El “Señor Fotosíntesis” y el misterio del Camino del Carbono

0- photosynthesisTodos los seres vivos necesitamos energía para llevar adelante los procesos internos que nos mantienen vivos. Esa energía casi siempre se obtiene a partir de la glucosa, que es un tipo de azúcar. ¿De dónde proviene esa glucosa? Los animales la obtenemos de nuestros alimentos, que son (o fueron) otros animales o plantas.

¿Y de dónde obtienen la glucosa las plantas? Las plantas no comen: construyen su propia glucosa a partir de la energía del sol, el agua, y el dióxido de carbono del aire, mediante un proceso llamado fotosíntesis. Quiere decir que cuando comemos un bife, estamos comiendo glucosa que la vaca incorporó cuando comió pasto, y ese pasto la fabricó a su vez por fotosíntesis. De este proceso depende entonces toda la vida del planeta.

Que los átomos de carbono de la glucosa provienen del dióxido de carbono del aire es bastante evidente. Lo que no es tan evidente es qué camino siguen en esa transformación. ¿Cómo llegamos a saber cuál es el camino que sigue el carbono entre que es dióxido de carbono y llega a ser glucosa? Aquí veremos la historia del descubrimiento de este camino, y de los exploradores que lo recorrieron por primera vez: Melvin Calvin y sus colaboradores.

El preguntón

Melvin Calvin

Melvin Calvin

Melvin Calvin nació en Estados Unidos en 1911. Sus padres eran inmigrantes rusos que tenían un pequeño almacén en Detroit, Michigan, donde el joven Melvin daba una mano mientras estaba en el secundario. Allí comenzó a interesarse en el aspecto químico de los productos que vendían: ¿cómo se fabricaban?, ¿de qué estaban hechos? Decidió entonces dedicarse a la química y se recibió en 1931. Se doctoró apenas cuatro años después, y tras dos años en Inglaterra realizando un postdoctorado, volvió a Estados Unidos. En 1937 se incorporó al departamento de química de la Universidad de California en Berkeley, cerca de San Francisco, donde formó su laboratorio, y enseñó durante el resto de su vida.

Pronto sus colegas comenzaron a notar un aspecto característico de su personalidad: su capacidad de formular preguntas clave, incluso en temas en los que no era experto. En el ambiente de la investigación, en el que los científicos suelen reunirse para contarse lo que están haciendo, esta habilidad de Calvin era muy apreciada.

El interés de Calvin estuvo siempre en la química orgánica, pero fue cambiando gradualmente de tema, hasta que se interesó en la fotosíntesis. ¿Cuáles fueron las preguntas que Calvin el preguntón se hizo sobre este proceso? Para entender qué cuestiones le resultaron intrigantes a Calvin y poder ponernos con nuestra imaginación en sus zapatos, necesitamos conocer qué se sabía y qué cosas estaban aún por resolverse en ese momento.

La fotosíntesis en los ’30s

Glucosa

Glucosa

En la época de Calvin ya se sabía que la fotosíntesis ocurre en las plantas y también en algas y algunos microorganismos. Mediante la fotosíntesis se fabrica glucosa, un tipo de azúcar que las células utilizan como fuente de energía. Esta reacción se comenzó a investigar en 1850, pero los avances fueron al principio muy lentos. Se sabía ya que la reacción neta de la fotosíntesis era así:

2-fotosintesis

Es decir, que a partir de agua y dióxido de carbono que proviene del aire, y utilizando la energía de la luz que es captada por las moléculas de clorofila (u otros pigmentos presentes en los organismos fotosintéticos), se forman glucosa y oxígeno. Es importante tener en mente que el dióxido de carbono y el agua no se combinan espontáneamente para dar glucosa y oxígeno; más bien sucede lo contrario: la glucosa tiende a combinarse con el oxígeno para formar dióxido de carbono y agua. Es decir que formar glucosa es algo “cuesta arriba”, algo que para que suceda hace falta hacer trabajo, o sea, gastar energía. Esta energía proviene de la luz que es captada por la clorofila.

Pero esta reacción esquematizada más arriba no es más que una especie de resumen de lo que realmente pasa. Sí, se “usa” CO2 y H2O. Sí, al final tenemos glucosa y O2. Pero esto se logra con una enorme serie de pasos secuenciales, y no mediante un único salto. Es decir que la flechita de la ecuación esconde toda una serie de procesos que entonces se desconocían.

