Observar cómo las plantas realizan la fotosíntesis desde el espacio parece una propuesta futurista, pero una nueva aplicación de los datos de el Orbiting Carbon Observatory-2 de la NASA (OCO-2) podría permitir a los científicos hacer precisamente eso. La nueva técnica, que permite a los investigadores analizar la productividad vegetal desde muy por encima de la Tierra, ofrecerá una imagen más clara del ciclo global del carbono y quizá algún día ayude a determinar las mejores prácticas agrícolas regionales e incluso a detectar señales tempranas de sequía.
Cuando las plantas están vivas y sanas, realizan la fotosíntesis: absorben luz solar y dióxido de carbono para producir alimento para la planta y generan oxígeno como subproducto. Pero la fotosíntesis hace más que mantener vivas a las plantas. A escala mundial, el proceso absorbe parte de las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono atmosférico —un gas de efecto invernadero que retiene el calor del sol en la Tierra—, lo que significa que las plantas también desempeñan un papel importante en la mitigación del cambio climático.
Para realizar la fotosíntesis, la clorofila de las hojas absorbe luz solar, la mayor parte de la cual se utiliza para producir alimento para las plantas o se pierde en forma de calor. Sin embargo, una pequeña fracción de esa luz absorbida se vuelve a emitir como luz del infrarrojo cercano. No podemos ver a simple vista esa parte del espectro, pero, si pudiéramos, esta luz reemitida haría que las plantas parecieran brillar: una propiedad llamada fluorescencia solar inducida (SIF). Como esta luz reemitida solo se produce cuando la clorofila de las plantas también está absorbiendo luz solar para la fotosíntesis, la SIF puede utilizarse para determinar la actividad fotosintética y la productividad de una planta.
«La intensidad de la SIF parece estar muy correlacionada con la productividad total de la planta», afirma el científico del JPL Christian Frankenberg, responsable del producto SIF, quien se incorporará al cuerpo docente de Caltech en septiembre como profesor asociado de ciencia e ingeniería ambientales en la División de Ciencias Geológicas y Planetarias.
Por lo general, cuando los investigadores intentan estimar la actividad fotosintética a partir de satélites, utilizan una medida llamada índice de verdor, que emplea los reflejos en el espectro del infrarrojo cercano para determinar la cantidad de clorofila de la planta. Sin embargo, no es una medición directa de la productividad vegetal: una planta que contiene clorofila no necesariamente está realizando la fotosíntesis. «Por ejemplo —dice Frankenberg—, los árboles perennes son verdes en invierno, incluso cuando están inactivos».
Añade: «Cuando una planta empieza a sufrir situaciones de estrés, como ocurre en California durante un día de verano en que hace mucho calor y está muy seco, las plantas siguen teniendo clorofila» —clorofila que seguiría apareciendo activa en el índice de verdor—, «pero suelen cerrar los diminutos poros de sus hojas para reducir la pérdida de agua, y es también durante ese periodo de estrés cuando disminuye la SIF. Así, la fotosíntesis se reduce mucho al mismo tiempo que la señal de fluorescencia se debilita, aunque a un ritmo menor».
El equipo de Caltech y el JPL, junto con colegas de NASA Goddard, descubrió que podía medir la SIF desde la órbita mediante espectrómetros —instrumentos estándar que detectan la intensidad de la luz— ya instalados en satélites como el Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) de Japón y el OCO-2 de la NASA.
En 2014, aplicando esta nueva técnica a datos de GOSAT y del satélite europeo Global Ozone Monitoring Experiment–2, los investigadores examinaron el planeta en busca de las plantas más productivas y determinaron que el «cinturón del maíz» de Estados Unidos —la región agrícola que se extiende de Ohio a Nebraska— es el lugar con mayor actividad fotosintética del planeta. Aunque es lógico que un maizal durante la temporada de cultivo realice activamente la fotosíntesis, las mediciones de alta resolución de un satélite permitieron compararlo a escala mundial con otras regiones con abundante vegetación, como las selvas tropicales.
«Antes, cuando se utilizaba el índice de verdor para representar la fotosíntesis activa, era difícil determinar la productividad de zonas con vegetación muy densa, como los bosques o los maizales. Cuando hay suficiente material vegetal verde en el campo de visión, estos índices pueden saturarse: alcanzan un valor máximo que no pueden superar», afirma Frankenberg. Gracias a la sensibilidad de las mediciones de SIF, los investigadores ahora pueden comparar la productividad real de campos de distintas regiones sin que se produzca esa saturación; esta información podría utilizarse para comparar la eficiencia de las prácticas agrícolas de todo el mundo.
