Sembrando Semillas en Campos Magnéticos

Los científicos esperan que un  inusitado experimento, programado para ser puesto en órbita por el Transbordador Espacial este verano, revele cómo las plantas pueden determinar dónde es "arriba" y "abajo".

¿Cómo es que las plantas pueden lograr orientarse? Los seres humanos sabemos donde es arriba y abajo (aun con nuestros ojos cerrados) porque poseemos un órgano complejo en nuestro oído interno que percibe la atracción de la gravedad y transmite esta señal al cerebro. Pero las plantas carecen de tal órgano. Es un verdadero misterio.

Arriba:  Semillas de lino,  como las aquí mostradas, serán germinadas en órbita para tratar de entender cómo es que las plantas perciben la gravedad. Imagen cortesía del Consejo Canadiense del Lino (Flax Council of Canada).

Todo el mundo sabe que las plantas crecen hacia la luz, pero debe haber algo más que eso. Los árboles de los bosques boreales, por ejemplo, crecen derechos a pesar de que el Sol nunca está directamente sobre ellos, y el primer tallo emergente de una semilla enterrada también se expande hacia arriba a través de la oscuridad del suelo.

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Está claro que la gravedad también debe jugar algún papel. En realidad, los científicos saben que la dirección de la fuerza de la gravedad rige muchos comportamientos de las plantas, tales como en el caso de los cultivos de maíz que vuelven a levantarse después de haber sido aplanados por una tormenta. ¿Qué parte de la planta detecta la dirección de la atracción de la gravedad? Y, ¿cómo es que ese tirón es traducido en una respuesta química que altera el crecimiento de la  planta?

Nadie tiene la respuesta.

Pero los científicos sí saben lo suficiente como para sugerir dos posibles causas de este fenómeno. Primero,  cuando la gravedad atrae hacia abajo el contenido líquido de una célula vegetal (llamado "protoplasma"), la presión ejercida sobre las paredes de la célula podría actuar como una señal que permite a la planta distinguir dónde es arriba y dónde es abajo. Segundo, las células de las plantas contienen granos de almidón, los cuales, de la misma manera que el protoplasma, bajan atraídos por la gravedad. Los científicos sospechan que esto también podría actuar como una señal que permite a las plantas determinar su orientación.

Pero, ¿cuál es la verdadera señal? Un nuevo experimento programado para volar a bordo del Transbordador Espacial en Julio del año 2002 (STS-107) podría darnos la respuesta.

Derecha:  Vistos bajo el microscopio, los granos de almidón se ven como pequeños puntos en las células de esta planta. Imagen cortesía de NASA.

Karl Hasenstein, investigador principal del experimento Aparato Bio-Tubo/Campo Magnético (BioTube/Magnetic Field Apparatus, o BioTube/MFA en inglés), explica: El Transbordador pondrá en órbita un cargamento de semillas de lino. Una vez allí, dosis de agua controladas por computadora  serán suministradas para hacer germinar las semillas. A diferencia de los retoños de lino que crecen sobre la Tierra, estos no sentirán la familiar atracción de la gravedad. El protoplasma y los granos de almidón dentro de las células, flotarán en vez de hundirse.

Ya se han cultivado plantas en el espacio. Pero este experimento será el primero en someter a las plantas a una "gravedad artificial" creada por magnetos.

El experimento utilizará un campo magnético de amplio gradiente dentro de la cámara donde crecerán las plantas. Dentro de las células de la planta, el protoplasma casi no será afectado por el magneto, mientras que los granos de almidón sentirán la fuerza del mismo. Éstos se hundirán hacia el fondo de la célula como si fueran atraídos por la gravedad.

Los granos de almidón no presentan un campo magnético en el sentido literal -- si coloca  uno sobre la nevera no se va a pegar. Pero los granos son "diamagnéticos", lo cual significa que pueden desarrollar un débil campo magnético cuando se encuentran próximos a otros magnetos. El campo diamagnético naturalmente se opondrá al del magneto cercano -- de ahí el prefijo "dia" -- de manera que los granos de almidón serán repelidos. Aunque el efecto es débil, la respuesta diamagnética permitirá a los investigadores utilizar imanes para mover los granos de almidón.

"Solamente cambiando el desplazamiento interno de los granos de almidón, podemos descartar una de las dos hipótesis", explica Hasenstein,  profesor de la Universidad de Louisiana en Lafayette (University of Louisiana). "Si los granos de almidón son los responsables de la repuesta a la gravedad, deberíamos ver a las raíces de lino curvarse a lo largo del campo magnético. Si, por otro lado, la presión sobre la pared celular es la que dirige la orientación de las raíces, no deberíamos observar ninguna respuesta".

