Por Danya Irene Villegas
Ciudad de México. 31 de agosto de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- Guillermo Ángeles, investigador del Inecol, realiza diversos proyectos usando el conociemiento de la arquitectura hidráulica de las plantas con el fin de hacer frente al calentamiento global y la extinción de la flora mexicana.
Se le llama arquitectura hidráulica al sistema de circulación abierto por el que el agua entra en las raíces y se transporta hasta las ramas más altas y las hojas de las plantas.
Guillermo Ángeles, doctor por el Colegio de Ciencia Ambiental y Forestales de la State University of New York, en Syracuse, ha dedicado gran parte de su carrera profesional a estudiar lo que él llama “La plomería vegetal”. Actualmente realiza investigación en torno a este tema en el Instituto de Ecología ubicado en Xalapa, Veracruz.
Guillermo Ángeles.
La primera persona que se dedicó al estudio den ascenso de agua en las plantas fue Stephen Hales, un clérigo inglés de principios del siglo XVIII, que realizó experimentos tratando de encontrar la relación entre la circulación de la sangre en los animales y la circulación de agua en las plantas.
Stephen Hales, al ser el primero en medir la presión arterial de un animal y el sistema cerrado de bombeo en su circulación sanguínea, descubrió que las plantas pierden agua que circula por sus órganos y hojas como parte del proceso de transpiración. Con esto, abrió todo un campo de estudio científico sobre el sistema de respiración y alimentación de las plantas, a lo que los científicos del siglo XXI llaman arquitectura hidráulica.
Guillermo Angeles, después de sentar los antecedentes de su disciplina, explicó que cuando los pequeños orificios de la hoja, llamados estomas, se abren para permitir la entrada de dióxido de carbono (CO2) de la atmósfera, se escapan grandes cantidades de moléculas de agua. Este mecanismo es esencial para que se lleve a cabo la fotosíntesis, que es la conversión de dióxido de carbono en azúcares, por medio de la energía del sol y la hidrólisis del agua.
“La transpiración es una función que se da con diferente intensidad a lo largo del día. Las plantas que viven en el desierto donde el agua es muy escasa, durante su evolución, han desarrollado sistemas de fotosíntesis muy especializados que les permite acumular el CO2 en sus tejidos durante el día y en la noche abren sus estomas. De esta manera no pierden tanta agua como si lo hicieran a medio día. Es muy importante conocer esto y poder establecer las adaptaciones que han sufrido las plantas para prosperar en los diferentes ecosistemas.” Comentó Guillermo Angeles.
¿Cómo se mueve el agua desde la raíz hasta las ramas?
Según los estudios que ha realizado Guillermo Angeles, las moléculas de agua que pierden las plantas pasan de una concentración relativamente alta en el interior de las hojas, a una más reducida, en el inmenso volúmen que representa la atmósfera terrestre.
Las moléculas de agua forman largas cadenas, gracias a las atracciones iónicas que se desarrollan entre ellas. Por su adhesión a las paredes celulares de los vasos de las plantas, estas columnas pueden soportar grandes tensiones, provocadas por las fuerzas antagónicas de la gravedad y la transpiración. Al sistema vascular de las plantas leñosas se le llama “Xilema secundario” y es el encargado de recorrer largas distancias desde la punta de las raíces hasta las ramas. Un árbol tropical de 30 metros ó más, o un cactus del desierto, de unos cm de altura, funcionan de la misma manera en cuanto al transporte de agua.
Vista radial de la madera de Vitis. Las células como mosaicos forman los radios que acumulan almidón y otros compuestos orgánicos que sirven como reserva de energía. Al formarse las uvas, estos compuestos son movilizados hacia los frutos. Detrás del parénquima radial se puede ver un vaso conductor de agua, corriendo en el sentido del tallo (las hojas estarían arriba y las raíces hacia abajo). Imágenes tomadas de Insidewood.El caso de las plantas del desierto, resalta Guillermo Angeles, es muy peculiar debido a que sus vasos tienen diámetros reducidos, que son poco eficientes en la conducción, pero son muy seguros, al tolerar la elevada transpiración que ocurre en el clima seco. Si los vasos de las plantas que habitan en un ecosistema desértico fueran más grandes, estarían expuestos a sufrir embolias, es decir, burbujas de aire que crecen a medida que la tensión del agua dentro de la planta aumenta. Las burbujas pueden bloquear un vaso completo, causando la interruoción de la circulación en ese vaso y en los que estén directamente conectado a él. Si muchos vasos se llegan a bloquear de esta manera, la planta completa se llega a marchitar.
Los factores climatológicos influyen en el ascenso del agua por las plantas, ya que entre mayor sea la radiación solar que se presente en el ambiente, las plantas transpirarán más intensamete durante mayor tiempo, factor que causa una mayor tension en el xilema secundario..
