño, tuvimos especial cuidado en que la temperatura y la humedad fueran relativamente constantes.

5.7 Parámetros estudiados

Los parámetros para medir el resultado de crecimiento: longitud del tallo, cantidad de clorofila producida, desarrollo foliar.

5.8 Ensayo 4

Este estudio aún está en proceso. En este ensayo se está utilizando una bombilla de luz azul y otra de luz roja que se dejan encendidas continuamente. Aunque ambas bombillas están situadas en el mismo invernadero, se ha bloqueado el paso de la luz de una zona a otra.

Imagen 6. Invernadero en el ensayo 4

El objeto de este estudio es observar si el crecimiento con luces de diferente longitud de onda afectaría la fragancia, el aspecto y el sabor de la fruta y de la verdura en un hipotético huerto espacial. Para ello estamos observando el crecimiento de plantas con diversos usos culinarios: el tomate, el orégano, la lechuga y la fresa.

Imagen 7. Plantas del ensayo 4

El ensayo se acaba de poner en marcha por razones evidentes ya que comienza el periodo de crecimiento de las plantas, por lo que no podemos presentar ningún resultado.

6 Resultados

6.1 Dirección del crecimiento

En los ensayos las plantas se vieron obligadas a elegir entre dos longitudes de onda distintas y en ambos las plantas se orientaron por la luz blanca, como puede verse en las fotografías.

Imagen 6. Crecimiento dirigido

6.2 Longitud del tallo

La longitud del tallo se estudió de dos maneras diferentes: longitud total y la distancia entre dos yemas axilares. Los datos recogidos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 1. Tamaño del tallo en cm

Luz natural Luz roja y blanca Luz azul y blanca Longitud Tallo Entre yemas Tallo Entre yemas Tallo Entre yemas Garbanzos 26,3 4,3 36,1 5,8 23,7 3,9 Judías -- -- -- -- -- -- Guisantes 12,4 3,3 14,5 4,1 11,7 2,7 En la tabla se muestra las diferentes longitudes de los tallos y de la distancia entre las yemas axilares. Las columnas representan las plantas que han sido expuestas solo a luz natural, a luz blanca y roja y a luz blanca y azul.

6.3 Producción de clorofila

La producción de clorofila se estudió comparando el color de las hojas a simple vista. Los datos recogidos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 2. Producción de clorofila

Luz natural Luz roja y blanca Luz azul y blanca Garbanzos ++ + ++ Judías ++++ -- -- Guisantes ++++ + +++

En la tabla se muestra las diferentes tonalidades de las hojas de las plantas. Las columnas representan las plantas que han sido expuestas solo a luz natural, a luz blanca y roja y a luz blanca y azul. 6.4 Desarrollo foliar

Para estudiar el desarrollo foliar se tomó una muestra de 4 hojas de yemas que se encuentran a la misma altura, posteriormente se midió la longitud y la anchura máxima de las hojas con una regla. Los datos recogidos se muestran en la siguiente tabla:

Tabla 3. Desarrollo foliar

Luz natural Luz roja y blanca Luz azul y blanca Garbanzos 1x2,5 1x1,5 1x1,5 Judías 3x4 -- -- Guisantes 0,5x2 0,5x2 0,8x2,2

En la tabla se muestra las diferentes medidas realizadas a las hojas de las plantas. La primera medida corresponde a la anchura de la hoja y la segunda a la longitud. No se puede hablar de medidas de superficie porque las hojas tienen un diseño irregular y las de los garbanzos por ejemplo están formadas por foliolos. Las columnas representan las plantas que han sido expuestas solo a luz natural, a luz blanca y roja y a luz blanca y azul.

7 Conclusiones

El cultivo de plantas en condiciones de microgravedad es uno de los aspectos más importantes de cara a futuras misiones tripuladas a Marte, no sólo porque pueden producir alimentos para los astronautas, sino también porque contribuyen a la generación de oxígeno. En la Estación Espacial Internacional se realizan a menudo experimentos de crecimiento de plantas para comprobar cómo éste se ve afectado por un entorno con una gravedad mucho menor que en la Tierra.

El fototropismo es el estímulo más eficaz para orientar el crecimiento de las plantas en ausencia de gravedad. Pero además de para orientarse, las plantas necesitan la luz para hacer el proceso de fotosíntesis, con el cual producen su propio alimento. La luz artificial utilizada debe satisfacer ambos requerimientos.