También se sabía que la fotosíntesis consiste en una serie de reacciones dependientes de la luz (que por esto se denominaron en conjunto “etapa lumínica”), en la cual se forma oxígeno a partir de agua, y otra serie de reacciones que no necesitan luz de manera directa (por lo que se llamaron “etapa oscura”), en la cual el organismo asimila el CO2 y usa estos carbonos para fabricar glucosa.

Lo que intrigó profundamente a Calvin fue precisamente qué pasos hacen que el dióxido de carbono se transforme en glucosa. ¿Cómo es exactamente este camino del carbono? Nadie lo sabía y Melvin Calvin quería saberlo.

El Camino del Carbono

¿Cómo abordar el estudio del Camino del Carbono? El camino comenzaba con el CO2 y finalizaba con la glucosa, pero había que encontrar todos los pasos intermedios. Era claro que las moléculas del camino del carbono están hechas más o menos del mismo tipo de átomos: carbono, hidrógeno, y oxígeno. Pero el problema era que en realidad todas las demás moléculas biológicas también están compuestas mayoritariamente de carbono, hidrógeno, y oxígeno. Por lo tanto, era todo una ensalada de cosas químicamente muy similares. Esto representaba una dificultad experimental importante: era muy difícil diferenciar con métodos de química analítica tradicional cuáles eran las moléculas involucradas en el proceso y cuáles no. Lo que hacía falta era una manera de señalizar exclusivamente las del camino del carbono, una manera de ponerles una especie de etiqueta llamativa que permitiera ver fácilmente a las sustancias de interés, en medio de la multitud de moléculas similares.

La posibilidad de etiquetar moléculas de esta manera surgió cuando en 1940 Samuel Ruben y Martin Kamen descubrieron un isótopo radiactivo del carbono, el carbono-14 (14C), que además tenía la peculiaridad de ser estable por muchísimo tiempo (de hecho, es tan estable que tarda miles de años en desintegrarse a su forma no radiactiva, y en 1960 se le otorgó el Premio Nobel de Química a Willard F. Libby por “la invención de un método que usaba carbono-14 para determinar la edad de las cosas en arqueología, geología, geofísica y otras ramas de la ciencia”).

Calvin pensó que, si en vez de utilizar CO2 común se utilizara CO2 en el que el carbono sea carbono-14, podría así seguir los carbonos, ya que la radiación que emiten estos átomos afecta a una placa fotográfica del mismo modo que la luz o los rayos-X lo hacen: en presencia de estas radiaciones aparecen manchas negras en una película. Por eso, si una sustancia tiene átomos de carbono-14 es fácil de detectar: basta acercarla a una placa fotográfica y ver si aparece una mancha al revelarla. Esta fue la primera gran idea técnica de Calvin.

Pensando antes de hacer: ¿cómo diseñar el experimento?

En 1945 Calvin comenzó a trabajar con el carbono-14 (que recién empezaba a estar disponible para laboratorios civiles) para dilucidar cómo era en detalle la fotosíntesis. Para eso armó un grupo de excelentes químicos con interés en la biología. Para darle continuidad al trabajo comenzado por Ruben y Kamen con el 14C, Calvin invitó a Andrew Benson, que había trabajado con Ruben y el 14C, a formar su propio laboratorio en la Universidad de Berkeley.

La lógica de Calvin y sus colegas era sencilla. Sabemos que el dióxido de carbono se transforma en otras cosas dentro de la célula vegetal. Por lo tanto, si introducimos en células vegetales dióxido de carbono cuyos átomos de carbono son radiactivos, con el tiempo debemos detectar radioactividad en otras sustancias, precisamente aquellas en las que el dióxido de carbono está siendo transformado. Esto puede hacerse porque los seres vivos normalmente no contienen sustancias radiactivas en cantidades detectables.

En efecto, al usar dióxido de carbono radiactivo y esperar un tiempo, las plantas terminaban teniendo azúcares radiactivos, lo que implicaba que los carbonos de las moléculas de CO2 estaban formando parte de azúcares. Y si se esperaba un poco más de tiempo, también aparecían otras biomoléculas radiactivas, como por ejemplo proteínas y ácidos grasos.

Pero esto no era ninguna novedad porque, después de todo, ¿de dónde podrían provenir los carbonos de estas sustancias sino del dióxido de carbono? La pregunta a responder era ¿cómo hacer para identificar los pasos intermedios entre la entrada del CO2 y la formación de azúcares?