“Esto se logra por la distribución de tamaños que tienen los vasos del xilema, pasando de diámetros grandes en la raíz al tallo, menos grandes en las ramas más gruesas, y así sucesivamente hasta la llegar a las venas de las hojas, donde se encuentarn los diámetros más pequeños de los elementos conductores. Todo esto es el resultado de muchos siglos de evolución de las plantas, desde que abandonaon el ambiente acuático por el terrestre. Mientras las plantas estaban inmersas en el agua, no tenían el problema de distribuir el agua a todas a las partes de su cuerpo. Caundo salieron a conquistar el ambiente terrestre se enfrentaron con otros retos, como sostener su propio peso. La flotación en el agua es sencilla, por la poca densidad de los tejidos vegetales. En la tierra implica todo un reto: las plantas necesitan crecer más alto que sus vecinas, para evitar la competencia por la radiación solar. Es una competencia muy interesante.”
Investigación con lianas y manglares
Guillermo Angeles ha dedicado gran parte de su desarrollo professional al studio de las lianas tropicales y la facilidad con la que prosperan en ambientes expuestos a altas temperaturas.
Un común denominador es que sus vasos son muy anchos, lo que indica que en los ecosistemas tropicales las plantas pueden conducir una vasta cantidad de agua por sus tallos; sin embargo, están expuestas a largas horas de radiación solar traducida en una mayor.
Estas plantas, asegura Guillermo Angeles, pueden dares el lujo de perder grandes cantidades de agua ya que ganan el suficiente CO2 para fotosintetizar. Las lianas son muy producivas si se compara la biomasa que producen contra la de un árbol. Las lianas pueden llegar a tener una longitudes de hasta 60 metros. Por crecer enredadas en los tallos y copas de los árboles, estas longitudes no se aprecian fácilmente.
“Mi interés en este tema surgió en mi investigación para mi tesis de licenciatura que realicé en el Laboratorio de Anatomía de la Madera del Instituto de Biología de la UNAM. La madera es el medio de conducción del agua. Un árbol tropical generalmente tiene vasos del xilema mucho más anchos que las plantas de otros ecosistemas. Me interesé en la estructura interna de la madera y mis estudios de maestría y doctorado también los dediqué a este tema. Empecé a trabajar en la selva de los Tuxtlas, donde estudié árboles, lianas y posteriormente, los manglares.”
Los manglares, asegura Guillermo Angeles, son muy interesantes porque normalmente se distribuyen en los trópicos a orillas del mar. Son plantas expuestas a factores ambientales extremos ya que sus raíces yacen inmersas en un medio muy salino y, por otra parte, tiene altas tasas de transpiración.
La tensión que desarrolla el xilema de los mangles es más alta que la que desarrolla el xilema de otros ecosistemas.
“Tenemos ya varios años trabajando en el manglar del Centro de Investigaciones Costeras de la Mancha (CICOLMA) del Instituto de Ecología, A.C., en la costa de Veracruz. Los resultados de nuestras investigaciones han sido publicadas en varios artículos científicos. Nuestro grupo de trabajo del Inecol está colaborando con investigadores extranjeros también interesados en la Arquitectura hidraúlica de los mangles.”
Las implicaciones del calentamiento global en la arquitectura hidráulica
Guillermo Angeles asegura que estamos encarando un serio problema de calentamiento global. Esto implica que la lluvia cesará y la sequía en la tierra se extenderá con velocidad. Las plantas van a estar sujetas a mayor estrés por falta de agua. Aquellas que no se logren adaptar rápidamente a estos cambios, van a sufrir y perecer en esos ambientes.
Madera de la liana Vitis vinifera (Fam. Vitaceae), de donde se obtiene el vino. Las lianas pueden formar vasos muy anchos, comparados con los de los árboles. La combinación de vasos anchos y angostos proporciona a la madera eficiencia en la conducción de agua (por los vasos anchos y largos) y seguridad contra los embolismos (vasos cortos y angostos). Imágenes tomadas de Insidewood.
“Lo que tenemos que plantearnos desde ahora, partiendo de de lo que ya sabemos de la arquitectura hidráulica de plantas, es qué tipo de vasculatura es la que está mejor adaptada para ambientes secos y de esta forma propagar plantas con estas características y empezar a hacer cultivos que se adapten más fácilmente a esos ambientes.”
Con preocupación, Guillermo Angeles manifestó que la selva de Tuxtla se está reduciendo por la influencia del hombre; la selva, cada vez más amenazada de desaparecer. Es practicamente imposible traer de regreso al mundo un germoplasma extinto.