Ahora que el OCO-2 está operativo y genera datos, Frankenberg afirma que puede alcanzar una resolución mayor que la de los experimentos preliminares con GOSAT. Por tanto, el OCO-2 podrá ofrecer una imagen aún más clara de la productividad vegetal en todo el mundo. Sin embargo, para obtener información más específica sobre cómo influyen las plantas en el ciclo global del carbono, se necesitará una red terrestre de espectrómetros distribuida uniformemente. Una red de este tipo —situada entre las plantas, en lugar de a kilómetros de altura— proporcionará más información sobre la absorción regional de dióxido de carbono mediante la fotosíntesis y sobre el vínculo mecanístico entre la SIF y el intercambio real de carbono.
Una red existente, llamada FLUXNET, utiliza torres terrestres para medir, en más de 600 lugares de todo el mundo, el intercambio de dióxido de carbono —o flujo de carbono— entre la tierra y la atmósfera. Sin embargo, las torres solo miden el intercambio de dióxido de carbono y no pueden observar directamente las actividades de la biosfera que lo impulsan.
Idealmente, las nuevas mediciones terrestres se realizarán en sitios existentes de FLUXNET, pero se llevarán a cabo con un pequeño conjunto de espectrómetros de alta resolución —similares a los que utiliza el OCO-2— para que los investigadores puedan aplicar los mismos principios de medición que desarrollaron para el espacio. La renovación de la red terrestre se propuso inicialmente en un taller celebrado en 2012 en el Keck Institute for Space Studies y se espera que entre en funcionamiento en algún momento de los próximos dos años.
En el futuro, una imagen clara de la productividad vegetal mundial podría influir en diversas decisiones pertinentes para agricultores, comerciantes de materias primas y responsables de políticas públicas. «En este momento, los datos de SIF que podemos recopilar desde el espacio ofrecen una imagen demasiado general como para ser realmente útiles en estas conversaciones, pero, en principio, con las mediciones satelitales y terrestres se podría rastrear la fluorescencia de los campos a distintas horas del día», afirma. Este seguimiento por hora no solo permitiría a los investigadores detectar la productividad de las plantas, sino también identificar las primeras señales de estrés vegetal, un factor que afecta a los precios de los cultivos y a la seguridad alimentaria en todo el mundo.
«Las mediciones de SIF del OCO-2 amplían considerablemente el alcance científico de esta misión», afirma Paul Wennberg, profesor R. Stanton Avery de Química Atmosférica y Ciencia e Ingeniería Ambientales, director del Ronald and Maxine Linde Center for Global Environmental Science y miembro del equipo científico del OCO-2. «El OCO-2 se diseñó para cartografiar el dióxido de carbono, y los científicos planean utilizar estas mediciones para determinar las fuentes y los sumideros subyacentes de este importante gas. Las nuevas mediciones de SIF nos permitirán diagnosticar la eficiencia de las plantas, un componente clave de los sumideros de dióxido de carbono».
Al utilizar el OCO-2 para diagnosticar la actividad vegetal en todo el planeta, esta nueva investigación también podría contribuir a comprender la variabilidad de la productividad primaria de los cultivos y, más adelante, al desarrollo de tecnologías que mejoren su eficiencia, un objetivo que podría beneficiar enormemente a la humanidad, afirma Frankenberg.
Este proyecto está financiado por el Keck Institute for Space Studies y el JPL. Wennberg también es funcionario ejecutivo del programa de Ciencia e Ingeniería Ambientales (ESE). ESE es un programa conjunto de la División de Ingeniería y Ciencias Aplicadas, la División de Química e Ingeniería Química y la División de Ciencias Geológicas y Planetarias.
Este artículo se publica en colaboración con Caltech. La publicación no implica que el Foro Económico Mundial respalde las opiniones expresadas.
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Autora: Jessica Stoller-Conrad es redactora colaboradora de Caltech.
Imagen: El sol está a punto de salir sobre el océano Pacífico Sur en esta colorida escena fotografiada por uno de los miembros de la tripulación de la Expedición 35 a bordo de la Estación Espacial Internacional, en órbita alrededor de la Tierra, entre las 4 y las 5 a. m., hora local, del 5 de mayo de 2013, y publicada el 9 de mayo de 2013. NASA/Handout vía Reuters.