Lo que a Calvin y sus colaboradores se les ocurrió fue “sacar fotos” de los distintos momentos del proceso y, para eso, necesitaban comenzar la fotosíntesis, interrumpirla a distintos tiempos, y determinar qué sustancias se habían creado en cada momento, de manera de establecer en qué secuencia se habían producido y así atrapar in fraganti a las moléculas intermedias.

Eligiendo plantitas5-chlorella

Cuando uno trabaja con organismos vivos, suele ser conveniente que los individuos difieran entre sí lo menos posible para descartar efectos debidos a esas variaciones. Calvin necesitaba una planta que le permitiera obtener resultados que no variaran tanto según cada plantita, y que se comportaran de manera similar si se repetía el experimento completo. Es decir, una planta que permitiera obtener resultados reproducibles.

Calvin y sus compañeros eligieron como modelo experimental a Chlorella, una hermosa alga verde unicelular que ya se venía utilizando en algunos experimentos de fotosíntesis porque es sencilla de manipular, y puede ser cultivada en condiciones controladas.

Recapitulando: Calvin y su grupo ya habían ideado una estrategia para resolver el problema, y también habían elegido ya el organismo en el que se disponían a trabajar. Pero esto no era todo. Había más problemas a resolver.

Armando un aparato para hacer los experimentos

6-lollipop-apparatusEl CO2 es un gas que puede mezclarse fácilmente con el aire de la atmósfera. Por lo tanto, para poder introducir CO2 radiactivo en la planta, había que tener todo encerrado en un frasco hermético para poder colocar el CO2 radiactivo adentro. El grupo de Calvin diseñó un aparato que, por la forma que tenía, fue informalmente bautizado como “chupetín”. Consistía en una especie de balón de vidrio cerrado y aplanado donde colocaban agua con las algas en suspensión, ponían CO2 normal por un tubo, e iluminaban con una lámpara. Así, las algas podían hacer fotosíntesis tranquilas porque disponían de todo lo necesario. En un momento, inyectaban un poco de CO2 radiactivo por un tiempo determinado que iba desde fracciones de segundo a muchos minutos. Luego, volcaban la suspensión de algas en alcohol, lo que las mataba instantáneamente y detenía todas las reacciones enzimáticas.

A partir de ese punto, todo parece facilísimo: solamente hay que fijarse qué moléculas están radiactivas, ¡y listo! Pero no existe una lupa mágica que diga qué moléculas son las que están radiactivas, ni hay una pinza mágica para agarrarlas y separarlas. No hay nada de eso. Así que “fijarse qué moléculas están radiactivas” no es nada trivial. ¿Cómo se resolvió este problema?

Ahora, ¡a rastrear la radiactividad!

Tenían ahora una sopa hecha de algas, con todas las sustancias de las células. Pero sólo algunas de ellas eran radiactivas. Los métodos clásicos de química orgánica que se usaban en esa época volvían muy difícil purificar un compuesto particular a partir de una mezcla compleja. Calvin, que había trabajado para el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial, decidió aprovechar esa experiencia. Durante la Guerra, Calvin había utilizado una técnica, la cromatografía de intercambio iónico, que le permitía separar, a partir de una mezcla, plutonio y otros elementos radiactivos. Utilizándola en este caso, pudo purificar la sustancia radiactiva que se encontraba en mayor proporción.

Ácido fosfoglicérico o PGA

Ácido fosfoglicérico o PGA

El grupo de Calvin logró, tras muchísimo esfuerzo, demostrar fehacientemente que el principal material radiactivo era ácido fosfoglicérico, también conocido como fosfogliceratoPGA. Pero como las demás sustancias incógnita que estaban perdidas en la sopa se encontraban en mucha menor proporción, era impracticable emplear las mismas técnicas que habían utilizado para identificar el PGA. Tenían que intentar otra cosa. Había que lograr separar estos productos para poder identificarlos.

Una técnica de avanzada: la cromatografía de partición

Para esa época, Archer Martin y Richard Synge habían desarrollado un método nuevo que servía para separar componentes de una mezcla. Esta técnica recién salidita del horno se convirtió inmediatamente en la principal herramienta de Calvin. Consiste en utilizar un papel de filtro y “sembrar” en una esquina unas gotas de la mezcla. Luego se coloca el papel verticalmente en un solvente especial, y a medida que el papel se va mojando por capilaridad, va arrastrando en mayor o menor medida los distintos componentes de la mezcla. Cuando el papel se moja del todo, se lo deja secar, se lo gira 90 grados, y se lo coloca sobre un solvente diferente para hacer una nueva separación sobre el mismo papel. A este método se lo llamó cromatografía de partición, y transformó tanto la química, que en 1952 Martin y Synge recibieron el Premio Nobel de Química por este invento.