Los esfuerzos que están realizando la Comisión Nacional para el Conocimiento y Uso de la Biodiversidad (CONABIO) y la Comisión Nacional Forestar (CONAFOR) es almacenar germoplasma (semillas y tejidos vegetales) que posteriormente se puedan reproducir por cultivo de tejidos o bien sacar una muestra de semillas, ponerlas a germinar y propagar más plantas. Esto es posible con algunas especies, es indispensable analizar qué características tienen los cultivos vegetales que las hagan susceptibles a sobrevivir en ambientes más secos.
Los vasos de diámetro pequeño favorecen la conducción de agua de manera eficiente en ambientes áridos, evitando la formación de embolismos en el sistema vascular. Esto se prevee conforme a las condiciones en las que estará el mundo en algunos años.
Advierte el doctor Guillermo Angeles que, con la información que se ha acumulado a lo largo de los años, ya existen bases de datos donde se puede saber qué diámetro de vaso puede formar cada especie en la naturaleza. Estas características del xilema, el diámetro de los vasos, su distribución, las propiedades mecánicas de la madera, entre otras, están determinadas en parte por el ambiente y en parte por la genética.
“Entonces, toda la conjunción de conocimientos de biología molecular, genética vegetal y anatomía vegetal (que es el estudio de la estructura de las plantas) va a permitir diseñar las plantas y organismos que se necesitan en el futuro. Plantas resistentes a los embolismos, plantas capaces de vivir en medios áridos y este es el tipo de plantas que se deben propagar, que deben estar preparadas para cuando haya un cambio más drástico y severo en el planeta. Podremos volver a sembrar grandes extensiones que se están perdiendo ahora por el avance de la desertificación y de esta manera recuperar el verdor de la tierra.”
En Veracruz se encuentra una de las montañas más grandes del país, el Parque Nacional de Cofre de Perote, y en ellas habita el Pinus hartwegii o pino de las alturas. Esta especie de pino llega a alcanzar hasta 4,200 metros y es capaz de prosperar en condiciones donde la presión atmosférica es muy baja y la radiación solar es elevada, por lo que están sometidos a un estrés hídrico muy importante.
“Entender cómo funciona la arquitectura hidraulica de estos pinos es todo un tema. El pino está siendo estudiado por científicos de la UNAM, que lo han propuesto como un modelo para empzar a conceptualizar cómo serían las plantas si eventualmente tenemos que invadir el planeta Marte cuando ya no quepamos en este planeta. En este sentido, se tendrá que cambiar las condiciones de la atmósfera marciana para hacerla más similar a la que tiene la tierra. Se están estudiando las características anatómicas y fisiológicas de esta especie en el medio en que habita. Si logramos alcanzar esa meta, por el proceso que se llama la “Terraformación”, se lograrán condiciones atmosféricas propicias para la vida,similares a las que se dan en la Tierra, que permitan la vida humana.”
La aportación de Guillermo Ángeles y el INECOL
“El término de plomería de plantas se lo dí al artículo que publiqué hace unos años en la Revista Ciencia y Desarrollos, porque en los cursos que hemos dado de arquitectura hidraúlica de plantas, los estudiantes lo han tomado de manera muy informal llamándolo “Plomería Vegetal”, porque es lo que estudiamos. Ver cómo el sistema vascular de las plantas presenta estas adaptaciones para asegurar que la planta tenga una buena disposición de agua y evitar la entrada de aire en el sistema.”
Vista tangencial de la madera de Quercus. Al centro se ve un radio parenquimático muy ancho, típico de esta familia; también contiene radios angostos, de una sola célula de ancho (flechas). Imágenes tomadas de Insidewood. Guillermo Angeles comentó que en el Inecol se ofrecen cursos de estructura vegetal. Los estudiantes que entran a los cursos deben estar familiarizados con conocimientos de anatomía y fisiología. Una vez que el estudiante entiende estos conceptos, se le facilitará comprender los principios de la Arquitectura Hidráulica de las plantas.
Estos cursos llevan impartiéndose en el Inecol ya varios años. Los estudiantes egresados están, a su vez, entrenando a nuevos estudiantes en el tema y a la par se han establecido vínculos con otros investigadores de diversos países del mundo.
Finalmente, Guillermo Angeles resaltó la importancia de estudiar las especies que habitan en el país, ya que existe un notable rezago en esta materia. Al respecto dijo“Actualmetne estoy trabajando en la Xiloteca del INECOL, que es una colección de maderas muy importante, de las pocas que existen en el país. Este conociemiento fundamental de la anatomía de la madera es muy importante para poder proyectar estos escenarios a futuro. Muchas plantas, especialmente en el trópico, están destinadas a desaparecer en el corto plazo, por lo que es muy importante mantener esta colección para que los estudiantes de futuras generaciones que quieran saber cómo era la madera de estas especies, pueda consultarlas en nuestra Xiloteca.”
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