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 generalmente se considera una energía de fotón superior a 10 eV, [3] que corresponde aproximadamente tanto a la primera energía de ionización del oxígeno como a la energía de ionización del hidrógeno en aproximadamente 14 eV. [4]
Cuando los fotones entran en contacto con las moléculas, estas pueden absorber la energía de los fotones y excitarse. Entonces pueden reaccionar con las moléculas que los rodean y estimular cambios " fotoquímicos " y "fotofísicos" de las estructuras moleculares. [1]
Esta área de Fotobiología se centra en las interacciones físicas de la luz y la materia. Cuando las moléculas absorben fotones que coinciden con sus necesidades de energía, 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 Fotobiología estudia la reactividad de una molécula cuando absorbe energía proveniente de la luz. También estudia qué sucede con esta energía, podría desprenderse en forma de calor o fluorescencia para que la molécula vuelva al estado fundamental.
Hay 3 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 solo una molécula será activada por cada fotón que sea absorbido.
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 inicialmente fue absorbida 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 sólo es posible gracias a la capacidad de las plantas de utilizar la energía de los fotones y convertirla en moléculas como NADPH y ATP , para luego fijar dióxido de carbono y convertirlo en azúcares que las plantas pueden utilizar 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 fotoperíodo de las plantas , son extremadamente importantes para la regulación del crecimiento vegetativo y reproductivo, así como para 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 que absorben la luz incrustados en las membranas de estructuras llamadas tilacoides . [9] Hay 2 pigmentos principales presentes en los fotosistemas de las plantas superiores : clorofila (a o b) y 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 puede capturarse y usarse para reacciones fotorredox . [7]
Debido a la cantidad limitada de pigmentos en las células fotosintéticas de las plantas, existe una gama limitada 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] PAR se mide en μmol s −1 m −2 y mide la velocidad y la intensidad de la luz radiante en términos de micromoles por unidad de superficie y tiempo que las plantas pueden utilizar para la fotosíntesis. [11]
La radiación fotobiológicamente activa (PBAR) es un rango de energía luminosa que va más allá e incluye a PAR . El flujo de fotones fotobiológicos (PBF) es la métrica utilizada para medir PBAR.
Este proceso se refiere al desarrollo de la morfología de las plantas, mediado por la luz y controlado por 5 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 a roja lejana, por ejemplo, regula el crecimiento del tallo y el enderezamiento de los brotes de las plántulas que emergen 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 elongación 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 de los estomas, 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 les ayudan a realizar determinadas funciones además de protegerse de diferentes factores ambientales. En este caso, algunos metabolitos, como las antocianinas, los flavonoides y los carotenos, pueden acumularse en los tejidos vegetales para protegerlos de la radiación ultravioleta y de la intensidad lumínica muy alta [20].