Calvin enseguida notó la potencialidad de esta técnica y la readaptó para sus propósitos. Realizó una cromatografía de partición con su sopa de sustancias, y así le quedó una cromatografía bidimensional, que consistía en una hoja de papel con manchitas radiactivas en distintos lugares, llamada cromatograma.

¿Pero cómo “veían” las manchas radiactivas? Después de todo, estas manchas no son visibles a simple vista. Para evidenciar la radiactividad, debían secar el papel de filtro, y luego ponerlo en contacto con una película fotográfica. De este modo, las manchas radiactivas velaban los lugares de la película que se encontraban delante. Al final, les quedaba una película similar a una radiografía, con las manchas en su lugar correspondiente, respetando la migración original. También estaban separadas en el papel todas las demás sustancias de las células, pero como no eran radiactivas, no se “veían” en la película radiográfica. A estas películas expuestas a radiactividad se las llama autorradiografías.

¿Y todo esto qué podía indicar? Las manchitas no “dicen” qué compuesto son. Pero sus “coordenadas” en el papel de cada compuesto se conservan de experimento a experimento, porque cuánto migra una sustancia depende de sus propiedades químicas y de los solventes utilizados. Es cierto, seguían sin saber a qué sustancia correspondía cada manchita, pero por lo menos tenían individualizadas las manchas, y lo habían logrado sin necesidad de saber a priori su naturaleza química.

9-crom30segsinnombresEsta imagen es la autorradiografía de un experimento donde se expuso a las algas por 30 segundos al dióxido de carbono radiactivo antes de matarlas rápidamente con alcohol. Las manchas negras en la película indican la presencia de compuestos radiactivos en el papel en ese lugar.

Estos cromatogramas y películas eran la principal fuente de información de Calvin. La información en cuestión era varias cosas a la vez: el número de manchas, la posición de las mismas, y la intensidad de la radiactividad (que se manifiesta como manchas más “grandes” cuanto más radiactivas son).

En la conferencia que dio al recibir el Premio Nobel, Calvin cuenta lo siguiente:

“Por desgracia, el papel no suele imprimir los nombres de estos compuestos, y nuestra tarea principal durante la década siguiente fue lograr etiquetar esas manchas negras en la película.”

A veces uno no tiene en cuenta la gran cantidad de esfuerzo y tiempo que estas cosas pueden llevar. No tomó tanto gestar la idea, pero hicieron falta 10 largos años de trabajo para resolver completamente el problema.

Las técnicas para lograr identificar cada compuesto fueron muchas y muy diversas. Resultó claro desde el principio que las coordenadas de una mancha particular en un cromatograma particular podían interpretarse a grandes rasgos en términos de una estructura química, pero esto no era en absoluto suficiente para identificar fehacientemente la identidad de cada sustancia.

Una de las técnicas que Calvin y su grupo usaron fue estudiar las propiedades de las sustancias atrapadas en el papel, como por ejemplo su fluorescencia o su capacidad de absorber luz ultravioleta. Pero esto no funcionaba siempre porque la cantidad necesaria para lograr hacer esto debía ser bastante abundante. Otra técnica era recortar cada mancha del pedacito de papel, ponerlo en un tubo con un solvente adecuado, y así lograr que la sustancia en cuestión se disolviera en el solvente y saliera así del papel. A esto se lo llama “eluir”. Teniendo ya la sustancia en un tubo, había que hacer reacciones químicas con esa muestra para ver qué productos aparecían (esta es una estrategia típica en química para identificar sustancias: hacerlas reaccionar y ver qué productos se generan), y volver a hacer una cromatografía para evaluar los cambios. Con todo esto, poco a poco fueron identificando cada una de las sustancias.

Cuando estaban ya casi seguros de cada identificación, lo que hacían era hacer una nueva cromatografía con el material desconocido que buscaban identificar, y con el compuesto auténtico que pensaban que era, y que habían obtenido puro por otros medios. Si las dos sustancias eran la misma (la que se usaba como patrón y la incógnita), entonces debía verse una única mancha y, al realizar reacciones específicas sobre ese material, debía dar un único resultado. Si todo esto coincidía, entonces recién ahí asumían que habían logrado identificar de qué sustancia se trataba. Trabajoso, ¿no?

