La fotobiología es el estudio científico de las interacciones beneficiosas y dañinas de la luz (técnicamente, radiación no ionizante ) en los organismos vivos . [1] El campo incluye el estudio de la fotofísica, la fotoquímica, la fotosíntesis , la fotomorfogénesis , el procesamiento visual , los ritmos circadianos , el fotomovimiento, la bioluminiscencia y los efectos de la radiación ultravioleta . [2]
La división entre radiación ionizante y radiación no ionizante se considera típicamente como una energía de fotón mayor a 10 eV, [3] que corresponde aproximadamente tanto a la primera energía de ionización del oxígeno como a la energía de ionización del hidrógeno a aproximadamente 14 eV. [4]
Cuando los fotones entran en contacto con moléculas, estas pueden absorber la energía de los fotones y excitarse. Luego pueden reaccionar con las moléculas que las rodean y estimular cambios " fotoquímicos " y "fotofísicos" en las estructuras moleculares. [1]
Esta área de la fotobiología se centra en las interacciones físicas de la luz y la materia. Cuando las moléculas absorben fotones que coinciden con sus requerimientos energéticos, promueven un electrón de valencia de un estado fundamental a un estado excitado y se vuelven mucho más reactivas. Este es un proceso extremadamente rápido, pero muy importante para diferentes procesos. [5]
Esta área de la Fotobiología estudia la reactividad de una molécula cuando absorbe energía proveniente de la luz. También estudia qué ocurre con esta energía, ya sea que se desprenda en forma de calor o de fluorescencia para que la molécula vuelva a su estado fundamental.
Hay tres leyes básicas de la fotoquímica:
1) Primera ley de la fotoquímica: Esta ley explica que para que ocurra la fotoquímica, la luz debe ser absorbida.
2) Segunda Ley de la Fotoquímica: Esta ley explica que sólo una molécula será activada por cada fotón que se absorba.
3) Ley de reciprosidad de Bunsen-Roscoe: Esta ley explica que la energía en los productos finales de una reacción fotoquímica será directamente proporcional a la energía total que fue absorbida inicialmente por el sistema.
El crecimiento y desarrollo de las plantas depende en gran medida de la luz . La fotosíntesis es uno de los procesos bioquímicos más importantes para la vida en la Tierra y es posible solo debido a la capacidad de las plantas de utilizar la energía de los fotones y convertirla en moléculas como NADPH y ATP , para luego fijar el dióxido de carbono y convertirlo en azúcares que las plantas pueden usar para su crecimiento y desarrollo. [7] Pero la fotosíntesis no es el único proceso vegetal impulsado por la luz, otros procesos como la fotomorfología y el fotoperiodo de las plantas son extremadamente importantes para la regulación del crecimiento vegetativo y reproductivo, así como la producción de metabolitos secundarios de las plantas . [8]
La fotosíntesis se define como una serie de reacciones bioquímicas que realizan las células fototróficas para transformar la energía luminosa en energía química y almacenarla en enlaces carbono-carbono de los carbohidratos . [9] Como es ampliamente conocido, este proceso ocurre dentro del cloroplasto de las células vegetales fotosintéticas, donde se pueden encontrar pigmentos absorbentes de luz incrustados en las membranas de estructuras llamadas tilacoides . [9] Hay 2 pigmentos principales presentes en los fotosistemas de las plantas superiores : la clorofila (a o b) y los carotenos . [7] Estos pigmentos están organizados para maximizar la recepción y transferencia de luz, y absorben longitudes de onda específicas para ampliar la cantidad de luz que se puede capturar y utilizar para reacciones foto-redox . [7]
Debido a la cantidad limitada de pigmentos en las células fotosintéticas de las plantas, existe un rango limitado de longitudes de onda que las plantas pueden utilizar para realizar la fotosíntesis. Este rango se denomina "radiación fotosintéticamente activa (PAR)". Curiosamente, este rango es casi el mismo que el espectro visible humano y se extiende en longitudes de onda de aproximadamente 400 a 700 nm. [10] La PAR se mide en μmol s −1 m −2 y mide la tasa e intensidad de la luz radiante en términos de micromoles por unidad de área de superficie y tiempo que las plantas pueden utilizar para la fotosíntesis. [11]
La radiación fotobiológicamente activa (PBAR) es un rango de energía de la luz que va más allá de la PAR e incluye dicha radiación. El flujo de fotones fotobiológico (PBF) es la métrica que se utiliza para medir la PBAR.
Este proceso se refiere al desarrollo de la morfología de las plantas, que está mediado por la luz y controlado por cinco fotorreceptores distintos: UVR8, criptocromo, fototropina, fitocromo r y fitocromo fr. [12] La luz puede controlar procesos morfogénicos como el tamaño de las hojas y el alargamiento de los brotes.
Diferentes longitudes de onda de luz producen diferentes cambios en las plantas. [13] La luz roja y roja lejana, por ejemplo, regula el crecimiento del tallo y el enderezamiento de los brotes de plántulas que están saliendo del suelo. [14] Algunos estudios también afirman que la luz roja y roja lejana aumenta la masa de enraizamiento de los tomates [15] , así como el porcentaje de enraizamiento de las plantas de uva. [16] Por otro lado, la luz azul y ultravioleta regulan la germinación y el alargamiento de la planta, así como otros procesos fisiológicos como el control estomático [17] y las respuestas al estrés ambiental. [18] Finalmente, se pensaba que la luz verde no estaba disponible para las plantas debido a la falta de pigmentos que absorberían esta luz. Sin embargo, en 2004 se descubrió que la luz verde puede influir en la actividad estomática, el alargamiento del tallo de las plantas jóvenes y la expansión de las hojas. [19]
Estos compuestos son sustancias químicas que las plantas producen como parte de sus procesos bioquímicos y que les ayudan a realizar determinadas funciones, así como a protegerse de diferentes factores ambientales. En este caso, algunos metabolitos como las antocianinas, flavonoides y carotenos, pueden acumularse en los tejidos vegetales para protegerlas de la radiación UV y de intensidades luminosas muy altas [20]