Arriba:  Esta planta creció originalmente con la maceta en posición vertical y luego fue colocada de costado. El nuevo tallo crece curvado hacia arriba para alinearse con la gravedad. Imagen cortesía de la  Universidad de Wisconsin en Madison (University of Wisconsin-Madison).

Cámaras fotográficas infrarrojas automáticamente tomarán imágenes de las raíces en crecimiento. No se pueden utilizar cámaras de fotografía comunes porque el experimento se realizará en la oscuridad. Esto permitirá a los científicos saber que las semillas están respondiendo a los campos magnéticos y no creciendo hacia una fuente de luz.

No se moleste en tratar de repetir este experimento en casa con imanes comunes de nevera. Sólo campos magnéticos especiales de "amplio gradiente" pueden ser utilizados. El experimento de Hasenstein utiliza magnetos casi 50 veces más poderosos que un típico imán de nevera. Los magnetos poseen porciones ferromagnéticas en forma de cuña, las cuales concentran un intenso campo magnético en una pequeña área. Alrededor de esa región, la fuerza del campo disminuye rápidamente creando el "gradiente" en la fuerza del campo que mueve a los granos de almidón.

Campos magnéticos de amplio gradiente serán utilizados en dos cámaras de crecimiento, mientras que una tercera utilizará un campo magnético homogéneo como "control".

Derecha:  El ferromagneto en forma de cuña sobre la izquierda, concentrará las líneas del campo magnético mostradas a la derecha. Los granos de almidón sedimentando en un tubo angosto de 0,3 mm de espesor son repelidos por el campo magnético de amplio gradiente. Imagen cortesía de Oleg Kuznetsov, Universidad de Louisiana en Lafayette.

El conocimiento obtenido no será aplicado sólo a las semillas de lino (las cuales fueron elegidas por su pequeño tamaño y su rápida y alta capacidad de germinación). Todas las plantas poseen granos de almidón, de manera que los resultados de este experimento nos servirán para entender este proceso de las plantas en general. 

¿Granos de almidón o protoplasma? No importa cual sea la respuesta, los investigadores tendrán aún preguntas pendientes. Por ejemplo: "¿Cómo es que el factor  mecánico que desencadena este fenómeno (por ejemplo, los granos de almidón que caen hacia abajo) produce una respuesta bioquímica?" BioTubo/MFA no brindará todas las respuestas de una sola vez, pero es un primer paso importante -- que nos enseñará algo fundamental acerca de la vida verde que existe a nuestro alrededor.

Gravitropismo -- discusión sobre la habilidad de las plantas para alinearse con el campo gravitacional de la Tierra.

Campos magnéticos de amplio gradiente -- descripción del tipo de campos magnéticos utilizados en el experimento de Hasenstein. (Una  descripción técnica también se encuentra disponible.)

Portal de Internet de Karl Hasenstein

Vuelo del Transbordador STS-107 -- información acerca de la misión del Transbordador que transportará el experimento discutido en este artículo.

Derecha: Experimentos semejantes, llevados a cabo en tierra, utilizaron un instrumento giratorio de baja velocidad llamado "clinostato" (en inglés clinostat). Este instrumento mostrado en la figura, se utiliza para simular ingravidez. La fuerza de la gravedad ejerce una atracción sobre las semillas en germinación desde cada ángulo a medida que el dispositivo gira, de manera que el efecto neto es casi nulo. Estos primeros experimentos fueron informativos, pero los científicos no pueden estar seguros de sus conclusiones sin repetir el experimento en la verdadera ingravidez de la órbita de la Tierra.

Investigaciones de fisiología vegetal de la NASA -- información acerca de los esfuerzos para aprender cómo establecer cultivos en el espacio.

Biología Gravitacional -- Portal de Internet del programa en el Centro Espacial Kennedy de la NASA (Kennedy Space Center).

Astronautas de Color Verde -- Artículo de Ciencia@NASA: Los científicos de NASA están aprendiendo a cultivar plantas en el espacio. Estos remotos cultivos eventualmente tomarán su lugar junto a personas, microbios y máquinas en hábitats autónomos para astronautas.

Un Grupo para Estudio de Plantas Espaciales -- Artículo de Ciencia@NASA: Estudiantes, científicos y astronautas unen sus esfuerzos para estudiar cómo crecen las plantas en el espacio.

Trabajos de aula -- (en inglés)  ejercicios de laboratorio para enseñar a los niños conceptos básicos sobre la respuesta de las plantas a la ingravidez (de la Sociedad Americana de Biólogos Vegetales -- American Society of Plant Biologists).

Trabajos de aula -- demostración de gravitropismo para niños de escuela primaria.