10-crom30segDespués de 10 años de trabajo de muchos estudiantes y colaboradores, incluyendo a Andrew Benson, el equipo de Calvin fue capaz de ponerle nombre a muchas de las manchas negras.

Armando el rompecabezas

Para saber cuáles de las sustancias identificadas se formaban primero, era necesario acortar el tiempo de exposición al CO2 radiactivo. Repitieron entonces el procedimiento anterior, pero dejando pasar sólo 5 segundos entre el comienzo de la aplicación de CO2 a las algas, y la muerte de éstas. La siguiente figura es la autorradiografía que obtuvieron.

11- crom5segEn el resultado obtenido con 30 segundos de exposición al CO2 radiactivo se podía ver ya una preponderancia de azúcares con un fosfato, y de azúcares con un grupo ácido y uno fosfato. Y comparando ambos resultados, el de 5 y el de 30 segundos, puede verse que el compuesto predominante en ambos es el ácido fosfoglicérico o PGA, que en el caso del resultado de 5 segundos contiene el 80-90 % de la radiacividad total. Así que todas las flechas apuntaban a que el PGA era el primer compuesto del camino.

Antes de envalentonarse con el PGA, había un punto débil que necesitaban fortalecer. ¿Y si el PGA no estaba realmente presente en las algas vivas como parte del proceso de fotosíntesis, sino que se producía debido al proceso por el cual se mataba a las algas? Para evaluar esto, Calvin y sus colaboradores repitieron los experimentos pero matando las algas de distintos modos, y siempre obtuvieron lo mismo. A partir de esto, y de otros experimentos similares, concluyeron que el PGA debía estar presente en las algas vivas. Esta es una estrategia muy importante en el diseño experimental. Siempre hay que pensar qué fuente de error puede haber en los experimentos de uno y tratar de probar siempre de otras maneras.

A partir del análisis de estos resultados, fue posible imaginar cómo a partir de PGA se podía obtener los demás intermediarios hasta llegar a la glucosa. Pero seguía sin saberse a partir de qué sustancia se generaba el PGA. Como sabían que el PGA, que tiene 3 carbonos, incorporaba un carbono proveniente del CO2 radiactivo, comenzaron buscando, lógicamente, una molécula de 2 carbonos. Durante años buscaron afanosa e infructuosamente esta molécula. Pero no hay tantos aceptores posibles de 2 carbonos, y en un momento se agotó esa lista, y seguía sin aparecer el compuesto que capturaba el CO2 y formaba PGA.

Mientras tanto, iban identificando otras sustancias radiactivas que había en la mezcla. Entre ellas encontraron un azúcar de 5 carbonos, la ribulosa, y sus versiones con uno o dos fosfatos. ¿Cuál sería el rol biológico de esta sustancia?

Otro tipo de experimentos para entender el origen del PGA

Uno esperaría en principio que a medida que se fabrica un compuesto, la cantidad de éste vaya aumentando. El equipo de Calvin observó que, si bien la cantidad de sacarosa (que está compuesta por una glucosa y una fructosa, y es un producto de la fotosíntesis) aumentaba, otras sustancias llegaban a un máximo y no aumentaban más.

Calvin y su grupo empezaron a hacer variaciones en sus experimentos para entender cómo y por qué se llegaba a esta saturación. Por ejemplo, al apagar la luz aumentaba muchísimo la cantidad de PGA (dejaba de estar saturada en un punto) y, lo que les resultó rarísimo al principio, disminuía la ribulosa difosfato. ¿Qué tenía que ver la ribulosa en todo esto? Hasta entonces, la ribulosa sólo era un hidrato de carbono al que nadie le había prestado demasiada atención.

La interpretación de lo que ocurría al apagar la luz era que se bloqueaba la conversión entre PGA y el siguiente compuesto, lo que llevaba al aumento del PGA, y esto provocaba una disminución de la ribulosa difosfato. Como las reacciones que llevan a la formación de la ribulosa se ven interrumpidas en la oscuridad, la ribulosa difosfato no se vuelve a formar y por eso sus niveles bajan. Hasta acá las cosas estaban medianamente claras. La ribulosa era una sustancia producida luego de la incorporación de CO2. Pero las cosas se complicaron.

Realizaron un experimento similar, pero pasando de oscuridad a luz, esta vez en ausencia de CO2. Si el aceptor de CO2 fuera una molécula de 2 carbonos, debería aumentar su cantidad, porque ahora no habría CO2 disponible para incorporar. Pero esto no fue lo que pasó. Lo que sí pasó fue que aumentó considerablemente la cantidad de ribulosa difosfato. ¿Pero cómo, si esta molécula era un producto de la incorporación del CO2, y no un reactivo para que esto ocurriera? Ahora la ribulosa difosfato parecía estar antes de la incorporación del CO2.