La intensidad de la luz artificial se determina con la potencia de la bombilla y la cercanía de esta a la planta; demasiada intensidad podría causar recalentamiento y quemar las hojas, con demasiada poca la planta no contaría con la energía suficiente para realizar la fotosíntesis.

Otro factor importante en la utilización de la luz artificial en el cultivo de plantas es el color de ésta. La luz solar tiene todo el espectro de luz, con todos los colores del arcoiris, y si bien las plantas los requieren todos, hay dos colores que son muy importantes: el azul y el rojo, pues el verde no es absorbido por las plantas.

• El azul es responsable del crecimiento que se da al germinar y después de una floración. Si una planta recibe sólo este tipo de luz, se queda bajita y su color se hace más oscuro.

• El rojo influye en la elongación del tallo de la planta y determina su floración, pues le indica la duración de los días a las plantas. Un exceso de rojo dará lugar a una planta muy alta y con más espacio entre sus hojas.

• Si se combinan el azul y el rojo, se estimula la floración de la planta. Si nos centramos ahora en las plantas utilizadas para el experimento:

• Guisantes: Son de climas con frío moderado y requieren de un riego copioso. • Judías: Necesitan abundante exposición al sol y un suelo húmedo, de modo que el riego debe

ser frecuente siempre y cuando se evite el encharcamiento del suelo.

• Garbanzos: Es una planta resistente a la sequía y su necesidad de agua es escasa.

Según los resultados obtenidos en nuestros experimentos observamos que aunque la planta se oriente hacia la luz blanca, el crecimiento se beneficia de la presencia de las bombillas de color rojo en un caso y azul en el otro.

Las plantas que han crecido con presencia de luz roja son más altas y la distancia entre sus hojas es mayor. Por otro lado las plantas que han crecido en presencia de luz azul, aunque más pequeñas, contienen una mayor cantidad de clorofila aunque no hay, en el caso de los garbanzos, una diferencia en el tamaño de sus hojas.

Las plantas que mejor resultado nos han dado, si nos fijamos en el crecimiento, han sido los guisantes. Las judías consiguieron germinar el el experimento de control pero no las que estaban situadas dentro del invernadero. La época de año en la que hemos llevado a cabo nuestra investigación y las condiciones de cultivo (temperatura inferior a 20oC y riego abundante) han favorecido su crecimiento a la vez que han perjudicado tanto a los garbanzos, que son plantas acostumbradas a crecer con poco agua, como a las judías, que necesitan mayor temperatura y luminosidad para desarrollarse.

Posiblemente este proyecto habría proporcionado mejores resultados si las bombillas hubieran tenido mayor potencia. Aún así nos atrevemos a concluir que:

1. La luz es un estímulo muy eficaz para orientar el crecimiento en condiciones de microgravedad.

2. Es necesario ajustar la potencia de la lámpara a las necesidades de cada especie.

3. Dependiendo de lo que se pretenda obtener de las plantas se debería suministrar un exceso de luz roja, si lo que pretendemos son plantas más altas y estimular la floración y por tanto la obtención de frutos; o luz azul si queremos cultivar plantas para aprovechar sus hojas, un color verde más intenso y por consiguiente mayor cantidad de clorofila y mayor producción de oxígeno.

8 Referencias

Luque, B., Ballesteros, F., Márquez, A., González, M,. Agea, A. & Lara, L. (2009). Astrobiología: Un puente entre el Big Bang y la vida. Madrid: Ediciones Akal.

Martínez, J. (2016). Astrobiología: el todo es más que la simple suma de las partes. Investigación y Ciencia. Extraído el 7 de enero de 2019 de https://www.investigacionyciencia.es/blogs/astronomia/71/posts/astrobiologa-el-todo-es-ms-que-la-simple-suma-de-las-partes-13884

Pigmentos Fotosintéticos | Los Pigmentos Vegetales y la ... https://passel2.unl.edu/view/lesson/ae42848963d4/1

Los efectos de la luz roja y del infrarrojo cercano en la ... www.canna.es › los_efectos_luz_roja_y_del_infrarrojo...

Luz y pigmentos fotosintéticos https://es.khanacademy.org

www.portalfruticola.com/noticias/2019/02/21/cual-es-la-mejor-luz-artificial-para- / plantas

https://www.gestiriego.com/plantaciones-leguminosas-2/