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Todos los organismos vivos deben llevar a cabo una serie de funciones básicas para mantenerse. Uno de estos procesos implica el transporte de materiales a través del organismo. Por lo tanto, los organismos necesitan intercambiar materiales con el medio ambiente, lo que se puede ver en la pequeña escala de las células que transportan proteínas y otros materiales entre sí o en una escala mayor, como el ciclo del agua, donde el agua se mueve continuamente sobre, por encima y por debajo de la superficie de la Tierra. En ambos ejemplos, el movimiento de materiales de un área a otra es un proceso dinámico regulado por variables ambientales y biológicas.
Las plantas vasculares, desde los helechos más pequeños hasta las secuoyas gigantes de California, transportan el agua y los materiales solubles en agua a través de la planta mediante un sistema de haces de tejidos vasculares que van desde las raíces hasta las puntas de la planta. Específicamente, el agua y los nutrientes son absorbidos por los pelos de la raíz y transferidos por ósmosis al xilema de la planta, uno de los dos grandes sistemas vasculares que se encuentran en las plantas. A continuación, el agua se transporta al punto más alto de la planta y hacia el exterior, hacia las hojas, donde tiene lugar la fotosíntesis. Curiosamente, solo el 1% del agua absorbida por las plantas se utiliza para la fotosíntesis. El otro 99% del agua no es utilizada directamente por la planta y se pierde de la planta debido a la evaporación o gutación, también conocida como transpiración. La evaporación es el movimiento del agua al aire, donde la gutación se refiere específicamente a la secreción de gotas de agua de los poros de las plantas. Ambos procesos combinados conforman la transpiración en las plantas.
Las hojas de las plantas juegan un papel importante en la liberación de los subproductos de la fotosíntesis a través de sus estomas, que son aberturas que permiten el intercambio de materiales entre la planta y la atmósfera. Los estomas están bordeados por células protectoras, que regulan cuándo se abren y cierran los estomas. Este es el sitio activo donde se pierde la mayor parte del agua debido a la evaporación, así como el sitio donde se intercambian gases con la atmósfera. Aunque en un principio pueda parecer una mala estrategia que una planta pierda agua debido a la evaporación, es inevitable para mantener el transporte de materiales y agua en la planta al tiempo que se maximiza el aporte de gas. La transpiración crea una menor concentración de agua, por lo tanto, un menor potencial osmótico en la hoja. Estas diferencias en la concentración de agua son responsables de impulsar el movimiento del agua hacia las hojas de la planta y también de liberar agua a la atmósfera.
El potencial hídrico impulsa la absorción de agua desde los pelos de la raíz y también en el transporte de agua a las puntas de las hojas. El potencial hídrico es la medida de la energía libre del agua, donde las moléculas de agua se mueven de las áreas de mayor potencial hídrico a las áreas de menor potencial hídrico. Cuando la evaporación es alta en las hojas, esto crea áreas con menor potencial de agua, o áreas con menos agua, por lo que el agua de las raíces y el tallo se dirige a las hojas. Las propiedades de cohesión y adhesión de las moléculas de agua permiten este movimiento del agua. La cohesión es la atracción de las moléculas de agua entre sí y la adhesión es la atracción de las moléculas de agua a otros materiales, como las paredes del xilema. Cuando las moléculas de agua salen a través de los estomas, arrastran las moléculas de agua por debajo, lo que hace que el agua se mueva hacia un potencial hídrico más bajo.
Las especies de plantas difieren ampliamente en sus características físicas, así como en su morfología y funciones en el ecosistema. Estas diferencias entre las especies de plantas y también las similitudes entre especies de plantas lejanamente relacionadas se moldean a lo largo del tiempo a través de la evolución y, más específicamente, por la selección impuesta por herbívoros, polinizadores y otros factores climáticos y ambientales. Por lo tanto, las diferencias en las tasas de transpiración están influenciadas tanto por el medio ambiente como por la especie de planta en sí. El principal factor ambiental que impulsa la tasa de transpiración es la temperatura. Las temperaturas más altas aumentan la tasa de transpiración porque el agua se pierde por evaporación más rápidamente. Las plantas que viven en ambientes cálidos son propensas a perder más agua que las plantas ubicadas en climas más fríos. Factores como la disponibilidad de agua, el viento, la luz solar y otros también ayudan a influir en la tasa de transpiración en las plantas.
Las plantas que viven en ambientes cálidos y áridos tienen adaptaciones específicas que les ayudan a controlar la pérdida de agua, como la capacidad de almacenar o conservar agua. Un grupo de plantas en estos ambientes, también conocidas como plantas de metabolismo ácido crasuláceo o CAM, han desarrollado estrategias, como abrir sus estomas solo para el intercambio de gases durante la noche con el fin de reducir la pérdida de agua1. Algunas otras características de las plantas específicas de los ambientes áridos incluyen una superficie foliar reducida, menos estomas o tener pelos en sus hojas para conservar el agua. Sin embargo, existe una compensación entre limitar la pérdida de agua y tener una tasa óptima de transpiración necesaria para la fotosíntesis. La tasa de fotosíntesis se relaciona con la tasa de crecimiento y adquisición de energía de una planta, que está relacionada con la tasa de ingesta y pérdida de agua, por lo que es extremadamente importante que las plantas puedan equilibrar esta compensación. Por otro lado, en entornos donde el agua no es un recurso limitante, como las selvas tropicales, las plantas se enfrentan a diferentes presiones selectivas que impulsan diferencias en las tasas de transpiración. En estos entornos, la selección natural puede favorecer a las especies de plantas que pueden transportar agua más rápidamente para superar a sus vecinas competidoras o crecer lo suficientemente alto como para evitar ser devoradas por los herbívoros.