Esta aparente contradicción fue resuelta con una idea genial de Melvin Calvin: ¿y si se trata de un ciclo? ¿Y entonces la ribulosa difosfato es tanto un reactivo como un producto? No solo tuvo esta idea sino que además propuso un posible camino químico para explicar esa transformación. Calvin formuló un sistema cíclico en el que 2 moléculas de PGA (3 carbonos) se originan a partir de una molécula de ribulosa difosfato y una de CO2, lo que da un total de 6 carbonos. Luego, el PGA se transforma en otros compuestos, una parte de los cuales se convierte en glucosa, y otra regenera la ribulosa difosfato, que está lista para recomenzar el ciclo. EL PGA parecía provenir entonces de una reacción donde el aceptor del carbono de una molécula de CO2 era la ribulosa difosfato.

Este ciclo permitía explicar los resultados obtenidos en luz y en oscuridad. En el experimento en el que pasaban de oscuridad a luz en ausencia de CO2, no se formaba PGA a partir de ribulosa difosfato. Por eso los niveles de PGA disminuían abruptamente y los de ribulosa difosfato aumentaban.

14-ciclodecalvinCuando el CO2 se fija al derivado de la ribulosa, y se forma el PGA, la ribulosa se está consumiendo. Pero el ciclo vuelve a formarla y de este modo sigue estando disponible para aceptar nuevas moléculas de CO2.

¡Por fin habían encontrado al escurridizo aceptor del CO2! El Camino del Carbono en la fotosíntesis se siguió estudiando, y años después pudo comprenderse en mucho mayor detalle. Pero la esencia del ciclo no se modificó desde que Calvin y su equipo lo dilucidaron. Sabemos ahora que entre el PGA y la ribulosa difosfato hay 10 productos intermedios, y cada una de las reacciones está catalizada por una enzima diferente. Y que esta etapa oscura no depende directamente de la luz, pero sí indirectamente, porque requiere de los productos energéticos que se forman en la etapa lumínica y que son muy frágiles. En 1958, todos los pasos intermedios de este ciclo estaban identificados.

Todo esto permitió, nada más y nada menos, comprender el mecanismo biológico más importante de formación de moléculas orgánicas a partir de moléculas inorgánicas, y entender así una de las bases de la vida en nuestro planeta. El rompecabezas había sido resuelto.

Conclusión

En 1902, Emil Fischer recibió el Premio Nobel de Química por su aporte al conocimiento de la estructura de la glucosa y otros azúcares. Pero recién unos 60 años después se le otorgó el Premio Nobel de Química a Melvin Calvin, por la dilucidación de cómo estos azúcares son creados por los organismos fotosintéticos a partir de sustancias inorgánicas (dióxido de carbono y agua), usando la energía de la luz.

Mirando para atrás, podemos preguntarnos qué fue lo que le permitió a Calvin tener éxito. Por un lado, diseñó experimentos que dieron resultados muy claros, reproducibles, y contundentes. Fue extremadamente perseverante: si bien muchos de los experimentos fueron hechos por su grupo de investigación y colaboradores externos, Calvin estaba siempre pendiente de los resultados y generaba constantemente nuevas ideas y preguntas, buscando saber y entender los problemas a su alrededor y lo que se investigaba en su laboratorio. Cuando miraba las autorradiografías hechas a partir de las cromatografías de partición, Melvin trataba de memorizar toda la información que contenían. Sus estudiantes contaban que normalmente terminaba sus actividades diarias a las 5.30 de la tarde, y antes de irse pasaba por su laboratorio y les preguntaba: “¿qué hay de nuevo?”. A la mañana siguiente, Calvin llegaba al laboratorio a las 8 de la mañana, y volvía a preguntar alegremente “¿qué hay de nuevo?”. Por esto, sus colaboradores empezaron a guardar resultados “de reserva” para tener siempre algo para mostrarle y así saciar su implacable curiosidad.

Otra de las posibles razones de su éxito fue que se dedicó concientemente a formar a sus estudiantes doctorales y postdoctorales, y a vincularse con colaboradores muy capaces.

