Arquitectura hidráulica y plomería vegetal
Por Danya Irene Villegas
Ciudad de México. 1 de septiembre de 2017 (Agencia Informativa Conacyt).- Guillermo Ángeles Álvarez, investigador del Instituto de Ecología (Inecol), realiza diversos proyectos usando el conocimiento 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 de la Universidad Estatal de Nueva York, ha dedicado gran parte de su carrera profesional a estudiar lo que él llama “plomería vegetal”. Actualmente realiza investigación en torno a este tema en el Inecol, en Xalapa, Veracruz.
Guillermo Ángeles.La primera persona que se dedicó al estudio del 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 Ángeles, después de sentar los antecedentes de su disciplina, explicó que cuando los pequeños orificios de la hoja, llamados estomas, se abren para tomar gas carbónico de la atmósfera, se escapan grandes cantidades de moléculas de agua. Este mecanismo, conocido como fotosíntesis, es la conversión de dióxido de carbono (CO2) que absorben de la atmósfera 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 permiten 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.
¿Cómo se mueve el agua desde la raíz hasta las ramas?
Según los estudios que ha realizado Guillermo Ángeles, las moléculas de agua que pierden las plantas pasan de una concentración muy comprimida en las hojas al inmenso volumen de la atmósfera, por lo que, al estar muy cohesionadas, las moléculas forman cadenas.
Las moléculas de agua en cadena se atraen adhiriéndose a las paredes celulares de los vasos de las plantas, por lo que se crea una corriente dentro del organismo. A este sistema vascular se le llama xilema secundario y es el encargado de recorrer largas distancias, desde la punta de las raíces hasta las ramas, tanto de un árbol tropical de 60 metros como de un cactus desértico.
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 Ángeles, es muy peculiar debido a que sus vasos son de un diámetro reducido. El agua que contienen se distribuye lentamente durando más tiempo dentro del organismo. La circulación lenta evita que los estomas se abran durante el día y que burbujas de aire ingresen en el sistema hidráulico.
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 por completo un vaso, cuestión que impide la circulación del agua, o como dice Guillermo Ángeles, “la plomería vegetal”.
Los factores climatológicos influyen en este proceso ya que entre mayor radiación solar se presenta en el ambiente, las plantas transpiran más intensamente durante mayor tiempo, factor que causa una tensión en el xilema (estructuras que conducen el agua).
Dicha condición provoca que las columnas de agua dentro de la planta se rompan por la presencia de las burbujas de aire o embolias.
“Esto se logra por la distribución que tienen los vasos del xilema; pasar de la raíz al tallo, de ahí a las ramas más gruesas y así sucesivamente hasta la ramificación, las venas de las hojas. Todo esto es el resultado de muchos siglos de evolución de las plantas, evolución que les permitió salir del agua. La vida se origina en el mar, mientras estaban inmersas en el agua no tenían el problema de distribuir agua a las partes más altas; ya que salieron a conquistar el ambiente terrestre se enfrentaron a otros retos: sostener su propio peso. La flotación en el agua es sencilla, en la tierra implica todo un reto; la planta requiere crecer muy alto para evitar la competencia con otras plantas por la radiación solar”.
Investigación con lianas y manglares
Guillermo Ángeles ha dedicado gran parte de su desarrollo profesional al estudio de las lianas tropicales y la facilidad con que prosperan en ambientes expuestos a altas temperaturas.
Un común denominador es que sus vasos son muy anchos, esto indica que en los ecosistemas tropicales las plantas pueden conducir una vasta cantidad de agua; sin embargo, están expuestas a largas horas de radiación solar traducida en transpiración de las moléculas de agua.
Estas plantas, asegura, pueden darse el lujo de perder grandes cantidades de agua ya que ganan el suficiente CO2 para fotosintetizar. Las lianas son muy productivas si se compara la biomasa que producen contra la de un árbol. Una liana llega a tener una longitud total de 60 metros.
“Mi interés en este tema surgió en la investigación para mi tesis de licenciatura que realicé en un laboratorio de anatomía de madera. 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 Ángeles, son 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, están expuestas a respiraciones de alta intensidad.
La tensión que desarrolla el xilema de los manglares es muy alta, por lo que deben luchar con factores estresantes que ninguna otra planta podría tolerar.
“Justo ahora tenemos varios años trabajando en el manglar de la estación de La Mancha que está en las costas de Veracruz, he hecho bastante investigación, publicada en varios artículos científicos. Tenemos un grupo de especialistas en el Inecol que estamos investigando este tema en colaboración con otros investigadores: arquitectura hidráulica de los manglares”.
Implicaciones del calentamiento global en la arquitectura hidráulica
Guillermo Ángeles 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 estarán sujetas a un estrés por falta de agua, aquellas que no están adaptadas 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 pensar es, a partir de lo que ya se sabe de la arquitectura hidráulica de plantas, ver 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 fácil a estos ambientes”.
Con preocupación, Guillermo Ángeles manifestó que la selva de Tuxtla se está reduciendo por la influencia del hombre, “la selva, cada vez más amenazada de desaparecer, presencia la extinción de las especies que forman madera. Es prácticamente 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 Forestal (Conafor) es almacenar germoplasma (semillas y hojas) 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 constante en ambientes áridos, evitando la formación de embolismos en el sistema vascular. Esto se prevé conforme a las condiciones en las que estará el mundo en algunos años.
Advierte el doctor Guillermo Ángeles 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”.
La aportación de Guillermo Ángeles y el Inecol
“El término de 'plomería de plantas' se lo di al artículo porque en los cursos que hemos dado de arquitectura hidráulica 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 Ángeles 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 procesos se le facilitará comprender los principios de la arquitectura hidráulica de plantas.
Estos cursos llevan impartiéndose en el Inecol durante varios años, los estudiantes egresados están, a su vez, entrenando gente en el tema y a la par se ha establecido vínculo con investigadores de diversos países del mundo.
Guillermo Ángeles resaltó la importancia de estudiar las especies que habitan en el país. Al respecto, dijo que actualmente trabaja en la xiloteca del Inecol que es una colección de maderas, de las pocas que existen en el país. “Este conocimiento fundamental de la anatomía de la madera es muy importante para poder proyectar estos escenarios a futuro; muchas plantas, especialmente en el trópico, que están destinadas a desaparecer, no sabemos todavía cómo va a avanzar la ciencia pero si conservamos estas secciones de madera, si algún estudiante está interesado en estudiar alguna especie que ya ha desaparecido, la puede consultar en la xiloteca”.
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