Las tasas de transpiración se pueden evaluar indirectamente mediante el uso de un potómetro, que es un dispositivo que mide la tasa de absorción de agua de una planta frondosa. La suposición de la medición del potómetro es que la transpiración causará la absorción de agua, cuya cantidad se puede cuantificar. Además, los científicos pueden determinar las tasas relativas de transpiración de las plantas mediante la observación de las estructuras de las hojas, como el tamaño y el número de estomas por unidad de área.
El examen de las tasas de transpiración de las plantas puede enseñarnos no solo cómo las plantas se adaptan a diferentes entornos, sino que también puede proporcionar información sobre la mejor manera de cultivar cultivos en diferentes condiciones ambientales para aumentar la producción de alimentos y ajustar nuestro uso de las plantas para adaptarnos al cambio climático global y al crecimiento de la población. Por ejemplo, las tasas de transpiración se ven alteradas por el calentamiento global y otras causas y pueden afectar el ciclo global del agua, que a su vez puede afectar a los ecosistemas, así como a las poblaciones humanas2. Por lo tanto, sería necesario comprender estos cambios para desarrollar estrategias que remedien sus efectos negativos. Además, el estudio de las tasas de transpiración de diferentes cultivos puede ayudar a identificar cultivos con alta eficiencia en el uso del agua para aumentar la producción de alimentos por unidad de agua y reducir la necesidad de riego3.
Las plantas se encuentran en casi todos los ecosistemas del mundo, desde los desiertos hasta los bosques templados y hasta el fondo del mar. Como consecuencia de la selección natural, las plantas han desarrollado una asombrosa diversidad de adaptaciones para hacer frente a diferentes desafíos ambientales. Uno de los principales retos a los que se enfrentan las plantas es mantener una hidratación adecuada. El agua es un recurso crítico del que dependen para la fotosíntesis, el soporte estructural y el transporte de nutrientes y otras moléculas importantes. Una forma en que las plantas pueden controlar su equilibrio hídrico es mediante la regulación de un proceso conocido como transpiración, que es esencialmente la evaporación del agua de las partes aéreas de una planta. Esta pérdida de agua se produce principalmente a partir de los poros de las hojas llamados estomas. Pero, ¿cómo llega el agua hasta aquí?
Para responder a esta pregunta, miremos más de cerca bajo tierra. Aquí, el agua ingresa a las raíces de las plantas por ósmosis, luego se mueve hasta las hojas a través de un tejido vascular llamado xilema. Este canal de agua se conoce como corriente de transpiración. Debido a que las moléculas de agua se adhieren entre sí y a las paredes del xilema, cuando se evapora de los estomas, el agua de la parte inferior de la corriente de transpiración es empujada hacia arriba para ocupar su lugar, lo que resulta en un flujo ascendente desde las raíces. Ahora echemos un vistazo más de cerca a un estoma. Cada poro estomatoso está bordeado por dos células protectoras que pueden expandirse para abrir el poro y contraerse para cerrarlo. Las plantas abren sus estomas para absorber dióxido de carbono para la fotosíntesis y para liberar oxígeno gaseoso. La pérdida de agua a través de la transpiración es un efecto secundario inevitable de este proceso.
Esta disyuntiva presenta un desafío particular para las plantas que viven en ambientes áridos, por lo que han desarrollado estrategias para reducir su pérdida de agua tanto como sea posible. Una forma en que pueden hacer esto es cultivando hojas con áreas de superficie pequeñas, presentando una área pequeña sobre la cual puede ocurrir la transpiración. Es por eso que las hojas de las plantas del desierto como la creosota son relativamente pequeñas. Pero yendo un paso más allá, las plantas de ambientes áridos también tienen menos estomas por unidad de área en sus hojas, lo que les permite minimizar la pérdida de agua a través de la transpiración.
Por el contrario, las plantas que habitan en ambientes con abundante agua, como las selvas tropicales, pueden permitirse perder mucha agua a través de la transpiración. Plantas como este taro, por ejemplo, a menudo desarrollan hojas con grandes superficies que aumentan su capacidad de interceptar la luz para alimentar la fotosíntesis. Estas plantas también tienen una alta densidad de estomas en comparación con las plantas de hábitats áridos, lo que les permite mantener altas tasas de fotosíntesis y soportar hojas y tallos grandes.
En este laboratorio, medirá las tasas de transpiración y examinará la frecuencia de los estomas foliares en diversas especies de plantas para revelar cómo las plantas de diferentes hábitats resuelven el problema de regular la transpiración.