Además, estaba alerta a la incorporación de adelantos técnicos sumamente recientes, como la utilización del carbono-14 y la cromatografía de partición. Tuvo también la astucia de elegir un modelo experimental, el alga fotosintética Chlorella, que era fácilmente manipulable y controlable. Los resultados obtenidos a partir de esta alga fueron después prácticamente idénticos a los logrados con otros organismos fotosintéticos, desde bacterias a plantas superiores, y así se demostró que estos procesos no eran algo particular (lo que no habría sido tan interesante) sino un mecanismo biológico general.

En el aula

11EnelaulaUno de las muchas maneras en las que podemos trabajar con nuestros alumnos el modo en el que se llega a saber algo científicamente, es utilizar relatos históricos de descubrimientos científicos. En la historia que contamos más arriba, vimos como Melvin Calvin y su equipo lograron dilucidar cómo el dióxido de carbono atmosférico es convertido en glucosa en los organismos fotosintéticos.

Los temas curriculares que toca esta historia permiten que sea trabajada tanto desde la química como desde la biología. Con un enfoque químico vemos reacciones químicas, en particular reacciones rédox, y también técnicas de cromatografía y radiactividad. Desde la biología vemos la etapa oscura de la fotosíntesis y los hidratos de carbono.

Pero también podemos ilustrar con esta historia varios aspectos más relacionados con cómo la ciencia se hace. A continuación sugerimos algunos puntos que podrían utilizarse, aunque esta lista no es de ningún modo exhaustiva:

  • El aspecto social de la ciencia: Calvin era el director del grupo de investigación que descubrió el ciclo del carbono en la fotosíntesis, pero la investigación completa fue realizada por muchísimas personas. Algunos de ellos eran sus estudiantes. En el mundo de la ciencia, los estudiantes de un científico son quienes están aprendiendo a ser científicos a su lado, son los integrantes de su grupo de investigación y en general son personas que están realizando su doctorado o postdoctorado. No son estudiantes en el sentido más escolar del término. Otros eran colaboradores, científicos pertenecientes a otros grupos de investigación, que se sumaron para dilucidar este problema. La ciencia moderna se hace prácticamente siempre como un trabajo de equipo, y es valioso que esto sea evidente para nuestros estudiantes, que generalmente siguen imaginando al científico solitario encerrado en su laboratorio.
  • Ciencia y tecnología: A veces los límites entre ciencia y tecnología se desdibujan, y hay tanto ejemplos de descubrimientos científicos que permitieron luego avances tecnológicos, como de avances tecnológicos logrados al azar o para un propósito totalmente diferente, que terminaron siendo indispensables para lograr un descubrimiento científico. En nuestra historia, el descubrimiento del carbono-14, un avance científico, permitió luego un uso tecnológico del mismo. La invención de una técnica como la cromatografía de partición fue sin duda una herramienta tecnológica que facilitó la separación de las sustancias que quedaban radiactivas luego de la incorporación del carbono-14.
  • Diseño experimental: En el texto se muestra cómo Calvin y su equipo diseñaron los experimentos con el fin de lograr las evidencias que necesitaban para poder responder las preguntas planteadas. Por ejemplo, para saber qué sustancias intermediarias se formaban entre que entraba el CO2 a la planta y se fabricaba la glucosa, decidieron usar CO2 marcado radiactivamente y evaluar qué sustancias quedaban radiactivas antes de la aparición de la glucosa radiactiva. Para lograrlo, tenían que dejar el carbono-14 disponible por poco tiempo. Ese tipo de detalles hacen al mundo de la experimentación.
  • Modelo experimental: Muchas veces resulta ser clave para el éxito de una determinada investigación la elección del organismo que funciona como modelo experimental. Por ejemplo, en la investigación médica, se suele comenzar evaluando los efectos de un potencial medicamento en ratones o un organismo similar. Se busca un mamífero, más similar a nosotros que un sapo, por ejemplo. Pero tampoco se trabaja con monos, que son evolutivamente más cercanos a nosotros, porque es mucho más complicado metodológicamente, y está más sometido a regulaciones. En este caso, se trabajó con un alga unicelular que realiza fotosíntesis, pero los resultados fueron luego validados en organismos fotosintéticos más complejos.
  • Pensar con ojo experimental: A veces es muy difícil imaginar experimentalmente todo lo que implica obtener una determinada evidencia. Tendemos a pensar que las cosas son rápidas y sencillas. En cuanto a la velocidad, aquí mostramos que llevó 10 años dilucidar todo el Camino del Carbono.
  • El papel de la imaginación: Los científicos recolectan observaciones y evidencias experimentales, pero nada de esto lograría tomar sentido si no le sumara una importante dosis de imaginación. La imaginación es lo que permite pensar posibles explicaciones para los resultados observados. Una vez que se tiene esas posibles explicaciones, se las pone a prueba, para ver si siguen siendo coherentes con las evidencias, y así se llega a nuevos conocimientos. Es importante para nuestros alumnos notar que el trabajo científico tiene una gran dosis de rutina, pero también un aporte fundamental de la creatividad de cada uno. Ver a la ciencia como algo creativo, no sólo es valioso, sino que la vuelve algo más humano y más bello. En esta historia, hay un excelente ejemplo del papel de la imaginación, cuando intentando comprender cómo se origina el PGA se vio que la ribulosa es importante, y esto hizo que Calvin formulara la hipótesis de una serie de reacciones cíclicas.

Cuestionario guía para trabajar el texto en el aula:

  1. Averiguá más acerca de Melvin Calvin. ¿Trabajó siempre en el tema de la fotosíntesis?
  2. ¿Qué fue el Proyecto Manhattan y cómo estuvo Calvin involucrado en él?
  3. ¿Por qué a veces se denomina a este ciclo del carbono como Ciclo de Calvin-Benson? Averiguá más sobre Benson y su aporte a este descubrimiento.
  4. Averiguá si existe en las células otros ejemplos de series de reacciones cíclicas.
  5. ¿Por qué le prestaron tanta atención al PGA y no a otras sustancias radiactivas que observaron?
  6. ¿Cuál era finalmente el aceptor del CO2 en la fotosíntesis?
  7. ¿Qué evidencias tuvo Calvin para proponer que el camino del carbono era cíclico?
  8. Averiguá cuáles son las moléculas energéticas fabricadas en la etapa lumínica que son esenciales para que ocurra el Ciclo del Calvin.

A modo de epílogo

Melvin Calvin recibió en 1961 el Premio Nobel de Química “por su investigación acerca de la asimilación de carbono en las plantas”.

Además de ser muy respetado y querido por sus habilidades científicas, Calvin era un buen administrador de personal y recursos, era consultor, publicó muchísimos trabajos, y sus presentaciones en los congresos científicos eran maravillosas. Estas actitudes y capacidades ayudaron a que su laboratorio pudiera establecer colaboraciones muy productivas con otros. Además tenía una postura muy activa en su Universidad, y se involucraba personalmente en la organización y selección de los científicos que iban de visita.

16-calvin-risaTodo esto le demandaba mucho tiempo, pero era muy organizado y rápido en tomar decisiones. Su avidez y su curiosidad lo volvieron un científico que buscaba siempre nuevos desafíos. Se involucró en áreas muy diversas que requerían que aprendiera casi de cero, y esto no lo intimidaba sino que le daba más ganas de seguir. Así fue como trabajó en campos tan diversos como química atómica, carcinogénesis, evolución y origen de la vida, inmunoquímica, geoquímica, producción de petróleo a partir de plantas y análisis de rocas lunares.

Era partidario de la interdisciplinariedad, y luego de recibir el Premio Nobel hizo construir un laboratorio circular para favorecer la comunicación y vínculo entre los distintos científicos. Este laboratorio enseguida empezó a ser llamado informalmente “la casa redonda” o “la calesita de Calvin”. Como él manejaba cómodamente muchos temas, podía tener discusiones con especialistas que quizás eran excelentes en sus respectivos campos disciplinares, pero que carecían de esa visión amplia que Calvin podía aportar.

Calvin participó también de muchas sociedades científicas, y desde ese lugar también contribuyó al funcionamiento de las mismas y al progreso científico de Estados Unidos. También trabajó para el gobierno, aconsejando a la NASA, la oficina ejecutiva del Presidente, y el Departamento de Energía.

Calvin llamó a su ciclo “Ciclo del Carbono”, pero ahora solemos llamarlo “Ciclo de Calvin”, en honor a él. Cuando recibió el Premio Nobel, la revista Time se refirió a Calvin como el “Señor Fotosíntesis”.

Estuvo involucrado en un gran número de investigaciones distintas, pero si duda su rol como el “Señor Fotosíntesis” fue el más relevante.

 

Referencias

 

Una versión preliminar de este artículo fue publicada online en el año 2010, como Expedición Ciencia, en La Punta del Ovillo, que formaba parte del espacio Enseñanza en Foco del portal Educared, de Fundación Telefónica Argentina.

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